地震学中的 暗物质 资料

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1、地震学中的“暗物质” “静地震”与地震预测研究的未来3 吴忠良 (中国地震局地球物理研究所,北京,100081) 摘 要 正如暗物质的研究是理论物理学和宇宙学中的一个关键性问题,静地震的研究也 将为地震预测研究的发展提供一个历史性的机遇。 关键词 静地震;地震预测;地震观测;形变观测 “静地震”是指发生了缓慢的位错(即地 震矩不为零)、却几乎没有地震波辐射(即地震 辐射能量几乎为零)的“地震” 。静地震与蠕变 现象相似;但就时间过程来说, 静地震比地球 介质的蠕变快得多;从空间尺度来说,静地震 不同于分布在较大的空间范围内的蠕变,而更 像是一次“地震” 。历史上,也曾经将静地震称 为慢地震。但

2、有一段时间,人们也把震源时间 函数的持续时间较长、地震波的长周期成分较 强、通常与海啸联系在一起的地震称为“慢地 震”(例如, Kanamori and Kikuchi, 1993),这 样,区分慢地震(slow earthquakes)和静地震 (silent earthquakes或quiet earthquakes)就显 得非常必要了。 按照贝罗扎和乔丹(Beroza and Jordan,1990)的说法,位错速度的数量级为 km?s的属于通常的地震,位错速度的数量级 为100 m?s的属于慢地震,位错速度的数量级 为10m?s的属于静地震,而位错速度的数量级 低于1 m?s的则属于蠕

3、变。 静地震并不是地震学中一个新的发现。中 国古代的地震历史文献中早有关于静地震的描 述。 华州志记载, 1556年1月23日陕西华 县8级大地震前,“十二日哺时,觉地旋运,因 而头晕”,在地震前数小时发生了缓慢的地面运 动(转引自张国民等, 2001)。 在现代地震学中, 对静地震的观测和研究至少可以追溯到20世 纪70年代(Sacks et al . , 1978)。 静地震问题在 地震预测研究中长期以来没有引起特别广泛的 重视,主要有三方面的原因。一是观测和数据 方面的限制。直至20世纪80年代,甚宽频带 (VBB)地震波形资料还没有受到特别广泛的 注意。迄今在中国的地震学研究中,仍很少

4、使 用VBB数据。数字化的、便于进行滤波处理的 形变测量资料,是80年代以后才开始得到广泛 应用的。迄今关于静地震的各种观测和研究结 果,不一致之处仍有很多。观测条件的限制使 对静地震的研究很难广泛地和深入地开展起 来。二是地震预测研究与地震学和大地测量研 究的结合仍显不够。事实上,在地壳形变的观 测研究中,人们早就注意到一些被称为“断层 运动短周期事件”的现象(Gladw in et al . , 1994;周硕愚等,1996),这里“短周期”的 “短”,是相对于地壳形变的时间尺度而言的,与 地震的过程相比,这些“短”周期事件的特征 时间尺度则显得很“长” 。但是长期以来,在地 震预测研究中

5、,似乎并未深究静地震的意义,而 仅仅是从地震预测的角度,把静地震作为一种 可能的地震前兆。在一些情况下,一些形变观 测简单地将这些持续时间较短的信号作为一种 来源不明的干扰。三是静地震的力学机制在理 论 上还一直存在争议(Crescentini et al . , 1999),断层运动在什么情况下是以蠕变的方式 1 中国地震局地球物理研究所论著: 01AC2036;国家自然 科学基金NSFDYS49725410和国家科技部G1998040705资 助项目。 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserve

6、d. 实现的,在什么情况下是以静地震的方式实现 的,在什么情况下可以发展成为一种位错速度 很快的破裂,这是一个尚未解决的问题。这个 问题,在理论上与目前讨论较多的地震破裂的 集结(nucleation)问题有很多共同之处。值得 指出的是,正如天文观测的发展使暗物质的研 究逐步成为可能,现代地震观测技术和地壳形 变观测技术的进步也逐步使静地震的研究成为 地震预测研究中一个重要的发展方向。 近年来越来越多的观测和研究表明,静地 震在地震预测研究中具有深刻的意义。佩列桑 等(Peresan st al . , 1999)曾用CN方法这 是由俄罗斯科学院国际地震预测理论与数学地 球物理研究所发展起来的

7、一种地震预测方法, 这一方法使用模式识别技术,通过地震活动性 的 研究来判断地震发生的“概率增加时段” (T IP)对意大利北部进行地震预测试验。 在所划定的“地震危险时段”中大多有地震发 生,但在1972到1976年的一段 “危险时段” 并 没有地震发生。按照传统的观点,这种情形应 该属于“虚报” 。然而从1973年开始,在意大 利北部的里雅斯特附近的倾斜仪上记录到明显 的静地震信号,这表明这段时间的异常不是与 地震、而是与静地震联系在一起的;或者可以 说,所观测到的地震学前兆异常的确反映了震 源区应力场的某种变化,但应变的释放不是通 过地震,而是通过静地震实现的。静地震作为 地震“家族”的

8、一员,在整个地震序列的动力 学中具有不可忽视的作用。川崎等(Kaw asaki et al . , 2001)在日本海沟地震的研究中, 同时 考虑了地震和静地震的作用,把 “地震空区” 的 概念推广为“矩释放空区” 。静地震在地震前兆 的检验中也同样具有重要意义。在对地震预测 研究的负面评价中,一个重要的论点是,从统 计检验的角度说,迄今所有的地震前兆,其成 功率都十分有限(Geller et al . , 1997)。这一论 证的一个结构性的缺陷,是没有考虑不同类型 的地震之间的区别,一个极端的情况,则是没 有考虑静地震的存在。设想静地震或地震作为 “前震” 总是存在的实际上,在很多地震之

9、前,的确发现存在作为“前震”的静地震,只 是在不同的研究领域其名称不同(例如周硕愚、 陈子林,1993),则我们有四种可能(吴忠良, 2000): (A)地震前震地震主震 ; ( B)静地震 前震地震主震 ; ( C)地震前震静地震主震; (D)静地震前震静地震主震。在传统的地震 预测研究中,我们通常将情况(B)作为“漏 报”,而将(C)作为“虚报” 。在不知道(A)、 (B)、(C)三种情形的相对权重的情况下,一个 方便的选择是假定这三种情况出现的概率相 等。这样,即使前震是百分之百地存在的,由 前震信息所进行的地震预测,也最多只有1?3 的成功率。如果前震不是百分之百地存在,则 情况将会更

10、复杂。前面的这段讨论当然不能作 为目前地震预测的成功率普遍低于30%、且很 难提高的原因的说明。然而一个值得注意的问 题是,在地震危险性分析和地震预测中,通过 地震活动性来判断未来地震的趋势是一个重要 的方法,地震目录分析是地震预测的地震学方 法中的一个“常规武器” 。但现在我们手中所有 的,仅仅是一个“残缺不全的”地震目录。如 同在宇宙学中我们通过电磁相互作用“看”不 到暗物质,在地震学中通过传统的地震观测我 们也“看”不到静地震。另一方面,正如在宇 宙学中暗物质对于宇宙的整体性质具有决定性 的意义,在地震学中静地震的性质也在相当程 度上决定了地震序列的动力学。例如,近年来, “应力触发”

11、问题的研究开始引起越来越多的重 视(例如, Harris, 1998; Stein, 1999)。地震 的发生和静地震的发生都能通过改变库仑破裂 应力(CFS)“触发”或者“抑制”另一次地震 的发生。然而在静地震的分布和性质未知的情 况下,单纯从地震的分布和震源机制计算得到 的CFS的变化图像,肯定是不完整的。原则上 讲,由此而带来的结果的偏差远大于由地壳结 构和震源过程的细节所带来的偏差。一些观测 证据表明,在一些地震之后,作为“余震”的 静地震几乎是一个普遍现象(Takai et al . , 1999; Reilinger et al . , 2000; Buergmann et al

12、. , 2001)。这一点从地震力学来说并非不可 2 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 理解,但是注意到这一现象,我们就不得不重 新考虑地震预测研究中常用的“余震爆发图 像” 。当然,不能说有了静地震的目录就一定可 以解决地震预测问题。但静地震迄今还没有进 入地震预测研究的视野,毕竟是我们目前的地 震预测研究的一个重要的局限。 现在,地震观测技术的发展和地震学与大 地测量研究的结合,已经开始为突破这一局限 提供了必要的条件。近年来,关于静地震的报 道越来越多,关于静地震性质的研究也愈加

13、深 入和细致。静地震研究的主要观测手段是形变 ? 应变观测。最初的关于静地震的系统研究,就 是通过应变仪进行的(Sacks et al . , 1978)。目 前通过形变观测,已经可以记录到比较完整的 静地震序列(L inde et al . , 1996; Crescentini et al . ,1999), 并通过静地震参数的标度关系 (scaling)的研究来约束静地震的动力学模型。 值得注意的是,甚宽频带地震观测技术的发展, 已经开始在一定程度上模糊了形变观测和地震 观测之间的界限。利用甚宽频带地震观测资料 进行静地震的研究,将成为一个重要的发展方 向。此外,还有一些报道,用长周期地

14、震资料 研究地震之前的(可能是作为“前震”的)静 地震(Jordan, 1991; Ihm le et al . , 1993; Ihm le and Jordan, 1994; M cGuire et al . , 1996),不 过对这方面的工作还有争议(Kedar et al . , 1994; A bercrombie and Ekstroem , 2001)。累 积地震矩释放和形变测量资料的比较表明,在 所能探测到的地壳形变中,通过地震实现的形 变仅占全部形变的不大的一部分(例如W ard, 1998a, b)。关于这一点有不同的解释, 但一个 值得思考的问题是在全部的形变中,地震、

15、静 地震和蠕变各自占有多大的份额。此外,静地 震的分布具有怎样的特征,也是一个值得研究 的问题。从目前的观测证据上看,似乎可以猜 想,静地震的分布满足古登堡2里克特关系,其 中b值约为1。 目前关于静地震,有很多研究工作亟待开 展。其中比较重要的两个方面,一是进行静地 震的形变观测和地震观测,并在一些重点地区, 通过比较系统的观测,构造比较完整的静地震 目录;二是静地震在地震预测研究中的应用,即 通过若干静地震与地震的“震例”的总结,从 静地震的角度重新考察一下我们以往比较熟悉 的地震前兆的一些特征。此外,静地震的动力 学问题的理论和实验研究具有重要的基础性的 意义,这也是无可质疑的。静地震的

16、研究,也 许可以作为我们在21世纪向地震预测问题发 起的一个新的冲击。 本文内容曾在中国地震局科技委会议上报 告。作者感谢陈运泰院士的指导。与张国民教 授、周硕愚教授、杨军教授的讨论使作者受到 很大启发。 参 考 文 献 1 A bercrombie R E, Ekstroem G.Earthquake slip on oceanic transform faults . N ature, 2001, 410: 7477 2 Beroza G C, Jordan T H.Searching for slow and silent earthquakes using free oscillations . J Geophys Res, 1990, 95: 24852510 3 Buergmann R, KoganM G, L evin V E, et al . Rapid aseism icmoment release follow ing the 5December, 1997 Kronotsky, Kamchatka, ear