自然電場法預測地震

前言

　　1.地震預測預報　　1966年邢臺地震后，周恩來總理多次親臨地震現(xiàn)場，向地震工作者作出了“希望在你們這一代能解決地震預報問題”的重要指示。1970年1月5日我國云南通海發(fā)生7.8級大地震，震情迅速報告給周恩來總理，周總理當即指示地震部門：“要密切注視，地震是有前兆的，是可以預測的，可以預防的，要解決這個問題……”　　在周總理指示精神的鼓舞下，地震科技工作者經(jīng)過長期艱苦探索，積累了大量的地震前兆觀測資料和一系列震例經(jīng)驗，并通過對孕震過程中地震前兆的監(jiān)測和分析研究，取得了多次成功預報的實例，如海城地震、松潘地震、鹽源地震、龍陵地震都作出了成功預報。甘肅省文縣地震局在2000年至2003年，預報了四川甘孜6.0級地震、四川鹽源5.0級地震、云南大姚6.2級地震、青海昆侖山口西8.1級地震。另外，新疆和碩5.0級地震、云南麗江7.0級地震、云南孟連7.3級地震都觀測到自然電位異常。　　胡錦濤總書記在2008年6月23日中國科學院中國工程院院士大會上的講話中專門講了防災減災問題。胡總書記指出：“我們必須把自然災害預測預報工作作為關系經(jīng)濟社會發(fā)展全局的一項重大工作進一步抓緊抓好。一是要加強對自然災害孕育、發(fā)生、發(fā)展、演變、時空分布等規(guī)律和致災機理的研究，為科學預測和預防自然災害提供理論依據(jù)；二是要加強自然災害監(jiān)測和預警能力建設，在完善有氣象、水文、地震、海洋、環(huán)境等監(jiān)測站網(wǎng)的基礎上，增加監(jiān)測密度，提升監(jiān)測水平，構建自然災害立體監(jiān)測體系，建立災害監(jiān)測-研究-預警預報網(wǎng)絡體系?！薄　『\濤總書記的重要講話給我們的地震預測研究工作指明了方向?！　∧壳暗卣鹩^測臺站地震儀所記錄到的異常曲線，對于確定地震發(fā)生的時間、地點、深度、強度是有效的，但它未能提前作出預報?！　庥行┑卣鸬刭|工作者認為地震不可能預測，是因為他們對于地球物理場的了解不那么清楚，對于地下水和自然電位臨震異常場之間的關系尚未進行深入研究。地震（地質）工作者，對地震有關的地質現(xiàn)象進行研究，但由于地震前后地下所發(fā)生的情況看不見、摸不著，地震周期比較長，各個地震區(qū)的地質情況多變復雜，因此，地震預測預報成為世界性科學難題，至今尚未解決?！　?.地球物理異常場　　仇勇海同志對地球物理勘探中的自然電場法進行了長期、深入的研究。1989年，仇勇海率領大學本科生，曾對與地震預報有關的“土地電”機理進行了初步探索，1995年發(fā)表了兩篇有關自然電位與地震預測的論文。1995年7月22日甘肅永登發(fā)生5.8級地震以后，在甘肅白銀有色金屬公司地質隊現(xiàn)場進行了自然電位預測地震的觀測工作?！　≈袊呀?jīng)積累的地震資料比任何國家都豐富，把這些寶貴的地震資料開發(fā)并利用起來，建立具有中國特色的地震學、地形變、地下水、自然電位、地應力綜合預測預報觀測系統(tǒng)，完全可能解決地震預測預警預報問題?！　≡诘厍蛭锢砜碧街?，由于磁黃鐵礦、磁鐵礦含有磁性，因此，可以采用磁法勘探方法來尋找這一類磁性礦體；磁力儀，實質上是一個高靈敏度的磁秤，在磁性地質體產(chǎn)生磁場的作用下，磁針就發(fā)生偏轉，我們可以從磁針的偏轉程度確定磁異常，從而解決地下磁性地質體的埋深、規(guī)模及產(chǎn)狀等問題?！　∮捎阝佽F礦密度比較高，而石棉礦的密度比較低，因此，利用勘探對象與圍巖的密度差異，采用重力勘探可以尋找鈦鐵礦、石棉礦。由于重力異常中蘊含著較多的地質內容，這一特點使重力資料在地質工作中得到廣泛的應用，特別是對于了解鉆探所達不到的深部地殼結構，重力資料具有特殊的意義。結晶基巖的密度通常為2.7～2.8ｇ／ｃｍ3，而沉積巖的密度為2.5～2.7ｇ／ｃｍ3。在基底密度較為均勻的條件下，根據(jù)重力資料可以圈定基底的隆起或坳陷。我國的松遼盆地、華北平原覆蓋層的厚度都可以通過重力異常來確定?！　Ь€中靠電子移動傳導電流，只要導線兩端存在電位差，在接通電源的一瞬間，導線中就產(chǎn)生了傳導電流。由于金屬硫化礦（半導體）的導電性良好，所以采用電法勘探中的激發(fā)極化法或電阻率法，可以尋找多金屬硫化礦體。巖石孔隙、裂隙中的水溶液是離子導體，當斷　　層破碎帶中地下水含量比較豐富時，也可以產(chǎn)生電阻率法低阻異常?！　≡诘刭|找礦中，特別是尋找覆蓋層下的隱伏礦體，對于地質人員來說，同樣是非常困難的。地下礦體看不見、摸不著，但是采用上述地球物理勘探方法，通過地球物理場的觀測，完全有可能解決覆蓋層下隱伏礦體的找礦問題?！　〉卣鸬厍蛭锢砉ぷ髡?，則是通過地球物理場的研究分析來預測預報地震?！　?jù)有關報道，汶川地震后形成的斷裂破碎帶長度達到300ｋｍ，深度有30ｋｍ，局部地形最大高差可以達到正負5ｍ，相對于從地表到地下幾十公里的地殼深處所有的密度不均勻體產(chǎn)生的重力異常而言，地震發(fā)生前后重力異常的變化實在太小了。唐山、海城等許多地震資料已經(jīng)說明，由于地形形變產(chǎn)生的重力異常不過幾十納特，因地形變化產(chǎn)生的磁異常不過幾十納特，電阻率法在地震發(fā)生以前，通常情況下沒有觀測到明顯的臨震異常?！　〉卣痤A測的實踐已經(jīng)證明，從地球物理探礦方法中移植到地震預測中的重力、地磁、電阻率等前兆觀測方法，在地震發(fā)生以前并沒有獲得具有臨震意義的異常，主要原因是地震發(fā)生以前地下巖石的“密度”、“磁性”、“電阻率”等巖石物理性質沒有發(fā)生質的變化，而數(shù)量上的變化也極其微弱。因此，采用重力、地磁、電阻率等前兆方法來預測地震，仍然是相當困難的。能否取得比較好的效果，需要看在發(fā)生地震前后巖石是否存在顯著的物理性質差異?！　?.自然電場法　　地球物理勘探中的自然電場法是最簡單的物探方法。自然電場法不需要供電，采用導線把兩個不極化電極、電位差計連接起來，就可以觀測到由于地下水遷移而產(chǎn)生的自然電位異常?！　≡诘責豳Y源的勘探中自然電場法已經(jīng)得到成功應用，地熱田正負異常中心相距8ｋｍ，說明異常源的深度是比較大的，在熱泉上方觀測到正自然電位異常?！　∥覈刭|學家李四光先生生前非常關心地震預報問題，發(fā)表了一系列講話，他始終認為地震是可以預測預報的?！　〉厍蛭锢砜碧降睦锨拜咁櫣⑾壬茉缇椭赋?，在微弱應力作用下，地下水就要發(fā)生遷移。實踐已經(jīng)證明，幾乎每次地震都有強烈的地下水活動?！　‖F(xiàn)代深部鉆探已經(jīng)達到12ｋｍ，證明深部有地下水。地震通常發(fā)生在深大斷裂帶或其附 近，因為深大斷裂帶的巖石比較破碎，并且充滿了地下水?！　。?）雙電層形變形成流動電位?！　〗^大部分巖石具有負膠體性質。巖石表面吸附負離子，構成了緊密雙電層，而正離子分布在擴散雙電層中。地下水通過具有負膠體性質的巖石顆粒時，固液相界面的雙電層發(fā)生形變，分布在擴散雙電層中的正水化離子發(fā)生位移，形成了一個個微電偶極子，無數(shù)的電偶極子微電場疊加的結果，形成了流動電位。對于微裂隙、孔隙而言，其固相可以看作許多巖石顆粒的集合體，因而地下水的遷移，使得固相表面分散層中的正水化離子位移，同樣形成了無數(shù)的電偶極子?！　≌鐚Ь€傳導電流那樣，由于電子導體中有無數(shù)的自由電子，只要導線兩端存在電位差，那么接通電源的瞬間就產(chǎn)生了傳導電流，并不是導體一端的自由電子移動到導體的另一端；在裂隙、孔隙中的地下水，只要存在水的壓力差，無數(shù)條無限長的地下水“管道”中的離子導體要定向遷移，因而，人們在地面觀測到的脈沖自然電位臨震異常，是地下水受微弱應力作用的結果。地下水在微弱應力作用下發(fā)生遷移，地表觀測到的臨震自然電位異常與深部微弱應力變化密切相關。所以，自然電位臨震異常靈敏度特別高?！　。?）巖層局部破裂或構造力變化使巖層發(fā)生彈性回跳?！　〉貧の镔|和其物理性質研究結果表明，在地下5～10ｋｍ的地方，圍壓為1.3～2.7ｋＰａ，溫度為200～350℃。在地下幾公里深度的地下水，在構造壓力的作用下，該深度上的地下水可以通過裂隙流向地表。　　地震中彈性回跳學說的基本概念是：由于地殼的運動，使得巖層中積累應力，產(chǎn)生形變。在高溫、高壓的情況下，巖石已經(jīng)不像在地表那樣容易破碎，而成為半柔性物質。在地震孕育初期，巖塊、巖層發(fā)生彈性形變，就是當應力去掉時，物體立即恢復它原來的形狀和大小。每個物體都有一個應力極限，稱為彈性極限，在此極限內，形變與應力成正比?！　‘攺椥詰Ψe累到超過巖石的強度時，巖塊、巖層就會發(fā)生破裂。這時，受力形變的巖塊、巖層迅速彈回平衡位置，地層中積累的能量以彈性波形式釋放出來，引起地殼振動，可見，是斷裂錯動引起了地震。　　地層中積累的能量以彈性波形式釋放出來，并不是一次完成的。當彈性應力積累到足夠高的強度，但是還沒有超過巖石的全面破裂強度時，由于在某種因素的作用下，巖層發(fā)生局部破裂或者外力（構造力）發(fā)生變化。巖塊、巖層局部破裂或在外力減小的情況下，巖塊、巖層中積累的應力釋放出一部分，發(fā)生彈性回跳，在該情況下，對地震比較敏感的地應力、地下水位、自然電位等地震前兆物理觀測參數(shù)就會發(fā)生急劇變化，因此，人們可以在地震發(fā)生之前觀測到一大二跳脈沖形狀的地應力、地下水位、自然電位臨震異常曲線?！　。?）地下水強烈活動誘發(fā)地震。　　距廣東省河源市僅6ｋｍ的新豐江水庫大壩高124ｍ，1959年開始蓄水，1962年3月19日發(fā)生6.1級地震（水位高110.5ｍ），震中位置在大壩下游1.1ｋｍ，震源深度約5ｋｍ。1967年12月11日，印度的柯依納水庫發(fā)生6.5級地震，水庫大壩高103ｍ，震中位置在大壩南3ｋｍ，震源深度約5ｋｍ，1962年開始蓄水后已經(jīng)發(fā)生450次地震。贊比亞卡里巴水庫1963年發(fā)生6.1級地震。希臘克里馬斯塔水庫1966年發(fā)生6.3級地震?！　∠虻叵伦⑺l(fā)的地震，被稱為注水地震。20世紀60年代美國科羅拉多州丹佛附近的洛杉磯兵工廠向3614ｍ的深井注入廢水，發(fā)生了5.5級地震，當停止注水，井孔附近的地 震活動停止了?！　∷畮煨钏蛳虻叵伦⑺螅貧ぶ亓獗黄茐?，不僅增大了巖塊、巖層的應力，而且會有水滲透到水庫或注水點附近的斷層裂縫中。對于新鮮斷裂面而言，水是潤滑劑，水的存在使得斷層面上的摩擦力降低，從而誘發(fā)地震?！　∮捎谕饬ψ兓瘜е聨r層應力變化，巖塊、巖層發(fā)生彈性回跳是地下水及自然電位臨震脈沖異常的成因；由于在孕震晚期震源處的巖塊、巖層于不穩(wěn)定狀態(tài)，而地下水活動可以誘發(fā)地震，因此，地下水的活動確實有可能對地震的發(fā)生起了觸發(fā)作用?！　?.地震預報指日可待　　在海城、唐山、松潘、鹽源、道孚、龍陵等地震前都觀測到了一大二跳脈沖形態(tài)的自然電位臨震異常曲線。臨震脈沖形態(tài)的自然電位（自然電流）異常，在海城、松潘、鹽源、龍陵等地震預報中發(fā)揮了積極作用。特別是在許多次地震發(fā)生前幾天及前幾個小時的臨震異常對于地震預報具有指導意義?！　≡?976年發(fā)生松潘-平武地震以前，位于松潘-平武南部160ｋｍ的汶川及茂汶、寶興、蘆山、成都等地觀測到了土地電中長期異常；在距離松潘-平武地震震中360ｋｍ的康定中學及南坪縣、綿竹、理縣、邛崍、彭縣等地觀測到了土地電短期異常；在眉山、綿竹、大邑、邛崍、溫江等地觀測到了土地電臨震異常?！　∮匈Y料表明，2008年發(fā)生汶川地震之前一個月，江油縣武都鎮(zhèn)白衣鄉(xiāng)多次出現(xiàn)井水突然升高或突然降低等情況；在汶川地震發(fā)生之前幾個小時，當?shù)氐木用裨诟⒔杏斡?，曾?jīng)感覺到涪江江水忽涼忽熱?！　≡趯嶒炇覘l件下已經(jīng)觀測到流動電位。大地是天然的實驗室，幾乎所有的地震都伴隨地下水強烈活動，根據(jù)臨震自然電位異常曲線，結合地應力、地下水等其他前兆觀測資料，預測預報地震是完全可能的?！　∮捎诘貕K周圍斷裂、斷層中地下水的遷移，形成了流動電位，人們在地震發(fā)生之前觀測到的自然電位與地下水的遷移密切相關，而斷裂、斷層是地下水的遷移的通道。因此，人們在地表觀測到的自然電位異常與地下斷裂、斷層所受到的應力有關，即與地震有關，它們絕不是沒有規(guī)律的“電擾動”。理論分析是否正確有待實踐檢驗，但根據(jù)自然電位曲線臨震脈沖異常特征來預測地震是可行的，地震預報指日可待。　　本書重點介紹了海城、唐山、松潘、鹽源等地震前后地震地質工作者預測預報地震的經(jīng)驗或教訓，詳細介紹了在許多次地震中的土地電實際觀測資料；進一步引用了地塊、斷裂、斷層、地下水等地震地質資料；探討了與地震有關的自然電場形成機理，并對自然電場法預測地震的方法技術、若干問題和科學價值作了討論?！　≡阢氪ǖ卣鸢l(fā)生后編寫《自然電場法預測地震》一書不是馬后炮，目的是希望在我國華北、西北、西南、臺灣等地震頻發(fā)地區(qū)，盡早采用自然電場法進行地震預測，因為自然電場法對于深部地下水的遷移非常敏感，有可能在地震發(fā)生以前取得短期異常和臨震異常，進而結合地下水位、地應力等綜合資料，用于預測地震發(fā)生的時間和地點?！　〕忻芍心洗髮W信息物理工程學院何繼善教授（中國工程院院士），溫佩琳教授，程方道教授，地學與環(huán)境工程學院戴塔根教授的指導和支持，在此表示衷心感謝。

內容概要

在20世紀70年代，我國地震工作隊伍貫徹執(zhí)行了“在黨的領導下，以預防為主，專群結合，土洋結合，依靠廣大群眾，做好預測預防工作”的地震工作方針?！巴恋仉姟辈⒉煌?，它就是地球物理勘探中的自然電場法。從地球物理勘探方法移植到地震預測中的重力、地磁、電阻率等方法，由于地震發(fā)生前，地下巖石的“密度”、“磁性”、“電阻率”沒有發(fā)生顯著的物性變化，因而震前沒有獲得具有臨震意義的異常；自然電位（電流）在海城、松潘、鹽源、龍陵等地震預報中發(fā)揮出了積極作用。建立在巖石固液相界面雙電層形變學說上的離子導體自然極化機理有堅實的物理化學基礎；它對震源區(qū)地下水的遷移是最敏感的，因而它在地震發(fā)生前幾天至幾個小時產(chǎn)生的臨震異常可以預測地震發(fā)生的時間和地點。中國已經(jīng)積累的地震資料比任何國家都豐富，把這些寶貴的地震資料開發(fā)并利用起來，建立具有中國特色的地震學、地形變、地下水、自然電位、地應力綜合觀測系統(tǒng)，應該可以解決地震預測預報問題。

書籍目錄

1　自然電場法  1.1　基礎理論　　1.1.1　導體　　1.1.2　流動電位　1.2  自然電場法　　1.2.1　電子導體的自然極化機理　　1.2.2　離子導體的自然極化機理　　1.2.3　隨時間變化的自然電場2　地震預測實例　2.1　海城地震　　2.1.1　地震危險性的估計　　2.1.2　中期地震趨勢的研究　　2.1.3　短期地震趨勢的判斷　　2.1.4　臨震預報　　2.1.5　自然電位異常場　2.2  唐山地震　　2.2.1　歷史回顧　　2.2.2　自然電位異常場　2.3　松潘地震　　2.3.1　地震區(qū)地質構造條件和地震活動　　2.3.2　地震預報情況　　2.3.3　地震前兆特征　　2.3.4　自然電位異常場　2.4　鹽源地震土地電異?！?.5　龍陵地震土地電異常　2.6　道孚地震土地電異?！?.7　異常的可靠性3　臨震自然電位異常的解釋　3.1　構造塊體與活動斷裂　　3.1.1　西南地區(qū)　　3.1.2　華北地區(qū)　3.2　地殼形變　　3.2.1　唐山地震區(qū)　　3.2.2　邢臺地震區(qū)  3.3　斷層與地裂縫　　3.3.1  斷層　　3.3.2　地裂縫　3.4　地下水　　3.4.1　唐山地震區(qū)　　3.4.2　海城地震區(qū)  3.5　臨震自然電位異常的解釋　　3.5.1　地震預報　　3.5.2　地震頻發(fā)帶與成礦帶　　3.5.3　臨震自然電位異常的成因4　自然電位觀測技術  4.1　布設臺址  4.2　觀測自然電位  4.3　問題討論5　科學價值　5.1　地應力　5.2　地震活動性　5.3　地殼形變　5.4　重力　5.5　地磁　5.6　電阻率　5.7  自然電位后記參考文獻  附錄一　地震預報管理條例  附錄二　有關地震的早期文獻索引  附錄三　關于地震預報的評論

章節(jié)摘錄

　　1.自然電場法　　1.1　基礎理論　　1.1.1　導體　　1.自然電場法　　能導電的物質稱為導體。進行自然電場研究時必然涉及到導體，因此，在討論自然電場之前，應當首先對導體的類別和性質有所了解。　　有些導體依靠其中的電子傳送電流，可稱之為電子導體或第一類導體。金屬、石墨、大部分金屬硫化物和部分金屬氧化物都屬于電子導體。半導體可以分為依靠電子導電的N型半導體與依靠空穴導電的P型半導體。對于P型半導體，表面看來，似乎是荷正電的空穴在移動著以傳導電流，但其實質仍然是電子的移動。所以說，金屬硫化物和某些氧化物，雖具有半導體性質，但也屬于電子導體?！　×硪活悓w是依靠離子的移動來完成其導電任務的，它們被稱為離子導體或第二類導體，例如水及以水為溶劑的電解質溶液、熔融電解質和固體電解質等?！　≡诘卣鸬刭|條件下，圍巖中的傳導電流主要是以圍巖孔隙、裂隙中的水溶液電解質為載體。因而了解電解質及水的基本性質及其導電機理是有必要的?！　∧茉谌芤褐行纬煽梢宰杂梢苿拥碾x子的物質稱為電解質溶液?！　「鶕?jù)電解質溶液的性質，通常將它們分為兩類。除了水溶液電解質之外，熔鹽也叫做液態(tài)電解質。水溶液是常溫下穩(wěn)定的液體，熔鹽是高溫下的電解質溶液?！　‘攦煞N外殼層電子狀態(tài)截然不同的粒子充分接近時，例如電離能很小的堿金屬和堿土金屬原子和電子親和能很大的非金屬鹵族或氧族的原子相接近時，由于電子移動，非滿殼層結構的中性原子變成了滿殼層結構的離子，形成了離子化合物，如NaCl?！　≡陔x子化合物中，正負離子之間有很強的靜電引力，所以要使離子能夠自由移動，就必須施加外力?！　﹄x子晶體加熱時，加劇了離子的熱振動。當離子的熱振動超過了晶體中離子之間的相互作用力時，離子的有規(guī)則排列被破壞，晶體被熔化。離子化合物在高溫下熔化后，就存在大量能自由移動的離子，所以成為電的良導體。　　如果把離子化合物置于介電常數(shù)很大的極性溶劑之中，例如水的介電常數(shù)約為80，且水是極性分子，由于正負離子之間的吸引力在水中可以減小80倍，因而由于其本身的熱振動和極陛水分子的吸引，離子化合物極易溶解于水而成為正負水化離子。毫無疑義，NaCl等水溶液導電性良好?！　　?/pre>








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