科学家在圣安德烈斯断层的一口深井里观测到了地下岩石在地震前的物理变化，但是对于这一研究结果的意义以及能否作为稳定的地震前兆，科学界存在着不同的看法乃至争议

 

7月10日，《自然》杂志刊登论文报告，科学家在美国圣安德烈斯断层上，第一次利用深井观测比较精确地测量到了地下岩石在地震来临前发生的物理变化，从而证实了以前只有在实验室中才能得到的结论。

 

或许是由于不久前汶川地震的缘故，这篇论文引起了较广泛的关注。一些人认为这是有关地震前兆研究的最新进展。“重要的是，对于这样的地震前兆，我们有着清楚的物理学解释；并且这些信号是可测量和可重复的。”论文作者、美国赖斯大学地球科学教授钮凤林告诉南方周末。不过也有专家指出，实际情况远比论文中涉及的要复杂得多。

 

 

早在上个世纪60-70年代，科学家们就已经在实验室研究中发现，地震波穿越岩石的速度会随着岩石所受应力大小的不同而发生变化——这是由于岩石中的微小裂隙在应力变化下会张开或者闭合。岩石的裂隙越多，地震波传播速度就越慢；而裂隙越少，传播速度就越快。在理论上，当岩石受到挤压时，其中的裂隙会慢慢减少和闭合，然而当挤压达到了一定程度，岩石中较为脆弱的地方便悄悄开始发生微破裂。在这个过程中，一系列的微破裂渐渐变大变长，然后大量的微破裂开始相互贯通，在一个或两个方向上形成连续的断层，此时便发生了地震。据此，科学家认为，在地震发生前，地震波的传播速度应该是先增加而后减缓，而这个减缓便意味着破裂即将发生。

 

为了验证实验室发现，科学家几十年来一直在天然断层附近努力探测这种变化，但由于种种原因，一直没有得到十分精确的结果。而钮凤林等人的研究便是第一次在微秒级的精度上测量到了岩石性质的如上变化。

 

实验是在两口深井中进行的。研究人员将一个“人造震源”放在其中一口井地下1公里处，让它不断发出脉冲信号，模拟地震P波（如同一个人在说话时产生声波），并将一个接收器放在另一口井的同样的深度，让它接收那些脉冲（如同用一个话筒去接收声音），然后测量脉冲从发出到接收所经历的时间。

 

“如果在这两口井之间以及周边的岩石性质没有发生任何改变，那么接收脉冲的时间应该是一样的。如果岩石性质发生了变化，那么接收脉冲的时间也会随之变化。”钮凤林解释说。

 

此后，在持续两个月的实验当中，研究人员发现地震波速出现了两次明显变化，一次是在3级地震发生的10小时之前，另一次则在一个1级地震发生的大约2小时前。在排除了温度、降水等影响因素后，科学家相信，这两次地震波速的变化应该与破裂过程有关。为了进一步验证结论，他们预备在今年9月份回到圣安德烈斯断层，进行大规模、长时间的实验，以获取更多数据。

 

在接受新华社采访时，钮凤林表示，如果后续的实地研究能够证实，在世界其他地区的断层地震活动中，也普遍存在同样的岩石物性变化，那么将来在此基础上有望开发出比较可靠的地震早期预警系统。

 

 

“但问题是，岩石的波速变化远比论文中所述的情况复杂得多。地壳岩石中平均应力和差应力（即岩石最大应力和最小应力之差）是两个不同的概念。”加拿大蒙特利尔大学地球物理学教授嵇少丞提出他的疑问。

 

嵇少丞解释说，“岩石中地震波速总是随围压（即平均应力）的增加而增加，然而在地壳最上面15-20公里厚的脆性变形层（可能发生地震的地方）中，波速的变化则更多受到差应力的影响，因为在微破裂的形成和扩展过程中主要是差应力在起作用。随着差应力的增加，地震波速在有的方向上变大，但在另外的方向上又变小。差应力作用下的脆性岩石中地震波速是各向异性的。”

 

此外，微破裂的发生往往伴随着流体的移动，而一旦流体进入岩石，波速也会降低。“所以微破裂的过程其实非常复杂。”嵇少丞认为，这种岩石的波速变化很难有规律地重现，因此并不能成为一个稳定的地震前兆。

 

对论文的另一个疑问集中在那两次地震的震级上。“讨论那么小的地震没有意思。”德国国家地球科学研究中心教授皮特·波曼（Peter Bormann）说。他对人们将这一研究与地震预报联系在一起非常不以为然。“那样的小震日本每天都在发生，它不会对任何人造成任何伤害，所以你预报它干嘛呢？”

 

波曼认为“真正有意义的地震预报是去预报那些破坏性地震，而破坏性地震的破裂方式与小震是完全不同的”。嵇少丞也认为1级地震实在太小了，“不应该写”。

 

但钮凤林对这种观点并不认同，“我们的研究目的并不在于预报这两次小震”，他解释说，“而且在对孕震区进行直接观测的过程中，1级地震同样会发出很强的信号。”

 

至于到底能否将论文结果用于地震预报，中科院研究生院地球物理学教授史保平谨慎地认为“仍存许多不确定性”。“我个人的理解是该文的重点并非讨论地震前兆，目前的工作仅限于基础研究。有关震前应力变化同地震之间的对应性仍需更多数据检验。”史保平在电子邮件中写道。

 

 

钮凤林等人开展研究的圣安德烈斯断层位于美国加利福尼亚州西南部，这条1300公里长的断层是太平洋板块和北美洲板块之间的分界线，地震发生较为频繁。

 

在这个断层上，有一个村子叫做帕克菲尔德，因地震之多而闻名于世。当地人以此招揽游客，咖啡馆打出的招牌是“地震时就吃在这里”，而旅馆的招牌是“地震时就睡在这里”。

 

当然，帕克菲尔德吸引的除了游客，更多的还是致力于研究断层的科学家们，它最大的特别之处就在于，从1857年开始，这里大约每隔22年便会在几乎同一地点发生一次6级左右的地震，这一事件一共重复了6次，最后一次发生在1966年。据此科学家推测，下一次将会在1988至1993年之间到来。为了对即将到来的地震进行一次全面了解，从1984年起，美国地质调查局选定这一地区作为帕克菲尔德地震试验场，布设了大量仪器，以监测断层的各种变化。为了对这次“即将到来”的地震做出试验性的预测，地震学家甚至制定了发布临震预报和地震警报的方案。

 

然而在苦守多年之后，想象中的地震却始终没有到来。更为讽刺的是，就在这条地震学家最看好的断层附近，却发生了一系列的地震。实验最终被迫宣告失败。连这样构造相对简单且似乎又有规律可循的断层都无法成功预报地震，人们对此惊愕不已。“在研究了多年的地震预报之后，科学家惟一了解的事情就是，他们其实什么都不了解。”皮特·波曼评价道。美国地震学家从此将更多的精力转向了更为基础的地震机理研究，以及对地震灾害的评估上。后来期待已久的地震终于在2004年9月才不速而至，比预期时间足足晚了十几年。

 

就在2004年帕克菲尔德地震之前几个月，2004年6月，美国地质调查局和美国国家科学基金会决定在当地开展一项更为深入的研究：圣安德烈斯断层深部观测计划（SAFOD），即打一口深井，并在地下穿过断层，抵达一片小震多发带（同时也是历次6级左右地震发生的地带），然后在井中放入众多观测仪器——这将是人们第一次在一条活断层上直接获取断层带的物质（岩石和流体）样本，测量断层带的各种属性，连续进行断层深部的蠕动和地震活动性监测，以及了解流体在地震过程中的重要作用。

 

这口井位于垂直圣安德烈斯断层以西大约5公里的位置，垂直深度3.2公里，人们称之为主井（main hole）。在距离主井10米处还有一口2.2公里深的先导井（pilot hole）。在主井的最末端，还有几条横向井平行穿过断层。

 

“深井观测主要是可以对微震作完整的记录，因为地表仪器一般背景噪音太大，掩盖了真实的地震信号。”史保平介绍说，“SAFOD主要用于地震成因机制研究，对我们现今的理论和实验进行检验，包括了断层的摩擦过程、温度（热能）影响、压力变化的影响、化学作用等。”从这个角度出发，他认为钮凤林等人的研究，其主要贡献在于首次利用深井记录（尤其在断层附近），获取了地震波速变化同震源区附近应力变化之间的关联。

 

与SAFOD相似，在台湾也有一口2000米的深井，称为“车笼埔断层深井钻探计划”（TCDP）。1999年，台湾集集地震发生在车笼埔断层上，事后为了了解地震的破裂过程，尤其是了解地震发生前后断层上应力水平的变化，台湾开展了TCDP，用以“实地监测活断层的物理与化学行为，并探讨断层复愈行为”。台湾地球科学教授马国凤表示。

 

 

从根本上来说，地震就是岩石失稳的过程，所以观测地应力的变化是研究和预报地震最直接的方法。钮凤林等人的研究便是利用地震波来测量地下比较深的应力。

 

不过这是一种间接的方法。更直接的方法是，在观测点打一个钻孔，放入应变测量仪，通过和井壁的固接，使仪器与岩体连为一体，这样，地下岩体受力所产生的变化就可以通过仪器进行观测。这是对应力的直接测量。“现阶段，针对应力来说，直接测量得到的数据比间接测量要更精确一些。”中国地震局地壳应力研究所副所长、研究员谢富仁说。

 

我国也有一些深井观测项目，比如大陆科学钻探工程在江苏深入地下5公里多，是我国有史以来最深的科学钻井，不过它更多是以研究地质构造为主。目前我国用于了解地应力状态的井最深只有四百多米，并且还从未在活断层上进行过相关研究。“要研究地震就要进行地应力测量，”嵇少丞强调，“我们需要深井观测！”

 

2004年，受台湾车笼埔断层深井钻探计划的启发，中国地震局将深井观测计划列入了2006-2020年中长期科学发展规划。

 

汶川地震后，中科院院士许志琴等人提出，应该对龙门山断裂带的地质基础和这次地震的发震机理进行更深入的研究，途径之一便是开展地震深钻计划，即汶川地震断裂带科学钻探（WFSD）。经过国家汶川地震专家委员会讨论，我国预备首先在汶川地震断裂带完成一个800-1000米的先导井，然后在龙门山断裂系的主震破裂区、余震破裂区以及南端未破裂地区，分别布设三口2000-3000米深的主井。为了尽可能多地监测断层的余震情况，先导井可能最早于8月份开始动工。