偶極矩

[拼音]：dizhen qianzhao

[英文]：earthquake precursors

地震前出現並預示地震將要發生的現象。地震前兆通常是從震前異常現象中去尋找和篩選，這是探索地震前兆的經驗途徑。尋找前兆的另一類方法，是從某種理論前提出發，提出地震發生模式，然後估計可能發生的前兆和不同前兆之間的關係，從而提出綜合預測的方法。

目前正在試驗的前兆方法至少有十幾種，新方法仍在增加。

震前異常現象

迄今已觀測到的震前異常現象有：地殼形變異常、地震活動異常以及地震波、地磁、地電、地下水或氣異常、地聲、地光、動物習性異常等。由於這些異常與地震間的關係不是一一對應的，所以並非必然是地震前兆，而只是可能的地震前兆。

震前的地殼形變異常

地震是地殼形變發展到一定階段的結果，形變貫穿地震活動的全部過程。顯然，地殼運動所產生的，不論是水平位移還是垂直位移，都可能與地震有關。但各階段的形變表現並不一樣。與地震活動有關的地殼形變一般分為以下4個階段:第一階段是緩慢平穩的積累，速度小、時間長；第二階段是不穩定積累，速度增加，方向改變；第三階段是積累到極限，介質破裂，彈性應變能突然釋放；第四階段是剩餘形變釋放，速度轉慢，逐漸恢復正常。

根據許多長期觀測的地形變記錄可以知道，震前地形變異常中最顯著的現象是形變速度的增加和方向的改變。但各地形變積累時間長短不同，幅度變化大小亦不同。必須掌握其發展特徵，才能為地震預測服務。

第二階段的時間不很長，它是從第一階段延續過來的。人們從定期大地測量以及傾斜儀、形變儀等長期的觀測記錄中，可以發現地殼形變，如大面積的緩慢升降或移動，也可以直接見到某些巨集觀變化，如區域性隆起、凹陷、坼裂、崩滑等。這類現象在構造運動比較活躍的地方是經常出現的，很難立即肯定它們就是醞釀地震的象徵。然而地面形變出現劇烈變化之後，緊接著發生地震的情況也存在。問題在於如何區分這兩種情形。目前尚無有效辦法。

地震活動異常

包括地震活動性異常，地震波速異常，震源機制異常等。地震活動性異常一般指地震活動性在時間、空間、強度方面顯示的異常現象，常見的有地震空區，背景性地震活動的增強或減弱，前震活動，b值異常等。

地震空區有兩類，一類是地震活動帶上尚未發生大地震的空段，一類是地震活動帶上被中小地震包圍的空區。現在，在板塊邊界上勾劃地震空區被認為是尋找強地震地點的有效方法。雖然如此，應用在板塊內部時，仍有不少困難。因為，無論哪個地震帶都不會完全由強震震源區所填滿。有些地段積累的應變能，通過斷層蠕動已經釋放了，這樣的地段就不會發生大地震。板塊內部，震前要正確地勾劃空區，是不容易的。

背景地震活動的減弱和加強

大震前在未來的震源區及其周圍地區往往出現背景地震活動的異常變化，表現為震源區內地震活動的減弱與周圍地區地震活動的增強。這兩種現象表面似乎矛盾，實際是一個過程的兩個方面。在統一的應力場作用下，那些特別堅硬或均勻的地殼岩石較難產生破壞，而那些比較軟弱或不均勻的地殼岩石比較容易破壞，從而發生許多中小地震。

b值異常

b是表示大小地震數目按震級分佈的一個引數。實驗表明，b值大小取決於該地區介質的應力狀態與岩石結構。在一般情況下，應力狀態和岩石結構變化不大，所以b值基本上保持常數。但是大震前，震中區及其附近的地殼內，應力狀態和岩石結構都可能發生明顯變化，與此相應的b值也偏離正常值，出現異常高值或異常低值，這種現象已在多次地震以前觀察到。

前震活動

前震對地震預報雖有重要意義，但並不是所有大震前都觀測到前震。當其出現時，提前時間從幾分鐘至幾百天不等，將它們用於時間預測也很困難。另外，如何鑑別大地震的前震和一般的中小地震仍是一個未解決的問題。

地震波速度異常

當震源區物理狀態或介質的物理性質改變時，地震波速度也會發生變化。地震前出現的異常多表現為波速比vP/vS偏離正常值而減小。當其下降至最低點並恢復到正常值附近之後，即發生地震。異常持續時間越長，震級越大。因此可利用波速異常來預測地震的地點、震級和時間。有一時期，地震學家曾對這個方法寄予很大的期望，但近年來陸續觀測到一些反例，即有些強震前並無波速異常。

震源機制異常

是指地震前孕震區內小震發震應力軸的方向，由正常時期的隨機分佈變為以某一方向為優勢的整齊排列，臨震前發生優勢方向的轉動。在測震學領域，還有P波、S波振幅比異常，小地震頻譜異常，地震波衰減係數異常以及小震震源引數異常等。

震前的地磁異常

在文獻中雖有不少記錄，但早期觀測包含許多幹擾因素。近年來，隨著高精度地磁觀測技術的發展，取得了一些新的震例，如1964年日本新潟地震（震級7.5）前10年，磁偏角異常幅度達2′，一年後才恢復。1978年1月日本伊豆大島7級地震前，震中附近兩個地磁測點，於震前6個月開始記錄到總強度的異常上升10納特，震後幾個月恢復正常。此外，在蘇、美、中三國也記錄到一些地震前的地磁異常現象。

震前的地磁異常通常是疊加在幾萬納特的背景場上，一般受外空場的干擾很大。如何消除干擾提取震磁資訊，需要進行復雜的資料處理。已有資料表明，扣除干擾後的震磁資訊，其表現形式也是複雜的。

持續時間較長的緩慢變化一般用線彈性壓磁理論解釋。實驗證明，壓力可使岩石的磁化率發生變化，如下式：

，

式中к表示磁化率，σ為壓力，β 是一個引數，取決於岩石的性質和壓力的方向。岩石磁性來自其所含磁性礦物的磁疇，磁性強弱決定於這些磁疇的排列狀況。若對岩石施加壓力，磁晶體的排列方向發生變化，磁化率隨之改變。一般每10兆帕壓力，可使磁化率改變百分之一左右，在壓縮方向上磁化強度減小，垂直於壓縮方向的磁化強度將增加。由壓磁效應產生的磁異常一般估計不超過幾納特。

對於觀測中發現的某些時間較短，變化幅度更大的地磁異常，還需從其他方面去尋找解釋。

震前的地電異常

磁和電常是並存的，若有震磁關係，震電關係是可以預期的。實驗證明，岩石在壓力作用下，特別是水飽和岩石，其固有電阻率隨壓力大小發生變化。一般表現是：初期壓力增加(約 200兆帕左右)，岩石中的原生孔隙受壓閉合，孔液被擠出，電阻率增加。當壓力增至岩石破裂強度之半時，漸漸產生微裂隙，新裂隙使岩石體積膨脹，地下水滲入補充，孔隙又漸恢復，電阻率便下降，至岩石接近大破壞時，裂隙擴充套件至最大，孔隙飽和，電阻率乃迅速下降，其幅度為5～30％。壓電效應同岩石的孔隙度關係很大。

野外觀測表明，地震前後常觀測到地電阻率的異常變化。蘇聯從1967年起在加爾姆地區，對地電阻率變化進行了長期觀測研究。送入地下的電脈衝幅度達到 100安，在離電源 6公里的測點測量脈衝激發的電場。電場的變化同電阻率變化成比例。震前電阻率異常的特徵是：震前下降，震後回升，且震級越大，變化時間越長。

中國從1967年起開始觀測岩層視電阻率。在地表佈設2個或3個方位固定的四極對稱裝置，供電極之間的距離一般為1～3公里，直流供電，電流強度 1～10安。定期觀測地下固定測量體積內岩層視電阻率值，取得了多次震例資料。如1976年唐山 7.8級地震前，在震中周圍200公里內，有9個臺在震前2～3年觀測到長趨勢下降異常，大震後異常逐漸恢復。

震前的地下水異常

由於地下水對地殼應力場變化非常敏感，所以地震前後地下水出現異常的情況很多，包括地下水位、泉水流量，水溫和地下水化學成分異常。特別是在一些 7級以上強震前，地下水異常現象複雜多樣。例如1976年唐山大地震前數月，唐山、天津一帶的地下水普遍出現了歷史最低水位。臨震前幾天內，震中區的地下水位劇升，流量驟增，甚至自流自噴，而震中區以外的某些地區則水位下降。地下水位變化的儀器觀測，記錄了多種形式的異常變化：有的變化緩慢，持續時間從數天至數月；有的變化急速，持續時間僅數分鐘至數小時不等；有的表現為波動式或階躍式。

此外，地下水化學成分在大震前出現異常的震例也不少。最早的報道是1966年蘇聯塔什干地震前，深層水氡濃度增加。中國海城、龍陵、松潘、唐山、渤海等大震前，也觀測到水氡含量增加。

在某些地震臨震前，震中區內還觀測到地下水溫度突然上升的現象。例如1976年龍陵地震前，位於震中區內的巴臘掌溫泉，平時水溫為81℃，震前11天開始上升到91℃，大震後水溫立即下降。

由於地下水變化，可以引起以下巨集觀現象：泉、河、池的水面上漲或下降，甚至乾涸；潤溼地面，有時出現地裂縫，或冒沙水；井、泉、池、河水底發渾、冒泡;水變味，或甜或苦，或含有特殊物質；土壤墒情改變，以致影響地溫等。

已有的資料表明，地下水位及其化學成分的短期變化和臨震變化，在強震與中等地震前是較為常見的現象，有可能成為短期預報和臨震預報的重要手段。

地聲與地光

震前地聲分巨集觀地聲和微觀地聲。巨集觀地聲指人耳能聽到的地聲。文獻中記載地震前、地震時、地震後的各種聲音，有的地聲似雷聲、炮聲、撕布聲，有的似拖拉機聲、風聲等。微觀地聲是儀器記到的地聲。地聲大多出現在震前數分鐘至數小時內。實驗證明，在應力達到岩石破裂強度的一半時，聲發射訊號顯著增加，當微破裂進一步發展時，聲發射頻率由高頻向低頻變化，低頻聲脈衝衰減係數較小，因而有可能被接收。由於地聲多在臨震前出現，對臨震預報是有意義的。

地光在地震文獻中也有不少記載。1965～1967年日本鬆代地震期間，地光的報道很多，並留下難得的地光照片。中國海城地震和唐山地震前的光現象非常突出。地光出現的時間大多與地震同時，但也有在震前幾小時和震後短時間內看到的。其形狀有帶狀光、閃光、柱狀光、片狀光等，顏色也是多種多樣的。關於地光的成因說法不一，一個可能的成因是壓電效應。地殼岩石中存在大量石英，若在岩石中含有石英晶體30％的地方孕育地震，則地震形變在地殼中引起的壓電效應，足以使地面產生電荷，並在空中造成特殊電場，發生地光，甚至可以影響電離層，干擾無線電波傳播。當然還可能有其他解釋。

動物行為異常

在各國地震文獻中都有一些動物行為異常的記載，但以中國最多。根據中國積累的資料，震前動物行為異常大多集中出現在震前一天以內，少量動物行為異常也可出現在震前數天甚至數十天。

關於動物行為異常的原因很多。地聲、地下水、氣壓、地溫、電場、磁場、空氣電離等變化都是可能的原因。不同地區、不同動物的異常原因可能不同。

除了以上這些比較常見的震前異常現象外，還可以列出其他異常，如地溫、重力、脈動、油井動態、氣象、氣候、電磁波異常等。

震前異常的分類

按震前異常出現的時間大致分為兩類：

（1）超前時間以數十天至數年計，包括地震活動性、地震波速度、地殼運動、重力、地電阻率、震源機制等，這類異常的變化較緩，其持續時間、展布範圍與未來地震的震級有關。

（2）震前異常出現的時間大多以幾分鐘至幾天計，一般變化急速，包括前震、地傾斜、應變、地下水、地聲、地光、動物行為異常等，其與震級的關係不明顯。

兩類前兆的物理機制不同，對於第一類前兆多認為是由地殼應變接近極限狀態時，由膨脹、塑性變形這類物理過程所引起。第二類前兆機制大多不清楚，人們推測與臨震前的岩石蠕動性破裂有關。目前各國都在努力探索地震前兆機理，並提出了不同的前兆模式。有代表性的是美國的膨脹-擴散模式和蘇聯的模式。

地震發生的膨脹－擴散模式簡稱DD模式。膨脹就是脆性岩石受很大的單方向壓力後（或岩石受圍壓再加單向壓力），其內部因產生大量張性微裂隙，而使岩石體積擴大的現象。按此模式，地震孕育過程大致分為3個階段：第一階段，由於構造應力的積累，造成有效應力緩慢增加；第二階段，當應力增加到一定程度，發生膨脹現象，當膨脹速率超過孔隙水向新裂隙擴散的速率時，岩石變成不飽和，vP開始下降，但vS幾乎不受影響，故vP/vS減小。由於膨脹區中孔隙壓力減小，有效應力增加，從而出現膨脹硬化現象，這將阻止岩石進一步膨脹。第三階段，由於膨脹受到抑制，孔隙水的擴散速率逐漸超過膨脹速率，岩石逐漸恢復到正常值。在此過程中，構造應力不斷增加，最後終於超過岩石破裂強度而產生破裂和錯動──地震發生。在波速出現異常期間，電阻率、水流速（或氡含量）、地形變、地震頻度也出現異常。

按照蘇聯提出的前兆模式，孕震過程也分為3個階段。開始，在緩慢增加的構造剪應力作用下，岩石中裂隙大小和數目均緩慢增加。當裂隙密度增加到臨界值後，進入第二階段。此時，由於裂隙的相互作用，它們迅速擴充套件，導致總的形變速率快速增加和介質性質的明顯改變。到了第三階段，裂隙的進一步擴充套件和溝通被限制在緊靠未來巨集觀破裂的窄帶內。在此帶中，小裂縫串通成若干大裂縫，最後大裂縫溝通，從而發生大地震。用這個模式，波速比、形變微裂面積、b值、氡含量、電阻率異常可以大致得到解釋。