很精彩，非常感謝梁光河老師賜稿??！
【作者簡介】梁光河，地球物理勘查技術(shù)專業(yè)，中國科學院礦產(chǎn)資源研究重點實驗室研究骨干，國際勘探地球物理學家協(xié)會（SEG）GLOBE級會員，研究生導(dǎo)師，主要從事礦床地球物理研究及勘查工作。
地震新知
梁光河
Lgh@mail.iggcas.ac.cn
沒有任何預(yù)警，它卻能在短短幾秒鐘之內(nèi)撕裂大地，吞噬生命；更令人懼怕的是，它至今無法被準確預(yù)測……這種自然災(zāi)害，就是地震。
20世紀以來，我國共發(fā)生6級以上地震近800次，遍布全國除貴州、浙江兩省和香港特別行政區(qū)以外所有省、自治區(qū)、直轄市，死難者多達55萬人之多，占同期全球地震死亡人數(shù)的53%。我們常用“占世界7%的土地，養(yǎng)活了世界上22%的人口”來形容中國；卻很少有人知道，這占世界7%的土地承受了全球33%的大陸強震。我國是世界上大陸強震最多的國家。
地震是與一定的地震構(gòu)造相聯(lián)系的。我國位于世界兩大地震帶——環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶的交匯部位，再加上印度板塊對歐亞板塊深部地球動力作用的影響，巨大的晚第四紀活動斷裂十分發(fā)育，這些斷裂正是大地震的溫床。有歷史記載以來，我國大陸幾乎所有的8級和80%~90%的7級以上強震都發(fā)生在這些斷裂邊上。其中，發(fā)生在1976年的唐山大地震和發(fā)生在2008年的汶川地震，都造成了巨大的生命財產(chǎn)損失。
雖然目前還難以準確預(yù)報大地震，但科學家對地震的研究工作一直在緊鑼密鼓地進行著。這些研究工作主要集中在兩方面：一是理論方面，主要研究地震的成因機制，即地震到底是怎樣形成的，其內(nèi)在的動力是什么；二是技術(shù)方面，具體研究地震預(yù)測預(yù)報的技術(shù)方法，包括觀測儀器的研發(fā)和實際觀測應(yīng)用。
地震是怎么發(fā)生的
地震的成因，是地震研究中最為關(guān)鍵的基礎(chǔ)理論，它指導(dǎo)了地震研究及地震預(yù)測技術(shù)發(fā)展的方向。如果地震的成因機制不清楚，地震預(yù)測就無從下手，更談不上采用什么預(yù)測技術(shù)了。
關(guān)于地震的成因機制，目前還存在很大爭議。國外科學家提出的地震成因機制主要有三個假說，分別是彈性回跳、巖漿沖擊和相變假說。我國科學家則提出了更多的假說，包括紅腫理論、膨脹蠕動、多應(yīng)力集中、隱爆成因、電磁成因及氣爆成因，等等。這些假說都能夠找到一些證據(jù)支持，但也有不足之處，它們難以對大地震過程中所有觀察到的地質(zhì)現(xiàn)象做到全面、合理解釋。
多年來，在地震學界處于支配地位的地震成因假說是彈性回跳假說。所謂彈性回跳假說，是指“地震是由活動斷裂的突然主動破裂所造成；地震能量是斷層兩側(cè)巖體因地殼變形而產(chǎn)生和儲存的彈性變形能，地震能量的釋放過程是斷裂兩側(cè)彈性變形巖體在幾秒到幾十秒內(nèi)的突然脆性破裂和擴展，然后再彈性回跳”。通俗來講，地下巖體就像彈簧，長期被地質(zhì)運動擠壓緩慢變形，從而積累能量；一旦達到臨界破裂程度，就會釋放其中存儲的彈性能量。這就像彈簧突然斷裂而出現(xiàn)彈性回跳一樣。
彈性回跳假說由美國里德教授基于對1906年美國舊金山7.8級地震中地表變形和地表破裂的調(diào)查和研究于1910年提出。
1906年4月18日5時12分左右，舊金山發(fā)生7.8級強烈地震，加上隨之而來的大火，使這座城市遭受了嚴重損失。這場大地震成為美國歷史上損失最慘重的自然災(zāi)害之一。據(jù)估計，這場地震所造成的損失約4億美元，相當于如今600多億元人民幣。當時公布的地震死亡人數(shù)為478人，但現(xiàn)在保守估計，死亡人數(shù)應(yīng)在3萬人以上，更有人估計高達6萬人。
在20世紀60年代建立的全球板塊構(gòu)造動力假說的推動下，斷裂彈性回跳假說得到廣泛的認可。里德認為，舊金山7.8級地震就是北美板塊和太平洋板塊分界的圣安地列斯斷裂的水平突然錯動所造成的。
但該學說遇到很多無法進行合理解釋的問題，比如，在地下深處，溫度、壓力很高，巖體大多已處于類似塑料被加熱軟化的塑性狀態(tài)，不具備地表附近巖體的彈性特征，更不可能儲存巨量的彈性應(yīng)變能量，但也會發(fā)生中深源地震。
事實證明，彈性回跳假說是一個只看到局部表面現(xiàn)象的錯誤理論。它不能正確解釋前震與主震、主震與余震的物理機制，也不能正確解釋地溫、地電、地磁異常等地震前兆現(xiàn)象。它把地震結(jié)果之一的巖石斷裂，片面地理解為地震的成因。
正是由于對地震成因機制的理論認識錯誤，以至造成人們對地震預(yù)測的研究停滯不前。
隨著科技的發(fā)展，大量觀測和勘探事實表明，大地震往往是一個地下深處沿著斷裂帶的爆炸過程，地質(zhì)上稱之為隱爆，其主要能量來源于地下帶電超臨界流體?；诖罅康挠^測事實，蘇聯(lián)學者沃洛波耶夫于1970年提出了“地下放電擊穿引發(fā)地震”假說。
地下深處存在高溫、高壓流體，這些流體以水為主，其中溶解有很多礦物成分，包括鹽類和氣體以及多種金屬礦物。在高溫、高壓下，水處于超臨界狀態(tài)，而且會發(fā)生電離，就好像沒有安全閥的高壓鍋一樣，一直處于緩慢加熱狀態(tài)，咕嘟咕嘟冒著泡兒，這就是平常地下的微震。地球上的微震很多，幾乎每天都會發(fā)生很多次。一旦壓力積累到臨界狀態(tài)，就會把高壓鍋沖破，進而發(fā)生爆炸。這就成為高壓沖破地下板塊的裂縫而發(fā)生的大地震。
這個新的地震成因機制，使得地震的預(yù)測和消減變得清晰且易于操作。特別是對地震高發(fā)區(qū)，在地震尚未發(fā)生的能量積累過程中，就可以通過深鉆、注入鹵水而進行消減。這就好像給高壓鍋鉆一個小洞并不斷緩慢注入冷水一樣，以防高壓鍋爆炸。理論上原來可能發(fā)生8級地震的地方通過該種方法消減后，有可能將地震強度減弱到5級。地震對人類的危害程度因此將大大降低，人們的生命財產(chǎn)安全會得到更好的保障。
地下大爆炸
2008年5·12汶川地震后，我國政府投資2億多元設(shè)立了一個地震科學研究專項，在發(fā)生地震的龍門山斷裂帶上打了5口井用于研究該地震的成因（圖1），同時也進行了大量地質(zhì)勘探和地球物理地球化學測量，由此獲得了很多極有價值的資料和研究成果。
圖1 汶川地震科學鉆探（WFSD）鉆孔位置分布示意圖
汶川震區(qū)處于龍門山斷裂帶，該斷裂帶被松潘甘孜地塊和四川盆地剛性這兩個剛性地塊夾持。研究表明，5·12汶川地震是一個沿龍門山斷裂帶從西南往東北方向漸進的一連串地下深部爆炸過程，這個過程持續(xù)了近兩分鐘，中間還有間斷。這一爆炸區(qū)域被限定在松潘甘孜地塊和四川盆地剛性地塊之間，后續(xù)的余震也在這一范圍內(nèi)。
進一步的地質(zhì)探槽、鉆探和測井及地球物理勘探資料分析表明，本次地震的隱爆動力能量來源包含兩方面：其一是地下超臨界流體相變膨脹爆炸，其二是地下深處的累積負電荷放電（地下雷電）。
專家通過分析汶川斷裂帶附近48個地震臺站的記錄發(fā)現(xiàn)，汶川地震可以分解為4個震級分別為Mw7.5、 Mw8.0、Mw7.5和Mw7.7的地震子事件，從汶川開始發(fā)震向北、東擴展，整個破裂帶長達近300千米；汶川并不是地震能量釋放最大的地方，只是地震起始地；北川釋放的地震能量最大，比其他區(qū)域大約10倍。破裂性質(zhì)也有變化，這種破裂特征用彈性回跳假說是難以解釋的。
通過更詳細地對比遠震和近震地震波形，人們發(fā)現(xiàn)，在汶川地震的4個地震子事件（群震）中，每個子事件中同樣包含多個地震子震源，也就是說，是由一系列的地下子爆炸組成了這次的地震過程。該次地震可以用地下深處的結(jié)構(gòu)爆破得到合理的模擬和解釋。
除了理論模擬和解釋外，專家還從地質(zhì)勘查和地球物理勘探上得到了關(guān)于這次爆炸特征的可靠證據(jù)。汶川地震區(qū)后，在綿竹九龍地表探槽揭露了這種爆炸特征，灰色的砂巖噴射狀貫入紅色黏土之中，這說明地震中存在地下射流和爆炸噴射（圖2）。
圖2 綿竹九龍地表探槽N素描
汶川地震過程后，研究人員在青川縣發(fā)現(xiàn)了以陳家壩水井巖為代表的三處帶有燃燒的環(huán)形爆炸坑（圖3），這說明汶川大地震深處的高壓爆炸在部分薄弱地段已經(jīng)沖出地表。
圖3 青川縣東河口巨大的松散堆積和爆炸坑分布
這種地下深處的爆炸特征，從地震現(xiàn)場人們的描述中也得到了證實。
位于映秀鎮(zhèn)和漩口鎮(zhèn)交界處的蔡家溝村一位何姓老人說，地震發(fā)生時，正在地里干活的村民發(fā)現(xiàn)旁邊一個山頂上像是炸開一個洞，洞里像擠牙膏一樣炸出好多東西，簡直就像火山噴發(fā)。這些水泥樣的巖石向外噴了差不多3分鐘。
在距映秀鎮(zhèn)7000米的百花灘溝，村民描述說，地震發(fā)生時，正在田里勞作的人們覺得天旋地轉(zhuǎn)——大地在打轉(zhuǎn)兒，而不是左右搖晃；山溝里發(fā)出巨大聲響，從溝底冒出滾滾白煙，還伴隨著熱浪和焦臭味；地面一張一合，不斷向外噴出白色的石頭。
龍池鎮(zhèn)南岳村兩位村民稱，地震時，正在摘野菜的他們在湖邊的長河壩方向看到，四周都在噴水柱，噴泥漿。
映秀鎮(zhèn)拉絲廠工人董勇反映，地震時，他看到岷江干枯河床上噴出很高的黑色水柱，從岷江河床一直噴到山上通訊基站，足有100多米高。水柱噴過之后，河床里有一大堆黑色的淤泥，呈傘狀堆積。
地震后，龍門山鎮(zhèn)至銀廠溝新出現(xiàn)了一座由巨大的礫石和泥土壘砌成的小山。初到此處的人以為，這是山體滑坡造成的慘劇；可他們很快發(fā)現(xiàn)，土山后面的大山、植被十分完整，沒有一點滑坡的痕跡。原來，大地震發(fā)生時，大坪村所在的這塊空地，竟然發(fā)生了劇烈的山體噴發(fā)，無數(shù)泥土和巨石被巨大的力量推出了地面，像炮彈一樣飛上幾十米高的天空，摧毀了道路和平地。當?shù)乩相l(xiāng)把這種現(xiàn)象稱為“地開花”。
事實上，其他大地震發(fā)生時，地下巖石碎裂也往往呈現(xiàn)巖爆的特征，如2013年7月22日發(fā)生在甘肅省岷縣的6.6級地震。身處重災(zāi)區(qū)——梅川鎮(zhèn)永光村的村民宋銀才說，地震時，他看到土像噴泉一樣噴上去了，黑壓壓地沖著房子來了。
地下是否真的存在流體的隱爆？汶川地震的鉆井巖芯給出了明確答案：WFSD-1鉆孔在多個深度鉆出了大量的液化角礫巖，這是一種流體高壓爆炸形成的巖石。
對該鉆孔的巖芯礦物X光譜分析表明，斷裂帶中的假玄武玻璃和斷層泥及斷層角礫巖具有相似（近）的礦物組成。這表明，它們很可能是深部高壓貫入成因，至少部分物質(zhì)是這種成因。假玄武玻璃被喻為“地震化石”，主要由發(fā)生重結(jié)晶的玻璃質(zhì)熔融體形成。由黏土礦物分析，人們得知，地震斷裂發(fā)生時的溫度超過1100℃。其成因機制的當前流行解釋是：假玄武玻璃是因斷層快速滑動過程中摩擦生熱，造成摩擦面溫度升高，從而使周圍巖石融熔所形成的巖石。如果汶川地震中的巖石確是因此形成，一定會在假玄武玻璃脈體與圍巖接觸界面上存在“熔蝕邊”，但實際觀測中根本不存在熔蝕邊，它們的接觸界面很清晰。這說明，該處的巖石很可能是高壓噴射貫入所形成的。
汶川地震的構(gòu)造特征也難以通過彈性回跳成因機制進行解釋；但如果用地震隱爆成因機制，則可以得到合理解釋。
在過WFSD-1鉆孔的一條北東向剖面上，由地表探槽和WFSD-1鉆孔確定了本次汶川地震的主斷裂F1滑動面，傾角大約為60度。為了勘探該主斷裂向深部的延伸情況，研究人員在剖面北東側(cè)又鉆探了一處更深的WFSD-2鉆孔，結(jié)果并沒有在預(yù)期的深度發(fā)現(xiàn)這個主斷裂F1，反而發(fā)現(xiàn)其主斷裂F1在這兩個鉆孔之間呈現(xiàn)近水平特征（圖4），這意味著，主斷裂F1在地下的產(chǎn)狀不是一條直線，而是出現(xiàn)了奇觀的變化，即從地表的傾角60度到地下變?yōu)榻?。這是難以用彈性回跳假說進行解釋的。
圖4 過WFSD-1和WFSD-2鉆井及汶川地震表面破裂帶地質(zhì)剖面
汶川地震后，通過人工地震勘探，專家得到了多條高精度、高分辨率人工地震勘探剖面。圖5是一條位于虹口附近的東南向人工地震勘探剖面的地質(zhì)解釋，WFSD-1和WFSD-2井經(jīng)過該剖面附近。圖中左側(cè)紅色部分說明，地震爆炸后，巖石已經(jīng)破碎，而且曾發(fā)生過流體蝕變，人工地震勘探剖面表現(xiàn)為地震波的雜亂和弱反射。剖面右側(cè)的人工地震波相對反射規(guī)整，說明受到較少流體蝕變，巖層仍然完整。該區(qū)域深度大約8~15千米，與地震震中深度一致。高精度人工地震勘探結(jié)果表明，地下深處存在由于高溫、高壓流體造成的地層異常及畸變，這表明地下確實存在隱爆。
圖5 人工地震勘探探測到的地下隱爆特征
地下深處是否存在高溫高壓流體庫？更深層的地球物理勘探給出了答案。在橫穿汶川斷裂帶的深地球物理勘探剖面中，存在一近水平的、深度約30千米的紅黃色異常體，表現(xiàn)為低電阻率和低地震波速度特征。這說明，地下深部存在高溫、高壓流體；在這個深度下，它們應(yīng)該處于超臨界狀態(tài)。
溫度和壓力分別在臨界溫度和臨界壓力以上的非凝聚性高密度流體，被稱為超臨界流體。地下深處存在大量的地質(zhì)流體，其中，水是最重要的成分之一。水在不同的溫壓條件下呈現(xiàn)多種相態(tài)：低溫下是冰，常溫下是水，溫度大于100℃就變成水蒸汽；當溫度大于374.3℃、壓力大于22.1Mpa時，水即變成第四相態(tài)——超臨界水。地下0~18千米以下，即可同時達到水的超臨界溫度和壓力。根據(jù)目前對地球內(nèi)部壓力和溫度的估算結(jié)果，在下地殼及深部，流體均處于超臨界狀態(tài)。
當水處于地下深處呈現(xiàn)超臨界狀態(tài)時，一旦由于斷裂構(gòu)造活動使地下裂開一個口子，壓力、溫度陡降，超臨界水就會發(fā)生退相爆炸，變成水蒸汽，這實際上是一個體積急速膨脹的過程。同樣重量的水蒸汽體積比超臨界水大數(shù)百倍。
超臨界水氧化性強烈，在一定溫壓條件下，甲烷、乙炔和高烷烴等有機物在超臨界水中可發(fā)生自燃，并在一定條件下產(chǎn)生“水熱火焰”。
地下深處的雷電
前面提到，汶川地震的隱爆動力能量的第二個來源，是地下深處的累積負電荷放電（地下雷電）。關(guān)于這一點，證據(jù)也很充分：很多大地震發(fā)生時，都發(fā)現(xiàn)震區(qū)附近電磁場的突然變化。這是由于，電場的突然變化引起了磁場的突然變化。
電場為什么會變化呢？合理的解釋是，地震過程中，帶電氣體或者帶電流體從地下泄漏所致，相當于電流的突變。
2008年5月12日14:15，也就是汶川地震前13分鐘。北川中學所用的指南針教具“出現(xiàn)了亂擺”。
那么，地下深處的大電流流過時，是否會留下痕跡呢？答案是肯定的。美國科學家的研究表明，假玄武玻璃的出現(xiàn)，說明發(fā)生了大電流事件。
假玄武玻璃往往包含新生成的細小的的磁鐵礦，其表現(xiàn)出較高的天然剩磁（NRM）。NRM數(shù)值高，意味著曾經(jīng)有強大的電流通過而且持續(xù)了一段時間。該磁場高于地球正常磁場約1000倍。如果沒有大電流形成的局部強磁場，這些新生成的磁鐵礦只可能具有正常地球磁場的磁化率。
汶川地震后的鉆井巖芯磁化率測量結(jié)果表明，沿著新形成的地震破裂面存在假玄武玻璃，表現(xiàn)為高磁化率特征。這在WFSD-1鉆井資料的巖芯磁化率和鉆孔磁化率上都得到了確認。這是由于假玄武玻璃中包含新生成的磁鐵礦顆粒所致。
地震專家曾仔細分析了地震記錄臺站的記錄，發(fā)現(xiàn)汶川地震前和地震發(fā)生過程中都存在電磁異常的急劇變化。汶川地震前一天，成都地震臺站記錄到明顯的電磁脈沖異常。
專家通過總結(jié)全球的地震發(fā)生規(guī)律和強度，發(fā)現(xiàn)地震與斷裂性質(zhì)及地下是否存在高壓地殼流體密切相關(guān)：在漲性正斷層區(qū)域如東非裂谷區(qū)域，最大不會發(fā)生超過7.5級地震，因為漲性環(huán)境是一個相對開放的環(huán)境，流體和地下電荷會緩慢釋放不容易形成大地震；而在擠壓逆沖斷層區(qū)或壓扭斷裂區(qū)域，如果同時存在高壓地殼流體，則可發(fā)生9級以上地震，如環(huán)太平洋區(qū)域，因為壓性環(huán)境是一個封閉的環(huán)境，流體和地下電荷會緩慢聚集。
地震形成金屬礦？
地震雖然給人們的生命和財產(chǎn)造成了巨大損失；但也有其好的一方面，那就是大地震往往也是地下金屬礦的成礦過程。
針對地震與成礦之間的關(guān)系，科學家做了大量研究，也取得了不少進展。澳大利亞科學家近期的研究表明，地震中地下流體的瞬間蒸發(fā)，可使金礦發(fā)生沉淀。事實上，地震和火山爆發(fā)所造成的地殼淺表的溫度、壓力和PH值等參數(shù)的臨界轉(zhuǎn)換是很多熱液礦床形成的基本因素。
在地震過程中，含礦熱水在大地構(gòu)造運動的驅(qū)動下沿斷裂帶遷移上升，到達淺部或近地表的次級容礦或賦礦斷裂構(gòu)造破碎帶，含礦熱水體系由相對封閉體系到半開放-開放體系，特別是伴隨有熱水隱爆作用發(fā)生時，壓力的突然釋放，氣體揮發(fā)成分的大量散失，成礦熱液發(fā)生沸騰，伴隨含礦熱水的多種物理化學條件或參數(shù)的改變，導(dǎo)致熱水體系快速遠離平衡態(tài)，使熱水組分的濃度增大，礦物沉淀形成。
金屬礦的流體成礦過程，是流體中金屬元素溶解、遷移、聚集、沉淀過程。溫度、壓力、酸堿度、氧化還原條件四種因素相互影響，控制金屬元素的成礦過程?？傮w來說，強酸、強堿、高溫、高壓、強氧化環(huán)境下溶解、遷移，近中性、低溫、低壓、還原環(huán)境下沉淀。
在大型斑巖銅礦和金礦的勘探開采過程中，都發(fā)現(xiàn)了大量隱爆角礫巖。這也從另一個方面說明，斑巖銅礦和金礦的成礦過程往往伴隨著地震的發(fā)生。成礦機制說明，地震是一個壓力、溫度釋放的過程，可以滿足斑巖型礦床成礦的壓力、溫度、酸堿度等變化要素。
圖6 平武縣南壩鎮(zhèn)文家壩村山體發(fā)生冒煙現(xiàn)象
2011年2月22日，位于汶川地震斷裂帶的平武縣南壩鎮(zhèn)文家壩村山體發(fā)生冒煙現(xiàn)象（圖6）。平武縣位于北川和青川之間。經(jīng)過專家現(xiàn)場勘查及權(quán)威機構(gòu)的監(jiān)測數(shù)據(jù)資料報告，此處山體含大量磷、硫、鐵、錳等礦物質(zhì)。汶川地震后，山體垮塌，原先深埋地下的礦物質(zhì)裸露，造成自燃。進一步的鉆井巖芯化學分析表明，汶川地震主破裂帶富集了磷、硫、鐵、錳等元素。這說明，地震是一種由斷裂運動激發(fā)引起的地下隱爆和成礦過程。這次地震只是漫長的地質(zhì)活動過程的一個瞬間，也是成礦過程的一個階段。一個成礦過程往往延續(xù)百萬年。在百萬年內(nèi)，沿一個地震斷裂帶會發(fā)生無數(shù)次地震；而每一次地震都是對成礦的一次貢獻。
前人的研究成果表明，在數(shù)百萬年的地質(zhì)歷史內(nèi)，龍門山斷裂帶發(fā)生過多次地震。其中，在公元前5940至前5730年和公元前3300至前2300年，映秀鎮(zhèn)發(fā)生過兩次類似于墳川地震的大地震。在公元前930±40年，灌縣-安縣斷裂帶上發(fā)生過最晚一次強震。事實上，沿著汶川地震帶分布的一系列大大小小的鐵礦、磷礦等，就是不同時期的地震所形成的礦床。
地震與地下放電
地光，也叫地震光，是強地震前后常見的一種自然現(xiàn)象，在國內(nèi)外文獻中均有不少記載。唐山大地震由于發(fā)生在夜間，震區(qū)多人看到了耀眼的地光。5·12汶川地震發(fā)生在白天，地光在震區(qū)并不明顯；但在400千米外的天水，還是有人拍攝到了這種與地光相關(guān)的地震云（圖7）。
圖7 汶川地震前2小時拍到的扇狀地震云
地光實質(zhì)上是放電現(xiàn)象，是一種負電荷和正電荷碰撞形成的電子湮滅發(fā)光。早在16世紀，人類就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，靜電在放電過程中會發(fā)光，尤以摩擦放電最為典型，當電荷密度達到每平方米0.1微庫侖時，就能看到發(fā)光現(xiàn)象。
美國科學家發(fā)現(xiàn)，當?shù)卣鹌冉鼤r，地下活動會發(fā)生“奇怪變化”，產(chǎn)生強電流?！斑@種電流很強。里氏6級地震產(chǎn)生的電流高達10萬安培，里氏7級地震產(chǎn)生的電流高達100萬安培”。而常見的家用電表的最大電流一般不超過60安培。
如此強大的電流是怎樣產(chǎn)生的呢？地球真的帶電嗎？
現(xiàn)代科學研究表明，地球是一個巨大的帶電球體，不同的圈層具有不同的帶電特征。地球大氣層總體帶正電，地球大地表層總體帶負電。全球大地帶有5.6×105庫侖的負電荷，整層大氣電位差為3×105伏，地面電場平均強度130V/m。大氣層中既存在正離子，也存在負離子，但正離子平均比負離子多12.5%左右。因此，地球大氣總體表現(xiàn)為帶正電荷。
既然地球淺表層總體表現(xiàn)為富集負電荷，那么富集的負電荷是從哪里來的呢？
研究顯示，地球深部高溫、高壓下的元素轉(zhuǎn)換發(fā)生的電（核）化學轉(zhuǎn)換產(chǎn)生了負電荷。這些負電荷會隨著流體向上運移，逐漸聚集在地球淺部的圈閉（一種能阻止電荷繼續(xù)運移并能在其中聚集的場所）中。一旦構(gòu)造斷裂運動使得地球表層破開一個口子，就會發(fā)生電荷的突然泄露爆炸，并產(chǎn)生地震。
通過前文的介紹，我們知道，地下深處是一種高溫、高壓環(huán)境，物質(zhì)處于一種非固體、非液體的超臨界狀態(tài)。部分元素的原子核也并不穩(wěn)定，不斷有放射性現(xiàn)象發(fā)生。所謂放射性，是指元素從不穩(wěn)定的原子核自發(fā)地放出α射線、β射線、γ射線等的現(xiàn)象。
從構(gòu)造動力學可能更容易理解這種物質(zhì)變異過程。在地球的淺層——主要是地殼，物質(zhì)處于“形變區(qū)”，構(gòu)造運動和壓實作用就是分子團間的形變。比如，壓實作用就是分子團間的孔隙壓縮。
隨著深度的增加，主要在軟流圈部分的壓力和溫度逐漸增大，物質(zhì)孔隙已經(jīng)被壓縮到極限，孔隙度近于零。物質(zhì)處于“相變區(qū)”，這是一種分子內(nèi)原子間的重新排列和變位壓縮，比如煤炭、石墨、金剛石都是致密的單質(zhì)碳元素，只是原子結(jié)構(gòu)不同。煤炭密度是1.35g/cm3、石墨2.25g/cm3、金剛石為3.5g/cm3。這說明，石墨和金剛石原子受到了不同程度的壓縮，密度逐漸增大。
隨著深度的進一步增加，主要是地幔和外核區(qū)，進入“電子云變區(qū)”，原子間已經(jīng)無法再被壓縮，這種壓縮會進一步到達原子內(nèi)的電子層范圍，也就是部分物質(zhì)的原子內(nèi)外側(cè)的不穩(wěn)定電子可能會被擠出，使得β射線衰變釋放出電子，這些電子會隨著地下深處的流體向上運移并富集。
那么，這些來自地球深部的負電荷主要聚集在哪里呢？研究表明，它們主要富集在斷裂破碎蝕變帶內(nèi)。這些蝕變礦物往往是含水黏土礦物，多呈片狀結(jié)構(gòu)，如高嶺石族、伊利石族、蒙脫石、綠泥石族、云母族。顯微鏡下，它們似一摞撲克牌。平坦一側(cè)帶負電，邊緣一側(cè)帶正電，總體上帶負電。就好比斷裂破碎帶內(nèi)有無數(shù)個電容器。黏土顆粒具有很大的比表面積，1克黏土的比表面積可以達到800平方米。
地下深處的累積負電荷在火山噴發(fā)時會隨著地球深處的巖漿向外噴射，與大氣中的正電荷作用形成閃電，最好的例子是，日本2011年1月28日“新燃岳火山”噴發(fā)時所呈現(xiàn)的壯觀閃電現(xiàn)象。過去，人們把這種隨火山巖漿噴發(fā)出現(xiàn)的閃電現(xiàn)象解釋為“高溫使空氣電離”，但這種認識是錯誤的，如果這種高溫能使空氣電離，那么鋼鐵廠的高溫熔融的鐵漿也應(yīng)該會發(fā)生閃電，事實上并沒有。這說明，累積在地下深處的電荷突然受構(gòu)造運動激發(fā)而發(fā)生地下放電爆炸給地震貢獻了另外一種能量。因此，地震也是一個地下雷暴過程。
其實，在20 世紀70年代，就有蘇聯(lián)學者提出了地震成因的電擊穿說。作為地震時地內(nèi)存在強電場的直接觀測證據(jù)，蘇聯(lián)地震學家曾觀測到地震活動期間產(chǎn)生強大的電流。在1966年塔什干地震余震活動期間，人們看到置于500米深井下的無電流的電纜頭上產(chǎn)生了放電現(xiàn)象，并使得電纜頭被熔化。1972~1974年，烏茲別克科學院的地震研究人員在恰爾瓦克水平坑道中偶爾進行了地球脈沖電磁場變化觀測，證明地殼發(fā)射電磁脈沖，而且在地震事件之前，發(fā)射強度急劇上升：在地震前幾十個小時或幾天前，電磁脈沖強度異常變大。
地震前，地下電荷的外泄會造成局部電磁異常，使家用電器如收音機、電視機、日光燈等出現(xiàn)異常，其中最為常見的電磁異常是收音機失靈。1976年唐山大地震前幾天，唐山及其鄰區(qū)范圍內(nèi)的很多收音機失靈，聲音忽大忽小，時有時無，調(diào)頻不準，有時連續(xù)出現(xiàn)噪音。同樣是唐山大地震前，有唐山市民反映，已經(jīng)關(guān)閉的熒光燈先是發(fā)紅，然后又亮起來；還有北京市民發(fā)現(xiàn)，日光燈無法關(guān)閉，一直亮著。
電磁異?，F(xiàn)象還包括一些電機設(shè)備不能正常工作，如微波站異常、無線電廠受干擾、電子鬧鐘失靈等。汶川地震前，也有人發(fā)現(xiàn)無線電信號異常：地震發(fā)生前的當天上午，有的對講機不能正常使用，出現(xiàn)頻率偏移現(xiàn)象。
為什么地震前會出現(xiàn)無線電信號異?，F(xiàn)象呢？合乎邏輯的解釋是，由于震前在一些構(gòu)造薄弱的斷裂區(qū)發(fā)生了地下電荷的泄露，這種泄露會產(chǎn)生寬頻帶的交流電磁場，造成無線電的混頻被干擾。
既然地震和地下高壓電有關(guān)，那么，歷史上的地震放電燒傷過人嗎？
1975年遼寧海城地震的調(diào)查結(jié)果給了我們答案。在這次地震中，出現(xiàn)了從未見于記載的地光對人體的危害，僅了解到的就有20余例。海城先進街一小女孩跌倒時，在身下閃出白色地光。第二天，女孩兩腮腫起，臉呈紫豬肝色并有水泡出現(xiàn)。她的母親在她之后跑出來，兩三天后，兩腮也紫腫起來。海城招待所東側(cè)某些居民，面部也出現(xiàn)不同程度的灼傷，面部為暗紫色，幾天后，龜裂翹皮。
古人對地震的理解很值得借鑒。我國歷史較早有文字記載的一次大地震發(fā)生在周幽王二年（公元前780年），震中是陜西岐山?！妒酚?/span>·周本紀》（卷四）記載，太史伯陽甫認為：“陽伏而不能出，陰迫而不能蒸，于是有地震。”這實質(zhì)上是一種陰陽不平衡現(xiàn)象，也可以理解為正負電荷的不平衡。
《周易詮釋》之豫卦，象曰：雷岀地奮。這句話翻譯成白話就是：“卦象傳說：雷從地下出來，大地振奮，這是豫卦的象?！吨芤?/span>·說卦傳》也描述：震為雷。
地震到底能不能預(yù)測
地震多發(fā)，災(zāi)難深重，這是我國特殊的地質(zhì)條件所決定的。20世紀以來，我國平均三年發(fā)生兩次7級以上地震。
早在古代，人們就開始進行地震預(yù)報研究的嘗試。東漢時期，張衡發(fā)明了地震儀。近代，人們在幾次強地震的活動過程中，不僅觀察到了井水翻花冒泡、水質(zhì)變苦變甜等現(xiàn)象；還利用先進的觀測技術(shù)觀測到了地下水中氡及其他一些化學組分的變化，由此開展了利用地下水化學組分預(yù)報地震的研究，其中尤以中國、蘇聯(lián)等國所做工作最多，研究最為深入。
目前，中外科學家對地震預(yù)測的看法是一致的，即在地震帶內(nèi)可以做到中長期概率預(yù)測，但尚不能準確預(yù)報地震的發(fā)震時刻、震中和震級。
正是受錯誤的彈性回跳假說影響，使得人們對地震的預(yù)測一度走入了誤區(qū)——需要觀測發(fā)震斷裂何時達到臨界破裂程度。由于地震常常發(fā)生在地底很深的地方，人們往往無法布置探測儀器，安裝探頭，而且，斷裂的臨界破裂是一個不可觀測量，人們無法預(yù)測一個斷裂何時會突然發(fā)生破裂。
在地震預(yù)測方面，我國一直走在世界前列，在監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)化規(guī)范化方面也有了長足進步：建成了數(shù)百個由國家基本臺、區(qū)域臺和地方臺組成的全國地下流體觀測臺網(wǎng)；建立了首都圈和滇西地震實驗場；初步進行了臺網(wǎng)的數(shù)字化改造和建設(shè)；目前開展的地震前兆觀測包括地震活動性、地殼形變、地下水、地電、地磁、應(yīng)力-應(yīng)變、氣象、誘發(fā)因子、宏觀異常等十幾類近百種方法，發(fā)現(xiàn)了大量的異常現(xiàn)象，但還沒有找到像天氣預(yù)報溫、濕、壓、風那樣物理意義明確的基本要素。
據(jù)不完全統(tǒng)計，40年來，我國曾對20次左右6級以上地震做出了成功或一定程度的有減災(zāi)實效的地震預(yù)報。從這些成功預(yù)報的例子看，多數(shù)地震在震前都觀測到了明顯的電、磁異常和流體異常。
但是從2008年汶川地震后，人們對地震預(yù)測與預(yù)報逐漸失去了信心。越來越多的人認為，地震不可預(yù)測。這此情況恰恰反映出地震預(yù)測的復(fù)雜性。如果對地震的成因機制認識不清，人類就無法做到準確預(yù)測地震。
從上文所介紹的內(nèi)容看，人們對地震有了一些最新的認識，也許這些研究能夠使人們更準確地預(yù)報地震的發(fā)生。關(guān)鍵的預(yù)測參數(shù)應(yīng)該包括三個方面，它們分別是：電磁脈沖異常、地下流體異常和微震異常。
美國地質(zhì)調(diào)查局曾于1976年10月和1979年10月分別召開了兩次關(guān)于地震前動物異常行為的討論會。與會專家一致認為，震前動物異常行動包括氣壓、重力變化、土地隆起和傾斜變化、伴隨微破裂的聲響或振動、磁場變化、電場變化、地下水位變化、瓦斯氣體逸出；同時指出，震前的電場變化和瓦斯氣體逸出，可能是震前動物行為異常的最主要原因。
地震能消減嗎
通過前文的介紹，我們了解了地震的成因機制，由此使得地震不但有可能被預(yù)測和預(yù)報，還有可能被消減。消減方法就是在地震斷裂帶深鉆灌注鹽水（鹵水），這樣做有兩個目的，一是使得深部流體減壓釋放，二是地下深灌鹽水可以引爆累積的負電荷緩慢釋放能量。
深鉆使得深部高壓流體減壓釋放，不用證明。但深灌鹽水可以引爆累積的負電荷并緩慢釋放能量，到底有沒有科學依據(jù)？答案是肯定的。該方法是由筆者提出來的，類似提到深鉆但沒有提到注水的方法，最早由我國著名地質(zhì)學家杜樂天教授于數(shù)年前提出。
美國阿森納巖石山污水回注誘震是最早表現(xiàn)出回注與誘發(fā)地震有明確關(guān)系的案例（圖8），該污水回注井深3671米，污水回注后該區(qū)域自1962年至1966年共發(fā)生大小地震超過1500次，震中深度集中在3700~7000米，最大震級Mw4.8。
之后，人們又陸續(xù)開展了一系列類似試驗，如美國的佯謬谷咸水回注誘震、美國間歇泉地熱回注誘震、瑞士巴塞爾干熱巖或增強地熱誘震案例，都說明，向地下注入咸水，可以誘發(fā)地震。我國重慶榮昌天然氣田注水，也發(fā)生了明顯的誘震案例：該區(qū)域注水深度2.6~2.9千米，1988年至2006年間，共發(fā)生地震超過3.2萬次，最大震級是發(fā)生在1997年的MS5.2，發(fā)震時間、頻次、震級與注水率有顯著相關(guān)性。
圖8 美國Rock Mountain Arsenal 污水回注誘震案例
與此同時，還有更多的資料表明，灌注水可以誘發(fā)地震，震級一般小于5級，而灌注二氧化碳并不會誘發(fā)地震。眾所周知，水是電的導(dǎo)體，但二氧化碳不導(dǎo)電。這說明，深灌鹵水可以緩慢釋放地下深處聚集的負電荷。試驗同時也證明，向地下深處灌注水（鹵水），的確可以緩慢釋放能量。
由此，我們很容易想到消減地震的方法，那就是采用深鉆法，首先對地下深處的高壓流體進行釋放（圖9），然后再灌注鹽水（鹵水），目的是使地下深處聚集的負電荷緩慢放電。比如我們的深鉆目前可以達到近10千米，之下的部分可采用高壓灌注鹵水的方法，沿著深大斷裂帶有可能把水注入到深達近20千米的范圍。這樣一來，很多淺源地震可以得到有效緩解。也許本該發(fā)生8級地震的地方，采用此方法可以消減地震的級別到5級左右，地震的危害程度將大大緩解。采取這些措施后，這相當于使子彈中的炸藥受潮失效，即便地殼發(fā)生斷裂，也只會像打槍扣動扳機一樣，僅僅發(fā)生很小能量的機械振動，而不會發(fā)生深處猛烈的流體釋放和電流釋放爆炸。這種深鉆可以沿著地震斷裂破碎帶每隔10千米打一個，如此有可能使地震高發(fā)地區(qū)高枕無憂，基本不會發(fā)生大震。
盡管國內(nèi)外目前沒有專門采用注水方法消減地震的，但很多地方已經(jīng)無意中對該方法做了試驗。人們發(fā)現(xiàn)，世界上石油開發(fā)和地熱開發(fā)較多的地方，近幾十年，地震明顯減少了。
事實上，自從1976年唐山大地震后，郯廬斷裂帶至今沒有發(fā)生過大地震。這很大程度上得益于沿這個斷裂帶附近的石油勘探開發(fā)（渤海油田、勝利油田等）過程中的注水消減了部分能量，而且，地熱開發(fā)也起到了消減作用。
圖9 深鉆灌注鹵水消減地震示意圖
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地震的震級
地震有強有弱，用來衡量地震強度大小的尺子有兩把：一把叫地震震級，另一把叫地震烈度。
作為衡量地震大小的一種度量，每一次地震只有一個震級，它是根據(jù)地震時釋放能量的多少來劃分的。震級可以通過地震儀器的記錄計算出來，震級越高，釋放的能量越多。
由于衡量地震震級的方法多種多樣，從而導(dǎo)致當前世界上存在多種度量標準，就像英尺和米尺一樣。常見的地震震級包括：矩震級（Mw）、里氏震級（ML）、面波震級（Ms）及體波震級（mb）。無論是里氏震級、面波震級，還是體波震級，都存在著兩個主要問題：一是這些震級與地震發(fā)生的物理過程沒有直接聯(lián)系，物理含義不清楚。二是統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)它們具有“飽和”現(xiàn)象，即：當?shù)卣鹚尫诺哪芰吭龃髸r，震級卻不再增大。因此，面對大地震時，采用這些震級標度，會低估地震釋放的能量。
矩震級已成為世界上大多數(shù)地震臺網(wǎng)和地震觀測機構(gòu)優(yōu)先推薦使用的震級標度。不過，世界各國有各自的震級研究歷史和計算公式，對外公布的震級標度還未統(tǒng)一。我國對外公布的震級大多是面波震級，而不是矩震級。
