大地震前应力集中,构造内部积累了巨大的能量,必然在震中附近地区出现形变异常(应变和倾斜),当弹性形变向塑性形变过渡并开始出现塑性形变时,形变量很大,沿着地壳传播形成长周期形变波,只有这种波动才能长距离传播,并且这种波源一定来自震中强应力地区。因为能够在很远的距离记录到震前、同震、震后形变波,所以目前研究人员都不把它当作地倾斜,而叫做超长周期形变波(邓建元,1996)。这里提到的形变波是指一些震前波动、阶跃、突跳、扰动等。

地震发生时,震源仅释放地震孕育过程中积累的部分能量,其余的大部分能量是在地震前以各种方式缓慢释放的,长周期形变可能就是其中的一种。近年来,国内外学者提出了多种关于长周期形变波的理论模型(韩元杰,1984),无论是“地震成核模式”、“IPE模式”、非线性动力学中的“SOC模式”,还是断层预扩展理论、微破裂集结—广义成核理论、地震地形变演化过程中的“β₂”和“γ₁”阶段理论,对长周期形变波的认识都是一致的或者相通的。在地震孕育过程中,当能量接近破裂临界时,往往会出现“地震”、“慢地震”、“静地震”、“蠕滑”等多种破裂的密集和明显的涨落,并可能以波的形式向远方传播,而长周期形变波就是这种性质的波(王少江,殷志山,1989)。郭增建和秦保燕(1979)指出:一般认为在大地震发生前,震源及其附近将会产生许多微小的错动和微小裂缝,大量微裂的串通,微错的进一步发展,将导致大断裂大错动的产生,那便可能是主震发生了。震前这种微裂微错的产生可以发射出频带较宽的振动现象,并且可以以波的形式向外发射,既有高频、中频的,也有低频的。

目前对长周期形变波的研究,还处于依靠片断记录对观测资料描述分析、实验及理论初步探讨阶段,缺乏系统的累积和研究。由于形变波是长周期的或者超长周期的波动,不容易引起人们的注意,甚至可能错误地看作是仪器的零漂和其他干扰,过去都是把它作为一种不明干扰来处理。形变波是目前已发现的可重复出现的、较可靠的短临前兆异常信息,对推动地震短临预报,具有重要的意义,在时间预测上有一定的作用,有望成为地震短临预报一个新的突破口。

(1)红山台水平摆倾斜仪在1970年1月5日通海M_S7.7地震之前21 h记录到了明显的短周期波动(图1)。

图1 1970年1月5日通海MS7.7级地震前红山台水平摆倾斜仪潮汐曲线异常图像 周硕愚.2006.地形变基础知识与地震预报.
Fig.1 Tidal deformation anomalous pattern recorded by the horizontal pendulum tiltmeter at Hongshan seismic station before Tonghai MS7.7

(2)1973年2月6日四川炉霍M_S7.9大震,位于震中以东420 km的西昌小庙台JB型水平摆(t=12.5 s)倾斜仪,在震前7 h两分量同时记录到了脉动加粗状异常图像,波动周期约20 min,震后2 h趋于正常(图2)(陈德福,2006)。

图2 1973年2月6日四川炉霍MS7.9大震前西昌台水平摆倾斜仪潮汐曲线异常图像
Fig.2 Tidal deformation anomalous pattern recorded by the horizontal pendulum tiltmeter at Xichang seismic station before Luhuo MS7.9 earthquake

(3)甘肃高台地震台电容式应变仪整点值曲线在2001年11月14日昆仑山西口M_S8.1地震前后记录到的成组突跳,震中距Δ≈970 km(图3)(尹亮等,2002)。

图3 2001年11月14日昆仑山西口MS8.1地震前高台台应变仪整点值异常曲线图
Fig.3 Integral hour values anomalous pattern recorded by the body strain gauge at Gaotai seismic station before West Kunlun Mountains Pass MS8.1 earthquake on Nov.14,2001

图4 1990年10月20日天祝—景泰6.2级地震前兰州台水平摆记录潮汐曲线偏离状波动异常图(Δ=110 km)
Fig.4 Tidal fluctuating anomalous pattern recorded by the horizontal pendulum tiltmeter at Lanzhou seismic station before Tianzhu-Jingtai MS6.2 earthquake on Oct.20,1990

图5 1988年11月6日澜沧—耿马MS 7.6地震前云南下关台重力仪潮汐形变脉动加粗异常图
Fig.5 Pulsation overstriking anomalous pattern of tidal deformation recorded by gravimeter at Xiaguan seismic station,Yunnan province before Lancang-Gengma MS 6.2 earthquake on Nov.6,1988

图6 1986年11月15日台湾花莲7.6级地震地震前厦门台水平摆记录的潮汐曲线异常图 周硕愚.2006.地形变基础知识与地震预报.
Fig.4 Tidal deformation anomalous pattern recorded by the horizontal pendulum tiltmeter at Xiamen seismic station before MS7.6 Hualian,Taiwan earthquake on Nov.15,1986

图7 1999年9月21日台湾MS 7.6地震前兰州台应变伸缩仪记录的潮汐阶跃异常曲线图
Fig.7 Tidal deformation step anomalous pattern recorded by the extensometer at Lanzhou seismic station before Taiwan MS7.6 earthquake on Sep.21,1999.

通过对多年积累资料的收集整理得出形变波异常出现的时间:97%以上都集中在震前几小时至6.5天以内,也有震前几十分钟至几十天出现的异常,由此可见形变波出现后,大约一周左右发生地震的可能性最大(陈德福,2006)。

有效监测范围和震级大小密切相关,震级越大可监测到的范围越广,震级越小可监测的范围就越小,初步估略6级地震可监测范围约为300 km,7级约为400 km,8级为2 000 km左右。

大小地震均可能记录到震前形变波,由于仪器灵敏度的限制或者环境背景噪声的干扰,小地震引起的形变波很难被仪器记录到,能被记录到的形变波以中强地震为主,6级以上地震记录到形变波的可能性更大。

大中地震前记录到的形变波异常,其形态是以波动形式为主的。其波形有多种:锯齿状或反锯齿状波,脉冲状波,脉动加粗或串珠状波,潮汐曲线偏离即慢地震状波(陈德福,2006)。此外,也可将阶跃异常归为阶跃状波。这些都有可能是大震震源附近的信号被形变仪器监测到的记录证据。

陈德福(2006)统计了12个震例,得出:形变波动周期一般在2～20 min和30～60 min内,个别达60～120 min,即包含有高频、中频、低频波。长周期形变波或蠕动传播速度约为0.5～3.5 km/s。对近震地形变倾斜传播速度为2.1～2.8 km/s,而远震则为3.3 km/s(吴迪等,2007)。因为远距离接收到的长周期形变波的主要成份是P波,因而对应的波速较大; 而对于近距离接收到的长周期形变波,S波贡献较大,故其传播速度相对较小。