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1、走进地震预测-加卸载响应比方法 袁 帅,首先要从一个寓言故事说起：有一个商人让他的骆驼驮了很重的货物，他对同伴炫耀说：“伙计，你瞧我的骆驼多能干啊！”同伴说：“伙计，你的这匹骆驼是很能干，可它也已经驮到极限了，你看它的腿在哆嗦呢！我敢保证，如果再加一根稻草，就足可以把这个可怜的家伙压垮了。”商人很不服气，说：“尊敬的伙计，你也太小瞧我这匹骆驼了，你看它威猛无比，我就不信一根稻草能将它压垮。”同伴说：“那就见证一下吧。”说着同伴捡起一根稻草，往骆驼背上轻轻一放，这匹威猛而能干的骆驼果然轰然倒下。这是一个广为流传的寓言故事，而这个故事也为地震预测提供了启发。,在寓言中，骆驼负重已经达到了临界状态，
2、加一根稻草和减一根稻草对于骆驼来说是有天壤之别的：减一根稻草，骆驼会感觉少许轻松，而加一根稻草骆驼就会被压垮；而在负重很小的情况下，骆驼对于加减一根稻草却有相似的反应，少许加重或者少许轻松。同样道理，如果把地壳比作骆驼的话，当进入大地震前的临界状态，地壳对于加载和卸载的响应也会有着巨大的差别。正是基于这个道理，尹祥础注提出加卸载响应比理论，来为地震预测提供一条新的途径。地震是极具破坏力的自然现象，地震造成的人员伤亡和财产损失是非常巨大的（见图1），进行地震预测、预报是减少地震破坏力的最有效的方法之一。地震的孕育过程是极其复杂的，但从力学角度看，其物理实质在于震源区介质的损伤、失稳和破坏，地震的
3、孕育过程就是震源区介质的损伤、演化、破坏过程。,图2是典型的岩石的本构曲线，本构关系表征受到外载时，材料的各力学量之间的关系。图中纵坐标表示载荷P，横坐标表示响应R，在一维应力应变状态下即是相应的应力和应变。如果使材料的受力单调增加，材料将分别经历弹性变形（A）、损伤（B）、失稳（C）等过程。弹性变形的本质特征为其可逆性，即加载过程和卸载过程是可逆的（加载和卸载沿同一条曲线变化）；损伤过程的本质特征与弹性过程相反，具有不可逆性（加载和卸载不沿同一条曲线变化），这种差异反映了材料的损伤或劣化的程度。加卸载响应比理论的出发点即基于此。,在加卸载响应比理论里面，首先要定义两个基本的参数。响应率：设载
4、荷增量为,相应的响应的增量为,定义响应率X为：(1)加卸载响应比：令 和 分别代表加载与卸载时段的响应率，则加卸载响应比Y 定义为(2)对于弹性变形，,因而。而对于损伤过程，Y 1；当系统失稳时，。而将加卸载响应比应用于地震预测要解决三个主要的科学问题。如何对地壳进行加载和卸载整个孕震区的线尺度可达几百甚至上千公里，对这样巨大的系统进行加卸载，显然不是目前人力所能及的。,好在大自然正好为我们提供了这样的条件，这就是日、月运行产生的引潮力。日月引潮力的周期性变化就实现了对地球的周期性加载和卸载。如何判断加载和卸载 根据大量实验研究，对于岩石材料，库仑准则是最适用的。根据库仑准则，断层面上的库仑应
5、力(有效剪应力)为：(3)其中，,和 分别代表断层面的内摩擦系数、剪应力和正应力。判断为加载，反之，判断为卸载。众所周知，地壳应力 包含构造应力 和潮汐应力。由于构造应力 的量级（106108 Pa）远远高于潮汐应力 的量级（103104 Pa），因此可以认为地壳应力的主方向和构造应力的主方向是一致的。然而，由于潮汐应力的变化率远远大于构造应力的变化率，因此库仑破裂应力的增量（）主要是由于潮汐应力引起的。地壳的弹性变形可以通过对6个一阶偏微分方程求解得到。采用龙格库塔数值计算方法，可以计算出任何截面上的潮汐应力分量。这样在法线方向为n 的断层面上的正应,力和剪应力就可以通过应力张量的坐标转换得
6、到，然后根据式（3）就可以很容易的计算出库仑破裂应力增量（）。如何选取响应 在地震学中可以用地震能量，在实验中用声发射能量来定义加卸载响应比Y。我们选取地震能量作为响应，定义加卸载响应比Y为(4)式中E为地震能量，“”和“”分别代表加载和卸载，为一个01之间的常数，时，是该次地震的能量；时，即为地学中熟知的贝尼奥夫应变；及 时，分别代表震源体的线尺度和面尺度；时，加卸载响应比定义为加载地震跟卸载地震次数的比值。和 分别为所研究时段加载和卸载地震的总数。解决了这3个问题以后，就可以将加卸载响应比应用于实际的地震预测。在强震发生前加载响应大于卸载响应，加卸载响应比出现异常，从而为地震预测提供重要的
7、依据。,加卸载响应比提出以来取得了较好的效果。20042007年期间 92%的震级M5的地震，都落在LURR预测区内。关于汶川地震，在震前做过一定程度中期预测，但临震前没有做出正确判断，震后对地震序列判断正确并且成功预测了几次余震（正式填写预报卡）。2008年中国大陆发生的8次6级以上地震，除2次发生在西藏等缺乏资料地区的地震外，都符合LURR的规律。根据大量的研究，发现加卸载响应比在地震发生前的一般演化规律为：在地震孕育初期，加卸载响应比值Y在1附近波动，在强震来临的时候，加卸载响应比值发生异常，升高、达到峰值、然后回落，即在主震发生的前夕，加卸载响应比会迅速下降，然后地震发生。图3为典型的
8、加卸载响应比Y（即LURR）的演化曲线。南加州1989年地震发生前，加卸载响应比突然上升，然后下降，到年底（红色箭头所指的时间）即发生了6.9级强地震。图4为加卸载响应比在汶川地震余震预测中的应用。横轴为时间，黑色点的纵轴为响应比的值，红色竖线的纵轴为发生余震的震级，水平的蓝色虚线代表响应比为1的边界，虚线上面的点为异常点。由图中可见，加卸载响应比的预测效果比较好，跟汶川地震,余震的对应情况比较好。不难看出，加卸载响应比值可以定量地刻画岩体逼近失稳的程度。地震及许多其它地质灾害，如滑坡、岩爆及火山喷发等均为不同尺度岩体的失稳现象，因此加卸载响应比理论可能为地质灾害的预测开辟出一条新的途径。注：
9、尹祥础，中国地震局地震预测研究所地震学研究员 男,1935 年生。1959年毕业于清华大学工程力学研究生班。1984年在美国圣路易大学作访问教授。现为中国地震局地震预测研究所（原分析预报中心）研究员，博士生导师。,中国科学院力学研究所非线性力学开放实验室（LNM）特邀客座研究员，中国科学院研究生院长期兼职教授，ACES(APEC Cooperation for Earthquake Simulation)科理会理事，地震学报、中国地震、地震,及超级计算通讯编委。曾先后主持承担两项国家自然科学基金重点项目。1992年起享受国务院政府特殊津贴。主要研究领域：地震力学，地震预报理论，非均匀脆性介质损
10、伤力学。全新的地震预测理论-加卸载响应比（LURR）理论的创建者。该理论开辟了一条预测地震、水库地震、矿震、岩爆、滑坡、火山喷发等自然灾害的新途径。他关于该理论的研究论文已发表在国内外许多重要学术期刊上（如苏联的自然杂志-,欧洲的Pure and Applied Geophysies，美国地球物理学会专著AGU Monogroph，中国科学等）。通过对几百个中外震例的检验,证实了LURR理论的正确性，符合率高达80%。用该理论已成功地预报了美国洛杉矶地震、日本关东6.6级地震、云南丽江7级地震,张北6.4级地震等多次中外地震（中期预测）。2004年发生在中国大陆资料达标地区的17个ML5地震中，15个落入用LURR在2003年底正式预测的区域内。,
