地震前兆現象研究綜述

摘要：近年來，隨著中國城鎮化的高度建設，加之構造活動的活躍，地震災害帶來的損失越來越大，因此避開或減小地震災害造成的影響就變得尤為重要?，F階段，人類主要通過地震預報、地震預測、地震預防教育、優化城鎮選址等手段來避免或減少地震災害帶來的損失。但是，地震預報、地震預防教育、優化城鎮選址等手段都難以實現地震前的及時預知，無法充分獲得防震準備，相比較，地震預測手段就可以很好的實現這一點。地震預測主要是根據地震前震期所發生的一些前兆現象來進行判斷的，目前科技下可獲得的前兆現象主要包括：動物行為異常、熱紅外異常、電磁異常、大地變形、地應力急速變化、地下流體異常等。對這些前兆現象進行研究并對現有問題進行改進，將會提高地震預測手段的精準性，及促進它的發展，為減少地震損失具有十分重大的意義。

關鍵詞：前震期;前兆現象;地震預測

1 地震預測的重要性

眾所周知，地震是人類目前面臨的危害最大，破壞性最嚴重的自然災害之一，地震曾在世界范圍內造成了巨大的人員傷亡和經濟損失，如1976年的唐山7.8級大地震，死亡24余萬，重傷16萬人，直接經濟高達損失100億元以上;2004年的印尼9.2級大地震，引發的海嘯襲擊11個國家，造成29萬余人死亡;2010年的海地7.0級大地震，最終造成人員死亡17萬余人，經濟損失十分巨大。而且，隨著城鎮化的發展，人口的增加，地震帶來的威脅也隨之變大。有研究表明，死亡人數大于5萬的地震的數量將會隨著世界人口的增加以及城鎮化水平的提高而增加，并且預計21世紀因地震造成的人員傷亡和經濟損失將會更大。而中國截止到2014年，城鎮化率達到53.7%，還遠低于發達國家80%的水平，也低于人均收入跟中國相接近的發展中國家，我國城鎮化的發展還處于十分快速的階段。而且中國又是一個人口大國，地震災害對中國存在的威脅是十分巨大的，為此，對地震防災等方面的研究意義也是非常的重大。

目前，由于地震的發生機制比較復雜，地震蘊蓄力量較大，通過人為的減少地震的發生來避免損失幾乎是不可能的。人類只能通過其他的措施來進行防災?，F階段，人類應付地震帶來的危害，主要是通過優化選址、地震預報、地震預測、地震防災教育、建構筑物抗震等措施來降低損失的。然而這些方法中，除了地震預測和地震預報外，其它方法都未考慮地震發生的可能時間，是一種提前預備的手段，以期待在地震發生時，盡可能減少損失。但地震來的時候都是爆發式的，盡管在現代教育發達、建筑結構抗震良好的情況下，仍然少不了帶來很大的人員傷亡。所以既然避免不了地震的發生，但能夠在地震來臨前進行足夠時間的準備，這將對地震避災產生極大的正面作用。

對于地震預報和地震預測，由于目前地震周期性理論尚不清晰，難以進行精確的長期的地震預報，而地震預測，便可以得到一個地震來臨前的相對精準的預測，目前中國已有多次地震預測成功的案例，如1975年的海城地震，1995年的中緬地震等。目前對地震進行預測的方法或前兆現象主要包括動物行為異常、熱紅外異常、電磁異常、大地變形、地應力急速變化、地下流體異常等。本文希望通過概述國內外關于地震預測工作中前兆現象的現狀，總結目前存在的主要問題，以期進一步促進社會對地震預測及相關問題的了解與認識，另外從教育角度講，對地震防災也有一定的積極作用，從而使社會更加科學地看待地震前兆現象及相關問題。

2 地震預測的前兆現象及其現有研究問題

2.1 動物行為異常

關于地震前動物存在異常行為的記載早在千年以前就已經出現過，但很早之前的的事跡或者數據都是在事后由報告或者其他人員的述說得知的，這樣使得事件具有一定的回憶性和主觀解釋性，可能與真實情況存在一定偏差。但縱觀地震的發生史，尤其是近一兩個世紀以來對地震與動物關系的研究發現，地震與地震前動物異常行為之間存在著某種高度的聯系，這使得研究地震前動物的異常行為成為必要，并渴望以此來實現地震前的短臨預測。而且目前，關于利用地震前的動物異常行為進行地震預測已經有成功的案例，如1968年7月24日發生在東汪附近的4.8級地震，以及同年9月17日發生在寧晉的4.2級地震，此外還有震驚世界的1975年2月4日發生的7.3級海城地震，這也是唯一一次根據動物異常行為為主要依據進行成功預測的案例，也是世界上唯一一次沒有爭議，具有很大科學效益和社會效益的成功案例。

那么地震前，將可能會引起那些動物的異常反應呢？據相關資料表明，地震前產生異常行為的動物種類數很多，野生的包括老虎、狼、猴、鴿子、蛇、青蛙、螞蟻、天鵝、老鼠等，人工飼養的生物的也有反應，如馬、牛、羊、貓、雞、蜜蜂等。具體的異常行為如牛、馬、羊、雞等人工飼養類不進窩，并伴有焦躁、進食不規律等異常行為;冬眠類動物如蛇、青蛙會提前醒來并爬出洞穴;螞蟻、老鼠搬家;魚成群浮游，跳出水面;動物園常見的鳥類、哺乳動物活動量減少;實驗室小鼠晝夜節律失常等。

目前，關于地震前動物存在異常行為的科學原因還沒有統一定論，甚至有科學家對以震前動物的異常行為來進行地震預測持有懷疑態度。但目前關于震前動物出現異常行為的原因大致可以分為以下幾類：

（1）大地中存在有毒氣體及放射性氣體，如一氧化碳、氡氣、甲醛等，地震時由于物理化學作用使得氣體逸出地表，該類有害氣體對生物產生作用，對該影響作用反應強烈的生物表現出異常行為;

（2）震前由于深部巖石大范圍的微小破裂，造成一定頻率的聲波傳遞到地表并引起微震動，對聲波或震動敏感的生物如魚、鴿子等生物會產生類似于焦慮、急躁、進食不規律等異常行為;

（3）震前由于壓力作用使得地殼巖石中帶有正電的載流子產生向地表的流動，當其到達地表時，還會引起水中的電化學反應，并改變地-空界面處的電離場，研究表明，帶有負電的一定量的空氣離子會對人類乃至其他一些生物產生有益或愉快的效果，而帶有正電的空氣離子則正好相反，其會引起人類和動物血液中血清素的增加，并產生類似于“血清素綜合征”的癥狀，從而產生一些異常行為;

（4）因壓力增加使得地殼巖體中產生電流的同時，因電流作用也會產生一些超低頻電磁場，并傳達到地表，有研究表明，超低頻電磁波會對有機體產生一些功能上的影響，如老鼠、牛群的晝夜節律失常;

然而，關于震前動物異常行為的研究也存在著諸多的問題。目前這類的結論主要是根據經驗、地震后的回憶來進行總結而出的，這方面的研究還不具備系統性、科學性的特點。一方面是由于震前動物異常行為的研究起步較晚，并且結論都是在震后總結得出的。另一方面是，動物表現出異常行為不僅與地震有關，還受到天氣、環境等因素的影響，并不是每次地震都會出現動物的行為異常，其可能還與地震，區域構造等因素有關。但這也為新的研究帶來了一定的機遇，可以根據地震前可能引起的某種物理化學場變化的單一因素，通過實驗來對生物進行研究，建立地震與震前生物行為異常的關系。另外隨著科學技術的發展，目前已經進入了分析水平，利用基因序列研究生物與地震的關系也成為了可能。

2.2 熱紅外異常

地球熱紅外表現是地球表面各種因素的熱輻射狀況的一個綜合反映。它受到地熱、天氣、太陽輻射、晝夜變化等因素的影響。但在一段時間內，在相同的氣象背景和正常的太陽活動下，在無震活動時，熱紅外呈現出一種規律性變化的靜態圖像。這為地震前利用熱紅外異常預測地震成為可能。

將衛星熱紅外技術應用于地震預報的研究始于上個世紀80年代，最早是由前蘇聯學者Gorny、Tronin等人在分析中亞地區地震時將此觀點發表的，之后在世界范圍內迅速的引起了科學家們的關注。

關于地震前引起熱紅外異常的成因機制，目前被普遍接受的說法是在孕震區的震前短臨階段，由于地應力的迅速增加，使得地下氣體和能量得到釋放，然后在低空的大氣電場的作用下，使得大氣產生了增溫效應，伴隨著物理化學的相關作用，最終可以以熱能的形式展現出來，從而在原來正常的熱紅外背景下疊加了額外的熱紅外輻射，因此可以呈現出一種地震前臨震階段前兆性的熱紅外異?，F象。

在對以往地震和熱紅外異常的研究中，普遍發現中大地震中震前乃至震后與熱紅外異常有著緊密的聯系，不僅在震前震后的時間上，其熱紅外異常的分布與斷裂構造條件也有很大的相關性。但在該項研究中，也存在著很多的問題：

（1）根據以往研究，地震前后出現熱紅外異常的變化幅度不是很大，這使得除地震因素外，其他因素對熱紅外的干擾是非常的強烈，從而這也使得數據處理成為一項重要研究。

（2）并非所有的地震都會出現熱紅外異常，目前關于震級與震前熱紅外異常幅度的關系還不明確，但熱紅外異常大都出現在中強地震以上。

（3）熱紅外異常不只出現在震前震后，在天氣、太陽活動等因素的影響下也會發生，這為地震預測帶來了不必要的驚慌和干擾。

（4）利用熱紅外異常對地震進行預測需要對各活躍構造地區進行長期的監測，短時間的監測異常不具備可靠性。

2.3 地下流體異常

地殼是包含水和氣的介質，他們是地殼巖石中最活躍的物質之一，而地震的產生是大范圍巖石一個連續性動態破裂的結果，根據彈性回彈等理論，在地震發生前，一般存在一個孕震的過程，在該過程中，地殼巖石中微破裂的數量和大小都在增加，從而影響孕震區形變速度隨時間的一個變化，并導致巖石物理化學性質的改變，而地殼巖石中微裂隙的發展變化，必然會引起充填在這些微裂隙中作為最活躍物質之一的地下流體的反應，因此而產生的地下流體的異常變化可以作為地震前兆現象的一個判斷。

地下流體包含的對象一般指地下液體和氣體，而地下流體異常，則包含眾多個方面，如水溫異常、水中成分異常、水氡氣氡等地下深部氣體異常、水位異常等。在利用地下流體異常進行地震預測探討，我國是最早的國家之一，在1966年邢臺7.2級強震之前曾出現了地下水冒泡、翻花、水味變化等現象，并且這類的歷史記錄早在古文中就有記載。在邢臺地震之后，我國將地下水中惰性氣體氡考慮到地震監測中來，并在上個世界70年代左右也將地下水位的變化納入進來。

目前這些異常與地震預測的研究已經取得了一系列的成果，如1969年渤海地震、1970年通海地震、1975年遼寧海城地震、2015年臺灣高雄地震等事件中都監測到了水氡含量的跳躍異常變化，甚至在1975年海城地震時，震前水氡的異常也是當年成功預測的一個重要考量因素。利用地下水位變化來預測地震，早在1977年前蘇聯學者M.A薩道夫斯基就已發文說明此異常與地震的關聯，我國也在上個世紀80年代，研究了震前地下水位的變化，發現54次地震數據中，有65%的次數在震前會伴隨著地下水位異?，F象。目前隨著監測手段的發展，監測對象也有所擴展，包含了氡、氦、硼等多種元素。而且目前我國已出版《地震監測與預報方法清理成果匯編-地下水分冊》、《地震地下水動態及其影響因素的分析》、《水氡觀測技術規范》等一系列成果。并且目前我國也已經形成了全國性地震區的水化地震觀測臺網。目前，地下流體作為地震預測的主要問題集中在以下幾點：

（1）地下氡的釋放未必會在臨震階段產生異常，也可能發生在同震階段，且受到震級、震中位置與檢測地點距離等因素的影響;

（2）水中化學離子成分的異常會受到降雨、微生物以及其他因素的影響，容易受到擾動;

（3）地下水位異常幅度與震級、震中距、異常超前時間、地質構造、當地水文環境有著復雜的關系，且易受到降雨天氣影響，單井或少數井監測到的結果未必可以作為震前異?，F象，需要通過局域監測網才能得到可靠度高的結果;

（4）深部巖體的水巖作用、氣巖作用等機理尚不深入;

（5）地震水化監測儀器是目前地震前兆監測中的一個薄弱環節，其靈敏度，正常工作效用仍需要改進提高;

（6）地震區長期監測下的背景資料缺乏，這位地下流體異常分析中剔除背景干擾帶來困難。

2.4 電磁異常

地震臨震階段伴隨的電磁異?，F象包括超低頻電磁輻射異常、山頂和山脊放光以及產生閃電、電離層異常、磁場異常等。其中山頂、山脊放光及閃電現象在地震統計資料中不具備客觀規律，其應用于地震預測有很大的局限性。而對于超低頻電磁輻射、電離層異常、磁場異常已經得到了統計學的驗證，其異?，F象的產生，與震前孕震過程有著很大的聯系。

地震前，通過衛星觀測到電磁異常是上個世紀80年代空間物理學家Gokhberg、Pilipenko等人偶然發現的，之后引起了各國廣泛關注和研究，曾在1994年北海道8.3級地震、2004年蘇門答臘9.2級地震、2008年汶川7.9級地震、2010年智利8.8級地震等眾多中大型地震中觀測到電磁異?，F象。

然而目前關于孕震階段與這些電磁異?，F象之間的機制還沒有得到一個統一的定論，現在主要有氣泡運移假說、邊界位錯充電假說、離子空穴運移假說。但這三種假說都不能完全的靠單一假說來完成解釋所有電磁異常的現象，其中較為被接受的是離子空穴運移假說，但其也存在著一些問題等待解決。

關于震前與電磁異?，F象的研究存在的問題主要有：

（1）目前電磁異常出現的機理尚不清楚;

（2）同樣，地磁場也受到太陽、天氣、空間活動、人為活動等因素的影響，異常并不只是出現在地震前，而且異常出現的位置與地震震中并不是唯一對應的;

（3）背景觀測數據不充足，為從地震前的電磁數據中提取出異常值帶來了困難;

（4）電磁異常與震級有明顯關系，一般只在中大地震前出現，但也非定論。

2.5 震前其他前兆現象

除了上述敘述以外的震前前兆現象，還有一些其它的前兆現象，如大地變形（水平及垂直形變、大地傾斜等）、震前地應力急速上升、植物異常行為（不適季節開花、結果、枯萎、異常茂盛等）、地震云、地霧、地震波速差（縱波和橫波傳播速度差異）等，對于這些前兆現象，其受到的干擾因素更多，對其的判別過程也會更加的復雜。像大地變形和地震波速差異，其在監測設備生有著更高的要求，且監測設備所處的環境也容易受到其他因素的干擾，而且這類前兆現象往往出現的時間很接近地震發生的時間，因此難以及時對地震是否發生做出有效的判斷。

對于震前的地應力的變化，由于震源在地表深處以下，平時的監測是十分困難的，且發震位置難以提前判斷，單一或少量的監測設備又難以得到可靠地監測結果，因此這方前兆現象的研究往往限制在理論上。至于剩下的其它現象，其更多的是事后回憶性的和軼事性的，且其影響機制更加模糊，因此目前將這些前兆現象作為地震預測的方法還不具備系統性和科學性。

3 總結

目前關于地震是否能夠預報（預測）仍存在著很大的爭議。就當下總結而言，既有地震成功預報的案例，也有失敗的案例。失敗的案例如上個世紀70年代到90年代之間，中國的唐山地震、美國的帕克菲爾德地震、日本的神戶地震相繼預報失敗;成功的案例如希臘的Varotsos利用地電場成功的預報了1988年的克法利尼亞島地震，我國也成功的利用震前動物異常行為、水氡異常等前兆現象預測了遼寧海城地震。

雖然目前對震前的異?，F象的產生機理難以做出一個系統性的解答，但目前就從統計學的角度上講，震前確實卻在著和地震緊密相關的前兆現象。既然地震是一個一系列機制發展下的結果，其發生也要過應力積累、狀態急速變化等階段，而且發生地震的地殼巖石又與其他許多介質有著的然聯系，那么地震的發展必然會引起一系列的連鎖反應，相信隨著科學技術的發展和地震相關學科的進步，地震的預測將會在將來成為可能。在當下地震預報預測手段還不發達的情況下，地震防災減災的工作仍不容忽視，進一步加強地震教育、增強建構筑物防震性能、優化城鎮布局仍是十分必要的措施，以期待在當下中國飛速發展的背景下，將防震減災做到最好。

參考文獻：

[1] Holzer，T. L，Savage，J. C，：Global Earthquake Fatalities and Population[J]. Earthquake Spectra，2013（01）.

[2] 新華社.國家新型城鎮化規劃（2014-2020年） [J].農村工作通訊，2014（06）.

[3] 馬貴臣.地震多發地區地質災害防災減災體系的建設[J].西華大學學報（自然科學版），2018（01）.

[4] Zechar，J. D，張盛峰，陳時軍.地震預測評估方法（一）[J].世界地震譯叢，2018（04）.

[5] 黃贊.動物習性異常作為地震前兆 研究的歷史與未來[J].地震地磁觀測與研究，2006（04）.

[6] 王國治，柴寶平.地震前動物行為異常觀測研究綜述[J].中國地震，1987（04）.

[7] 中國科學院生物物理研究所地震組.唐山地震的動物異常[J].地震戰線，1977.

[8] 馮春皋，孫淑池，蔣錦昌.地震前動物習性異常原因研究[J].地震工程學報，1990（01）.

[9] 未闌.對地震前動物異常原因的探索[J].山西地震，1980（02）.

[10] Grant R A，Raulin J P，Freund F T . Changes in animal activity prior to a major （M=7） earthquake in the Peruvian Andes[J]. Physics & Chemistry of the Earth Parts A/b/c，2015.

[11] 鐘美嬌，張元生，張璇.祁連山地震帶中強地震前熱紅外異常研究[J].地震工程學報，2015（04）.

[12] 徐秀登，鐘韻.南黃海6.1級地震前熱紅外異常[J]. 防災減災工程學報，2002（04）.

[13] Wei，C. X，Zhang，Y. S，Guo，X，Hui，S. X，：Thermal Infrared Anomalies of Several Strong Earthquakes[J]. Scientific world journal，2013.

[14] 汪成民，張洪波.地震前地下水位的短期及臨震變化異常[J].地震學報，1982（04）.

[15] 李朝明，楊志堅，朱培耀.地震前兆監測中水氡測量方法淺析[J].地震地磁觀測與研究，2013（01）.

[16] 張煒.緬懷梅世蓉先生，深入開展單學科 地震預測研究-水文地球化學地震前兆研究與回顧[J].國際地震動態，2008（04）.

[17] Fu，C. C，Walia，V，Yang，T. F，：Preseismic anomalies in soil-gas radon associated with 2016 M 6.6 Meinong earthquake，Southern Taiwan[J]. Terrestrial atmospheric and oceanic sciences，2017.

[18] 王喜龍，賈曉東，王博.利用概率密度分布提取地下流體數字化觀測資料中的高頻異常信息—以2014年魯甸6.5級地震為例[J].地震，2008（01）.

[19] 張學民，申旭輝，歐陽新艷.汶川8級地震前空間電離層VLF電場異?，F象[J].電波科學學報，2009（06）.

[20] 祝芙英，吳云，林劍.汶川地震前電離層VTEC的異常響應[J].地震學報，2009（02）.

[21] Kuo，C. L，Lee，L. C，Heki，K，：Preseismic TEC Changes for Tohoku-Oki Earthquake：Comparisons Between Simulations and Observations[J]. Terrestrial atmospheric and oceanic sciences，2015（01）.

[22] 萬戰生，趙國澤，陳小斌.巖石圈地震前兆異常機制[J].地球物理學進展，2007（03）.

[23] 黃福明.地震預報的現狀與動態[J].國際地震動態，1990.

[24] 張國民，尹京苑.地震預報研究的發展展望[J].防災減災工程學報，2003（04）.

作者簡介：蔡朝鵬（1993—），男，河北邯鄲人，碩士在讀，研究方向：巖土地質。

（作者單位：1.同濟大學 土木工程地下建筑與工程系;2.同濟大學 巖土及地下工程教育部重點實驗室）