地震前兆(卷名：固体地球物理学 测绘学 空间科学)
earthquake precursors
地震前出现并预示地震将要发生的现象。地震前兆通常是从震前异常现象中去寻找和筛选，这是探索地震前兆的经验途径。寻找前兆的另一类方法，是从某种理论前提出发，提出地震发生模式，然后估计可能发生的前兆和不同前兆之间的关系，从而提出综合预测的方法。
目前正在试验的前兆方法至少有十几种，新方法仍在增加。
震前异常现象 迄今已观测到的震前异常现象有：地壳形变异常、地震活动异常以及地震波、地磁、地电、地下水或气异常、地声、地光、动物习性异常等。由于这些异常与地震间的关系不是一一对应的，所以并非必然是地震前兆，而只是可能的地震前兆。
震前的地壳形变异常 地震是地壳形变发展到一定阶段的结果，形变贯穿地震活动的全部过程。显然，地壳运动所产生的，不论是水平位移还是垂直位移，都可能与地震有关。但各阶段的形变表现并不一样。与地震活动有关的地壳形变一般分为以下4个阶段:第一阶段是缓慢平稳的积累，速度小、时间长；第二阶段是不稳定积累，速度增加，方向改变；第三阶段是积累到极限，介质破裂，弹性应变能突然释放；第四阶段是剩余形变释放，速度转慢，逐渐恢复正常。
根据许多长期观测的地形变记录可以知道，震前地形变异常中最显著的现象是形变速度的增加和方向的改变。但各地形变积累时间长短不同，幅度变化大小亦不同。必须掌握其发展特征，才能为地震预测服务。
第二阶段的时间不很长，它是从第一阶段延续过来的。人们从定期大地测量以及倾斜仪、形变仪等长期的观测记录中，可以发现地壳形变，如大面积的缓慢升降或移动，也可以直接见到某些宏观变化，如局部隆起、凹陷、坼裂、崩滑等。这类现象在构造运动比较活跃的地方是经常出现的，很难立即肯定它们就是酝酿地震的象征。然而地面形变出现剧烈变化之后，紧接着发生地震的情况也存在。问题在于如何区分这两种情形。目前尚无有效办法。
地震活动异常 包括地震活动性异常，地震波速异常，震源机制异常等。地震活动性异常一般指地震活动性在时间、空间、强度方面显示的异常现象，常见的有地震空区，背景性地震活动的增强或减弱，前震活动，b值异常等。
地震空区有两类，一类是地震活动带上尚未发生大地震的空段，一类是地震活动带上被中小地震包围的空区。现在，在板块边界上勾划地震空区被认为是寻找强地震地点的有效方法。虽然如此，应用在板块内部时，仍有不少困难。因为，无论哪个地震带都不会完全由强震震源区所填满。有些地段积累的应变能，通过断层蠕动已经释放了，这样的地段就不会发生大地震。板块内部，震前要正确地勾划空区，是不容易的。
背景地震活动的减弱和加强 大震前在未来的震源区及其周围地区往往出现背景地震活动的异常变化，表现为震源区内地震活动的减弱与周围地区地震活动的增强。这两种现象表面似乎矛盾，实际是一个过程的两个方面。在统一的应力场作用下，那些特别坚硬或均匀的地壳岩石较难产生破坏，而那些比较软弱或不均匀的地壳岩石比较容易破坏，从而发生许多中小地震。
b值异常 b是表示大小地震数目按震级分布的一个参数。实验表明，b值大小取决于该地区介质的应力状态与岩石结构。在一般情况下，应力状态和岩石结构变化不大，所以b值基本上保持常数。但是大震前，震中区及其附近的地壳内，应力状态和岩石结构都可能发生明显变化，与此相应的b值也偏离正常值，出现异常高值或异常低值，这种现象已在多次地震以前观察到。
前震活动 前震对地震预报虽有重要意义，但并不是所有大震前都观测到前震。当其出现时，提前时间从几分钟至几百天不等，将它们用于时间预测也很困难。另外，如何鉴别大地震的前震和一般的中小地震仍是一个未解决的问题。
地震波速度异常 当震源区物理状态或介质的物理性质改变时，地震波速度也会发生变化。地震前出现的异常多表现为波速比vP/vS偏离正常值而减小。当其下降至最低点并恢复到正常值附近之后，即发生地震。异常持续时间越长，震级越大。因此可利用波速异常来预测地震的地点、震级和时间。有一时期，地震学家曾对这个方法寄予很大的期望，但近年来陆续观测到一些反例，即有些强震前并无波速异常。
震源机制异常 是指地震前孕震区内小震发震应力轴的方向，由正常时期的随机分布变为以某一方向为优势的整齐排列，临震前发生优势方向的转动。在测震学领域，还有P波、S波振幅比异常，小地震频谱异常，地震波衰减系数异常以及小震震源参数异常等。
震前的地磁异常 在文献中虽有不少记录，但早期观测包含许多干扰因素。近年来，随着高精度地磁观测技术的发展，取得了一些新的震例，如1964年日本新潟地震（震级7.5）前10年，磁偏角异常幅度达2′，一年后才恢复。1978年1月日本伊豆大岛7级地震前，震中附近两个地磁测点，于震前6个月开始记录到总强度的异常上升10纳特，震后几个月恢复正常。此外，在苏、美、中三国也记录到一些地震前的地磁异常现象。
震前的地磁异常通常是叠加在几万纳特的背景场上，一般受外空场的干扰很大。如何消除干扰提取震磁信息，需要进行复杂的数据处理。已有资料表明，扣除干扰后的震磁信息，其表现形式也是复杂的。
持续时间较长的缓慢变化一般用线弹性压磁理论解释。实验证明，压力可使岩石的磁化率发生变化，如下式：
，式中к表示磁化率，σ为压力，β 是一个参数，取决于岩石的性质和压力的方向。岩石磁性来自其所含磁性矿物的磁畴，磁性强弱决定于这些磁畴的排列状况。若对岩石施加压力，磁晶体的排列方向发生变化，磁化率随之改变。一般每10兆帕压力，可使磁化率改变百分之一左右，在压缩方向上磁化强度减小，垂直于压缩方向的磁化强度将增加。由压磁效应产生的磁异常一般估计不超过几纳特。对于观测中发现的某些时间较短，变化幅度更大的地磁异常，还需从其他方面去寻找解释。
震前的地电异常 磁和电常是并存的，若有震磁关系，震电关系是可以预期的。实验证明，岩石在压力作用下，特别是水饱和岩石，其固有电阻率随压力大小发生变化。一般表现是：初期压力增加(约 200兆帕左右)，岩石中的原生孔隙受压闭合，孔液被挤出，电阻率增加。当压力增至岩石破裂强度之半时，渐渐产生微裂隙，新裂隙使岩石体积膨胀，地下水渗入补充，孔隙又渐恢复，电阻率便下降，至岩石接近大破坏时，裂隙扩展至最大，孔隙饱和，电阻率乃迅速下降，其幅度为5～30％。压电效应同岩石的孔隙度关系很大。
野外观测表明，地震前后常观测到地电阻率的异常变化。苏联从1967年起在加尔姆地区，对地电阻率变化进行了长期观测研究。送入地下的电脉冲幅度达到 100安，在离电源 6公里的测点测量脉冲激发的电场。电场的变化同电阻率变化成比例。震前电阻率异常的特征是：震前下降，震后回升，且震级越大，变化时间越长。
中国从1967年起开始观测岩层视电阻率。在地表布设2个或3个方位固定的四极对称装置，供电极之间的距离一般为1～3公里，直流供电，电流强度 1～10安。定期观测地下固定测量体积内岩层视电阻率值，取得了多次震例资料。如1976年唐山 7.8级地震前，在震中周围200公里内，有9个台在震前2～3年观测到长趋势下降异常，大震后异常逐渐恢复。
震前的地下水异常 由于地下水对地壳应力场变化非常敏感，所以地震前后地下水出现异常的情况很多，包括地下水位、泉水流量，水温和地下水化学成分异常。特别是在一些 7级以上强震前，地下水异常现象复杂多样。例如1976年唐山大地震前数月，唐山、天津一带的地下水普遍出现了历史最低水位。临震前几天内，震中区的地下水位剧升，流量骤增，甚至自流自喷，而震中区以外的某些地区则水位下降。地下水位变化的仪器观测，记录了多种形式的异常变化：有的变化缓慢，持续时间从数天至数月；有的变化急速，持续时间仅数分钟至数小时不等；有的表现为波动式或阶跃式。
此外，地下水化学成分在大震前出现异常的震例也不少。最早的报道是1966年苏联塔什干地震前，深层水氡浓度增加。中国海城、龙陵、松潘、唐山、渤海等大震前，也观测到水氡含量增加。
在某些地震临震前，震中区内还观测到地下水温度突然上升的现象。例如1976年龙陵地震前，位于震中区内的巴腊掌温泉，平时水温为81℃，震前11天开始上升到91℃，大震后水温立即下降。
由于地下水变化，可以引起以下宏观现象：泉、河、池的水面上涨或下降，甚至干涸；润湿地面，有时出现地裂缝，或冒沙水；井、泉、池、河水底发浑、冒泡;水变味，或甜或苦，或含有特殊物质；土壤墒情改变，以致影响地温等。
已有的资料表明，地下水位及其化学成分的短期变化和临震变化，在强震与中等地震前是较为常见的现象，有可能成为短期预报和临震预报的重要手段。
地声与地光 震前地声分宏观地声和微观地声。宏观地声指人耳能听到的地声。文献中记载地震前、地震时、地震后的各种声音，有的地声似雷声、炮声、撕布声，有的似拖拉机声、风声等。微观地声是仪器记到的地声。地声大多出现在震前数分钟至数小时内。实验证明，在应力达到岩石破裂强度的一半时，声发射信号显著增加，当微破裂进一步发展时，声发射频率由高频向低频变化，低频声脉冲衰减系数较小，因而有可能被接收。由于地声多在临震前出现，对临震预报是有意义的。
地光在地震文献中也有不少记载。1965～1967年日本松代地震期间，地光的报道很多，并留下难得的地光照片。中国海城地震和唐山地震前的光现象非常突出。地光出现的时间大多与地震同时，但也有在震前几小时和震后短时间内看到的。其形状有带状光、闪光、柱状光、片状光等，颜色也是多种多样的。关于地光的成因说法不一，一个可能的成因是压电效应。地壳岩石中存在大量石英，若在岩石中含有石英晶体30％的地方孕育地震，则地震形变在地壳中引起的压电效应，足以使地面产生电荷，并在空中造成特殊电场，发生地光，甚至可以影响电离层，干扰无线电波传播。当然还可能有其他解释。
动物行为异常 在各国地震文献中都有一些动物行为异常的记载，但以中国最多。根据中国积累的资料，震前动物行为异常大多集中出现在震前一天以内，少量动物行为异常也可出现在震前数天甚至数十天。
关于动物行为异常的原因很多。地声、地下水、气压、地温、电场、磁场、空气电离等变化都是可能的原因。不同地区、不同动物的异常原因可能不同。
除了以上这些比较常见的震前异常现象外，还可以列出其他异常，如地温、重力、脉动、油井动态、气象、气候、电磁波异常等。
震前异常的分类 按震前异常出现的时间大致分为两类：①超前时间以数十天至数年计，包括地震活动性、地震波速度、地壳运动、重力、地电阻率、震源机制等，这类异常的变化较缓，其持续时间、展布范围与未来地震的震级有关。②震前异常出现的时间大多以几分钟至几天计，一般变化急速，包括前震、地倾斜、应变、地下水、地声、地光、动物行为异常等，其与震级的关系不明显。
两类前兆的物理机制不同，对于第一类前兆多认为是由地壳应变接近极限状态时，由膨胀、塑性变形这类物理过程所引起。第二类前兆机制大多不清楚，人们推测与临震前的岩石蠕动性破裂有关。目前各国都在努力探索地震前兆机理，并提出了不同的前兆模式。有代表性的是美国的膨胀-扩散模式和苏联的模式。
地震发生的膨胀－扩散模式简称DD模式。膨胀就是脆性岩石受很大的单方向压力后（或岩石受围压再加单向压力），其内部因产生大量张性微裂隙，而使岩石体积扩大的现象。按此模式，地震孕育过程大致分为3个阶段：第一阶段，由于构造应力的积累，造成有效应力缓慢增加；第二阶段，当应力增加到一定程度，发生膨胀现象，当膨胀速率超过孔隙水向新裂隙扩散的速率时，岩石变成不饱和，vP开始下降，但vS几乎不受影响，故vP/vS减小。由于膨胀区中孔隙压力减小，有效应力增加，从而出现膨胀硬化现象，这将阻止岩石进一步膨胀。第三阶段，由于膨胀受到抑制，孔隙水的扩散速率逐渐超过膨胀速率，岩石逐渐恢复到正常值。在此过程中，构造应力不断增加，最后终于超过岩石破裂强度而产生破裂和错动──地震发生。在波速出现异常期间，电阻率、水流速（或氡含量）、地形变、地震频度也出现异常。
按照苏联提出的前兆模式，孕震过程也分为3个阶段。开始，在缓慢增加的构造剪应力作用下，岩石中裂隙大小和数目均缓慢增加。当裂隙密度增加到临界值后，进入第二阶段。此时，由于裂隙的相互作用，它们迅速扩展，导致总的形变速率快速增加和介质性质的明显改变。到了第三阶段，裂隙的进一步扩展和沟通被限制在紧靠未来宏观破裂的窄带内。在此带中，小裂缝串通成若干大裂缝，最后大裂缝沟通，从而发生大地震。用这个模式，波速比、形变微裂面积、b值、氡含量、电阻率异常可以大致得到解释。
前兆在地震预报中的作用 上述第一类前兆在预测未来地震的地点、震级和时间方面都有意义。第二类前兆在临震阶段对时间预测较为重要。不同前兆的特征量，在预测地震时、空、强三要素方面具有不同作用。
地点预测 根据前兆观测，下列区域一般被认为是可能的孕震区：①出现地震活动图像异常及波速异常的区域；②地面出现异常隆起或下沉的区域；③其他前兆（包括电阻率、地磁、重力等的异常）相对集中的区域。
震级预测 根据某些一类前兆持续时间与震级的经验关系，可以粗略估算震级。再从前兆出现的区域尺度，可为震级估计提供补充资料。
发震时间预测 可先由其他方法估算出震级，然后利用某些前兆现象的持续时间与震级的经验关系，推测可能发震的时间范围。但比较确切的时间预报，必须依靠短期、临震前兆，即二类前兆。
在地震预测现阶段，已发展了许多手段和经验性方法，用于分析一类前兆；而监测、识别二类前兆，存在着许多理论性与技术性的问题。所以，目前进行临震预测仍很困难，临震前兆和预测是各国地震预测研究计划中的重点。