地震初动后至主震间的弱信号及强信号（主震）都是断层错断，还是隐爆所致？是这几天《地壳运动沙龙》微信群讨论最多的话题。

      正方坚持主流观点，认为地震释放的巨大能量是断层错断所致；反方认为是隐爆所致，以杜建国教授、梁光河教授为主，我也赞同隐爆，但称为物理爆炸。

      在争论时，可能忽略了一个问题，即讨论的不是一码事儿，主流观点坚持的断层错断，是指初动后至主震间的弱信号，相当于1-3级地震，并认为断层错动也可以产生之后的强信号（主震）8级以上的能量，但实际又没对主震进行分析，认为主震和前弱震都是“横波”；隐爆观点认为能量来自于地下爆炸，断层错断的释放的能量不够，没分清前期弱震和主震的区别，甚至提出爆炸为根本原因。

      事实上，目前地震专家在分析地震或求应力机制解时，所利用的是主震前的弱振幅，下图来自于《新地震观测手册》，地震出版社，2006年，第4页：

图1 德国CLL台站记录的地震波

      从图上看到，一般利用初动至主震之间（左侧多条实线内）的弱信号来识别各种波形和做分析，求应力机制解。而对右侧的强信号主震，则几乎没有分析。下图是新地震手册的第19页关于印度某地震台站所记录到的三分量波形，从中可以看出，主震前的弱信号分析是比较细致的，主震却无视。

      通过这些弱信号的分析，能判断断层的性质，并求解出应力机制。之后的主震并不是不分析，这里可能有一个梗儿，就是上世纪的地震仪主要是光点记录，强震时能量很强，导致它乱跳失真，这个能量几乎不能做任何分析，在震中附近的台站，这个能量就完全爆仓了，失真了，因而在实际地震分析研究时几乎就不看它。进入二十世纪，随着计算机的进步和检波器的优化，已普遍使用数字记录仪，其动态范围很大。然而，虽然是数字记录，能较精确地记录强振幅信号，仍较少分析这些强信号，可以说这是地震学的一个空白区。主流观点，就顺带将主震的强振幅能量也归结为断层的错断了，这显然有点武断。

      为此，本文先撇开弱信号，只谈主震能量特征，主震能量是地震专家未涉及的“空白区”。即认可主流观点断层错断在先，这些能量相当于1-4级的弱振幅；认为可达8级以上的主震可能不是断层的错断所致，而是物理爆炸。在此普及一下，地震台站接收地震波，一般一个台站可记录三个方向的加速度，即南北SN,东西EW和垂向UD，可以通过三个分量来分析地震波的性质。另外，物理爆炸与日常见到的化学爆炸不同，爆炸的本质是，高压气体、液体压力突然释放；如海上勘探用的汽枪。化学爆炸分两步，先是化学反应产生大量气体局部富集形成高压，然后高压气体膨胀，压力释放，产生爆炸，或燃烧。物理爆炸只有第二步，高压流体释放压力，无第三步燃烧。

      先说弱振幅，的确是断层错断所致，它能较精细地反映地震的本质，但破裂不是根本原因，根本原因还在于地球局部的均衡异常，或均衡状态不同，导致不同块体产生了差异升降，而引发了断裂，即断裂是结果，不是原因。

      其次，说一下主震，即地震专家未涉足的空白区。现在争论的焦点在于，主流观点在分析弱振幅的信号中，将主震能量也说成的错断所致，并否定爆炸因素，否定的依据是因为地震波是横波S波动，而不是爆炸所产生的涨缩波，或P波，纵波。的确，若看弱信号，的确能分析出纵横波。对主震而言，现在就依地震专家的说法，假设主震也是横波。横波应有两类，或两种情况：（1）走滑断层，无或少上下移动，如下图所示，这时有剪切力的作用，并产生SH波，即质点振动方向垂直于地震波传播方向，质点振动是在水平面内振动，即以前后或左右摇晃为主。这时，在近震和远震接收到的地震波，均以水平分量为主。但实际地震记录不是这样的，因此，此方式被否定。

      （2）地震主震是正断层或逆断层产生的吗？在这种情况下也能产生横波，同SH波类似，但质点振幅方向为垂直平面内。

      这里会出现以下情况，如下图，在近震源处接收到的地震波三个分量中，应以水平分量为主，而远离震源的台站，则应以垂直分量为主。但实际地震台站接收到的也不是这样，因而，主震能量并不是来源于断层的错动，这个说法也是错的。

      按我2021年发表于《地质力学学报》文章"储集层中高压流体引爆强地震的机理———以5. 12 汶川地震“(可点这个连接<点击这里>下载)的思路，认为地震主震能量来自于沉积地层中高孔隙储集层中的流体，进入断裂带时产生的应力释放而产生的能量，称为物理爆炸，即主震能量为爆炸产生的纵波，或P波，其振动方向与传播方向一致，如下图

       这时，在近震源时，以垂直振幅为主，即大地上下跳动，导致楼房也上下跳动；而在远离震源处，则以水平分量为主，以前后或左右摇晃为主，楼房水平方向晃动。显然，这是符合现实地震的。可能是民间公司在做地震预警软件时，距震中较远的如50公以外的地区，以水平方向的振动（前后或左右摇晃）为主，横向振动的地震波动，称为“横波”，其实这是民间非专业的叫法，在地震学中，地震横波是指地震波传播方向与质点振动方向垂直的波动才叫横波，因此，此横波非彼横波。如下图，为较近的什邡八角台的三个分量，第三个为垂向分量，较强。而更近的汶川地震震中西22公里的卧龙台则Z分量最强。

      下图为更远的震中东北的江油重华台，Z分量很小了。

      下图为西南的芦山附近的飞仙关镇的三个分量，蓝色为UD，即Z分量，相对于XY方向要小得多。

      下图为西北阿坝的黑水县站，蓝色Z分量较小。

      从多个台站的地震波时频分析看，卧龙台明显可以分为两组信号，一组是高频低振幅，为主震前的断层破裂信号；一组是低频强振幅信号，为爆炸所产生的强振幅信号。

      另外，从不同距离的信号看，也明显看得出来弱信号为破裂信号，为高频低振幅，与主震（低频高振幅）有一个时间差。破裂信号跑得快，频率未误衰减；而主震信号是某定点爆发的，有一定传播时间才到达，频率逐渐降低。如下图，到东北江油重华台184km时，主震前的弱信号延迟了近20秒，而在最近的卧龙台仅有1秒的弱振幅。且越远，多次主震合成为一个主震了，反映了为从远处传过来，主振频率衰减快，而弱振幅的高频并未衰减，充分反映了弱振幅是真正的断裂破裂过程。

      另外，从汶川地震后的科学钻探（镜下照片显示流动构造），及地震现场（爆炸坑），均能看出流体爆炸的痕迹，如下图所示。

      最后，实际储集层流体压力释放能产生高能量。爆炸的本质并不是有火，有氧气，燃烧，那种火炸药爆炸的本质是化学过程产生了高压气体，然后释放了高压能量，而物理爆炸的能量释放其实就少了一个化学过程。离汶川地震震中较近的鸭子河气田，其储层长20公里，宽10公里。川西其他地区则比这个规模也大得多。现假断层能断开5公里的储层，宽度500米，厚度100米，孔隙度设为最低5%，则有0.13亿方的水进入断裂带，可释放压力达到32MPa，能产生8级地震有量。即存在流体爆炸的可能性。

      如果没有流体参与，震级会大吗？不会，下面是李铁（2005）统计的我国122多个煤矿和非煤矿采矿诱发的地震的分布，其中109个有地震记录，震级分布如下表所示：

      可以看出，最大不超过5级，主要分布为2.5-2.9级，和汶川地震高频低强度的断层破裂一致，和昆仑地震也类似，昆仑山口西8.1级大地震，震前2-3天频繁出现2-3级小地震，这就是断层破裂信号。当断层断至沉积岩中的高孔隙储集层，内部的流体进入断裂带，压力释放，引发强震。

      用本文提出的微破裂-破裂-强震-余震模式，可以全程看到流体活动。如唐山地震前几天，微破裂时，枯井冒水、油井增产，这些就是微破裂引发浅层流体的沟通。微破裂一般地震台站接收不到，还不到初动，只有极近的台站，如<5km范围内的台站可以收到信号，如现在油田压裂所引发的高频破裂，在4km范围内，是能收到振动信号的，远了就检测不到。同时，在震前、震中均能收到流体流动产生的负的电异常，因为流体在地下多孔介质中流动，会产生负电异常现象，已在石油注水、采油过程中广泛使用，用来监测油藏状况。因而有很多地震能观测到地震时的放电现象，甚至有球状闪电，有可能就来自于流体的活动。负电异常甚至可以影响到周边的大气。有学者还提过，将地震时的电异常归结为断层的错断，用石英摩擦来实验，但实际其产生的电流极小，难以形成较大的电场异常。

      至于页岩气开采时压裂会不会产生地震，这个太过MG了。不宜在此讨论，但这种即使有，震级不会太高，原因是人工压裂所引发的流体数量有限，难以形成大的振动。但这正好说明，若有更大规模，区域性的断层，能破开5公里以上的储集层的天然断裂，就能引发大地震。

      有学者说，断裂即使破开储层，储层内渗流很慢的，很难短时间内形成物理爆炸？事实上，井喷不仅是井筒内的流体喷出来，附近的地层内的流体也会涌入井筒内，这个”附近“就是一个概念，称为可动用半径工。钻到有高压的储集层，若地层放在地表常压下，孔隙间是不流通的，但在地层压力下超过井筒的静水压力时，就能突破孔隙的限制。这个概念也称油田可动用半径r，凡在半径内的孔隙内的流体均能通畅地到达井筒，超过距离r的，则到不了。这个半径与岩性有关，一般在200米-1200米左右。上面的计算5公里长，500米宽就是利用了可动用半径，在断裂两边各250米的范围内，流体均”可动用“。

主要参考文献

1.李铁, 蔡美峰, 张少泉. 2005. 我国的采矿诱发地震[J]. 东北地震研究, 2005, 21(3):1-26.

2.毛小平, 何廉康, 刘佳林, 等, 2021. 储集层中高压流体引爆强地震的机理: 以5. 12 汶川地震为例[J]. 地质力学学报, 27(4): 628-642.

中国地质大学（北京）能源学院毛小平

2023年10月5日河北怀来八达岭阿尔卡迪亚二期小院