新闻来源：地震流体专业委员会
前 言
地壳流体是地球的主要组成物质之一。二十世纪八十年代，随着前苏联科拉超深钻研究计划的实施和世界上一系列实验与观测结果的发现，科学家认识到地壳中流体存在的普遍性与地壳中流体作用的重要性，提出了二十一世纪的地球科学，将全力关注地壳流体的研究。面对21世纪的地球科学，我国作为世界上地震流体观测台网布设最广、研究工作开展的最早的国家之一，如何跟踪当前国际地震科学发展的动态，结合我国地震流体学科特色，总结存在的科学问题，提出新的研究方向，是推进我国地震流体科学发展的重要工作。
1、国内外研究动态
目前，美国、日本、俄罗斯、台湾等国家和地区的研究人员，在理论研究方面，关注流体在地壳乃至地球演化发展中的作用，但对地震前兆机理的认识仍然是建立在地震流体对构造活动应力-应变响应的基础上。从近期在《SCIENCE》、《NATURE》、《GJR》等杂志上发表的文章来看，流体对地震的同震响应、流体在孕震过程中的作用及其机理、数值模拟及其机理解释等工作成为最新研究热点。在观测技术方面，重视多手段的比测研究，发展尽可能避开地表环境干扰、接近深部物质活动的深井观测技术。国内学者在流体动力学理论及其应用、典型前兆特征和机理解释等方面也有新的进展。
1.1 同震效应研究
S.Jonsson等人（NATURE，2003）认为，地震的同震作用可以触发地震。震后与时间相关的过程主要有后滑、孔隙流体流动、下地壳和上地幔的粘性松弛等，这些过程可以进一步调整断层附近的应力和孔隙压力，从而也触发地震。然而要区分这些过程是困难的。该项研究利用星载合成孔径雷达（InSAR）资料，对比上述三种模型的计算结果，发现冰岛南部2000年6月的Mw6.5地震引起的震后地表形变，系孔隙流体流动所致。该地区水位变化的空间分布进一步证实了这一结果。
D. R. Montgomery
等人（SCIENCE，2003）在研究流量和水位对地震的响应特征后认为，地震引起的地壳变形和地面震动会带来流速和流量、以及井中水位的变化。本研究对发表的与地震相关的水力反应现象进行了总结，推导出震级和可观测到的流速和流量、以及井中水位的变化的最大震中距的定量关系。发现流速和流量的变化取决于是否有液化现象发生；而水位能否观测的到变化，则取决于地震引起的贮层应变是否大于10-8。具体的机理为：①贮体变形；②固结；③产生裂缝；④裂缝的清理。
汪荣江等人（Geophys.J.Int.，2004）通过对亚美尼亚的一口井的流量和电阻率的多年观测发现，该井对远距离的大地震非常敏感。通过计算，认为远震对井水的扰动主要是因为地震地面运动，同震形变的作用相对比较小。作者提出了一种混合模型成功地解释了观测现象。该模型认为存在上下两个相互封闭的贮层，中间有一个大裂缝连接，而这个裂缝同时也与井相连。当地震波传来，自流井附近的压头变化导致扰动。
P. P. Iassonov
等人（J.G.R，2003）针对振动激励流体在孔隙介质中流动的现象，研究了非水相孔隙流体流动的振动激励机理后认为，毛细管现象和非线性流变现象是其主要控制因素。模型显示，较低强度的低频弹性波就可以使小的外部压力梯度下的流量显著提高，认为这一过程是由于振动活化了孔隙中的附着非水相液滴，使其可流动的最低压力梯度降低所致。还给出了可应用该方法的声波能量范围0.2-125W/m2。
同震效应方面的研究，我国在上世纪70年代就开展了研究，就目前的进展来来看，上升到理论方面的结果比较少。而这方面的研究工作是地震流体在孕震过程作用及其前兆机理研究的重要内容。
1.2 流体作用及其机理
张俊峰（NATURE，2004）通过对海洋地壳热通道导中颗粒边缘水的析出导致断层失稳这一观点研究后认为：岩石脱水变脆可以用来解释消减带的中源和深源地震。因为这些地震主要发生在消减板的浅部和核内，过去一直强调脱水是在相对低温下的完成的。然而，最近的重新定位发现，在消减板的最上部依然有地震发生，那里的温度比较高。结论认为，在高压地震机制里，极少量的水就可以触发断层的不稳定性。
S. Kodaira等人（SCIENCE，2004）认为高孔压流体可以引起断裂带静滑，但是其发生机理一直不太清楚。利用地震层析成像，观察到了静滑事件的一种成因。该事件发生在一条推测的大地震断层上，地震层析成像显示出在消减的洋壳上有一条高孔隙压力带。该项工作的关键点在于高孔隙压力带的判断。由于高孔隙压力对应高的泊松比，所以用纵横波速得到泊松比层析图象，就可以发现高孔隙压力带。利用该项研究结果有可能对波速比前兆异常的成因以及"无震"前兆给出合理的机理解释。
日本学者（2003）对地下水中的气体组分的潮汐变化研究发现，时间序列具有周期性的变化。这种气体组分的监测是通过对100米深度的井中化学组分的连续观测完成的。用塑料管直接抽取含水层中的溶解气，取气方式是用每室含3000根硅树脂管纤维的抽气仪进行，其组分可在1秒内用四分量分光计分析出来。其中，CH4/40Ar
的比率显示出了明显地每日和半日的潮汐波。可见，地下水的气体组分变化可以反映出如固体潮这样的小应变。因此，气体组分是监测地震活动性的一个有用参数。我国在气体监测研究中，通过人工观测方式，也发现气体组分具有固体潮响应的特点。但目前由于自动化观测技术方面的问题，有关地下水化学组分的数字化改造工作受到很大影响。
1.3 机理解释研究
朱庆杰（2003）通过地下岩体天然裂缝的数值模拟及其对流体活动的控制研究，认为断层、裂缝和区域不整合面构成了流体活动的通道，流体主要分布在通道附近。裂缝的发育程度决定了岩体流体的储存能力，从而进一步决定了岩石力学性质的变化，是岩石遭受进一步破坏的前提条件。该研究给我们的启示是，活动断层中一定富含流体，流体的存在促使了断层的进一步活动，监测流体的动态变化，对判定断层活动乃至地震活动是有坚实基础的。
在大震发生之前，足够大的应力能量积累必定发生在具大岩体的体积之内。在形变沿伸到几千千米的最大地震前，这个范围可能由几十上升到上亿立方千米。断裂发生前（预断裂形变），低水平形变的APE机制是流体在沿着边界颗粒周围裂纹之间或几乎存在于所有岩石中的裂隙的低阶纵横比的压力梯度运动。其主要的影响是不同的孔隙压力，以一种可由沿立体角射线路径特殊范围的解析剪切波监测的系统方式改变了裂纹的纵横比（Seismology
Rrsearch Letters，2003）。
车用太等人（地震，2003）通过对地壳中流体动力学模型的研究，根据影响地震流体动力特性的主要因素和介质渗透特征，把地壳深流场分为深度小于6km的浅部带、6～17km的过渡带和大于17km的深部带。分析了不同地质环境各种地质作用对地震流体系统的作用特征。对地壳中普遍存在的异常孔隙压力现象，从流体动力学的角度进行了解释，认为周期性地震活动是形成异常高孔隙压力的主导因素。
刘耀炜等人在"十五"国家科技攻关项目"地下流体短期前兆特征及机理解释"项目（地震，2004）研究中，系统总结了"单一型"和"复合型"两类流体短期前兆的"源兆"与"场兆"的特征，提出了流体短期前兆产生的机理和过程模型。提出不同地壳结构类型，直接影响强震孕育过程；由于岩石圈流体通道中的存在，使得中地壳低速高导体容易受到热扰动影响，由此产生的热应力与构造应力迭加，是地震发生和派生短期前兆的主要原因之一。对流体短期前兆产生的动力源的分析认为，浅层流体活动和深部热物质的上涌的热能扰动是流体短期前兆产生的两个最主要因素。
1.4 观测及其技术发展
美国正在实施的"地球透镜计划"中的主要内容包括：板块边界观测站（PBO）和圣安德列斯断裂深部观测站（SAFPRD），把研究地幔结构和动力学、地壳构造之间，以及大地构造和地壳中流体之间的关系作为非常重要的内容。SAFPRD将对断裂带物质（岩石和流体）进行直接取样，测量多种多样断裂带的特性。其中需要验证在圣安德列斯断裂深部是否存在高孔隙压流体，开展的内容包括对孔隙压、温度和应变进行连续监测。
日本对地震观测网和处理系统一直在不断调整、更新和强化，推广先进观测技术，尽可能避开地表干扰。对地震流体的观测重视深、浅流体的对比观测研究，大力推进多测项一体化的综合传感器；地下水化学组分的探测采用深井直接取样技术进行快速观测，水温、水位与钻孔应力、井下倾斜观测的综合分析。
台湾地区最近批准在集集地震的断裂带附近，进行一系列深度大于2000m的直接深井温度和化学成分的观测，以探测在断层活动区域，地下介质热动力条件、断层活动时的热效能转换和物质活动特征的数据。
另一个只得关注的技术就是干涉测量的合成孔径雷达（InSAR）。通过InSAR图像可以判定地下水减少引起的地面沉降图像，以判定是断层运动和其他形式地壳变形引起的多孔弹性效应。
2、存在的关键问题
从以上国内外最新研究动态的分析结果来看，基于先进的观测技术和可靠的观测资料是提高地震流体理论研究水平的关键。我国经过30多年的探索，可以说在地震流体观测方法的普及方面取得了突出成效，在预报实践方面也取得了长足进展。但顿足思索，我们深深感到目前存在的问题之多和我们面临的困难之艰巨。如在观测技术方面，注重信号传输上的数字化技术，缺少长期稳定、计量标准的传感器技术；台网布局方面，形成"因简就陋"的被动建网（台）理念，缺乏科学标准的主动布网（台）的勇气；地震预测方面，强调地震异常指标的提取，缺少异常信息定量评估的方法和技术；基本理论和模型（模式）研究方面，缺乏针对某一问题的深入研究和理论分析，难以给出观测事实清楚、理论依据充分的结果。对上述问题的考虑，其原因可归纳为以下几个方面。
1）观测基础仍然很薄弱。这一问题并不是说我国地震流体台站（点）不够多，而是高质量的台站（点）太少。一是对台站（点）的基础条件研究不够，一些不具备条件进行某些测项和自动化观测的台（点）被改造为"数字化"观测点，关键环节得不到科学保障，观测数据的科学价值大打折扣；其次是浅层观测环境受到严重干扰，使许多有价值的台站在城镇化进程不断加速中不得不废弃，已有的观测台网格局被打破。
2）观测技术相对落后。长期以来重视观测仪器的自主研发，忽视仪器生产的产业化发展，随之而来的是该类仪器的稳定性、抗干扰性，以及标定问题得不到解决；对国外和系统外先进的观测技术引进不够，设备技术指标起点低，资金投入不足，低成本的仪器运维现状导致观测资料质量的下降；科学研究成果满足不了工程建设的需要，特别是"九五"期间数字化改造工作，地下水（气）化学观测技术受到了重创，直接影响到地震流体观测技术的整体发展。
3）单手段（测项）观测无法进行比测研究。长期受到观测条件的限制，地震流体观测主要以单手段（或单测项）为主，无比测手段，观测资料的客观性和科学性无法验证。尽管目前获得的浅层地震流体观测资料中仍然含有可用的信息，但需要花费大量精力来排除越来越多的干扰因素，使用花样繁多的数据处理方法来提取可能的指标。
4）地震前兆信息缺乏科学评估。当前，针对出现的宏微观异常情况，无法拿出科学依据来判定和评估其异常的可靠性，即便是想开展一些深入的研究，也是由于环境干扰或缺少基本的介质参数而无法深入进行；提取的地震前兆异常指标，仍然停留在少样本的"统计"基础上，对地震三要素的判定，尚缺少对地壳介质参数变化观测的物理判据。
5）应用固体地球科学成果不够。地球是固体和液体相互作用和依赖的活体。诸如GPS、InSAR、高分辨率层析成像和高温高压实验等方面的进展，加深了人们对地壳运动、深部介质特性、精细结构和物质组成等方面的认识，也进一步揭示出地壳流体在地壳演化和强震孕育中的重要作用。而目前国内地震流体的基础研究，对地球物理、地球化学方面的成果利用不够，现有的观测结果难以与固体地球物理和地球化学方面获得的结果进行对比分析，提出的一些理论模型（模式）也只能停留在一般意义的解释上。
3、我国地震流体学科的发展方向
人类进入21世纪，地球科学的研究更趋于理性化。地球科学观测技术已由平面台网向立体监测网发展，单一方法向综合观测发展，地表观测向深井观测发展。因此，建设新一代地震流体科学观测台网，发展地震流体前兆观测台阵，开展深孔物质活动特征观测与研究、野外观测实验研究、室内高温高压实验研究和高精度大型数值模拟研究，就成为地震流体科学优先发展的内容。
3.1 科学观测台网建设
提出"科学观测台网"的概念是为了区别目前承担"前兆观测"的地震流体台网。科学观测台网在技术上应装备先进的观测仪器，观测环境确保不受干扰或采取抗干扰措施，观测场地的地下介质结构清楚，观测点具备自动化观测条件，观测量具有比测研究能力。这种"高标准"的要求，并不是否定现有观测台网的作用，而是需要提升地震流体台网的科学技术能力。地震流体科学观测台网建设的目的，是使地震流体观测进一步科学化，为显著增强我国地震前兆监测与地震预测的科学性提供可靠依据。
按照以上目标，在现有地震流体台网基础上，筛选和优化一批标准台站，指导建设一批新台站，成为国家级观测台网的骨干台站，构造真正体现科学理念的新一代观测台网。这种台网不但能为地震监测预报提供稳定、可靠的观测资料，而且为地球科学研究的其他领域提供有价值的地壳流体信息。
3.2 前兆观测台阵
1）需要解决的主要科学问题：前兆台网布设的科学依据；观测台址选择的科学依据；观测项目综合观测的科学方法；部分观测项目的映震机理；观测仪器的技术指标及其性能试验；数据资料的可靠性判定及其科学内涵评价。
2）开展的主要工作：①台阵观测场地及观测点位的精细勘选；②同一深井不同含水层温度梯度与地温、气温对比观测；③断层带土壤气CO2与Rn、Hg、H2、He的对比观测；④钻孔应力-应变与水位、水温（地热）对比观测；⑤气体总量仪器试验观测；H2、He、SO2等气体组份的数字化观测仪器试验观测；微流量仪器试验观测；一体化水温、水位观测仪器试验观测；⑥数字化观测仪器标定技术试验观测。
3.3 深孔物质活动特征观测与研究
随着对深孔观测重要性认识的不断提高，有可能开展深部流体物性特征的观测研究工作，需要解决的关键问题是高性能探测仪器与方法。开展多学科同井综合对比观测和研究，探索科学、安全的观测技术，是21世纪我国地震流体观测发展的重要方向。
1）深孔岩层孔隙压力观测：大量的理论研究和室内岩石实验结果表明，岩层孔隙压的变化是直接导致断层失稳破裂的因素之一。直接观测深部断层内部的孔隙压变化，可以捕捉到引发地震发生的断层活动的孔隙压力变化信息，检验实验室的实验结果和理论模型，提高我们对于地震的认识。在活断裂带内和它的邻近地方，安装高精度孔隙压传感器，开展透彻的深孔岩层的孔隙压力观测，同时获取温度、应变的连续观测资料。
2）深孔温度观测：大量分析结果推测出强震孕育区的结构是由富含流体的低速层和断裂发育的高速层组成。低速层的热流体活动是引发深部断层破裂而产生地震的主要因素之一。因此，在已探明的深大断裂和热流体活动地区，完成深度大于2000m的观测孔，通过直接观测深层地温获取断层活动和深部热物质活动的重要数据。
3）深孔气体观测：直接进行深孔的气体观测，可以获得在断层活动过程中，深部气体含量变化的直接信息。在可能发生强震断裂带上完成深度大于数百米的观测孔，通过直接抽取地下水含水层中的溶解气，完成不同气体组分的实时分析，获得水－岩反应以及深部气体活动的基本信息。
3.4野外观测试验研究
由于地震孕育过程受到区域应力环境、深浅部动力作用、介质条件特征等诸多因素的影响，对地震前兆现象能否给出合理解释，是困扰地震预测水平提高主要因素。通过野外观测分析和实验室研究，揭示典型短期前兆现象的动力响应条件和物性机制，对强震孕育过程中前兆异常的物理解释，对帮助理解野外观测现象，夯实地震预报物理基础是十分必要的。
1）地下水宏观异常机理的观测与实验研究：从水动力学问题、水化学动力学问题入手，对地下水异常现象进行观测与研究，并给出异常定量评估方法和指标。
2）地壳浅层动力加载作用下的流体效应观测与研究：大型水体加载效应的观测，研究地下水的物理化学特性及其空间变化规律，建立响应机理的物理模型；火车荷载动力效应，获取不同震动对地下水位响应的统计关系；洪水荷载动力效应，进行不同流量洪水作用下的地下水位响应的统计关系；人工震源动力效应，研究井的水物理、水化学观测，进行同一观测井、同一位置、不同人工震源动力载荷，不同观测井对相同载荷(大小，位置)响应观测研究，建立数学方程，模拟的载荷应力响应结果。
3）地震流体突变异常的深部物质上涌机理的研究：进行地震流体突变异常特征解释研究，既考虑化学因素，也考虑水动力学问题，进行物质运移和能量传递的效应研究。
3.5 室内高温高压实验研究
目前，实验地球化学对高温高压下超临界物质的研究，以及流体本身的动力学作用受到地学界的关注。针对性的进行以验证地震科学某些理论观点的流体实验研究，是地震流体学科基础研究的重要部分。
3.6 高精度大型数值模拟研究
研究流体活动特征，特别是深部流体特征面临的最主要问题是地壳结构复杂、影响因素繁多，单一的数学模型及其研究结果，很难获得地震流体活动的客观规律，发展和研究复杂模型及其大规模数值模拟研究，以期获得跟贴近地壳流体活动的客观规律。
4. 结语
地壳流体是沟通地壳应力与固体变形之间关系最敏感的物质。地震流体观测与研究，赋予了探索地震孕育、发生和预测其结果的使命。地震流体学科的发展已不仅仅是地震科学的需要，而是整个地球科学研究的必然趋势。"十五"期间，我国将对现有地震流体台站进行一定规模的数字化改造，还将在西南和西北强震活动区建设前兆观测台阵。2006－2020年，我国将把强化地震观测研究与强震灾害预测作为全面小康社会公共安全保障的重要内容给予重点支持。这无疑是一次历史机遇，同时也是严峻挑战。如果我们的思维仍停留在对目前状态的认可和无奈上，我们将失去历史赋予的良机。我们必须用科学发展观总结以往的经验，用科学的发展观分析存在的问题，用科学发展观筹划未来发展蓝图，只有抓住机遇，迎接挑战，地震流体科学才能有发展的空间。
为了探索地震预测的科学途径，我们无捷径可走，必须放眼国际科学技术发展的动态，毫不犹豫的剖析现有观测系统的不足，不留情面的反思以往科学思路上的浅显。总结过去，面对现实，争取通过5－10年的努力，使我国的地震流体观测台网在登上"科学台网"的平台。至2020年，发展几个具有国际影响的综合观测台阵，建设一批具有科学价值的深孔观测台（点），开拓具有国际合作能力和创新点的野外实验场，建立设备和技术一流的开放实验室，建设全国流动观测技术中心和区域流动观测系统，健全地震流体资料共享体系，造就一批执著顽强、勇于探索的青年科技人才。可以预料，通过管理部门和科学家的共同努力，地震流体科学必将会有一个辉煌的明天。
