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科普文章：地震能否预报

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发表于 2008-5-13 15:00 |只看该作者 |倒序浏览

实现预报的能力经常被作为某一科学学科是否充分发展了的一个标志。例如，牛顿发展了万有引力理论，使天文学家们能作出行星运行轨道和宇宙飞船轨道的高精度定量预报。而根据大气的温度、压力和水分含量测量，气象学家们能够应用大气运动的理论公式作出虽然仅是短期的，但具有一定精度的大气环流预报和天气预报。

一般来讲，科学的预报往往需要给出现象的规模、地点及其发生的时间。在地震学中也一样，人们总是期望能应用对地球内部作用力的认识预报未来地震的大小、地点和发震的时间。如果能作出非常准确的预报，就可以严格地和充分地实施预防措施，从而大大减少生命危害和财产损失。如果我们知道作出的预报是非常不精确的，那就只能发出警告并作出有限的安排。

自古以来人们一直在试图预报地震。例如，一种常见的观念是在地震之前会出现一种特定类型的天气；另一种看法是地震之前动物会表现出异常的行为。即使今天，在多地震国家中也常能听到当地居民说，某人多次宣称从对自然环境变化的观测中具有预报地震的能力。在评论这类说法的可靠性时必须记住，即使一个预报是完全随机地挑选了一个日期，它也总是有机会对应未来发生的某次地震。

一般认为，一个严肃的预报必须详细说明地点、时间和震级，并对它们给出特定的窄的区间限制，例如，预报一个震级大约7.0左右的地震将要发生在今后7天内，地点为城市A的50千米范围内。然而这种确定性的叙述往往不可能是完全正确的，因为一个预报总是建立在有限的测量和观测上，它们往往不是很精确的，地点、时间和震级大小也仅仅是在某种最大似然程度基础之上给出的。因此除了给出地点、时间和震级外，地震预报应该给出发震概率。

另外，在地震预报中存在着一个根本性的固有困难。假定地震学测量表明在一个时间段内，一定震级的地震可能在某个地震区中发生，那么在该时间段内完全偶然地恰好发震的可能性不是没有的。因此，如果一个地震发生，并不可能确切证明所使用的预报方法是正确的，它们在将来某次预报时很可能失败。当然，如果作出一个严格的预报但又什么也没发生，那可以证明这个方法不是可靠的，至少不是普遍有效的。正因为如此，预报时也必须说明，即使不考虑特定预报的依据，仅仅作为一种随机现象，发生地震的可能性有多大。

最流行的关于地震预报的一个看法可能是，认为动物在地震发生之前能预先感知。早在公元前373年的古希腊，有一只老鼠和蜈蚣在破坏性地震发生之前为安全而搬家的故事。在中国，20多年前有很多关于动物异常行为前兆的报道。最近，旧金山湾区南部的一个地质学家提出一个异乎寻常的理论：在当地报纸的“丢失和寻找”专栏中出现特别大量的丢失猫、狗的消息时，地震要袭击该地区的概率就明显地增加了。丢失动物被看成在圣何塞城110千米范围内和指定的时期内将要发生3.5～5.5级地震的信号。这个地质学家自称在过去的12年内该方法有80%的成功率，但没有提出什么理论去解释这个奇怪的相关性，并且以此方法在大约15年之前对地震进行预测是不奏效的。

这个奇怪的特例说明，对这种根据动物的异常行为预报地震活动的方法进行可靠性评估存在一定困难。尽管已经有地声、温度、电压等的精密测量仪器，但这些被宣称的动物反应到底是受什么因素刺激而产生的，迄今仍无答案。动物不时地表现出许多古怪行为，常常是由地震以外各种自然因素所引起的。所以地震学家认为，仅仅根据动物异常行为预报地震几乎是不可能的。

把科学杂志中发布的地震预报与全部实际地震数据作个比较可以发现，没有一种提出的方法已经被真正证明是可行的。尤其是近20年来，地震预报的进一步深入研究对是否能实现在严格的时间和地点范围内预报地震提出了怀疑，特别是对巨大的破坏性地震。以下3个符合一定标准的由受过科学训练的人完成的地震预报实例，或许可以帮助读者理解这个问题。

在地震预报探索中，通常是努力寻找会触发地震断裂的力源，不管它是来自地球外部或是内部，就如同最后加上一根稻草也有可能压垮一头骆驼的脊梁一样。人们常想到的触发力有：恶劣的天气、火山活动、太阳和月亮对地球产生的潮汐引力等。本世纪50年代后期，著名的科学杂志《自然》中刊登了一位地震学家的论断，他说来自天王星的引力会引起地震的周期性发生。这一理论听起来十分奇怪，因为天王星是离地球最远的行星之一，它施加给地球的引力与月亮相比简直微不足道，但据他的统计结果，从表面上看确与地震发生的周期性似乎有些相关。

科学方法中存在这种实际困难，尽管这类表面的相关性有时会有助于揭示力源和地震之间的相互关系，但是看来相关的事件不一定真有物理因果关系，甚至究竟是否真正相关也有待于仔细考察。因为，即使我们不根据物理因果关系而是完全从现象上寻找有相关性的两个现象，那么也早晚总能找到，不过其相关可能只是偶然的而已。例如，或许纽约的出生率和喜马拉雅的暴雨降雨量之间存在着很强的相关性，但这并不意味着二者之间有因果关系。有关天王星的例子也是这样，人们从较近的行星开始寻找行星引力和巨大地震之间的相关性，但一直找不到，直到尝试到天王星与地震的关系时才发现它们的相关关系。

第二个例子来自1974年一本由两个宇航员写的畅销书中。作者在书中提出了一个十分特殊的逻辑链，说明行星的排列成一线与巨大地震的发生存在联系。作者首先指出这种特定的行星排列每隔179年会发生一次，此时太阳受到的引力会增加，这些增加的引力会诱发太阳黑子活动。接下来，较强的太阳活动导致更强的太阳风，即不断从太阳向外流出的带电原子核，巨大的太阳风又改变了地球表面的天气状况，天气状况中包含了不规则的大气干扰，增加了地表的压力，例如增加了对于山脉的挤压，这些额外压力十分巨大，或许会引起构造运动，甚至灾难性地震。

当时已知这种行星特定排列在1982年将再度发生，这一理论的提出人预测1982年圣安德烈斯断层是大地震的一个可能发生地点。他们的理由是，圣安德烈斯断层南段自1857年、北段自1906年以来，都未发生过断裂，岩石应变积累已经很大，行星特定排列诱发大地震的条件已经成熟。

加利福尼亚还算走运，预报的地震没有发生，因为该理论存在一系列缺陷。首先，全球地震目录表明，行星发生一线排列的1803年、1642年和1445年——这些间隔为179年的年份，没有发生特殊的破坏性地震周期活动。加利福尼亚历史上1803年没有发生大地震，1445年全世界只有日本偶然发生一次大地震，1642年也只有一次发生在西印度的大地震。相反在1448年发生了4次、1604年发生了5次巨大地震，尽管这些年份并不符合预测的间隔周期。

事实上，科学事实也强有力地反对这种基于简单的一系列逻辑推理的预报方法。根据牛顿万有引力理论计算，来自遥远行星对太阳的额外引力远不如来自地球以及金星的引力大。按上述作者的思考方式，我们不仅要考虑179年的行星排列间隔期，还要考虑邻近太阳的行星之间的各种排列。

第三个误导的地震预报事件发生在秘鲁，几乎给城市造成混乱，因而引起了公众对巨大地震预报真实性的争论。1976年，欧洲的科学杂志上发表一些文章，研究岩石裂隙如何在压力下产生地震波。这一理论工作被认为不仅仅适用于小规模的矿床岩石断裂，而且适用于大规模的地质断层滑动。进而它被认为能预测即将发生的大规模断层断裂及其伴生的地震发生的精确时间、地点和强度。

就在这篇文章发表不久，两位科学家应用这一岩石破裂理论研究了1974年在秘鲁利马附近发生的两次大地震。结果他们认为在城市附近已经酝酿形成大震发生的条件，该地区已经进入大震“孕震期”，并且计算出大约6年之后将会发生一次8.4级的主震。由于这两位科学家是为美国政府工作的，因此他们的结论马上被认为是可靠的，他们的预报很快引起了秘鲁公众和政府的关注。

这一预报的评价被提交给美国地质调查局下属的国家地震预报评估委员会，它专门负责对重大预报进行分析评估。委员会的报告否定了该预报，事实上以后也并没有巨大地震袭击秘鲁。从1980年到本书出版一直没有发生大地震，对这个许多建筑不具抗震能力的国家真是一件幸事。由于秘鲁处于纳斯卡板块俯冲边界的地震活动带，毫无疑问，板块俯冲断裂迟早会产生大地震，但我们尚无从知道它将于何时发生。

一种广义的、但重要的预报是，通过对有关历史地震活动的研究，特别是对构造板块边缘地带的研究，将有可能确定发生破坏性地震的可能地点。然而这些历史记录不能使我们精确地预报地震发生的时间，除非对特定地质环境有更多认识。地震的发生并不遵循有规律的时间表。即使是在中国，那里记录下了近2 700年间的500～1 000次破坏性地震，统计研究也仍无法揭示主要地震存在周期性。它们仅提示在发生一系列大地震的活动期之间，可能会经历一段长时间的平静期，各次平静期长短不一，不存在严格周期性。



8.1  中国和日本的地震预报经验

20世纪70年代，中国的地震预报工作因为得到了广泛宣传而为全世界所注目。特别是1975年2月4日的事件被详细报道之后，1975年2月4日，中国东北辽宁省官方发布了一个紧急警告，他们根据这个地区许多小地震的发生，预测在24小时内要有一次强烈地震发生。那天晚上，海城附近发生了强烈地震，但幸运的是大多数人已经睡在了室外，所以没有受到伤害。

中国人宣称已经准确地预报了几次地震发生的时间：不仅有1975年的海城地震，还有靠近中国—缅甸边境(云南西部)1976年5月29日发生的两次相隔97分钟的6.9级地震。然而，在评价中国地震预报工作的历史时，只有不仅引证其成功，还要引证其失败才算公平。一方面，有些临震预报被证明是虚报，例如，在广东省1976年8月发出了一次地震警报(广东不是地震活跃区)，许多人被说服睡在室外，但是并没有地震发生；另一方面，有的灾害性地震发生时没有提前警告。1976年7月28日，悲剧性地震几乎夷平了位于北京东部150千米有1百万人口的唐山市（图8.2和图8.3）。官方报道，极震区约有24万人死亡，在北京也有大约100人由于有些泥墙和老砖房倒塌而丧生。而且，据估计还有50万人受伤。除了人员伤亡再加上巨大的工业损失，对整个国家来讲，造成严重的经济后果是必然的。唐山地震对一些迷信的中国人还有哲学含义：中国人的传统观点认为自然灾难是来自上天的旨意。



在日本也有几个世纪的地震统计，自从1962年以来一直在进行以地震预报为目标的大力研究，然而至今仍未取得明显的成功。检验日本地震预报方法的障碍是日本岛近年来没有遭受到破坏性地震的袭击，尽管发生了许多中等地震。

日本已实施了5个地震预报五年计划，并为计划提供了十分充足的资金，数以百计的在大学或政府研究所工作的地震学家、地球物理学家和大地测量家参与该研究并已经取得进步。这个方案的开始是观测潜在震源区的地质特征的短期变化；绘制活断层地质图；用改进了的大地测量设备和潮汐仪连续监测地壳变形；布设了简单地震仪的密集台网以全面了解即使极小地震的空间分布。此外，在部分选定的地震观测台上设置专门仪器，不间断地测量地球磁场的变化和岩石中电流的变化；在地热区取样测量水化学和温度的变化，记录地下水位。最近，科学家们在进行区域地壳形变和地震活动性测量的同时，研究了东京附近历史地震的周期性。结果表明，尽管东京附近地区尚不存在发生1923年关东大地震那样大震的迫在眉睫的危险，但在邻近地区发生破坏性地震的危险不能排除，特别是本州海岸的东海重要工业区，15年来已经观察到了不规则的地质变化。

在日本的五年计划和类似的观测计划得到执行的同时，棘手的问题也随之而产生了，究竟哪些测量到的变化真正与地震预报相关呢？如果有了关于地震孕育和发生物理变化过程的成熟理论，人们就可以知道地震前应该去测量哪些量，才能寻找到异常。可惜现在所缺乏的正是这种理论，日本以及其他地方的地震预报研究，主要通过发现有待论证的依据而进行的。1982年，日本著名地震学家铃木曾这样评论日本本土以及国外地震预报情况：“地震预报的现状是非常混乱的，到目前为止，报道过的地震前兆真是形形色色，其中一些看来就很奇怪，令人怀疑。很清楚，即使排除这些模棱两可的记录，也仍无法找到一条确定的成功预报地震的道路。”这一公正的评论在10年后的今天依然是正确的。激烈的争论引起了有关什么是世界范围地震预报最佳计划的再思考。一个修改计划提出，应该加强震前短期物理变化过程的基础研究，因为这些物理变化过程正是了解大断层滑动前兆的关键，而前兆现象的产生目前对我们仍是个谜。

尽管我们还没有一个实用的系统阐述的理论能为地震起源提供一个可靠预测的指导，然而一个有关断层起源的弹性回跳理论，为我们提供了粗略预测已知活断层的下一次大破裂时间的依据。实际上，1906年加利福尼亚地震之后，里德运用回跳理论得出，旧金山附近的再一次巨大震动将发生在一个世纪之后。他的论证过程十分简单，通过对旧金山断层在地震发生前50年内的断裂状况的测量，得知50年间断层东、西两侧山顶间相对位移已经达到3.2米（图8.4）。在1906年4月18日地震断层回跳破裂后，最大相对错动距离为6.5米，或者是原来相对位移的2倍。因此，大约100年之后，可产生6米错距的地壳岩石应变才能再次累积起来，形成再一次大地震的条件。这一推论是否可靠有赖于推理中隐含的有关变形的细节的一系列假设是否真正成立，例如，区域应变积累应随时间均匀地增加；1906年大地震本身并没有改变断层的力学性质；中等大小地震不会对积累的应变释放发生重大影响等

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