大问题 | 地震，真的能预测吗？

星光闪亮图书馆 2017-08-02

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大问题系列

撰文：偶奇（牛津大学）

记得第一次正儿八经出野外是在四年前芦山地震后，当时坐在大戈壁路上奔跑的越野车里，一位地震局的老师开着玩笑：“有一次我们几个研究员、博士后带着硕士生在村口采样，一位路过的妈妈跟她孩子说，你要好好学习，不然以后就跟他们一样……”我望了一眼车窗边一晃而过的写着敦煌和拉萨的指路牌，心想，干这行还真有意思，苦中作乐，浪迹天涯。

四年来，慢慢从圈外走进圈内，发现地震研究真的是一件吃力不讨好的差事，不但研究者有着许多难言之隐，外界对这行也存在不少误解和非议。所以这次接到《原理》邀稿，我欣然接受。果然小编上来就抛出两个直戳痛处的问题：“地震真的能预测吗？既然不能预测，那为什么还有这么多人在从事这项工作呢？”好在我在读博以来第一次跟导师的谈话中就已得到了答案：那些说地球是个无序系统（complicated system）的人，会希望这个谜题永远不要被解开；而那些说地球是个有序系统（complex system）的人，会离真相越来越近。

的确，地震是个复杂的问题，而科学家的职责就是把复杂的问题简单化，从而尝试去剖析和理解它，并希望最终能将获得的知识贡献到人类文明的建设中。

首先，什么是地震？

地震，其实是在应力的作用下，发生在断层面上的断层两侧地壳的快速错动。地震断层主要分三种：即挤压作用下的逆冲断层、拉伸作用下的正断断层和剪切力作用下的走滑断层。

△ 地震断层的三种机制。（图片来源：中国地震信息网）

应力又是从哪里来？

从重力势能和热能造成的板块漂移中来。如：青藏高原是由印度板块55百万年前撞上欧亚大陆板块而隆起，东非大峡谷是在地幔热熔岩上涌和板块拉分的共同作用下而撕裂。地球46亿年来，大陆板块们合久必分，分久必合，被挤压或拉断过无数回，地壳岩石内部早已有许多薄弱面，它们会在最新的应力作用下“合纵连横”，形成所谓的断层面，让地壳得以顺着断层滑动，以释放应力造成的形变，又称应变。

△ 板块再造。（图片来源：中国地震信息网）

什么时候会地震呢？

记得以前物理课上学的摩擦力吗，每个接触面都有一定的摩擦性质，当接触面两侧的物体在外力的作用下，欲进行相对运动，它得先越过静摩擦系数的坎才能滑动，一旦动起来，就只受一个较低的动摩擦系数的控制，如果外界不能提供持续的推力，那滑动就会减速停止。地震也类似，具有周期性。假设应力的施加是持续不变的，那只能靠时间积蓄足够的应力和断层面周边的累积应变，等待超越静摩擦系数的那一刻，几十公里深的岩石地壳一起沿着断层面进行加速滑动，几秒后又很快地减速停止运动，而这几秒所经历的地动山摇，就是我们所说的地震了。

△弹簧-滑块模型。（图片来源：Scholz/Nature Review Letter）

△ 应力应变释放。（图片来源：BGS Earthquake Seismology）

如何预估地震周期？

还是摩擦力，接触面的摩擦系数是跟面积成正比的，也就是说断层面越大，触发地震所需要积累的应力和应变就越大，所以震级越大的地震间隔的时间就越长，这是地震学里有名的古登堡－里克特定律（Gutenberg–Richter law）。

△ b=1时的古登堡－里克特定律。（图片来源：Wikipedia）

震级又是什么？

震级的算法多种多样其中对地震预测最有意义的是矩震级(M_w)。这里要提到地震矩(M_0)的概念。地震矩与断层面的滑动面积(A)和滑动的错距(D)成正比，代表了地震释放的能量。而矩震级取的是地震矩的对数，从而把很大的地震矩换算成0-10的震级。

△ 地震矩M_0与矩震级M_w的计算方法。

地震预测的理论依据？

在长时间尺度上看，长期累积的应变应该是和这期间多次的地震累积释放的地震矩保持一致。也就是说，当我们知道一条断层上历史上发生过的最大地震的时间、震中和震级（通过查找历史文献、地震仪记录或野外挖探槽采样测年），以及这个地区的应变速率和断层滑动速率（通过GPS和卫星监测，或野外测量、采样测年），我们就能大致估算下一次发生这条断层上的地震的时间、震中和震级，但是因为大地震的间隔时间往往是上百年，我们很难精确推算下一次地震的具体日期，所以只能得出“xx断层某处在接下来xx年内发生x级地震的可能性是xx%”这样的结论。虽然这些结论一直都是城市规划和建筑抗震标准的基石，但国家为了避免大家生活在恐慌之中，几乎不把类似信息公布与众。这就不幸地造成了震后大众可能对地震从业者的一些误解，殊不知很多地震都是发生在业界的认知范围里的。

△ 中国地震综合等震线图。（图片来源：中国地震信息网）

那地震可以预报吗？

首先，地震预测、预报、预警是三个不同的概念。上文说的预测是指百、千年时间尺度的可能性预测，又叫作中长期预报；短临预报是指报告未来几小时、几天哪里会有地震发生；预警是指地震已经发生，再过几秒地震波就来了。

地震预报是件很尴尬的事情。几百年来，人们总结出了各种地震前兆，但很遗憾，似乎没有一个征兆是震前一定会出现的，也不是每次观察到这些征兆都会发生地震的。 2016年，意大利发生了一连串的地震，当地地震预报机构因为一次模棱两可的预报让大众误以为地震不会来，结果伤亡惨重，而警醒之后预报措辞更明确，反而因为几次“狼来了”而失去了公信力。目前能做到的最好，就是日本采用的地震预警，能在监测到地震体波后、面波还没有传播到地表之前发出警报，给人几秒到十几秒的时间反应，以减小损失。（更多关于地震预报的历史与现状，请见参考文献列表）

我们哪里可以做更好？

地震造成伤亡的最大杀手不是地震本身，而是倒塌的建筑。所以在地震高风险地带，普及地震知识、开展疏散演习，落实建筑抗震要求至关重要。在经济发达、断层明确、地震台网密布的情况下，地震预警能发挥很大的作用，但是中国幅员辽阔，近期还很难实行。而搜救方面，现在最需突破也是最有创新空间的是如何广泛利用各类信息（如交通监控信号的切断、手机信号发送频次的变化、社交媒体实时发布的照片和文字等）来快速确定震中和灾情，指导搜救计划。除此之外，地震研究的结果正越来越多地应用于巨灾模型中，为政府和保险行业提供技术支持和金融保障。因此，防震减灾早已不是单纯的科学问题，它集政治、经济、社会、工程与一体，需要大家的共同投入，集体创新。

地震研究工作还有什么进步的空间吗？

当然，随着遥感技术（从天上看）、地震波解析能力（从地下看）和基础设施建设（去地面看）的日益进步，地震研究者们正在获取前所未有的高精度、高覆盖率、近实时的观测数据。海量的新型数据对从业者的数学、物理、计算机基础提出了更高的要求。现在的地震工作者不但要能上天入地、为大地“诊脉”，还要用得了数学，写得出代码，建得起模型。任何一个方面的创新都代表着业界对这个复杂有序的系统的进一步认知。我们欢迎各行各业的能人与我们跨界融合，解决世界级的难题，一起定一个小目标，万一实现了呢？

（图片来源：Elliott et al 2016 Nature Communication）

△ 作者的野外考察图（Photo credit：Austin Elliott）。

小调查

面对临震征兆的不确定性，地震预报已经成为了一种机会成本的博弈。万一漏报，付出的是无数生命和社区重建的巨额代价；万一虚报，则扰乱经济活动（如大型工厂、核电站等），引起社会不安，降低公信力。

如果我们不再做地震预报，而是实时发布地震的风险级别，一旦达到橙色警戒，则媒体进行报道，大家提高警惕做好防备；等到征兆减弱，则警报解除。你觉得这样的系统会对大众更有价值吗？

参考文献：

1. Scholz, C.H. 1998. Earthquakes and friction laws. Nature 391(6662), 37–42.

2. Elliott, J.R., Walters, R.J. & Wright, T.J. 2016. The role of space-based observation in understanding and responding to active tectonics and earthquakes. Nature Communications 7, 13844.

3. 地震预报维基百科：https://en./wiki/Earthquake_prediction