专题
首页  >  专题  >  媒体视点  >  名刊精选  >  《科技潮》

《科技潮》

开博时间:2016-11-21 21:24:00

《科技潮》杂志由北京科学技术委员会主管,北京高技术创业服务中心主办,1989年创刊,是集宣传科技政策...

文章数

地震预测为什么那么难?

2008-11-30 16:29:03

  2008年5月12日下午2点28分(北京时间),我国四川省的汶川县发生大地震,造成了巨大的人员伤亡和财产损失。举国上下在齐心协力抗震救灾的同时,也议论、关注着地震科学研究的进展,尤其是地震预测的现状与前景。就此话题,记者近日采访了北京大学地球与空间科学学院名誉院长、中国科学院院士陈运泰。

  地震预测究竟难在哪里?

  记者:有媒体在报道地震预测研究的技术路径之争时称:“在汶川地震这场巨大的灾难面前,科学界尤其是地震学界被深深地刺痛”。汶川大地震没有能够预报出来,在社会上也引发了许多议论,不知您怎么看?

  陈运泰:1993年我曾在一篇有关地震预测的论文中写下了这样一段话:地震预测是公认的世界性的科学难题,是地球科学的一个宏伟的科学研究目标。如能同时准确地预测出未来大地震的地点、时间和强度,无疑可以拯救数以万计生活在地震危险区人民的生命;并且,如果能预先采取恰当的防范措施,就有可能最大限度地减轻地震对建筑物等设施的破坏、减少地震造成的经济损失,保障社会的稳定和促进社会的和谐发展。

  回过头来看,40多年来,通过世界各国地震学家长期不懈的努力,地震预测、特别是中长期地震预测还是取得了一些有意义的进展的。但是,地震预测毕竟是一个极具挑战性尚待解决的世界性的科学难题,目前仍还处于初期的科学探索阶段,总体水平仍然不高,特别是短期与临震预测的水平与社会需求相距甚远。

  记者:就您看,地震预测在科学上遇到了什么样的困难?

  陈运泰:归纳起来,地震预测的困难主要有如下三点:地球内部的“不可入性”;大地震的“非频发性”;地震物理过程的复杂性。

  地球内部的“不可入性”是古希腊人的一种说法。我们在这里指的是人类目前还不能深入到处在高温高压状态的地球内部设置台站、安装观测仪器对震源直接进行观测。“地质火箭”、“地心探测器”已不再是法国著名科幻小说作家儒勒·凡尔纳小说中的科学幻想,科学家已经从技术层面提出了虽然大胆、然而比较务实的具体构想,只不过是目前尚未提到实施的议事日程上罢了。即便是超深钻所达到的深度,也还只是“皮毛”,况且这类深钻并不在地震活动区内进行,虽然其自身有重大的科学意义,但还是解决不了直接对震源进行观测的问题。

  国际著名的俄国地震学家伽利津曾经说过:“可以把每个地震比作一盏灯,它燃着的时间很短,但照亮着地球的内部,从而使我们能观察到那里发生了些什么。这盏灯的光虽然目前还很暗淡,但毋庸置疑,随着时间的流逝,它将越来越明亮,并将使我们能明了这些自然界的复杂现象……”

  记者:这句话非常动人,比喻也十分贴切。

  陈运泰:话虽然可以这么说,真要做起事情来却没有这么简单。因为地震的分布并不是均匀的,全球的地震主要发生在环太平洋地震带、欧亚地震带以及大洋中脊地震带这三条地震带,并不是到处都有“灯”。地震这盏“灯”并没有能够把地球内部的每个角落全照亮。

  何况,地球表面的70%为海洋所覆盖,地震学家只能在地球表面(在许多情况下是在占地球表面面积仅约30%的陆地上)和距离地球表面很浅的地球内部(至多是几千米深的井下)、用相当稀疏、很不均匀的观测台网进行观测,利用由此获取的很不完整、很不充足、有时甚至还是很不精确的资料来反推(“反演”)地球内部的情况。

  地球内部是很不均匀的,也不怎么“透明”,地震学家在地球表面上“看”地球内部连“雾里看花”都不及,他们好比是透过浓雾去看被哈哈镜扭曲了的地球内部的影像。凡此种种都极大地限制了人类对震源所在环境及对震源本身的了解。

  记者:相对来说,大地震的“非频发性”倒是比较容易理解。

  陈运泰:大地震是一种稀少的“非频发”事件,大地震的复发时间比人的寿命、比有现代仪器观测以来的时间长得多,限制了作为一门观测科学的地震学在对现象的观测和对经验规律的认知上的进展。

  迄今对大地震之前的前兆现象的研究仍然处于对各个震例进行总结研究阶段,缺乏建立地震发生的理论所必需的切实可靠的经验规律,而经验规律的总结概括以及理论的建立验证都由于大地震是一种稀少的“非频发”事件而受到限制。作为一种自然灾害,人们痛感震灾频仍,可是等到要去研究它的规律性时,又深受“样本”稀少之限。当然,这句话不要被误解为希望多来大地震。

  记者:请再解释一下地震物理过程的复杂性。

  陈运泰:从常识上说,不言而喻,地震是发生于极为复杂的地质环境中的一种自然现象, 地震过程是高度非线性的、极为复杂的物理过程。地震前兆出现的复杂性和多变性可能与地震震源区地质环境的复杂性以及地震过程的高度非线性、复杂性密切相关。

  从专业技术的层面具体地说,地震物理过程的复杂性指的是地震物理过程在从宏观至微观的所有层次上都是很复杂的。例如,宏观上,地震的复杂性表现在:在同一断层段上两次地震破裂之间的时间间隔长短不一,变化很大,地震的发生是非周期性的;在同一断层段上不同时间发生的地震其断层面上滑动量的分布图像很不相同;大地震通常跟着大量的余震, 而且大的余震还有自己的余震,等等。

  就单个地震而言,地震也是很复杂的,如:发生地震破裂时,破裂面的前沿的不规则性;地震发生后断层面上的剩余应力(震后应力)分布的不均匀性,等等。在微观上,地震的复杂性表现在:地震的起始也是很复杂的,先是在“成核区”内缓慢地演化,然后突然快速地动态破裂、“级联”式地骤然演变成一个大地震。这些复杂性是否彼此有关联?如果有,是什么样的一种关系?这非常值得深究。

  地震到底能不能预测?

  记者:人们非常关心的一个问题是:地震到底能不能预测?有人说,目前的地震预报的水平是在某种有利的条件下,对一定地区、某种类型的地震,做出一定程度的预报。

  陈运泰:地震到底能不能预测?这不是用一两句话就能说清楚的问题。应该让大家知道,科学家所研讨的地震能不能预测的问题,有深刻的科学内涵,不是简单地归之为“说地震不能预测,就是在宣传不可知论”等等就完事了。

  地震预测是一个多世纪以来世界各国地震学家最为关注的目标之一。在上个世纪70年代,紧接着前苏联报导了地震波波速比(纵波速度与横波速度的比值)在地震之前降低之后,美国纽约兰山湖地区也观测到了震前波速比异常。随之而来的是大量有关震前波速异常、波速比异常等前兆现象的报道和膨胀-扩散模式、膨胀-失稳模式等有关地震前兆的物理机制的提出,以及1975年中国海城地震的成功预报。

  这些情况使得国际地震学界对地震预测一度弥漫了极其乐观的情绪,甚而乐观地认为“即使对地震发生的物理机制了解得不是很透彻(如同天气、潮汐、火山喷发预测那样),也可能对地震做出某种程度的预报”。当时,连许多著名的地球物理学家都深信:系统地进行短、临地震预测是可行的,不久就可望对地震进行常规的预测,关键是布设足够的仪器以发现与测量地震前兆。

  然而,人们很快就发现地震预测的观测基础和理论基础都有问题:对波速比异常重新做测量时发现原先报导的结果重复不了;对震后报导的大地测量、地球化学和电磁异常到底是不是与地震有关的前兆产生了疑问;由理论模式以及实验室做的岩石力学膨胀、微破裂和流体流动实验的结果得不出早些时候提出的前兆异常随时间变化的进程。接着,运用经验性的地震预报方法未能对1976年中国唐山大地震做出短、临预报。

  到了1980~1990年,美国地震学家预报的圣安德列斯断层上的帕克菲尔德地震、日本地震学家预报的日本东海大地震都没有发生(前者推迟了11年于2004年9月28日才发生,后者迄今还没有发生),又使许多人感到悲观。一个多世纪以来,对地震预测从十分乐观到极度悲观,什么观点都有,不同的观点一直争论不息。

  记者:特别是近年来,围绕着地震的可预测性发生了激烈的论争。1997年春,日本东京大学的美国地球物理学教授罗伯特·盖勒、美国加州大学洛杉矶分校的地球物理学教授戴维·杰克逊等专家在《科学》杂志上发表了一篇题为《地震无法预测》的文章,悲观地声称:地震是无法预测的。应该打消可能会在几小时、几天或几个月之前预测到地震的希望。从事这方面的研究工作是“一项毫无希望的工作”。

  陈运泰:国际上有一些专家认为,地震系统与其他许多系统一样,都属于具有“自组织临界性”的系统,即在无临界长度标度的临界状态边缘涨落的系统。从本质上说,具有自组织临界性的现象是不可预测的。而具有自组织临界性的系统中的临界现象普遍都遵从像地震学中的古登堡-里克特定律那样的幂律分布,所以这些专家认为,地震是一种自组织临界现象,地震系统是具有“自组织临界性”的系统。进一步他们认为:既然自组织临界现象具有内禀的不可预测性,所以地震是不可预测的;既然地震预测很困难,甚至是不可预测的,那么就应当放弃它,不再去研究它。这种观点在一个时期可谓“甚嚣且尘上矣”!

  可是,地震是不是一种自组织临界现象,这不是一个靠“民主表决”、“少数服从多数”可以解决的问题!多数人认为地震是一种自组织临界现象,并不能说明地震就是一种自组织临界现象。

  美国加州大学洛杉矶分校的地球物理学教授诺波夫教授一直在强烈批评上述的“地震在本质上是不可预测”的观点,他的研究结果表明,地震现象是自组织的,但并不临界。他批评“地震在本质上是不可预测”的观点说,简单地从幂律出发得出地震具有自组织临界性、进而推出“地震不能预测”的结论在逻辑推理上好比说 “哺乳动物有4条腿,桌子也有4条腿,所以桌子也是一种哺乳动物或哺乳动物也是桌子”一样的荒谬。

  记者:说地震预测是“一项毫无希望的工作”,如此决绝的丧气话,在我们这个太空兼基因时代放出来,似乎有点不对劲儿,但这毕竟只是一家之言。我听到一种说法:现在的地震预测大都是进行概率预测,即地震趋势估计或危险性评估——发生地震的危险性有多大?国外的某些概率模型,已能预报若干年内在某个特定地区,将有多大的概率发生某一震级的地震。会不会有那么一天,人类对地震的预报,就像现在对天气的预报那样,迅速、科学而又准确呢?

  陈运泰:对地震的可预测性这一与地震预测实践以及自然界的普适性定律密切相关的理论性问题的探讨或论争还在继续进行中。既然地震的可预测性的困难源自人们不可能以高精度测量断层及其邻区的状态,以及对于其中的物理定律仍然几乎一无所知,那么,如果这两方面的情况能有所改善,将来做到提前几年的地震预测还是有可能的。

  提前几年的地震预测的难度,与气象学家目前做提前几小时的天气预报的难度相当,只不过做地震预测所需要的地球内部的信息远比做天气预报所需要的大气方面的信息复杂得多,而且也不易获取,因为这些信息都源自地下(地球内部的“不可入性”)。这样一来,对地震的可预测性的限制可能不是由于确定性的混沌理论内禀的限制,而是因为得不到极其大量的信息。

  记者:在您看来,实现地震预测的科学途径是什么?

  陈运泰:我看主要还是依靠科技进步,依靠科学家群体。

  解决地震预测面临的困难的出路既不能单纯依靠经验性方法,也不能置迫切的社会需求于不顾,单纯指望几十年后的某一天基础研究的飞跃进展和重大突破。在这方面,地震预测与纯基础研究不完全一样。这就是:(1)时间上的“紧迫性”,即必须在第一时间回答问题,不容犹豫,无可推诿;(2)对“震情”所掌握的信息的“不完全性”;(3)决策的“高风险性”。

  地震预测的上述特点既不意味着对地震预测可以降低严格的科学标准,也不意味着可以因为对地震认识不够充分、对震情所掌握的信息不够完全(极而言之,永远没有“充分”、“完全”的时候)而置地震预测于不顾。

  记者:不管怎样,一个多世纪以来,经过几代地震学家的不懈努力,对地震的认识的确可以说大有进步了。

  陈运泰:然而,不了解之处依然很多。目前地震预测尚处于初期的科学探索阶段,地震预测的能力、特别是短、临地震预测的能力还是很低的,与迫切的社会需求相距甚远。解决这一既紧迫要求予以回答、又需要通过长期探索方能解决的地球科学难题,唯有依靠科学与技术的进步,依靠科学家群体。一方面,科学家应当倾其所能把代表当前科技最高水平的知识用于地震预测;另一方面,科学家(作为一个群体,而不仅是某个个人)还应勇负责任,把代表当前科技界最高认识水平的有关地震的信息(包括正、反两方面的信息)如实地传递给公众。

  应当看到:我们的“敌人”——地震还是40年前的那个敌人,但是40年来地震研究的进展使得我们对地震的认识比以前增进了许多。地震观测技术的进步、高新技术的发展与应用为地震预测研究带来了历史性的机遇。依靠科技进步、强化对地震及其前兆的观测,开展并坚持以地震预测试验场为重要方式的地震预测科学试验,系统地开展基础性的对地球内部及地震的观测、探测与研究,坚持不懈地做下去,对实现地震预测的前景是可以审慎地乐观的。

  其实,地震预测面临的困难基本上也是地球科学面临的困难。分析这些困难,是为了寻找解决困难的办法。困难不能成为无所作为的借口。地震预测的确是很困难的,正是因为困难,才需要有地震学家去攻坚。如果很容易,还用得着养这些人吗?因此,地震工作者要迎接挑战,知难而进,这是我特别希望加以强调的。

  中国科学院院士陈运泰

  陈运泰 地球物理学家,中国科学院院士,发展中国家科学院(TWAS)院士;1962 年毕业于北京大学地球物理系,1966 年(研究生)毕业于中国科学院地球物理研究所;现任北京大学地球与空间科学学院教授、名誉院长,中国地震局地球物理研究所名誉所长、研究员,国际大地测量学与地球物理学联合会(IUGG)执行局委员,国际《地震学刊》(Journal of Seismology)、《中国科学》、《科学通报》编委,《地震学报》(中、英文版)主编,《地球物理学报》副主编等。

上一篇:地球运动超出地震学家的想象
下一篇:净化空气 实现承诺
©2011-2017 版权所有:中国数字科技馆
未经书面许可任何人不得复制或镜像
京ICP备11000850号 京公网安备110105007388号
信息网络传播视听节目许可证0111611号
国家科技基础条件平台