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地震可以预测吗?

作者:三青 时间:2023-06-07 阅读数:人阅读

 

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1997年,有学者在Science杂志上就此问题进行过争论。一方认为地震不能预测,另一方对此文章进行评论,认为地震有可能预测。

关于地震预测,乐观派认为地震是一种自然现象,那么应该遵循最基本、简单与朴素的物理规律。因此,只要我们发现了这些规律,就可能预测地震。然而,该问题非线性太强且观测资料严重不足。目前,我们对于地震的震级与可能发生的位置能有较好的估计,但对发生时间,根本无法预测。

1 地震预测

地震预测是在地震发生之前,预测其在未来可能的发生时间、地点、大小与概率。

地震预测一定要指出未来地震发生的时间,大小,位置(与概率),缺一不可。如,若讲美国明天要发生地震,这句话没有错,但没有意义,更不是地震预测。(注:地球上每时每刻都在发生地震,不过绝大多数震级很小,人类无法感受到,只能通过精密仪器测量得知)

若说美国Parkfield地区东部在2020年9月1日-10日发生6-7级地震的概率约95%,这才算地震预测。根据防震减灾等的需求,地震预测可人为地划分为长期(数十年),中期(数年),短期(数月)与临震(数天)预测。应指出,这个划分没有物理基础,彼此界限也不明确。

地震目前可以预测吗?答案是不能。目前仅有一个公认的成功案例:1975年7.3级辽宁海城地震。海城地震能预测成功是因为:1)在海城地震发生前的2-3天内发生了500多次小地震,并且在海城地震发生之前两个多月出现了较多的宏观异常(根本原因);2)当时国家非常重视,发动群众监测地震异常。

地震预测在过去100多年间没有特别大进步的主要原因是:1)地震预测问题本身固有的复杂性,即断层活动(地震孕育)的高度非线性。2)缺少大量必要数据,如地壳应力(应变)等的实时监测。反观天气预报,我们看得见大气层,也能布设大量仪器来实时监测各种气象要素,如温度,大气压力,湿度,风力等。

怎样理解非线性,牛顿当年炒股破产后曾讲:“我能计算出天体运行的轨迹,但无法计算人性的疯狂(I could calculate the motions of the heavenly bodies, but not the madness of the people)”。线性非常容易处理,一旦涉及非线性,其处理的难度陡增。

在地震短期与临震预测上,常用的方法就是地震前的异常(或前兆)捕捉和识别(如小地震活动、地下水位异常、地下温度异常、地球固体潮异常、电磁异常、动物异常等)。但是,不是每个异常都会发生地震,并且有些大地震前也没有异常现象(或者说目前的科学手段还无法捕捉与识别这些异常),因此想从震前异常来预测地震是非常困难的。关于地震如何形成,可参考如下回答:

2 地震预警

地震预警是地震发生之后,由于电磁波速度(光速)远大于地震波速度(3-7km/s),因此我们可在地震波到达之前,提前通知并采取相应措施,达到预警目的。更准确地讲,是利用P波速度大于S波,即监测到大地震P波后,在S波即后续面波(破坏性更强)到达之前发布预警信息。

根据大地震P波振幅大,频率低(而小地震的振幅小,频率高),在S波到达之前发送预警信息。(据Allen, 2011, Scientific American)
根据多个台站确定震中位置,利用S波与P波速度差,赢得预警时间。(据Allen, 2011, Scientific American)

地震预警的发展重点是自动化!

地震预警过程示意图(Cremen and Galasso, 2020, ESR)

但是,地震预警有个bug,距震中太近(如50~60km以内)的人们可能在地震波到达之后才能收到预警信息 (这是因为台站接收、处理信号需要时间,等结果出来,地震波可能已经传播过去了),此时预警已没有任何没有作用了,这个区域在学界叫做预警盲区。

难受的是,此区域往往遭受地震的破坏最强。对绝大多数地震,而距震中远到一定距离后(如大于100km),此时收到预警信息也没有太大作用(因为6.5级以下地震在100km外造成的破坏力非常有限);但对于大工程、精密仪器等行业是有意义的。

因此,对于6.5级以下地震,地震预警作用有限;但对于大地震,地震预警作用显著。如,汶川地震破裂过程持续近120秒,若能提前预警,就能大大降低绵阳、北川、青川等地的人员伤亡。

预警盲区示意图(Cochran and Husker, 2019, Science)

地震预警系统在全球的布置

全球目前有韩国,日本,我国台湾,墨西哥对公众发生预警信息,我国大陆在测试中(Richard M. Allen and Diego Melgar, 2019)

3 三个小故事

1)在20世纪70年代初期, 一些日本地震学家推断在日本南海海槽的东北部骏河(Suruga)海槽(现在称为“东海大地震空区”的地方)于1978年左右将有可能发生一次8级地震。这就是日本地震学家预报中的“东海大地震”。但是,自1978年到现在已过了40年多年, 迄今仍未发生。国际著名的地震学家、“判定委员会”主席、东京大学地震研究所原所长茂木清夫(Mogi K)教授于1997年在地震预测饱受垢病的批评声中辞去该委员会主席职务, 黯然下台。注:地震预测有风险。(https://www.cea.gov.cn/cea/xwzx/zyzt/370553/370554/1249110/index.html)

2) 美国Parkfield地区在1966年之前,平均每隔22年在同一断层就会发生一次6级地震。同时,由地震同震位移与滑动速率之比,算出的地震复发时间也是约22年。因此,美国地质调查局(United States Geological Survey)在1984 年发出正式的地震预报,明确指出在San Andreas断层靠近Parkfield的一段断层上, 在1988±4.3年将发生一次 6级左右的地震, 发震概率约为 95%。但打脸的事情发生了,这个地震直至2004年才发生。

图中序数 1~6 的圆圈表示历史上发生的 6 次Parkfield地震, 问号表示所预测的Parkfield地震, 灰色条带表示预报Parkfield发生的时间窗(1983~1993). Parkfield Mw6.0 地震(五角星)迟至 2004 年 9 月 28 日才发生, 比预报的时间晚了至少11 年(陈运泰, 2009, 中国科学)

3)在20世纪70年代,很多学者对地震预测非常乐观,甚至有学者在Science上发文称地震预测即将变成现实。如:

Alsop and Oliver (1969):

Pakiser et al. (1969):

Scholz, Sykes and Aggarwal(1973)Wrote in Science that:

参考文献

Geller, R. J., Jackson, D. D., Kagan, Y. Y., & Mulargia, F. (1997). Earthquakes cannot be predicted.Science,275(5306), 1616-1616.

Wyss, M. (1997). Cannot earthquakes be predicted?.Science,278(5337), 487-490.

关于地震科普书籍,我十分推荐陈运泰院士著作《地震浅说》。我看后的感觉是:专业性与科普性兼具,即无论你是专业人士,或是对地震好奇的非专业人员,应该都会有很大收获。

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