建國以來,中國人是怎麼預測地震的?

2021-01-21 科研圈

本文摘編自《環球科學》2013年8月號所載的《全球迎來地震活躍期?》,為專題「聚焦大地震」中的一篇;該專題還包括譯自《科學美國人》日本版《日經科學》的《日本:探索大地震規律》,以及《環球科學》記者撰寫的《編織地震預警網絡》,介紹「地震預警」與「地震預測」之區別,以及成立於2008年汶川地震後的成都高新減災所在我國地震多發地區進行的地震預警工作。



地震活躍的時代似乎正在到來,但地震研究的困境卻未有改變。

本刊記者 劉洋

責任編輯 褚波


儘管曾經沉睡數百年,龍門山斷裂帶仍是這裡最著名的地質明星。在兩億年後的今天,這條長逾200千米的斷裂帶仍在以每年1到3毫米的速度,由青藏高原向四川盆地運動。當這種無法遏制的運動遭遇堅硬的四川盆地時,汶川、玉樹、蘆山在5年內令中國充滿哀傷。


不止中國,整個世界都因進入一個新的地震活躍期而忐忑不安。自20世紀至今發生的12次8.5級以上的強震中,竟有5次都發生在2004年以來的不足10年時間中。40年強震缺席帶來的安靜隨之一掃而空,巨大的威力幾乎重構了整整一代人對地震的記憶。

預測:經驗和困局

中國預測地震的努力,最早可以追溯到47年前的邢臺地震。1966年邢臺地震發生後,中國進入一個地震活躍期。10年內,渤海、通海、爐霍、永善、海城、龍陵、唐山等地相繼發生了一系列強震,中國對地震的大規模觀測與研究工作就由此展開。

隨後幾十年時間中,中國不乏高光瞬間。1975年,中國成功預測了遼寧海城7.3級地震;20年後,中緬邊境雲南孟連發生的7.3級地震又被中國地震工作者言中。這些艱難歲月中的勝利使中國地震工作者相信,隨著地震理論的不斷完善和檢測預報技術的不斷發展,他們距離突破預測地震的世紀難題已經不再遙遠。

中國對地質運動的投入也因為這些原因而一直持續強化。「九五」期間,中國地殼運動觀測網成為首項投入運行的國家重大科學工程。在地震觀測領域,該觀測網曾被廣泛視為可以與美國GPS觀測網、日本GPS觀測網鼎足而立的世界第三大地震觀測網。

熱情一直延續到了新世紀。中國地震局公布的《中國地震科研課題總覽》顯示,新世紀前5年,國家計委、科技部、中國地震局和地震科學聯合基金會下達和資助的地震相關研究課題就有1 214項之多。在一個科研領域的投入如此之大,在中國歷史上也堪稱罕見。

2007年,中國在多年努力之後終於建成了國家、省、市三級管理的1 200多個地震監測臺站,布設了總長度數萬千米的監測線,建立了數萬個群眾業餘監哨站,形成了覆蓋全國的現代化地震觀測網絡。當時,首都圈已經可以檢測1.5級以上地震,其他地區也可以檢測3.5級以上地震。按照當時的規劃,到2020年,我國將具備綜合防禦6級以上地震的能力。

在汶川地震前一個月,被寄予厚望的中國數字地震觀測網剛剛建成。這項總投資接近23億元的工程是中國地震局成立以來承建的投資最大的國家建設項目,它使我國前兆、測震、強震臺站的密度分別達到每萬平方千米0.4個、0.88個和1.2個,這些進步曾廣受好評。

事情一直在向好的方向發展,但汶川地震的突襲讓一切破滅。「如此強烈的地震都漏報了,這說明科學界對很多重大理論問題的研究還遠遠不夠,也是對中國地震工作者信心的毀滅性打擊。」在接受《環球科學》採訪時,中國科學院地質與地球物理研究所研究員秦四清說,「畢竟在這之前,中國的地震預測已有成功先例,準確預測曾被認為指日可待。」

但現實沒有如果,研究還要繼續,對汶川地震的反思因而成為隨後研究的重點。

汶川地震結束後僅僅一個月,時任總理溫家寶就批准汶川地震斷裂帶的科學鑽探為國家科技支撐項目,該項目計劃在汶川斷裂帶鑽取四個深孔,以研究該地區的地質結構。四個孔中較深的兩個達到了3 000米,較淺的兩個也達到了1 500米。參與該項目的中國地質科學院地質力學所研究員彭華說,「此前雖然對地震的機理有些研究,但從未有過這麼大的投入」。

中國對斷裂帶的考察也在這期間獲得進步。當年,針對全國24個大城市的活動斷裂帶探測和危險性評價工作結束,項目探測到總長4 000千米的130多條斷裂帶,詳細探測和評價斷裂帶58條,確定活動斷裂帶26條,這對我國在進行城鎮建設規劃時科學預防地震具有重要意義。

兩年之後的2010年,在財政部和科技部的支持下,「喜馬拉雅計劃」啟動。「喜馬拉雅計劃」是「中國地震科學環境觀測與探察計劃」的重要組成部分,包含「中國地震科學臺陣探測」、「中國綜合地球物理場觀測」、「中國地震活動斷層探察」等三個子項目。儘管尚未取得成功,但這個項目必將使中國對自己的地形地貌和地質構造的了解再上一個嶄新的臺階。

比反思更難的是消除迷惘和重建自信。「不能總批評地震局不作為,只要是可以嘗試的方法,地震局都試過了不止一次。如果有方向,大家一定可以找到預測辦法。但關鍵的是,大家找不到方向。」秦四清表示,「解決地震預測的難題,我們可能需要一次理論上的創新。」


海城地震:中國最成功的地震預報案例



海城地震是中國乃至世界上地震預報的最成功案例之一,人們曾經一度看到地震預測的希望,然而隨後的唐山大地震、汶川大地震,卻讓這一希望破滅。(圖片來源:http://www.bssaonline.org)

1966年的邢臺地震發生後,研究人員初步總結髮現,大震到來前都會發生小震的「密集-平靜」現象、地下水位和水質的大幅變化以及動物行為異常等前兆。1966年3月26日,邢臺震區再次出現此類異常,專家經過會商,認為在巨鹿與南宮西北將發生一次強震。一周之後的23時18分,預報地區果然發生了6.3級地震,這次準確的強餘震預報就是我國地震預報的首次實踐。

1970年1月5日,雲南通海發生7.8級地震。周恩來總理隨即作出指示,要召開一次全國地震工作會議,討論地震工作的全局性問題。也是在此期間,周總理向中國科技大學地震專業的學生講話時強調:「地震是有前兆的,可以預測的,可以預報的,要解決這個問題。」

根據周總理指示,1970年1月17日到2月9日,第一次全國地震工作會議在北京召開。會議建議:建立國家地震局,負責地震工作的具體組織實施;同時根據需要,建立一支適當數量的地方專業地震隊伍,並廣泛組織群眾業餘地震隊伍,開展地震預報和防震抗震工作。國家與地方力量的結合,尤其是國家地震局不負眾望,很快就在海城地震預報中凱旋。

海城地震的長期預報在震前10年就啟動了。邢臺地震後,華北地區強震活動逐漸北移,加強東北南部地區地震工作的建議遂被提出。1970年初,全國地震工作會議決定將遼寧劃為全國重點地震監視區,並在隨後建立了遼寧地震辦公室、瀋陽地震大隊以及13個地震臺。

1974年上半年,在遼寧省內及其鄰近地區出現了一些異常現象。當年6月,國家地震局召開華北及渤海地區地震形勢會商會議,提出了「遼寧南部或渤海北部,在不太長的時間內可能發生強震」的看法。中國科學院根據會商意見以《關於華北及渤海地區地震形勢的報告》為題,向國務院作了匯報。國務院立即以國發[1974]69號文件批轉這份報告,確定海城為可能發生5級~ 6級地震的地區,這也是國務院發布的唯一一份有關地震預報的文件。

1974年12月中旬,當地臺站和群眾測報網點相繼發現了一些前所未有的異常現象:地下水位大幅度升降,井水變渾變味;冬眠的蛇出洞,凍死在雪地;一些家畜、家禽行為異常等等。同時,以遼寧北部參窩水庫出現4.8級震群為標誌,全區地震活動進一步增強。

1975年1月末至2月初,各地反映的異常情況不斷增加。更為引人注目的是,營口石硼峪地震臺自2月1日起,觀測到數以百計的小地震。遼寧省地震部門於2月3日深夜寫出震情簡報上報省政府,提出:在營口、海城地區小震活動的後面,可能要發生一次大地震。

2月4日,遼寧省政府召開防震緊急會議,研究防震措施的具體安排。上午10時30分,省政府又發出通知,指示各地要提高警惕並發動群眾做好防震工作。僅僅10多個小時過後,強震就在海城如約而至。儘管震中地區人口密集,但由於預報準確且防備得當,人員傷亡佔人口總數的0.32%,1 328人的死亡人數為無地震警報情況下預期死亡人數的10%。

回歸理論創新

為解釋1906年舊金山大地震,美國地震學家哈裡·菲爾丁·裡德(Harry Fielding Reid)提出了彈性回跳理論。裡德認為,造成地震的力不在震源附近,而是來自非常遠的地方。在幾百甚至幾千年的周期內,這些力導致了彈性能的積累。現在,這種力被廣泛認為來自板塊運動,地震和火山的發生都與板塊邊界有明顯關係,特大地震的孕育和發生,是一種涉及板塊運動的應力積累和釋放的過程。

但隨後的歷史證明,這個簡單的理論為現實貢獻的力量實在有限,地震還是像謎一樣困擾著所有人。地球內部的「不可入性」、大地震的「非頻發性」以及地震物理過程的極端複雜性,也從這個學科面臨的獨特限制,變成了公眾眼中科學家們推諉責任和無所作為的藉口。

與此相對,民間預測卻風起雲湧。捕捉地震前數月到數小時的前兆,進而發布地震短期預測是民間地震預測的主流思路。但事實證明,這一思路難有科學價值。日本氣象研究所地震火山部研究員吉田明夫,在詳細研究了日本國內外527個報告有前兆的地震之後發現,前兆只有一種的地震為353個,有5種以上前兆的地震卻只有8個。前兆出現的時間和與震中的距離都分布得極為廣闊,這意味著世界上恐怕難有適合所有地震的共同前兆。

「能看懂的方法預測不了地震,聲稱能預測的方法又難以理解,」這已經變成了科學界對地震預測的惟一共識。「真正科學的方法必須可檢驗,但遺憾的是,目前我們還沒能見到類似的方法。」秦四清說,「我們要尋找的是學科終極規律,從而將地震、火山、滑坡和海嘯等所有地質問題集中在一個理論框架下解決。我們的所有努力,應該都是為了實現這個目標。」

某些發現可以證明秦四清的觀點或為正確。比如,地震與火山都是地球動力學的表象:地震反映構造機械能的集中與釋放,火山則主要反映巖漿熱能的集中與釋放。二者不僅在預測策略上,甚至在物理模型上都可以非常相似——它們應該共同屬於一個地球物理學分支。

同時,雖然根據歷史記錄得到的全球地震分布的主體地區與形態,隨著時間的變化有明顯變化,但根據古地磁、冰後回跳,以及現代GPS測量得到的板塊運動速度矢量卻大致相同,這說明板塊運動在幾百萬年內都是相當穩定的,這為最終破解這道科學謎題提供了一線希望。

秦四清認為,歷史數據也許將在未來的地震中扮演重要的角色。通過對40個崩滑、105個地震、5個巖爆實例的驗證,秦四清發現,大地震到來之前通常都會發生一系列地震,這就是所謂的「預震」。藉助這些預震和秦四清推算出的一個公式,人們就有希望估算出強震的震中、震級、震源深度和發生時間,這樣就可以提前布置預防工作以降低損失。

「民間預測方法在這裡也可以派上用場,因為理論可以估算出的只是地震發生的大概時間。」秦四清表示,「當預期時間臨近時,就需要使民間利用震前徵兆更好地進行預警。」這同樣有先例可循,海城地震的成功預測正是源自這一「官方+民間」型的預測體系。

儘管聲稱「小震可能隨機,大震則是最按規律『出牌』的地質現象」,秦四清受到的質疑仍然不少。在一個完整科學體系尚未建立即幾乎崩潰的學科中,類似情況的出現並不意外。而秦四清本人的回答,則充滿了「選擇,此時比努力更重要」似的智慧,「技術進步需要邏輯嚴密和團隊協作,理論創新則往往源自奇思妙想和孤軍奮鬥,只有這樣才可以帶來新的思路,幫助大家突出重圍。在地震預測深陷困境的格局下,後者也許更富現實意義。」



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