地震到底能不能预测,为什么地震预测这么难?

1 两个小故事

(1)在20世纪70年代初期, 某些日本地震学家推断在日本南海海槽东北部骏河(Suruga)海槽(现称为“东海大地震空区”的地方)于1978年左右将有可能发生一次8级大地震,这就是日本地震学家预报中的“东海大地震”(见下图)。

但是,自1978年到现在已过了40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。

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(2)美国帕克菲尔德(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(见下图)。同时,由地震位错与滑动速率之比,算出该地区地震的复发时间也是约22年。

因此,美国地质调查局(United States Geological Survey)在1984 年发出正的地震预报,明确指出帕克菲尔德在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。

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美国和日本,可以说是目前全世界地震研究最好的两个国家,但对于地震预测,仍然啪啪打脸,这足以说明地震预测之难

2 成功例子

那么,地震预测是不是就不可能了呢?世界上有没有成功的范例呢?

还真有,而且在我国:世界上唯一公认的地震预测成功范例为1975年7.3级辽宁海城地震(见下图)。

改自(Wang et al., 2006)
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改自(Wang et al., 2006)

该地震能成功预测,可能有以下原因:

(1)在海城地震发生前的2-3天内发生了500多次小地震(见下图),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);

改自(Wang et al., 2006)
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改自(Wang et al., 2006)

(2)华北地区在海城地震发生前,先后发生了1966年邢台Ms7.2级,1969年渤海Ms7.4级,当时国家非常重视华北地区地震情况,发动群众监测地震异常。

下图为海城地震前,监测到的各种宏观异常,包括地下水,蛇,青蛙,和其他动物的异常。

海城地震前宏观异常报道(Wang et al., 2006)
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海城地震前宏观异常报道(Wang et al., 2006)

但是,自此以后,地震预测就再也没有成功例子了。

3地震能否预测
那么,地震到底能否预测呢?实话说来,地震研究学界对此有较大争议。

有意思的,在1997年,两派学者在著名期刊Science上发表针锋相对的论文进行争论,一方标题:地震不能预测,另一方标题:地震难道不能预测吗?(见下图)

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那么,地震到底能否预测呢?

笔者认为: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。

怎样理解非线性,牛顿晚年炒股破产后曾讲:“我能计算出天体运行的轨迹,但无法计算人性的疯狂”。线性非常容易处理,一旦涉及非线性,其处理的难度陡增。

4 地震预测是什么?
回到最基本的问题,到底什么是地震预测?

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)。

目前网上很多地震预测的说法,只要用以上定义来检验,就会发现大多在耍流氓,玩文字游戏。

进一步地,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。

5 地震预测为什么这么难?

地震本身非常复杂,目前认识仍非常肤浅:地震到底如何孕育,在此过程中造成了怎样的物理场、化学场变化,这些问题目前仍不清楚。

(2)缺少大量必要观测数据,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。

作为对比,地震发生往往在地下10公里及以下,但我们目前的观测基本都在地表。这说明我们的观测是非常片面的,相当于盲人摸象,只摸到了头。

(3)大地震的发生是极小概率事件,且其复发周期在数百年到数千年尺度。

这会导致预测难度非常大,比如:就算地震预测的不确定是复发周期的百分之一,那也是数年到数十年。

6地震前兆

最后,谈一谈地震前兆:

在地震短期与临震预测上,常用方法就是地震前兆的捕捉和识别: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。

参考资料

https://www.cea.gov.cn/cea/xwzx/zyzt/370553/370554/1249110/index.html

[1] Wang, K. ,Chen, Q. F. ,Sun, S. , & Wang, A. . (2006). Predicting the 1975 Haicheng earthquake. Bulletin of the Seismological Society of America, 96(3), 757-795.