为何我们能预报风雨，却难预报地震？|反演|地震波|地震预测|孕震|强震

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据中国地震台网正式测定，北京时间10月10日01时56分（当地时间9日12时56分），在巴拿马（北纬7.50度，西经80.65度）发生7.6级地震，震源深度10千米。首都巴拿马城震感强烈。地震后不久，该国又发生多次5级余震[1]。

10月9日，在巴拿马中部科克莱省地震灾区佩诺诺梅，

房屋在地震中倒塌。

图片来源：新华社

巴拿马首都巴拿马城，地震发生后人们在街头避险

图片来源：新华社

把目光转回国内，今年我国地震活动同样值得关注。截至9月20日，国内共发生三级以上地震643次，其中3.0到3.9级504次，4.0到4.9级114次，5.0到5.9级24次，6.0级到6.9级1次，最大地震是6月16日在青海海西州直辖区发生的6.3级地震[2]。

频繁的地壳活动再次将一个问题推到公众面前：台风、暴雨都能提前预警，为什么地震却极难预判？

理论可行与现实骨感：地震预测的悖论

面对“地震究竟能否预测”这个问题，我可以给出一个看似矛盾的答案：理论上完全可以预测，但现阶段极其困难。

地震并非毫无章法的自然现象，其背后的断层力学、弹性波传播等物理过程，已在当代科学体系中被系统研究。凡是符合自然规律的现象，原则上都是可预测的。

然而，现实是残酷的：迄今为止，全球范围内尚未出现一种经过严格验证、普适有效的地震预测方法。历史上虽有少数几次成功的震例（如1975年中国海城地震），但其经验性手段无法在其他地震中复现，缺乏科学上的普遍性。预测地震，仍是人类长期奋斗的科学目标。

那么，为何在航天探月、人工智能如此发达的今天，我们依然难以预测地震？难点究竟何在？不妨将其与另一个复杂的自然现象——天气，进行对比。

从天气预报看成功“预测”的两条腿

现代天气预报已深度融入日常生活，成为防灾减灾的利器。大气系统是一个典型的复杂非线性系统，其控制方程本质上是难以求解的纳维-斯托克斯方程。同时，它受太阳辐射、海陆分布、人类活动及水汽相变等多重因素耦合驱动。如此复杂的系统为何能被预测？

关键在于观测。我们拥有庞大的立体观测网：中国目前已建成2400多个国家级地面气象站，平均间距不到50公里；同时，每天有近100个探空气球从全国各地的站点升空，直达3万米高空采集温湿压风数据；而在太空中，7颗“风云”系列气象卫星组成的“天眼”星座，每15分钟就能完成一次对我国及周边区域的扫描。

这些无处不在的“眼睛”源源不断地提供着大气的初始状态。依托于超级计算机，数值天气预报模式能够将这些海量数据作为输入，通过求解物理方程，推演出未来几天甚至几周内的大气演变。简而言之，天气预报的成功依赖于两条腿：即完备的实时观测+成熟的数值模拟。

地震预测的“阿喀琉斯之踵”

相比之下，地震预测的核心难点是什么呢？首先需要澄清一个误区：虽然民间存在对于地震成因的多种说法，比如天然气爆炸引发地震、中子星引力引发地震……这些说法都是没有当代科学支持的。

地震的本质是构造应力的积累造成断层应力的加载，在达到一定阈值时断层面发生失稳滑移，断层的滑移激发了周边介质的地震波，波动造成了灾害。这一过程的控制方程——弹性波动方程，在数学上是线性的，精确求解相对容易。

而断层的滑移本身应力的演化是非线性的，演化模式相对复杂。值得庆幸的是，无论是断层破裂的物理过程，还是地震波在地下的传播，都可以通过高性能计算进行高精度的数值模拟。

数值模拟可以认为是一套功能强大的机器，可以通过任意输入条件获得其产生的地震行为，并“预测”地震的破坏能力。

虽然数值算法已经如此强大，而地震预测的难点却卡在输入条件。与大气观测不同，我们无法直接“看见”地下物质的状态。目前唯一能直接接触地下介质的手段是钻井取芯（原位测量）。

但这好比“用吸管喝地球”——即使是目前最先进的钻井技术，深度也仅能达到十几公里，相较于地球6300多公里的半径，不过是“表皮”而已。

而且，钻井成本高昂，一口科探井动辄数亿元，无法像气象站那样大范围铺设。而我们对于地下大范围介质的认识主要来自于地球物理反演。反演是一种间接观测的方法，也就是我们在不达到地下的情况下，通过分析地表记录的地震波，电磁场等现象推演地下物质结构。

我们目前对于地下结构的最基本认知都是来自于地球物理的反演方法。当今对于地震科学的研究有原位测量，数据反演、实验室研究以及数值模拟几种基本方法。

图1，展示了各种方法在观测尺度，以及真实-可控属性图表中所处的“生态位”。将反演得到的地下精细结构作为初始条件输入数值模拟，进而“预演”未来地震，被称为“地震数值预测”，这也是我国地震学界公认的实现地震预测的可能路径。