我们能预测地震吗？

　　在下一场灾难到来之前，科学究竟能为人类争取多少脱险时间

　　文 《环球企业家》 王萃

　　“谁看见我的幻灯片了?”

　　这是1991年冬天，曾任国际大地测量与地球物理学联合会(IUGG) 主席的符拉迪米尔•克依利斯-博罗克（Vladimir Keilis-Borok）在位于意大利的国际理论物理中心（ICTP）开始他著名的《地震预测：新的尝试》（Earthquake Prediction : The New Deal）演讲之前的疑问。

没有人能给他答案，于是这位70岁的老人耸了耸肩，用娴熟却带有浓重俄罗斯口音的英文说道：“好吧，那么只好用黑板了。”

　　这只是研讨会中的一个小小插曲，但这个“偶然事故”意味深长??当地震学家开始讨论地震预测的问题时，却突然发现自己手中的材料实际上还没有准备好。

　　但这并不是他们的过错，至少不完全是。地震预测被誉为地震科学中的圣杯，人人都想得到，却人人都难以得到。全世界每年约有18次7.0或以上级别的地震。从1968年开始，实际每年的数字范围从1986年和1990年的每年6-7次上升到1970年、1971年和1992年的每年20-23次，强烈而突然的地震所能造成的破坏几乎压倒所有自然灾害。1835年2月20日，智利的康塞普森在一场8.1级的地震中被摧毁。两周后，达尔文在他著名的贝格尔号（HMS Beagle）环球旅行中来到那里，这位经历过数次余震的地质工作者（虽然他以进化论闻名于世）被眼前的景象深深震撼了。他写道：“通常在几百年才能完成的变迁，在这里只用了一分钟。这样巨大场面所引起的惊愕情绪，似乎还超过了对于受灾居民的同情心。” 震惊之后，每个人都会提出这样的疑问：“如果不能阻止地震发生，那么可否提前预见，从而避开悲剧？”

　　这个问题又将我们带回到开头的故事??地震学家面对地震预测时的努力、奋斗、希望和迷茫。科学或许不能让我们远离灾难，但科学为我们争取了更多的时间，在下一场灾难来袭之前做好准备。

　　这就是地震预测的魅力，也是地震预测的意义。

　　不可能的任务

　　据说地球物理学家、散文作家寺田寅彦在日本一句家喻户晓的警句就是：“天灾总是在人们将其淡忘时来临。”如果不是汶川地震，很少会有人想起中学时学过的些许地震知识，更不会对地震预测感兴趣。

　　当不明真相的人们群情激愤地诘难地震学家为何不发布、或不能发布地震预测时，其实很少有人知道什么是真正的“地震预测”。

　　一个完整的地震预测不仅要包括位置、大小和时间三个参数（每个参数的误差都不得大于一定范围），还应当指明预测发生的可能性。在满足上述条件后，地震预测又可分为长期、中期和短期。关于地震预测的长、中、短期的时间分界没有统一口径，大致上，超出10年的预测为长期，1年至数年为中期，几个月内为短期，如果能精确到几天之内，则可称为临震预测。而在我国，又有人将地震学家等专业人士对未来地震发生情况作出的研究称为“预测”，而将政府发布的未来地震警报称为“预报”。

　　实际上，关于地震预测最重要的区别是“Forecast”和“Prediction”。这两个英文单词对应的中文都是“预测”、“预报”，但在英文中却有着本质区别。“Prediction”指极为精确的预测，某个具体地点在未来某个确定时间内将以非常高的概率发生某个震级的地震，近乎“预知”；而“Forecast”则是以一定资料为基础，对一个较为广泛的区域在一段较长时期内的某一不确定时间发生地震的概率估计。绝大部分地震学家和相关专业人士作出的预测都属于“Forecast”而非“Prediction”，他们也不愿把自己的名字和后者联系在一起。因为在目前（即便是未来相当长的一段时间内），想要“预知”地震的发生基本不可能，但“预测”却是可行的。

　　研究全球板块构造及地球动力学的“长江学者”陈永顺教授在接收《环球企业家》的采访时表示，根据历史数据，对未来地震发生的地点和震级都可以有所估计，但发生的时间难以判断。瑞士著名的地震学家马科斯•怀斯（Max Wyss）曾经将地震比作一个危险的火药桶，大家都知道它快要爆炸了，但没有人知道究竟是哪个火花在何时将其引爆。

　　自从1870年代后期现代地震学建立以来，人们对地震的了解已经有了相当的进步，但这种了解距离地震的终极真相还相去甚远。我们无法像儒勒•凡尔纳一样撰写“地心游记”，真正保留了完整记录的大地震也为数不多，而最重要的是，地震本身的复杂性。科学家能不能破解地震的复杂性，直接关系着地震可不可能被预测。

　　多数人认为地震是因地下岩石的突然断裂而造成的，根源在于地球内部的不断运动所造成的地壳大规模变形，而地震波能量辐射的直接原因是岩层沿地震断裂面的忽然滑移。地震的酝酿和发生过程都是极为复杂的物理过程，这个地下岩石的“应变缓慢积累-快速释放”过程具有非线性，一些地震学家更认为地震系统具有“自组织临界性”(self-organized criticality， SOC)。

　　线性系统的平衡将在何时被打破是可计算的，要让系统达到临界状态产生质变，需要对“控制参数”进行调节。而具有自组织临界性的系统具有持续的能力供给，并由很多基本单元组成，这些基本单元之间具有（非线性的）相互作用，不需要从外部控制参数，系统可自发演化到稳定与非稳定的临界状态。而且在这样的系统中，任何一个小事件都可能以一定的概率“级联”式地演化成大事件，而这种情况是否会发生与整个系统内部的所有细节、而不仅仅是与大事件及其邻近区域的细节有关。整个系统内的所有细节虽然从理论上是可测量的，但实际上需要测量的细节如此之多以至于根本不可能完成准确测量，而且人们至今仍不了解其中的物理定律。因此，具有自组织临界性的现象被认为是不可预测的。

　　在地震的案例中，地球岩石层可以看作由不同层次的块体组成的，其中最大的是板块,最小的是矿物颗粒。不同的块体之间、不同层次的块体之间都存在非线性的相互作用。地幔对流给这种块体运动提供了持续的能量供给。这样一个动力系统能自发地演化到自组织临界状态。在1997年《科学》关于“地震能否预测”的辩论中采取激进反对立场的罗伯特•盖勒（Robert J. Geller）就认为：“地球处在一种自组织临界状态上，其中任何小地震都有可能级联式地发展成一个大地震。”因此，他当时的观点是，地震的不可预测性是由这个系统本身的性质决定的，应当干脆放弃，不去研究它。

　　持这种观点的人的一个重要依据就是古登堡-里克特定律（Gutenberg-Richter law，指不同震级的地震的频度与震级间存在某种对数关系），这一地震学中的重要定律的幂律分布性质是具有自组织临界性系统中的普遍现象。

　　当然，地震的完全不可预测性只是一个非常偏激的观点。关于地震系统是否真的具有自组织临界性、并因此而不可预测也存在众多分歧和说法，但毫无争议的是地震系统的复杂性。这或许是一个只有少数人才真正具有发言权的科学领域，但所有人都懂得的是，地震毁灭性的巨大力量总是造成无可挽回的悲剧。正因为如此，尽管地震预测面临着种种限制和困难，一代又一代的地震学家仍献身于这个科学难题。

　　对地震预测这样尚处于探索阶段的科学命题，我们应当对“不可能”和“100%精确”这样的绝对说法保持同样的警惕性。就像伯克利大学的地震学家罗伯特•纳多（Robert Nadeau）所说的，许多不可预测的随机性只是因为缺乏足够的知识。随着人类对地球和地震了解的加深，对地震的科学预测将不再仅仅是梦想。

　　预测之殇

　　1906年8月17日，智利的瓦尔普拉索(Valparaiso)发生8.5级大地震，3760人遇难。智利是全球地震活动最强烈的国家之一。因此，在这次大地震之前，智利政府就已经特地聘请著名的法国地震学家巴罗（Fernand Montessus de Ballore）担任该国地震观象台台长。在巴罗的主持下，智利开始布设地震台网，开展相关的地震监测与研究工作，成绩斐然。尽管如此，智利政府仍然对巴罗未能预测到瓦尔普拉索地震深感失望，对他颇有指责。1923年，巴罗病故于任上时，也对没有得到外界的理解感到遗憾。

　　同样是1906年，当时在东京帝国大学理学系地震专业担任大森房吉教授助手的今村明恒发表了一篇文章，预测在50年内日本相模湾将发生大地震，并对东京缺乏防火设施提出警告，指出如果相模湾发生的大地震袭击到东京，东京将有10万人死于火灾。作为日本地震学界的泰斗，大森教授认为今村的文章缺乏可靠的科学依据并会引起社会的恐慌而加以抨击。两人在1915年再次进行了辩论，结果仍不了了之。

　　今村的预测在1923年9月1日成真，著名的关东大地震夺走了14.3万人的生命，地震引起的火灾尤为严重。当时大森正在澳大利亚参加第二届泛太平洋科学大学，地震发生时他正在访问澳大利亚悉尼天文台，忽然看见地震仪的记录笔疯狂摆动起来。仔细分析记录后的大森惊呆了，因为他发现这场大地震就发生在东京。匆忙赶回日本的大森在乘船回国的途中健康状况急剧恶化。当他抵达横滨时，迎接他的正是今村。除了对今村表示感谢，大森还为关东大地震深感自责，回国不久便去世了，终年55岁。逝世之前，大森将后事托付给了今村。

　　今村明恒在相模湾地震的预测中使用了“地震空区”理论。按照该理论，在指定的一段断层上，会准周期性地发生具有特征大小与平均复发时间的地震。这种“特征地震”的大小和发生的时间都可以根据地质情况和历史数据进行估计，而“地震空区”就是在时间上已超过平均复发时间、但仍未以特征地震的方式破裂过的一段断层。上一个特征地震的发震时间类似“地震钟”的“零时”，从那时起，与这个特征地震类似的下一个特征地震的发生概率是可以推算的。

　　地震空区理论在地震的长期预测中具有重要意义，也取得了一定成功，但即便如此，地震系统的复杂性也经常使根据这个理论做出的预测落空。1970年代初，日本地震学者找出了“东海大地震空区”，并预测将发生“东海大地震”，日本政府针对预测制定通过了“大地震对策特别措施法”，但直到今天，预测中的大地震仍未发生。

　　这些发生在几十年前、甚至是100年前的故事并不仅仅是已经翻过去的陈年黄历，直到今天，类似的故事仍在上演。地震及其预测是悬在许多地震学家心中的达摩克利斯之剑，他们试图通过种种手段化解潜在的可能灾难，却缺乏相应的手段。

　　找不到演讲用幻灯片的符拉迪米尔•克依利斯-博罗克在2004年预测当年9月5日之前，南加州12440平方英里的范围内将发生6.4级或更大的地震。这个预测引起了美国各界的关注，包括《圣•荷塞水星报》在内的许多大媒体纷纷报道了克依利斯-博罗克的预测和研究，美国地质调查局（USGS）也为此专门在网站上做了一个相关常见问题的答疑页面。 克依利斯-博罗克的预测之所以如此引人注目，是因为他所使用的方法预测准确度非常高，不仅成功预测了2003年9月的日本北海道8.1级地震和12月的加州圣•西蒙（San Simeon）6.5级地震，并且几乎没有失误。数学背景深厚的克依利斯-博罗克长期研究地震预测，与来自俄罗斯、美国、西欧、日本和加拿大等国的跨学科专家组成的研究团队历时20年完成了自己的预测模型，通过对日常发生的小地震预测较大的地震，预测时间则从原来跨度数年的中期预测精确成数个月内的短期预测。

　　尽管美国地质调查局与其他的研究机构针对克依利斯-博罗克小组的预测及其方法联合进行了调查、评审，认为是合法的地震预测方法，仍将其定性为“未被证明的”。而事实上，这个在之前屡试不爽的预测模型在最多人关注的时候遭到了重大失败，预想中的南加州地震并未发生。

　　希望之光

　　虽然即便是最负盛名的地震学家也难以避免预测失误，但这并不意味着地震预测走进了死胡同。克依利斯-博罗克仍然在继续利用历史统计数据进行地震预测的研究，而另外一些人则试图利用新的技术来破解地震预测的难题，加州大学戴维斯分校的约翰•兰道（John Rundle）就是其中之一。

　　据兰道教授对《环球企业家》介绍，他所带领的小组最初的方法是研究一段时期内某地地质活动的异常活跃或异常平静，而最近几年的创新在于他们开始追踪活动的变化，并将其与长期的平均活动水平进行比较，这样对大地震的预测将更为精确。

　　实际上，除了大地震，全球每年还会发生数百万次人们难以感知到的小地震。兰道表示，小地震可能暗示着断层上正在积攒压力。随着大多数断层的不断活动，其中一些断层上愈加频繁的小地震最后可能演变成大地震，另一些可看上去反而异常安静。这两种现象都是更大地震发生的可能征兆。而兰道等人的研究方法是通过图形信息技术（pattern informatics technique），对一段时间内（比如5-10年）测量到的小地震信息进行分析处理，与更长时间范围内的历史数据相比，从而在统计上得到关于大地震发生地点的中期预测。得出的预测结果可以“地图”（scorecard）的形式形象地展示出来。

　　兰道负责的这个项目得到了美国航空航天局（NASA）的资助和支持，是后者的QuakeSim项目的一部分。QuakeSim旨在为模拟和理解地震及构造过程建立一个坚实的地球科学框架，其中的一个重要任务就是为地震预测寻找、提供合适的工具。通过NASA的GPS和卫星孔径雷达干涉测量术（InSAR）等空间大地测量技术，地面形变，特别是对与活动断层和火山有关的地面变形都会被高精度的卫星照片记录下来。而兰道的任务正是对这些来自天空的数据进行处理，作出相应的预测。

　　正如QuakeSim项目的主要研究者，NASA喷气推进实验室（JPL）安德里亚•多内兰（Andrea Donnellan）对《环球企业家》所说的：“任何运用于地震预测中的技术都要求对地震形成过程有所理解。”而利用电脑对历史数据、地质信息和卫星数据等与地震相关的多维度数据进行处理，更可能将地震预测水平提高到新的高度。

　　兰道和多内兰的预测成绩相当不错。他们建立了从旧金山湾区到墨西哥边界的加州“地震预测地图”，区分出了从2000年的第一天到2009年的最后一天这10年间最可能发生大地震的“热点”（hotspot）地区。过去半年里加州发生的5次5级以上的地震都落在了“热点”里。更重要的是，确定的“热点”只占地图所描绘地区面积的1.2%，这意味着在扩大侦测地区范围的同时减少了需要重点关注和进行预测的区域面积，实际上也减少了错误预测的概率。

　　兰道和多内兰均对《环球企业家》表示这种预测方法可以运用于全世界，唯一的限制是需要当地较长时间段的与地震活动相关的数据。QuakeSim的最终目标是建立起自动化的，能每天实时更新地震数据，并适用于任意时间段（从几个小时到几年）的全球地震预测和损失评估系统。

　　这是一个不小的，但很有希望实现的“野心”。

　　另辟蹊径

　　InSAR是预测地震的重要技术，但并不是唯一的技术，而且它的应用主要有益于改进正统地震学对地震的认识和预测。在“正统”之外，还有许多打破传统的“非专业”专家在为地震预测做出不懈努力，而这些研究及预测都跟“地震前兆”有着密切关系。

　　已知的地震前兆包括直接与地震过程相联系和不十分直接与地震过程相联系的两大类。前者主要是地震活动性和地震空区等地震学前兆；后者包括地磁、地电、地下水位、地下水化学和动物异常等等。这些种类繁多的地震前兆涉及地球物理、大地测量、地质和地球化学等众多的学科和广阔的领域，但具有国际公信力的，“定量的、可测量的”地震前兆仅包括地震活动性图像、地下水特性和地壳变形等3类5种。这种审核或许过于严苛，但如果不能与地震的发生确立有意义的联系，所谓的“前兆”也就失去了意义。

　　耿庆国是在汶川地震后被人们谈论得最多的地震学家之一。这位师从著名地震学家傅承义的“非主流”专业地震工作者所从事的研究就是寻找干旱作为前兆与大地震的联系，也就是所谓的“旱震关系”。

　　1966年邢台地震和1970年通海地震发生时，耿在地震现场工作时听当地老农讲到地震前一年的干旱，这种朴素的知识给他很深的印象，也成为他日后研究“旱震关系”的起点。但耿庆国所研究的“干旱”并不是通常意义上因为降水不够引起的普通干旱。在地震孕育过程中，不仅存在着力学过程，同时还伴随着热、电、磁等物理化学过程。在震源及其前兆异常的区域内，可能有由地下放出的热能、电磁能、化学能以及载热、载电的物质流上升到地表，这些都可能导致地热增高，使近地面出现干热特征，再加上地球内部电场和低空大气电场的相互作用，经过一系列气象反应，最终导致地表的干旱。

　　耿庆国研究出的旱震关系是：在6级以上大地震的震中区，震前1-3年半的时间内往往是旱区。正如耿本人曾经表示过的，这是也一种中期预测，而非短、临预测。 耿庆国并非唯一从正统地震学之外寻找地震预测方法的人，身在地球另一端的NASA地球物理研究员弗里德曼•弗洛伊德（Friedemann Freund）就是其中之一。

　　在2001年1月26日印度的古吉拉特邦（Gujarat）发生7.7级大地震之前，弗洛伊德和同事在检查NASA的Terra卫星发送回来的红外线照片时，发现在印度西部出现地热增加的异常情况，温度提高了近4摄氏度。 没有人知道为什么岩石在压力下会产生红外线辐射，岩石彼此摩擦产生的热量并不是原因。弗洛伊德在一次试验中发现压力下的岩石产生了电流，而敏感的摄像头则发现了红外线辐射。这让弗洛伊德开始相信是岩层中的电流产生了红外线辐射。

　　这种研究仍处于初级阶段，但对于地震预测来说似乎非常有益??通过卫星监控岩层产生的红外线辐射，从而监控、预测地震的产生。弗洛伊德在接收《环球企业家》的邮件采访时表示，这种岩石在压力下变成“电池”而产生电流的情况实际上应当存在于组成地球岩石圈的所有岩石中，不同岩石间的区别仅仅在于“量”，而不是“质”。

　　弗洛伊德的研究同时能解释地震前的电磁异常、电离层混乱、近地面大气层的变化和动物行为怪异等许多异常现象，或许也是耿庆国的旱震关系研究的一个重要注脚。这是一个从来没有人研究过的新领域，弗洛伊德表示：“我成功的理由是，一旦我懂得了复杂自然现象背后的基本物理原理，一切都忽然变得透明，或者用物理学的话来说，‘美丽’。”

　　并不认为自己是地震学家的弗洛伊德在赞同地震学家认为地震不可“预知”的观点的同时亦指出，地震学家所做的是“倾听”地球内部的声音，并通过地震这样的“闪电”照亮地球内部的瞬间来窥视地下深处，竭力攫取无论多么微小的信息。在他看来，地震学家通过既有的科学手段，所能做出的预测只是10-30年这样的长期预测，即使通过科技进步将预测的窗口期缩小到几年之内，仍然没有太多用处，而他的工作就是通过地震学之外的手段来识别可能的地震前兆。 对于弗洛伊德的研究，曾与之交谈过的兰道对《环球企业家》表示，这类工作的一个问题就在于缺乏统计学意义上的有效性。无论是天气、金融，还是地震的预测，都有公认的标准和统计方法被用来证明预测方法是可靠的。只有这样才能让人们回到合适的时间，运用前后一致的假设，证明过往的大地震能够基于更早的数据而被预测。

　　这或许就是所谓“主流”与“非主流”地震预测的关键区别之一。

　　尽管人们都想看到非常精确的地震预报拯救成千上万的生命，但现实是在目前的科学水平下，所有的专业人士所能做到的仅仅是时空区间模糊的预测。正如马科斯•怀斯在2004年时所说的，人们应当理解地震预测中的可能性因素，接受中、长期预测中的有益信息。从另一个角度看，认真地预防地震，或许反而比依靠地震预测从地震中一次又一次地惊险逃生更有意义。