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地震预报的科学争议

发布时间:2019-05-22 04:25:30

地震预报的科学争议

摘要:1997年3月,美国Science杂志上发表了一篇论文《地震不能预报》(Earthquakes cannot be predicted),文章对地震预报的极端悲观在地震学界激起了巨大的争议,其通讯作者日本东京大学地球物理

1997年3月,美国Science杂志上发表了一篇论文《地震不能预报》(Earthquakes cannot be predicted),文章对地震预报的极端悲观在地震学界激起了巨大的争议,其通讯作者日本东京大学地球物理学家盖勒(Robert J. Geller)教授也立即成为了一个地震不能预报的旗帜性人物。几个月后,Science发表了两位学者对此文的批判以及盖勒等人针锋相对的反驳。 1999年,争论发起人英国爱丁堡大学地质与地球物理系教授梅恩(Ian Main)在英国Nature杂志的站上发起了一场历时两个月的专题辩论,探讨单个地震的准确、可靠的预报是否是一个现实的科学目标;如果不是,我们在试图达到地震发生过程的可预测性中还应该走多远。各国学者发表了自己的看法,而盖勒则舌战群儒,陆续提交了多篇文章。这场辩论对后来很长时间的地震预测研究都产生了深远影响。在《地震不能预报》一文中,盖勒等人首先规范了地震预报的要求,即能够明确给出地震的时间、地点和震级。他同时强调,地震预报必须非常可靠、精确,以减少因预报错误而造成的各方面的损失。在随后的文章中,盖勒将他所指的预报限定为 对即将来临的大地震的报警也就是说,对地震风险的长期预测,或对余震可能性的统计性预测,均不能分类为预报。盖勒等人在这篇文章中提出一个重要观点,即认为地球处在一种自组织临界(SOC)状态,任何小地震都有可能发展成为一次大地震。实际上关于地震是否能够预报,在盖勒等人的文章之前已经有了几十年的争论,而地震的SOC模型在20世纪90年代之前便有人提出,并据此提出地震不可预报的观点。自组织,不临界状态但是,对于地球到底是否处于自组织临界状态,地震学界的观点并不统一。中国地震局地球物理研究所所长吴忠良介绍,地震活动的能量-频度关系是地震活动的SOC模型中重要的(从某种意义上说也许是的)观测证据。盖勒在他的文章中提出,他的观点所倚靠的观测事实,是除特大地震之外,所有地震都具有尺度不变性。而美国加利福尼亚大学地球物理学与行星物理学研究所的诺波夫(Leon Knopoff)教授则早就提出,地震具有自组织,但不临界性(SO but not C)的特点,尤其是考虑到余震,地震的震级-频度关系是具有特征尺度的,而不是像 SOC模型所建议的具有尺度不变性。而且吴忠良表示,即使地震活动的SOC模型是成立的,得出地震预测不可能的结论也显得过于仓促和简单化。因为地震的SOC模型的着眼点,并不是某一次地震,而是由很多地震构成的地震群体;地震的SOC模型的重点,也并不是阐明一个具体的地震动力学和运动学,而是试图说明那些与具体的运动学和动力学关系很小的、带有普遍性的规律。吴忠良在文章中指出,中长期预测和短临预报所对应的机制,或者在这两个时间尺度上起决定性作用的地质-物理过程,几乎是完全不同的。地震活动的 SOC 模型对应的是中长期的、大范围的、大地震的情况。至于每一个地震是如何孕育和发生的,我们有更好的模型。吴忠良表示,尽管短临预报是否可能也同样是一个可以讨论的问题,但是由地震的 SOC模型却无法直接得出短临预报不可能的结论。从20世纪60年代开始进行大规模的地震预测研究以来,吴忠良指出,对地震预测研究持否定意见的人,其否定的主要依据都是地震预测太难,而以SOC模型尝试从物理学的角度探讨地震预测的问题,无论结论如何,都是一个新的思路。一方面,SOC模型使人们认识到,某些看上去过于简单的地震模型可能具有重要的实际意义;另一方面它也提示人们,不应该把搜寻前兆信息的视野局限在传统地震学研究中所说的震源区的狭小范围内,这是地震预测研究中一个重要的、基本思路上的进展。

前兆是否存在盖勒在他的文章中指出,迄今为止人们所总结出来的地震前兆都不可靠,不能接受统计检验,他认为,大部分地震预报研究都是经验性的,大地震发生后,各种类型的数据被回溯性地检查,以图发现前兆信号然而如果没有适当的控制,经验方法可能导致荒谬的结论。而另一个长期存在的问题便是在考虑更合理的解释之前就将异常信号归于地震前兆。总之,既无定量的物理机制能把前兆与地震联系起来,也无统计上的证据证明这些前兆真的与地震有关。美国加州大学南加州地震中心杰克森(D. D. Jackson)教授(《地震不能预报》一文的合作者)也提出,前兆方法难以奏效是因为地震太复杂、太稀少了。即使前兆存在,少数观测也难以导致预测,因为前兆特征会随时空而变。但地震到底能否预报,地震前兆是一个重要前提;如果没有前兆,预报也就无从谈起了。在《地震前兆统计检验的地震学问题》一文中,吴忠良明确了地震前兆的定义,即在地震发生之前能够在噪声水平之上观测到的、用来给出地震预报的物理现象。盖勒曾写道:什么是成功的预报,这是很难定义的。说一个预测在空间上差 99.9千米是成功的,而差 100.1千米就不成功,这显然是非常随意的盖勒主张对地震前兆的检验应采用贝叶斯方法,即任何一次失败都大大地降低方法本身的先验概率。按照他的结论,迄今所有的预报方法无一可取。对此,美国加利福尼亚州大学地球物理学与行星物理学研究所的阿瑟维斯(Richard L. Aceves)和帕克(Stephen K. Park)教授提出反驳,他们指出,盖勒等人将此前100年在地震预报方面的失败作为未来预报也不会成功的论据,但实际上基于地球物理学的预测技术到目前为止仅有几十年时间而已,而这些技术所引入的是与过去100年来相比全新的、完全不同的方法。梅恩也指出,地震预报,即通常在观察前兆信号的基础上试图对迫近的地震的某些特点进行预报。这种预报仍然是概率性的,即准确的震级、时间和位置未能准确或可靠地给出。但是,在观察到的前兆和而后发生的地震之间有超过偶然机会的某些物理联系。而吴忠良则从地震学和地球动力学两方面出发,阐述了地震前兆的检验问题并不是纯粹的统计学问题,因此仅从地震前兆对应地震的成功率低于随机预报的成功率,而断言迄今报道的所有地震前兆无一可取也是不正确的。对此,中国科技大学地球与空间科学学院教授倪四道告诉《科学》:目前认为地震存在前兆现象,地震学家公认的前兆之一是前震,但是还需要更精细的探测手段进行研究。

能否用基础研究取代预报由于目前成功进行短临预报的几率实在太低,盖勒等人认为未来花几十年作这方面研究也并不能保证获得成功。此外,在1999年Nature组织的讨论中,盖勒对于中长期预测的准确性和可靠性也十分怀疑,他举例说,日本长期以为东京及周围区域将会发生地震,为此作了很多研究和准备,使得日本西部各地,包括神户,错误地预计它们的区域不会面临这方面的重大风险,从而未能对地震采取足够的预防性措施。这是1995年神户地震造成重大损失的原因之一(而这也终促使日本政府将工作重心由地震预报转向了基础研究和地震预警)。因此,盖勒建议人们放弃地震预报,转而将精力放到基础研究和地震灾害防治方面。地震预报在50年或者100年后能否成功并不是一个值得探讨的问题。他告诉《科学》。但很多人对此并不认同,美国哥伦比亚大学Lamont-Doherty地球观测站的斯科兹(Christopher Scholz)教授提出:我们是否应当宣布地震预报是不可能的,并将它从我们的思维中排除掉?我想不应当,在地震物理学方面还有那么多需要了解,快速的进展也正在实现。美国阿拉斯加大学地球物理研究所教授维斯(Max Wyss)的看法具有一定的普遍性:我对其(地震预报)近期的前景是悲观的,而对其长期的前景则持乐观的态度地震破裂无疑是存在一个预备过程的(前震显示了这一点)。我相信,紧随我们之后的有创造性的、充满活力的人们终将会提高我们的能力,预报出某些地区的某些地震而倪四道的观点则比较折中,在《应急地震学的研究进展》一文中,他表示由于孕震过程很难进行直接观测,人类对孕震过程及地震破裂起始过程了解尚少,地震的短临预报在短期难以取得突破。因此,他告诉《科学》,目前应该大力发展地震预警,有效减少地震灾害。

2006年7月24日,南京市地震台的地震监测仪器美国为什么不作地震预报虽然科学家对地震预报展示出了一定的信心,但实际上进行地震预报仍然步履维艰,很多国家并不支持这方面研究。比如有科学家表示,在欧洲,科学项目建议书中只要提到地震前兆,那么这样的建议书肯定得不到经费。维斯根据他的亲身经验,指出美国也不支持地震预测研究,若提交给NSF(国家科学基金会)或USGS(美国地质调查局)的建议书中提到地震预报的话,可以肯定不能获得支持经费。对此美国加州门洛帕克美国地质调查局的迈克尔(Andrew Michael)承认美国地震研究预算只花了很少的经费来寻找地震前兆,这种有限的经费使我们只能在极少数地区布置多种密集的仪器,而这些地区还没有经历过大地震。之所以放弃地震预报,是因为和日本的神户地震相似,美国也曾经遭遇了一次地震预测滑铁卢事件。美国从20世纪60年代开始重视地震预测研究,起初信心十足,他们注意到,在加州帕克菲尔德的圣安德烈斯断层,大约平均每隔22年就会发生一次 5~6级地震。于是,根据上一次地震发生在1966年,美国地质调查局的科学家在1985年发布预测,预测帕克菲尔德地区在1988年到1992年将会再次发生6级左右的地震。然而,预期的地震在预定时间内始终没有发生,一直拖到了2004年才姗姗来迟。而且,在断层附近密集的仪表络系统中,科学家也始终没有找到这次地震的可确信前兆。据吴忠良介绍,美国初在帕克菲尔德地区建设地震预测试验场,是为了研究究竟是否存在地震前兆,以及在地震发生前后,当地的地球内部结构及地球物理场和地球化学场有那些变化,试图在实现短临地震预报方面能够有所作为。然而帕克菲尔德地震预测的失败,给了科学家们当头一棒。从那之后,美国地震研究便转向研究地震机理和对地震灾害的评估上了。而帕克菲尔德地震预测试验场虽然在进行短临地震预报的目标未能实现,但大量的观测结果却在客观上使帕克菲尔德地区乃至整个加州成为地质、地球物理方面比较清楚的地区,并使这一地区在长期意义上形成了一个检验各种地震学理论的实验基地。进入21世纪以后,美国地质调查局在其站上明确表示,他们会借助科学的数据,计算未来发生地震的可能性,比如科学家预测在未来30年内,旧金山湾区发生一次重大地震的概率为67%,而南加利福尼亚的概率是60%,但他们只致力于通过提高基础设施的安全等级来长期减弱地震的危害性,而不会把精力放在研究短期预报上。在国际地震预测领域,有这样一则道德规范,日本东京大学地震预测研究中心金森博雄教授在一次采访中表示,研究地震预测是个人的事情,而必须只有在科学界达成一致意见的情况下才能向公众发布地震预报。但很显然,目前科学界还没有达成这样的共识。(徐治国对本文亦有贡献)参考文献:[1]Science, 1997, 275, 1616[2]Science, 1997, 278, [3]国际地震动态, 1999, 第7期, [4]中国地震, 1998, 第14卷第4期,[5]中国地震, 1999, 第5卷第1期,[6]东北地震研究, 2001, 第17卷第2期, [7]中国科学院院刊, 2008, 第23卷第4期,

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