地震預測為什么那么難？

陳運泰 地球物理學家，中國科學院院士，發展中國家科學院（TWAS）院士；1962 年畢業于北京大學地球物理系，1966 年（研究生）畢業于中國科學院地球物理研究所；現任北京大學地球與空間科學學院教授、名譽院長，中國地震局地球物理研究所名譽所長、研究員，國際大地測量學與地球物理學聯合會（IUGG）執行局委員，國際《地震學刊》（Journal of Seismology）、《中國科學》、《科學通報》編委，《地震學報》（中、英文版）主編，《地球物理學報》副主編等。

2008年5月12日下午2點28分（北京時間），我國四川省的汶川縣發生大地震，造成了巨大的人員傷亡和財產損失。舉國上下在齊心協力抗震救災的同時，也議論、關注著地震科學研究的進展，尤其是地震預測的現狀與前景。就此話題，記者近日采訪了北京大學地球與空間科學學院名譽院長、中國科學院院士陳運泰。

地震預測究竟難在哪里？

記者：有媒體在報道地震預測研究的技術路徑之爭時稱：“在汶川地震這場巨大的災難面前，科學界尤其是地震學界被深深地刺痛”。汶川大地震沒有能夠預報出來，在社會上也引發了許多議論，不知您怎么看？

陳運泰：1993年我曾在一篇有關地震預測的論文中寫下了這樣一段話：地震預測是公認的世界性的科學難題，是地球科學的一個宏偉的科學研究目標。如能同時準確地預測出未來大地震的地點、時間和強度，無疑可以拯救數以萬計生活在地震危險區人民的生命；并且，如果能預先采取恰當的防范措施，就有可能最大限度地減輕地震對建筑物等設施的破壞、減少地震造成的經濟損失，保障社會的穩定和促進社會的和諧發展。

回過頭來看，40多年來，通過世界各國地震學家長期不懈的努力，地震預測、特別是中長期地震預測還是取得了一些有意義的進展的。但是，地震預測畢竟是一個極具挑戰性尚待解決的世界性的科學難題，目前仍還處于初期的科學探索階段，總體水平仍然不高，特別是短期與臨震預測的水平與社會需求相距甚遠。

記者：就您看，地震預測在科學上遇到了什么樣的困難？

陳運泰：歸納起來，地震預測的困難主要有如下三點：地球內部的“不可入性”；大地震的“非頻發性”；地震物理過程的復雜性。

地球內部的“不可入性”是古希臘人的一種說法。我們在這里指的是人類目前還不能深入到處在高溫高壓狀態的地球內部設置臺站、安裝觀測儀器對震源直接進行觀測。“地質火箭”、“地心探測器”已不再是法國著名科幻小說作家儒勒·凡爾納小說中的科學幻想，科學家已經從技術層面提出了雖然大膽、然而比較務實的具體構想，只不過是目前尚未提到實施的議事日程上罷了。即便是超深鉆所達到的深度，也還只是“皮毛”，況且這類深鉆并不在地震活動區內進行，雖然其自身有重大的科學意義，但還是解決不了直接對震源進行觀測的問題。

國際著名的俄國地震學家伽利津曾經說過：“可以把每個地震比作一盞燈，它燃著的時間很短，但照亮著地球的內部，從而使我們能觀察到那里發生了些什么。這盞燈的光雖然目前還很暗淡，但毋庸置疑，隨著時間的流逝，它將越來越明亮，并將使我們能明了這些自然界的復雜現象……”

記者：這句話非常動人，比喻也十分貼切。

陳運泰：話雖然可以這么說，真要做起事情來卻沒有這么簡單。因為地震的分布并不是均勻的，全球的地震主要發生在環太平洋地震帶、歐亞地震帶以及大洋中脊地震帶這三條地震帶，并不是到處都有“燈”。地震這盞“燈”并沒有能夠把地球內部的每個角落全照亮。

何況，地球表面的70%為海洋所覆蓋，地震學家只能在地球表面（在許多情況下是在占地球表面面積僅約30%的陸地上）和距離地球表面很淺的地球內部（至多是幾千米深的井下）、用相當稀疏、很不均勻的觀測臺網進行觀測，利用由此獲取的很不完整、很不充足、有時甚至還是很不精確的資料來反推（“反演”）地球內部的情況。

地球內部是很不均勻的，也不怎么“透明”，地震學家在地球表面上“看”地球內部連“霧里看花”都不及，他們好比是透過濃霧去看被哈哈鏡扭曲了的地球內部的影像。凡此種種都極大地限制了人類對震源所在環境及對震源本身的了解。

記者：相對來說，大地震的“非頻發性”倒是比較容易理解。

陳運泰：大地震是一種稀少的“非頻發”事件，大地震的復發時間比人的壽命、比有現代儀器觀測以來的時間長得多，限制了作為一門觀測科學的地震學在對現象的觀測和對經驗規律的認知上的進展。

迄今對大地震之前的前兆現象的研究仍然處于對各個震例進行總結研究階段，缺乏建立地震發生的理論所必需的切實可靠的經驗規律，而經驗規律的總結概括以及理論的建立驗證都由于大地震是一種稀少的“非頻發”事件而受到限制。作為一種自然災害，人們痛感震災頻仍，可是等到要去研究它的規律性時，又深受“樣本”稀少之限。當然，這句話不要被誤解為希望多來大地震。

記者：請再解釋一下地震物理過程的復雜性。

陳運泰：從常識上說，不言而喻，地震是發生于極為復雜的地質環境中的一種自然現象， 地震過程是高度非線性的、極為復雜的物理過程。地震前兆出現的復雜性和多變性可能與地震震源區地質環境的復雜性以及地震過程的高度非線性、復雜性密切相關。

從專業技術的層面具體地說，地震物理過程的復雜性指的是地震物理過程在從宏觀至微觀的所有層次上都是很復雜的。例如，宏觀上，地震的復雜性表現在：在同一斷層段上兩次地震破裂之間的時間間隔長短不一，變化很大，地震的發生是非周期性的；在同一斷層段上不同時間發生的地震其斷層面上滑動量的分布圖像很不相同；大地震通常跟著大量的余震， 而且大的余震還有自己的余震，等等。

就單個地震而言，地震也是很復雜的，如：發生地震破裂時，破裂面的前沿的不規則性；地震發生后斷層面上的剩余應力（震后應力）分布的不均勻性，等等。在微觀上，地震的復雜性表現在：地震的起始也是很復雜的，先是在“成核區”內緩慢地演化，然后突然快速地動態破裂、“級聯”式地驟然演變成一個大地震。這些復雜性是否彼此有關聯？如果有，是什么樣的一種關系？這非常值得深究。

地震到底能不能預測？

記者：人們非常關心的一個問題是：地震到底能不能預測？有人說，目前的地震預報的水平是在某種有利的條件下，對一定地區、某種類型的地震，做出一定程度的預報。

陳運泰：地震到底能不能預測？這不是用一兩句話就能說清楚的問題。應該讓大家知道，科學家所研討的地震能不能預測的問題，有深刻的科學內涵，不是簡單地歸之為“說地震不能預測，就是在宣傳不可知論”等等就完事了。

地震預測是一個多世紀以來世界各國地震學家最為關注的目標之一。在上個世紀70年代，緊接著前蘇聯報導了地震波波速比（縱波速度與橫波速度的比值）在地震之前降低之后，美國紐約蘭山湖地區也觀測到了震前波速比異常。隨之而來的是大量有關震前波速異常、波速比異常等前兆現象的報道和膨脹－擴散模式、膨脹－失穩模式等有關地震前兆的物理機制的提出，以及1975年中國海城地震的成功預報。

這些情況使得國際地震學界對地震預測一度彌漫了極其樂觀的情緒，甚而樂觀地認為“即使對地震發生的物理機制了解得不是很透徹（如同天氣、潮汐、火山噴發預測那樣），也可能對地震做出某種程度的預報”。當時，連許多著名的地球物理學家都深信：系統地進行短、臨地震預測是可行的，不久就可望對地震進行常規的預測，關鍵是布設足夠的儀器以發現與測量地震前兆。

然而，人們很快就發現地震預測的觀測基礎和理論基礎都有問題：對波速比異常重新做測量時發現原先報導的結果重復不了；對震后報導的大地測量、地球化學和電磁異常到底是不是與地震有關的前兆產生了疑問；由理論模式以及實驗室做的巖石力學膨脹、微破裂和流體流動實驗的結果得不出早些時候提出的前兆異常隨時間變化的進程。接著，運用經驗性的地震預報方法未能對1976年中國唐山大地震做出短、臨預報。

到了1980～1990年，美國地震學家預報的圣安德列斯斷層上的帕克菲爾德地震、日本地震學家預報的日本東海大地震都沒有發生（前者推遲了11年于2004年9月28日才發生，后者迄今還沒有發生），又使許多人感到悲觀。一個多世紀以來，對地震預測從十分樂觀到極度悲觀，什么觀點都有，不同的觀點一直爭論不息。

記者：特別是近年來，圍繞著地震的可預測性發生了激烈的論爭。1997年春，日本東京大學的美國地球物理學教授羅伯特·蓋勒、美國加州大學洛杉磯分校的地球物理學教授戴維·杰克遜等專家在《科學》雜志上發表了一篇題為《地震無法預測》的文章，悲觀地聲稱：地震是無法預測的。應該打消可能會在幾小時、幾天或幾個月之前預測到地震的希望。從事這方面的研究工作是“一項毫無希望的工作”。

陳運泰：國際上有一些專家認為，地震系統與其他許多系統一樣，都屬于具有“自組織臨界性”的系統，即在無臨界長度標度的臨界狀態邊緣漲落的系統。從本質上說，具有自組織臨界性的現象是不可預測的。而具有自組織臨界性的系統中的臨界現象普遍都遵從像地震學中的古登堡－里克特定律那樣的冪律分布，所以這些專家認為，地震是一種自組織臨界現象，地震系統是具有“自組織臨界性”的系統。進一步他們認為：既然自組織臨界現象具有內稟的不可預測性，所以地震是不可預測的；既然地震預測很困難，甚至是不可預測的，那么就應當放棄它，不再去研究它。這種觀點在一個時期可謂“甚囂且塵上矣”！

可是，地震是不是一種自組織臨界現象，這不是一個靠“民主表決”、“少數服從多數”可以解決的問題！多數人認為地震是一種自組織臨界現象，并不能說明地震就是一種自組織臨界現象。

美國加州大學洛杉磯分校的地球物理學教授諾波夫教授一直在強烈批評上述的“地震在本質上是不可預測”的觀點，他的研究結果表明，地震現象是自組織的，但并不臨界。他批評“地震在本質上是不可預測”的觀點說，簡單地從冪律出發得出地震具有自組織臨界性、進而推出“地震不能預測”的結論在邏輯推理上好比說 “哺乳動物有4條腿，桌子也有4條腿，所以桌子也是一種哺乳動物或哺乳動物也是桌子”一樣的荒謬。

記者：說地震預測是“一項毫無希望的工作”，如此決絕的喪氣話，在我們這個太空兼基因時代放出來，似乎有點不對勁兒，但這畢竟只是一家之言。我聽到一種說法：現在的地震預測大都是進行概率預測，即地震趨勢估計或危險性評估——發生地震的危險性有多大？國外的某些概率模型，已能預報若干年內在某個特定地區，將有多大的概率發生某一震級的地震。會不會有那么一天，人類對地震的預報，就像現在對天氣的預報那樣，迅速、科學而又準確呢？

陳運泰：對地震的可預測性這一與地震預測實踐以及自然界的普適性定律密切相關的理論性問題的探討或論爭還在繼續進行中。既然地震的可預測性的困難源自人們不可能以高精度測量斷層及其鄰區的狀態，以及對于其中的物理定律仍然幾乎一無所知，那么，如果這兩方面的情況能有所改善，將來做到提前幾年的地震預測還是有可能的。

提前幾年的地震預測的難度，與氣象學家目前做提前幾小時的天氣預報的難度相當，只不過做地震預測所需要的地球內部的信息遠比做天氣預報所需要的大氣方面的信息復雜得多，而且也不易獲取，因為這些信息都源自地下（地球內部的“不可入性”）。這樣一來，對地震的可預測性的限制可能不是由于確定性的混沌理論內稟的限制，而是因為得不到極其大量的信息。

記者：在您看來，實現地震預測的科學途徑是什么？

陳運泰：我看主要還是依靠科技進步，依靠科學家群體。

解決地震預測面臨的困難的出路既不能單純依靠經驗性方法，也不能置迫切的社會需求于不顧，單純指望幾十年后的某一天基礎研究的飛躍進展和重大突破。在這方面，地震預測與純基礎研究不完全一樣。這就是：（1）時間上的“緊迫性”，即必須在第一時間回答問題，不容猶豫，無可推諉；（2）對“震情”所掌握的信息的“不完全性”；（3）決策的“高風險性”。

地震預測的上述特點既不意味著對地震預測可以降低嚴格的科學標準，也不意味著可以因為對地震認識不夠充分、對震情所掌握的信息不夠完全（極而言之，永遠沒有“充分”、“完全”的時候）而置地震預測于不顧。

記者：不管怎樣，一個多世紀以來，經過幾代地震學家的不懈努力，對地震的認識的確可以說大有進步了。

陳運泰：然而，不了解之處依然很多。目前地震預測尚處于初期的科學探索階段，地震預測的能力、特別是短、臨地震預測的能力還是很低的，與迫切的社會需求相距甚遠。解決這一既緊迫要求予以回答、又需要通過長期探索方能解決的地球科學難題，唯有依靠科學與技術的進步，依靠科學家群體。一方面，科學家應當傾其所能把代表當前科技最高水平的知識用于地震預測；另一方面，科學家（作為一個群體，而不僅是某個個人）還應勇負責任，把代表當前科技界最高認識水平的有關地震的信息（包括正、反兩方面的信息）如實地傳遞給公眾。

應當看到：我們的“敵人”——地震還是40年前的那個敵人，但是40年來地震研究的進展使得我們對地震的認識比以前增進了許多。地震觀測技術的進步、高新技術的發展與應用為地震預測研究帶來了歷史性的機遇。依靠科技進步、強化對地震及其前兆的觀測，開展并堅持以地震預測試驗場為重要方式的地震預測科學試驗，系統地開展基礎性的對地球內部及地震的觀測、探測與研究，堅持不懈地做下去，對實現地震預測的前景是可以審慎地樂觀的。

其實，地震預測面臨的困難基本上也是地球科學面臨的困難。分析這些困難，是為了尋找解決困難的辦法。困難不能成為無所作為的借口。地震預測的確是很困難的，正是因為困難，才需要有地震學家去攻堅。如果很容易，還用得著養這些人嗎？因此，地震工作者要迎接挑戰，知難而進，這是我特別希望加以強調的。

（責任編輯 鄧愛華）