日本的地震預測＊

上田誠也

動態

日本的地震預測＊

上田誠也

日本從1965年就有關于地震預測的國家計劃，但是都沒有成功。所謂的地震預測必須是基于物理現象或前兆的短期預測。失敗的主要原因是沒有抓獲前兆現象。國家計劃大部分的資金和人力都致力于加強地震臺網，但這對檢測地震前兆并不十分有效，因為大多數前兆都是非地震性的。從目前筆者的觀點來看，前兆研究從來沒有得到適當支持，因為這些項目通常都是被一群拿著預測地震幌子的地震學家所掌握，他們對地震學更有興趣。1995年神戶地震之后，國家計劃決定放棄短期預測并且在2011東北大地震后日益加深。除了國家計劃之外，也有一些政府計劃，不是很正式的但是與地震預測有關，它們消耗了數量級很大的資金，但它們其實也對短期地震預測不感興趣。財政上，它們是巨人，國家計劃就是小矮人。因此，日本目前實際上沒有資金來支持短期預測研究。然而，最近，不同學科的科學家已在短期預測研究方面做出了一些實質性進展。通過和私營部門的合作，一些令人鼓舞的跡象正在出現。

地震預測；短期預測；巨震；地震學；私營部門；政府支持

引言

地震預測必須指明時間、震中、震級大小，并且要有一定的精確度。在地震長期、中期和短期預測中，只有短期預測有意義，它能夠直接保護人類生命和社會基礎設施。另外兩個僅僅是基于過去經驗的統計預報，甚至不能夠稱為預測，雖然由于GPS測量儀器，中期預報已經進入了一個新的階段［1］。

地震學分為兩個方面［2］。第一是通過地震儀記錄的地震波來研究地球的內部結構。這首先在歐洲發展［3－4］。另一個是研究地震本身，即所謂的地震學。當然，地震易發地區的地震學家對此比較關注。實際上，現代地震學始于1906年舊金山大地震后的加利福尼亞。為了解釋圣安德烈斯斷層附近的地面形變位移，Reid［5］提出了彈性回跳理論。該理論認為斷層兩側的巖石受到剪切應力，它們緩慢變形直到內部能量大于臨界值。應力緩慢集中，然后瞬間釋放。該理論被當作了地震產生的理論指導。然而，在接下去的幾十年里，在地震預測方面，實際上沒有很認真的科學嘗試。甚至有些行家覺得它是不可能的［6］。

1 20世紀70年代早期的樂觀到后來的悲觀

直到20世紀60年代，地震預測的國家計劃才在一些國家興起，包括日本、前蘇聯、中國和美國。它們為什么基本上在同一時間出現，原因并不明了。很有可能是由于二戰后科技活動的復蘇，那時地震學位居前沿，并且得益于監測核爆炸的全球標準化地震臺網（World－wide Standardized Seismograph Network，WWSSN）［7］。

20世紀70年代早期，樂觀情緒在全球廣泛傳播。比如，擴容－膨脹理論的出現［8］，該理論幾乎能夠解釋所有出現的前兆現象，例如，地殼的抬升、P波與S波的波速比中10%～20%的變化、氡氣的排放、電導率的變化等等。尤其是，1975年7.3級海城地震的長期、中期和短期的成功預測，更加強了這種樂觀［9］。

然而，這種樂觀是暫時的。撇開細節不說，P波與S波的波速比中10～20%的變化這一現象就被后來的工作所否定［10］以及1976年唐山M7.8地震未能預測［11］。在美國，預測在1993年前將會發生的帕克菲爾德地震直到2004年才出現［12－13］。實際上，任何國家的地震預測項目都沒有一次單獨的成功預測。整個社會就開始悲觀［14］。除了一些非主流的研究人員之外，這種悲觀情緒一直持續到現在。

2 日本地震預測歷史

2.11995年以前

世界上第一個地震學會，日本地震學會（Seismological Society of Japan，SSJ）在1880年誕生，這歸功于明治政府那時國外訪問學者的努力。值得注意的是，第二屆日本地震學會年會上約翰·米爾恩（John Milne）做的題為“日本地震科學”的報告［15］，他說地震學家的主要任務就是能夠找到方法預測出地震的發生，并且他也給出了許多可能的地震前兆的例子。

吉田晴代（Aikitu Tanakadate）于1891年濃尾M8.0地震之后開始了震中地區磁場的測量，并由此發現了著名的Neodani斷層。他這時才剛從英國學習完，返回家中3個月。被濃尾地震所激勵，明治政府在1892年立即成立了帝國地震調查委員會。它遠遠早于1906年的舊金山地震，所以可以被看作是日本地震研究的開端。然而，盡管明治時代的科學家具有昂揚的遠見，地震預測仍然是個禁忌并且持續了幾十年，因為它并不是一個多產的科學。

盡管當代社會這并不為人所知，但關于地震預測的方案早在1946年就被提出，這一年是二戰過后的下一年，當時的命令由美國占領軍總部發布給美日地震學家。這些背景資料能夠從力武（Rikitake）的文章中查出［16］。很明顯，美國方面試圖證明日本在這方面是否更加先進，因為當時他們對這幾乎沒有興趣。日本的實際情況也沒有什么大的不同。事實上，在他們訪問日本的報告中，那時并沒有透露給日本，但是卻在力武的文章中被轉載了。賓諾·古登堡（Beno Gutenberg）批評了日本氣象局（Japan Meteorological Agency，JMA）和東京大學地震研究所（Earthquake Research Institute，ERI）之間的不合作關系。這些事務使得日本社會團體逐漸對地震預測感興趣。接著在1962年的一次統籌規劃中，所謂的“藍圖”被明確提出來［17］。這份文件起初是在日本，后來被翻譯成英文后具有了相當大的全球影響力。

國家地震預測計劃資金，從1965年起能夠被大學研究人員所使用，這是基于“藍圖”并且通過連續幾個5年計劃持續到了現在。“藍圖”的內容是一些經驗知識，涉及到一些沒有很多合作的組織先前做的工作，例如，地殼運動、潮汐、地震活動性、地震波速、活動斷層、地磁和地電等等。有人建議，要監測所有這些現象。這是一個良好的開端。即使在今天它也可以算作一個良好的計劃，因為這個完整的計劃從來沒被實施過。

為了開始進行國家計劃，政府咨詢了地震專家以制定一個切實可行的方案。這是非常合理的，因為當時沒有包含相關科學家的組織團體。該計劃有相當龐大的資金支持。遺憾的是，從來沒有任何一個成功的短期預測，甚至連錯誤的預測也沒有，因為根本就沒有發布過任何的預測。這是一個自然結果，因為短期預測從來就不是該計劃的目標。本文的主要目的之一就是陳述這種奇怪現象是如何產生的。當然，大多數事物是科學關注不到的，所以下面涉及到的科技論文也只有一少部分。

第1個5年計劃中，該項目命名為“地震預測研究計劃”，地震專家們建議加強地震臺網建設。這也有其合理性，并得到了充足的資金支持。然而，由于充足的資金為項目的連續性提供了保障，在隨后的5年計劃里，加強地震臺網建設變得無止無休，壟斷了資金和研究人員。

被1968年十勝沖M7.9等一系列地震的發生刺激后，政府推出了第2個5年計劃，將項目名稱改為“地震預測計劃”，看上去研究好像結束了，但實際上研究經費卻增加了。

當然，不用說短期預測肯定需要有前兆。從古希臘一直到現在，有各種各樣的關于地震前兆的說法。比如上田誠也在“地震前兆和預測”中提到的［18］。這些可以是大地測量信號，如地傾斜、GPS數據、水文數據，如水位、溫度和地下水化學，電磁在各種頻率下的波動，氡氣和其他氣體的排放，異常的動物行為等。前震以及震前平靜期這樣的地震事件也可以被稱為前兆。然而，這些報道的前兆大部分是非地震性的。因此，非地震性測量顯得尤為重要。但這些在項目中并沒有得到很好的支持。因此，5年計劃中短期預測從沒成功過，并且讓人覺得短期預測根本就不可能實現（內部結論）。諷刺的是，在一系列災難發生后，這個項目卻是越來越火。

這里著重提到的是，在20世紀70年代，有許多政府機構開始進入地震預測行列。許多項目實際上只是地震研究，并不是地震預測。這些項目的預算卻比國家計劃要多出很多。這里我們簡稱其為“大計劃”。必須指出，許多同時執行國家計劃的地震學家也作為地震學會的委員或者顧問包含在這些大計劃中。因此，他們在該項目之中得到了大大的好處。這些大計劃結構復雜、預算模糊不清。這些預算來自地震研究推進總部（Headquarters for Earthquake Research Promotion，MEXT），我將其稱做“大MEXT計劃”（在日本MEXT代表教育部、文化部、體育部、科技部）。“大MEXT計劃”2012年度預算大約為110億日元，這已經足夠多了，實際上，這還只是其中的一部分。整個2012年國家地震預測項目，14所高校的總額達到約4億日元。在全部經費里，其中0.2億日元可用于短期預測研究，我們能用這些錢做些什么呢？

2.2 1995到2011年

圖1是1995年第7個5年中神戶M7.3地震幾周后的情形，地震發生前沒有預測到，約有6 450人在這次地震中遇難。這是1923年關東M7.9地震后，20世紀日本所遭遇的最嚴重的地震。國家地震預測計劃由于沒有任何地震預測，受到各方面的指責。經過社會各界長期的討論，首次包括外界人士的參與，最終決定短期預測應該正式放棄，轉而致力于“基礎研究”，在筆者看來，也就是致力于地震學研究。雖然沒有明確的宣布放棄預測，但人們都心知肚明［19－20］。

圖1 作者拍的神戶地震幾周后的情形

“基礎研究”對政府來說聽起來很誘人，該項目不僅在批評中生存下來，并且政府還增加了投資。由于項目的成功展開，高功率的地震和GPS網絡覆蓋全國，地震研究也取得了很大進展。但是，顯而易見，地震預測還是沒有任何進展。

“不需要短期預測”的理由是，盡管研究人員很努力，震前先兆還是很難捕獲。這其實是謬誤。這些參與預測項目的研究人員根本就沒有認真地對震前先兆進行研究，他們認為這些地震儀根本就沒有任何幫助。在每3個月舉辦的地震預測協調委員會（Committee for Earthquake Prediction，CCEP）的會議上，也從來沒有關于地震前兆的報告，那些地震先兆也由于很少提及而變成了荒謬的謠傳。然而，打著地震預測研究的幌子，這些地震學家卻獲得了大量的資金支持（雖然跟大計劃比起來略顯遜色），甚至外界也無法挑戰他們的權威和既得利益。此后，在地震學界，否定了短期預測領域中的地震前兆，認為這些前兆根本就不存在，甚至覺得對前兆的研究是偽科學。

在神戶地震后，地震研究行政管理方面發生了根本性的變化。地震監測任務從國家計劃轉移到大MEXT計劃所屬的地震調查研究推進總部，該部門對地震預測沒有興趣（尤其是短期預測）。這樣國家計劃便可從監測和長期預報中解脫出來，致力于短期預測研究，但事情發展卻進入了錯誤的軌道。

3 2011年東北地震到現在的日本地震預測

圖2為2011年3月11日東北M9.0地震幾周后的情況。這次地震還引發了海嘯，對整個日本臨近太平洋一側地區造成了嚴重破壞，造成了超過20 000人遇難，各種爆炸，以及福島1號核電站熔化［21］。整個國家瞬間陷入危機。

圖2 作者拍的“3·11”地震海嘯幾周后的情形

圖3 日本周圍的板塊構造

圖4 凹凸體模型

由于國家計劃和大計劃的開展，日本變成了全世界地震及大地測量觀測網絡建設最全面的國家之一。這種類型的地震發生可由地殼板塊構造理論很好地解釋，板塊間的突然運動及太平洋板塊的俯沖導致了這種結果（圖3）。地震產生的方式可以很好地用這種凹凸體模型來解釋（圖4）。根據該模型，將地球分為一些地震區，稱為凹凸體，也就是沿俯沖太平洋板塊和上覆北美板塊之間的界面。這兩個板塊凹凸體接觸，隨著應力的發展，兩個板塊發生錯位、破裂。在凹凸體外的區域，板塊之間耦合較差，它們可以滑動而沒有地震發生。根據400年來的地震檔案記錄以及現代測震技術，地震學家認為，該地區最大可能發生的地震等級不會超過M8。然而，2011年該地區的地震表明，400年的觀測時間對于評估區域地震來說仍然較短。事實上，根據海嘯沉積的地質記錄，公元869年發生的貞觀地震達到了M9［22］。但是，這些地質記錄的信息并不嚴謹。

2011年“3·11”大地震之后，一些地震學家宣稱他們的預測失誤至少與本文作者和金森［23］40年前提出的“比較俯沖學”影響有關聯。我們認為按不同特征，可將俯沖帶分為智利型和馬里亞納型（圖5a和圖5b），例如，智利俯沖帶的向陸一側是活躍上升的高聳的安第斯山脈，而馬里亞納型的向陸一側是擴張的菲律賓海，所以超大地震通常發生在智利而不是馬里亞納型俯沖帶。由于有很好的觀測數據，我們一直采用上述觀點。而一些地震學家認為，日本俯沖帶應屬于馬里亞納型。但是，我們認為，日本俯沖帶屬于外形類似馬里亞納型俯沖帶但地震活動性屬于智利型俯沖帶的中間類型。日本海數百萬年前已經停止擴張，而日本中部山脈卻一直在上升。或許，我們更應該強調俯沖類型和時間有關。

圖5 （a）智利型俯沖；（b）馬里亞納型俯沖

地震預測情況與2011大地震之前相比變化不大，而在之后則變得暗淡。地震學家們也逐漸喪失了預測地震的信心，他們認為，地震預測屬于“不可解之謎”的觀點也逐漸變得“合法化”。他們想公布地震不可預測的觀點，甚至準備解散日本地震學會所屬的地震預測研究組。

2012年11月28號，一份提議指出，要將神戶地震之后建立的“地震預測和火山噴發觀測研究計劃”重建為一個國家計劃，而在這之前該計劃只是老的地震預測和火山噴發國家計劃的一部分。文部科學省的科學和技術委員會制定了中期計劃大綱并于2013年9月4日公布采集公眾意見。大綱標題已改為“促進地震和火山觀測研究項目以助于減災”，并最終拋棄了“預測”這個詞。該文件盡管強調了減災方面的內容但仍然是冗長的。它仍然保留了幾乎每一個老的地震和火山噴發預測國家計劃的條目。總之，未來的4億日元的國家計劃將像以前一樣，與地震預測無關，而地震學家們可以繼續從大計劃里接收研究合同。

4 展望未來

圖6 （a）神津島附近的地電信號以及地震。從1997年5月14日到2000年6月25日。右邊（紅色）和左邊（藍色）圓圈分別代表正與負的信號。虛線代表錢洲走向。詳情請參看Orihara等［28］。（b）Orihara等［28］被選為2012年11月20日發行的《美國科學院院報》的亮點

圖7 新島的Wak－Air和Boe－Air電極的地電電位差的0.01Hz譜密度比的變化，以及位于伊豆半島臺陣的0.01Hz地磁場第三主成分的變化

因此，未來地震短期預測的前景將是十分暗淡的。然而，我們有著不同的看法。既然地震是一種自然現象，那我們就一定能夠通過科學的手段來預測地震。而事實上，我們已經在這方面取得了不可否認的成就。在1995年神戶地震之后，已經有眾多關于電磁和地球化學的論文問世［24－27］。例如，通過監測東京以南170km的神津島1997年5月14日至2000年6月25日的大地電流值時發現了19個異常變化值。Orihara等人［28］通過嚴格的數據統計表明，異常數值與同時期該區域附近的地震存在著一定的相關性，并非偶然事件（圖6a和圖6b）。此外，伊豆（Izu）島地區在2000年火山地震群活躍幾個月前開始就持續觀測到了地電和地磁的超低頻異常變化（0.01Hz）。這些異常在M6地震發生之時達到了頂峰［29］（圖7）。

那么日本“3·11”大地震前兆的情況又如何呢？實際上也是有征兆的，雖然其中大部分是事后才被認可。雖然一些新的研究預測方法的依據可能需要進一步的討論，但未來地震的短期預測會表現出很多積極的信號。例如，人們長期期待的利用衛星技術參與地震預測的好消息也許會在不遠的將來成為現實［30］。

之前也有關于震前電磁變化的報道。一個是關于在VLF波和LF波在震前的接收異常［31］，另一種是關于地磁場的顯著變化大約是在地震2個月之前發生［32］。而現在學術界關于震前電離層變化的討論十分熱烈［3335］。一種利用GPS數據監測震前陸地移動的方法非常具有潛力，該方法預計將在2013年通過包括私人組織在內的多機構合作完成可行性操作。一些未發表的論文表明，“3·11”大震前的GPS異常已被識別，并且在發震之前通知了政府機構，但是被政府當作了謠言而忽略了。盡管該方法尚處于準備階段，但我們有理由相信，關于這類的文章將在近期出現。

令人鼓舞的是，甚至在對地震數據的分析處理中也發現了有希望的前兆現象［36－39］。很顯然，長期“無成效”的國家地震預測計劃終于有了點效果，薩里斯（Sarlis）等人［40］基于地震作為一種臨界現象的理論［41－42］，研究了日本的地震活動并發現一些參數的漲落，而這些參數在“3·11”地震出現幾個月前達到最小值，而研究1993年至2011年所有大于M7.6地震可以得到相似的結論，只是此時的參數漲落的極小值要大一些。

同樣令人鼓舞的是，私人組織參與震前預測活動的熱情也日益增加，而其中原因是顯而易見的，即政府從來不做短期預測。政府部門一旦發出了一個錯誤的安全預測，就會產生類似于意大利拉奎拉（L’Aquila）事件的后果［43］。相反地，如果政府部門預測日本東海在未來3天發生M8地震而實際上卻沒有發生，后果又會怎樣？“大地震對策措施法”（英譯本見文獻［16］）討論了最不切實際的應對景象。政府部門不是合適的發布短期預測的主體。然而，工業部門、醫院、學校、地方政府以及那些知道國家計劃不會支持短期預測的個人，對于地震短期預測的需求是急迫的。事實上，已經有一些私人公司嘗試與一些科學家合作，開展地震短期預測的業務，而這項業務也將成為相關科學家研究經費的來源。這將會形成一個十分有用而蓬勃發展的信息產業。

看到這些新的發展方向，我們對地震短期預測的發展前景也十分樂觀。我們覺得我們是在正確的軌道而我們的目標的實現也是可期的。但是，一些地震學家并不認可我們的觀點，主要原因有以下幾點。原因之一是他們堅持地震不可預測的偏見。另一種更容易理解的原因是很多前兆都是地震孕育過程產生的副產品，與地震發生并不一定具有必然的因果關系。異常地電電流可能會在地震之前產生，但異常地電電流出現并不一定預示著地震一定會發生。很顯然，地震學家對于地震前兆研究并不感興趣，地震前兆顯然也不是地震學的主要研究內容。

這篇文章討論的主旨就是告訴大家，地震學和地震短期預測學是相關的，但他們是不同的學科。我假定通過這篇文章，讀者對于地震預測學與地震學的區別已經十分清楚了。因為缺乏對于各種地震預測研究稱呼的術語，讓我們姑且將這個學科稱之為“預測學”（Predictology）。大學里有相關地震學課程但是缺乏關于“預測學”的課程。而這門學科也一直是由一些物理學家、無線電工程師、化學家甚至生物學家在幾乎沒有支持或很少支持的情況下進行研究的。現在，在大學設立“預測學”的課程顯得十分必要。

5 結論

從1965年起，日本地震預測的國家計劃一直在充足的財務支持下運作著，但至今從沒有過一次預測，毫無疑問，地震短期預測是非常必要和有意義的。然而，大多數前兆并不預示著地震一定會發生。到目前為止，國家計劃沒有取得成功的原因就在于，大多數工作僅用于加強并不適合地震前兆研究的地震臺網的建設，忽略了研究可靠的地震前兆。這種錯誤的戰略在一些地震學家的運作下一直沒有得到改變。

在未能預測的1995年阪神大地震后，國家計劃正式放棄地震短期預測研究轉而集中在基礎地震學的研究，即建立更多的地震臺站。差不多與此同時，整個國家的地震機構發生了一個大的機構調整，監測地震經費由4億日元調整為110億日元。對地震預測并不感興趣的文部科學省只關心長期的風險評估。

2011年東北大地震后，地震學家中有人產生了很大的疑惑。現在一個名為“用于減災的地震和火山觀測研究”項目的國家計劃完全擯棄了“預測”這個詞。

然而，最近來自不同學科的科學家們在地震短期預測方面的工作取得了重大進展，一些私人研究部門也釋放出了積極的信號。現在我們應該認識到，地震短期預測既不是國家計劃也不能依靠中央政府。預測工作將由對此有興趣的科學家完成，震前警報也將由私營部門或具有高地震或海嘯風險區域的地方政府發出。我們期待在全新的地震預測時代取得重大突破。地震預測工作也將成為日本科學家對于環太平洋及其他地震多發國家的貢獻。

國家計劃對于地震短期預測的忽視應該受到批評，然而，大計劃則顯得更為離譜，雖然他們的項目并非都沒有意義，有一些是有用的。但大計劃為了獲取大筆經費而假意涉及地震預測是可恥的行為。

譯自：Proc.Jpn.Acad.，Ser.B.2013，89（9）：391－400

原題：On earthquake prediction in Japan

（北京工業大學研究生 章菲，張少偉 譯；河南師范大學 郭廣猛 校；中國地震局地球物理研究所 朱傳鎮 復校）

（譯者電子信箱，章菲：7353282＠emails.bjut.edu.cn）

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