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地震科学研究任重道远
http://news.QQ.com  2008年05月27日07:50   科技导报    评论0

本刊记者 陈广仁

北京点击查看北京及更多城市天气预报时间2008年5月12日14 ∶ 28,四川省汶川县(北纬31.0°,东经103.4°)发生8.0级地震;截至5月22日10 ∶ 00,地震已造成51 151人遇难,288 431人受伤,29 328人失踪。汶川地震前较长时间,震中及周围地区地震活动水平不高,没有前震,没有出现典型的短期和临震异常,因此震前未能作出临震预报(中国新闻网,2008-05-16)。汶川地震又一次将地震预测预报问题推向了风口浪尖。

1 地震及其科学探索

地震问题自古即是人类思索的焦点和难点。古希腊的伊壁鸠鲁认为,封闭在地壳内的风使地壳分成小块而引起地震;卢克莱修认为,来自外界或大地本身的风和空气的某种巨大力量使大地出现巨大龟裂而地震;亚里士多德则认为,突然出现的地下风和地下灼热的易燃物体造成地震。20世纪以来,板块构造理论、地震波研究为地震科学掀开了新的一页。较有影响的假说有:① 弹性回跳说:地球内部不断积累的应变能超过岩石强度时产生断层,岩石弹性回跳恢复原来状态,突然释放其积累的能量引起地震;② 岩浆冲击说:地下岩石导热不均,部分熔融体积膨胀挤压围岩,导致围岩破裂产生地震;③ 相变说:地下物质在一定临界温度和压力下,从一种结晶状态转化为另一种结晶状态,体积突然变化而发生地震;④ 俯冲带说:一个地质构造板块向另一个地质构造板块下方推进的俯冲带,有可能经历灾难性地震。

根据全球构造板块学说,地壳被一些构造活动带分割为彼此相对运动、大小不一的板块,大的板块有太平洋板块、亚欧板块、非洲板块、美洲板块、印度洋板块、南极板块等6个。全球大部分地震发生在大板块的边界上,一部分发生在板块内部的活动断裂上。全球主要地震活动带包括环太平洋地震带、欧亚地震带和海岭地震带,每年发生用地震仪可测出的地震约500万次,其中5万次为有感地震,成灾地震约1 000次,7级以上地震约18次,8级以上地震1~2次。

中国的地震活动主要分布在以下5个地区的23条地震带上:① 台湾省及其附近海域;② 西南地区,主要是西藏、四川西部和云南中西部;③ 西北地区,主要在甘肃河西走廊、青海、宁夏、天山南北麓;④ 华北地区,主要在太行山两侧、汾渭河谷、阴山-燕山一带、山东中部和渤海湾;⑤ 东南沿海的广东、福建等地。中国地震活动频度高,强度大,震源浅,分布广,属于震灾严重的国家。

面对地震危险, 通过对地质构造的研究及地震活动、地下结构、地形变的观测,依据对地震发生的时空规律、环境条件的探索, 预测未来地震发生的可能性、危险性,成为地震科学的重要任务。而对地震发生机理缺乏足够认识、地震预测受观测技术严重制约,则是影响地震科学水平提升的主要困难。但随着物理学、化学、古生物学、地质学、数学、天文学等多学科交叉渗透及深入发展,地震学科取得了一定进步。特别是20世纪90年代以来, 随着空间对地观测技术和数字地震观测技术的发展,对现代地壳运动、地球内部结构、地震震源过程、地震前兆图像的观测,在分辨率、覆盖面、动态性等方面都有了飞跃式的发展,地震预测研究由此迎来了历史性的机遇。

2 川滇地区地质构造及其地震特点

中国地震带的分布是制定中国地震重点监视防御区的重要依据。对大地震的潜在发生地域进行比较准确的判断,对多个重要部位进行重点监测,就可能捕捉到可以比较和验证的、可靠的地震前兆信息。

川滇地区位于青藏高原东南缘,区内主要发育有北西向的鲜水河-安宁河-小江断裂、金沙江-红河断裂、怒江-澜沧江断裂、北东向的龙门山-锦屏山-玉龙雪山断裂等大型断裂带。该区新构造活动剧烈,地震活动与活动断裂密切相关,绝大多数属构造地震,地震活动频度高、强度大,是中国大陆最显著的强震活动区域。川滇地区块体构造是整体联系的,受欧亚板块和印度板块的碰撞,川滇块体向东南运动,滇缅断块向东北运动,形成边界断裂走滑位错和块体内部断层错动。边界断裂成为强烈地震孕育发生的构造带,而6.7级以上地震大多发生在边界断裂带附近,反映出强烈地震与构造活动的密切关系。有地震记载以来,汶川200 km范围内发生过8次7.0级以上地震,除本次大地震外,近100年内汶川临近地区还曾发生过2次大地震,四川茂县于1933年8月25日曾发生7.5级地震,四川松潘点击查看松潘及更多城市天气预报、平武于1976年8月16日曾发生7.2级地震。

此次汶川地震发生在青藏高原的东南边缘、川西龙门山的中心,位于汶川-茂汶大断裂带上。印度板块向亚洲板块俯冲,造成青藏高原快速隆升,高原物质向东缓慢流动,在高原东缘沿龙门山构造带向东挤压,遇到四川盆地之下刚性地块的顽强阻挡,造成构造应力能量的长期积累,最终在龙门山北川-映秀地区突然释放,发生逆冲、右旋、挤压型断层地震。发震构造是龙门山构造带中央断裂带,在挤压应力作用下,由南西向北东逆冲运动,发生单向破裂地震,由南西向北东迁移,致使余震向北东方向扩张;挤压型逆冲断层地震在主震之后,应力传播和释放过程比较缓慢,导致余震强度较大,持续时间较长。汶川处于全国6大亚板块断裂带上,本次地震发生在地壳脆-韧性转换带,震源深度为10~20 km,因此破坏性巨大,导致中国20多个省、自治区、直辖市出现明显震感。截至2008提5月20日11 ∶ 00,当地还陆续发生7 000多次余震(新华网,2008-05-20)。

川滇地震问题一直是中国地震学研究的热点。学界探讨了川滇断块的现代地壳运动、构造带及其走向、块体及边界带的构造变形特征、震源断层力学性质及特征、中强地震的损伤演化、地震成组孕育的特点、强震活动的时空有序步进及可公度性等问题。龙小霞等根据20世纪以来川滇地区6.7级以上地震的25个发生年份,依据可公度法原理和方法,对川滇地区6.7级以上地震的发生年份预测表明,从灾害信息看,2007年和2008年的灾害信号比较强,尤其是2008年更符合已有地震资料的统计规律,表明川滇地区可能发生6.7级以上地震的年份为2008年(灾害学,2006(3):81-84)。

3 地震的预测预报

根据对地震活动规律的认识,预测未来地震的时间、地点和强度是地震学的重要任务和主要目标。其中,地震长期预报是对未来10年内可能发生破坏性地震的地域的预报,中期预报是对未来1~2年内可能发生破坏性地震的地域和强度的预报,短期预报是对3个月内将要发生地震的时间、地点、震级的预报,临震预报是对10日内将要发生地震的时间、地点、震级的预报。尽管地震预测问题已提出很久,但至今仍不能准确预测地震,在最好的情况下也只能做出粗略估计。科学界普遍承认,地震是自然界中一类非线性的复杂现象,明确地指出未来地震的时间、空间、震级范围及发生概率的“经典”意义上的地震预测,特别是时间尺度小于几个月、空间尺度小于几百千米的地震预测,在目前尚未取得突破性的进展。

地震研究进展缓慢的主要原因在于地球的不可入性、地震孕律的复杂性、地震发生的小概率性、地质的差异及变化性,地质时空尺度往往超越人类的极限,相关研究在实验室条件下不易获得可靠结果。而且,虽然大气、地理、生态系统存在着内在联系,但迄今尚未破解其联系之间的规律,使得地震预报仍是世界难题。

但应满怀信心的是,现代地震学在地震和地壳构造的调查、地震前兆的观测、地震孕育发生的机理等方面已取得了许多重要进展。通过理论、观测及实验研究,已确认动态断层作用是绝大部分地震的成因;岩石破裂机理、岩石破裂判别准则、断层相互作用等方面的研究,也具备了相当的理论和实验基础。为进一步推进地震问题的研究,国际社会近年展开了一系列全球性重大地球科学计划,法国的GeoScope、加拿大的EarthScope、德国的DEKORP、英国的BIRST、美国的USArray、日本的Nan TroSEIZE、澳大利亚的SKIPPY、国际综合大洋钻探计划(IODP)、上地幔计划(UMP)、国际地球动力学计划(IGP)、际岩石圈计划(ILP)等,均以促进地震科学在减轻地震灾害中的应用为目标,这将逐步为地震预报奠定重要的研究基础。

从研究方向来看,目前应重视认识地球演化的内在动力及地震、地磁的机理,并引至地球物理领域加以发展,从而预报地震。而在地震数值预报研究带动下,地壳形变的GPS阵列连续观测、高分辨率地壳上地幔精细结构探测、高温高压下岩石介质物理性质、非均匀介质破坏的过程、破裂准则与触发地震的条件、地震孕育和破裂过程的理论和模拟试验及实际观测、非线性动力学等,都将成为研究的重点。

从研究方法来看,中国地震预测研究主要采用调查震源、地震统计等模式,重点放在捕捉地震前兆异常等问题上。在台网监视地区,已积累了近200个5级以上地震震例和大量前兆观测资料,并总结了一些经验性预报方法。目前需调整地震预测研究的发展方向和重点战略,依托先进探测手段,结合理论模型、室内实验、数值仿真、经验预测、人工震源等多种方式方法,进一步检验和推进人类对地震孕育复杂过程和机理的认知。

4 争议地震预测

20世纪60年代中期开始,一些地震频繁的国家相继开展了有计划的地震预报研究。但严峻的现实是,20世纪80年代末以来,世界各地发生的一系列灾难性地震几乎都是在毫无预报的情况下发生的;一些预测有强震而进行强化乃至应急的地区却没发生地震。这表明地震预报的难度大、准确性差。

地震并不是孤立、单因子引起的自然现象,而是地壳边缘板块的挟持挤压、局部地幔对流、断层带和地质块体间相互作用、环境动力因子作用下的构造活动自组织演化的结果。从地震预测来看,重力、地磁、地电、地热、地声、地下水、光、空间观测、动物反应等任何一种现象出现异常,并不能就此判断一定会发生地震。科学界至今仍对地震前兆的内涵、成因、判别标准及前兆与地震间的关系等有不同认识,这使地震是否可以准确预测成为分歧的焦点。

欧美一些地震学家对预测地震持不乐观态度。C. H. Scholz(1989)、 B. R. Julian(1990)、 H. Houston(1994)、R. S. Stein(1995)、 D. Swinbanks(1997)、 W. H. Bakun(2005)等在Nature,R. J. Geller(1997)等在Science撰文认为,成功进行地震预报可能是不现实的。特别是,Science刊登“中国的预报地震之战”指出,中国的地震预报主要基于经验甚至靠运气和意外收获,真正联系物理机制和理论基础的研究比较少。经验性对预报有前震和许多前兆的地震比较有效,但并不能对所有这类地震做出临震预报,且这种地震只占一小部分。中国的地震科学工作者应从过分期待实时预报转向更为现实的防震减灾(Science,1996-09-13)。

但值得注意的是,地震的发生过程并不完全是随机的。断层结构及地震的震级频度分布的标度不变性、地震的时空丛集性、相当稳定的动力学应力降、应力的微小扰动就能触发地震等说明,地震的总体性质在一定程度上具有确定性、可预测性。同时,尽管地震学家对短期(或短临)预报争论激烈, 但对中长期预测则普遍给予肯定。在板块构造学说、弹性回跳理论、断层和地震活动相互作用的应力影区理论等基础上发展起来的特征地震、地震复发模型、影响概率、地震空区、应力触发、区域地震增强等中长期预测方法,在地震危险性分析等领域得到广泛应用。通过考察地震发生的地质、地球物理环境, 研究地震发生的规律, 在10年左右时间尺度、几百千米左右空间尺度上, 对强震进行预测是可能的。这种预测对防震减灾的社会准备和工程措施实际上更为重要。

现代科学正在从简单性向复杂性、从“存在”向“演化”过渡,系统性、生成论等中国传统思想对分离、还原等经典科学方法有重要的补充作用,中国地震预报的经验性也许正是解决目前地震预测困境的途径之一。通过地壳形变监测、地倾斜监测、重力异常监测、地应力监测、地温异常监测、磁异常监测、卫星远红外线监测、卫星板块运动监测、强潮汐预警、动物异常监测等手段相配合,相信准确预测地震是可以逐步实现的。

更重要的是,对灾害进行预报不仅是一个社会问题,更是一个科学问题,关注的重点更应放在预报是否准确、怎样才能准确问题上。灾害预报的意义在于它能提供灾害预警,使政府和公众在了解可能的危险之后,根据实时进展安排可能的对策。面对成功预报地震仍是“神话”和“地震科学家不作为”的责难,我们更应动员各方力量,坚持“以预防为主,专群结合,多路探索,边观测、边研究、边预报”这一中国特色方法,进一步加强对地震预测的研究,引导公众提高防范意识,理性防灾减灾。1975年2月4日,中国辽宁省海城县7.3级地震发生前,中国地震专家成功做出预测,避免了巨大损失,这已表明了地震预测的重要作用。科技人员应肩负责任,解放思想,加紧研究与应用,做好自然灾害的预报和预防工作,最终攻克地震预报这一亘古科学难题。(责任编辑 苏 青)

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