大地震可以預(yù)測(cè)嗎？
——訪中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所秦四清研究員

本刊記者 黃為軍 王 輝

大地震可以預(yù)測(cè)嗎？
——訪中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所秦四清研究員

本刊記者 黃為軍 王 輝

2008年5月12日14時(shí)28分，四川汶川、北川，8級(jí)強(qiáng)震猝然襲來(lái)，大地顫抖，山河移位，滿目瘡痍，生離死別……西南處，國(guó)有殤。這是新中國(guó)成立以來(lái)破壞性最強(qiáng)、波及范圍最大的一次地震。此次地震重創(chuàng)約50萬(wàn)平方公里的中國(guó)大地！

2010年4月14日，強(qiáng)震再度來(lái)襲。當(dāng)日早晨，青海省玉樹(shù)縣發(fā)生兩次地震，最高震級(jí)達(dá)7.1級(jí)，截止5月30日下午18時(shí)，玉樹(shù)地震已造成2698人遇難。

2010年7月12日，馮小剛執(zhí)導(dǎo)的影片《唐山大地震》在河北唐山市全球首映，再一次勾起了當(dāng)代人們對(duì)那一段慘痛災(zāi)難的回憶。短暫的23秒，震動(dòng)的是無(wú)數(shù)觀眾的心。面對(duì)大地震屢次重創(chuàng)同胞的現(xiàn)實(shí)，人們已不止一次在追問(wèn)——

強(qiáng)震預(yù)測(cè)：無(wú)解的科學(xué)難題？

大地震具有突發(fā)性、強(qiáng)烈破壞性和難以預(yù)測(cè)性等特點(diǎn)，常給人類帶來(lái)沉重的災(zāi)難和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。無(wú)情的大地震激發(fā)著人們不斷地對(duì)地震的成因及其預(yù)測(cè)進(jìn)行探索與研究。自19世紀(jì)70年代后期現(xiàn)代地震學(xué)創(chuàng)立以來(lái)的130余年里，地震預(yù)測(cè)便一直是地震學(xué)研究的主要問(wèn)題之一。地震預(yù)測(cè)是公認(rèn)的世界性科學(xué)難題，如能同時(shí)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出未來(lái)大地震的地點(diǎn)、時(shí)間和強(qiáng)度，無(wú)疑可以拯救數(shù)以萬(wàn)計(jì)乃至數(shù)十萬(wàn)計(jì)生活在地震危險(xiǎn)區(qū)的人民的生命；并且如果能預(yù)先采取恰當(dāng)?shù)姆婪洞胧?，就有可能最大限度地減輕地震對(duì)建筑物等設(shè)施的破壞，減少地震造成的經(jīng)濟(jì)損失。

目前，世界上提出的地震預(yù)測(cè)方法已有幾十種，但卻都像有人所指出的那樣，“能看懂的方法預(yù)測(cè)不了地震，聲稱能預(yù)測(cè)地震的方法搞科學(xué)的人看不懂”。而在秦四清等看來(lái)，已有的預(yù)測(cè)方法與強(qiáng)震孕震過(guò)程關(guān)系不大，都有多解性，缺乏科學(xué)性，不能保證高可靠性的地震預(yù)測(cè)，也不能實(shí)現(xiàn)地震三要素的實(shí)際預(yù)測(cè)。

地震預(yù)測(cè)的進(jìn)展主要受到地球內(nèi)部的“不可入性”、大地震的“非頻發(fā)性”以及地震物理過(guò)程的復(fù)雜性等困難的制約，所以，許多地震學(xué)家認(rèn)為，地震、火山噴發(fā)以及滑坡等災(zāi)害的預(yù)報(bào)是不可能的。其中，孕震區(qū)幾何與地質(zhì)條件的復(fù)雜性、斷裂帶應(yīng)力的不可量測(cè)性、地球介質(zhì)的非均勻性以及孕震過(guò)程的非線性是最重要的影響因素。但為了有效減輕大地震及巨震帶來(lái)的嚴(yán)重災(zāi)害，地震預(yù)測(cè)問(wèn)題必須解決。

唐山、汶川和玉樹(shù)地震，是國(guó)人永恒的痛。而對(duì)于中科院地質(zhì)與地球物理研究所的秦四清來(lái)說(shuō)，更是如此。然而今天，當(dāng)再次面對(duì)“大地震是否可以預(yù)測(cè)”這樣的問(wèn)題，秦四清的回答卻顯得堅(jiān)定又自信：“我們的研究表明，雖然大地震和特大地震的孕育過(guò)程千差萬(wàn)別且十分復(fù)雜，但他們的孕育過(guò)程仍遵循著一個(gè)基本、確定乃至簡(jiǎn)單的力學(xué)規(guī)律，大地震是可以預(yù)測(cè)的?！?/p>

觸類旁通 靈光閃現(xiàn)

從上世紀(jì)90年代起，秦四清就一直致力于滑坡和地震的預(yù)測(cè)研究工作。然而十多年過(guò)去了，對(duì)于滑坡和地震的機(jī)理的研究始終未能取得突破性進(jìn)展。

直到2009年7月，在和朋友去散心的途中，秦四清突然想明白了困擾他多年的難題。他立即停止散心，匆匆返回工作室，很快，秦四清等人一舉突破了滑坡和地震的形成機(jī)理。一通百通，自此，他們的研究工作開(kāi)始不斷取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。從2010年5月開(kāi)始，秦四清基本摸清了地震孕育過(guò)程的共性規(guī)律，并開(kāi)始著手進(jìn)行理論驗(yàn)證工作。根據(jù)這一規(guī)律，從內(nèi)蒙古、華北、華南一直到臺(tái)灣、甘肅、青海、寧夏等省份和地區(qū)所發(fā)生的大地震，無(wú)一不驗(yàn)證了秦四清的理論的正確性。“只要找到地震孕育的共性規(guī)律，地震難以預(yù)報(bào)的時(shí)代就將結(jié)束，”秦四清頗有底氣地說(shuō)道。

令人驚訝的是，秦四清最初并不是研究地震，而是研究滑坡與崩塌預(yù)測(cè)理論的。有史以來(lái)，同屬于地質(zhì)災(zāi)害之列的地震、滑坡、火山噴發(fā)、泥石流、崩塌等自然災(zāi)害的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)科學(xué)一直是業(yè)界的技術(shù)難題。秦四清在研究滑坡與崩塌預(yù)測(cè)理論的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)共性的規(guī)律，將之用于地震與巖爆預(yù)測(cè)都取得了很好的預(yù)測(cè)效果。通過(guò)對(duì)40個(gè)崩滑、105個(gè)地震、5個(gè)巖爆實(shí)例的驗(yàn)證，表明地質(zhì)體的破壞都遵循這個(gè)統(tǒng)一規(guī)律。

“地震像室內(nèi)巖樣加載破裂過(guò)程一樣，在巖石變形到膨脹點(diǎn)時(shí)，微破裂會(huì)向未來(lái)的主破裂面叢集，出現(xiàn)震群，震群是唯一的大地震活動(dòng)性前兆，建立了震群與未來(lái)大震的力學(xué)聯(lián)系，大震預(yù)測(cè)問(wèn)題也就迎刃而解了，”秦四清解釋道。2010年4月14日的青海玉樹(shù)地震，在大震發(fā)生兩小時(shí)前，有一個(gè)4.7級(jí)的地震發(fā)生，若根據(jù)秦四清的建立的“孕震斷層多鎖固段脆性破裂理論”，可準(zhǔn)確判定該事件發(fā)生后孕震系統(tǒng)已接近臨界點(diǎn)，并可作出臨震預(yù)報(bào)， 從而能夠?qū)⒌卣饟p失盡量降低。

最后一個(gè)鎖固段破壞之后，主震將發(fā)生！

“大千世界中，表面現(xiàn)象大都是復(fù)雜的，而論其內(nèi)在，越是深層次去探究就會(huì)發(fā)現(xiàn)本質(zhì)其實(shí)很簡(jiǎn)單。就像是牛頓力學(xué)定律、愛(ài)因斯坦的相對(duì)論一樣。地震也是同樣的，沒(méi)有探究出本質(zhì)，就感覺(jué)是深不可測(cè)、遙不可及是不對(duì)的。大自然法則都是有規(guī)律可循的，地震災(zāi)害當(dāng)然也不例外。”在傳統(tǒng)理論遭遇瓶頸，人們對(duì)地震預(yù)測(cè)的前景表示擔(dān)憂的時(shí)候，秦四清卻信心滿滿。

他指出，地震源自于沿?cái)鄬拥幕瑒?dòng)，斷層的運(yùn)動(dòng)模式和相關(guān)的地震活動(dòng)性受斷層中一個(gè)或多個(gè)鎖固段所控制?！版i固段”可定義為在斷層面上具有較高強(qiáng)度且在地震中釋放較大地震矩的部位。例如在斷層面上的不同類型、尺寸不一的凸起體，包括兩斷層面之間的非均勻接觸體、另一個(gè)破裂區(qū)域內(nèi)斷層面的未破裂區(qū)段、以及蠕滑區(qū)段內(nèi)的鎖固區(qū)域。一旦所有的鎖固段被突破，主震將不可避免地發(fā)生。

通過(guò)建立孕震斷層中鎖固段的臨界破壞—斷裂力學(xué)與其蠕變過(guò)程聯(lián)系，秦四清發(fā)現(xiàn)，每個(gè)鎖固段斷裂點(diǎn)與加速應(yīng)變能釋放起點(diǎn)的累積的應(yīng)變之比，有著依賴于鎖固段個(gè)數(shù)的指數(shù)律關(guān)系。

經(jīng)過(guò)相當(dāng)數(shù)量地震實(shí)例的回溯性預(yù)測(cè)分析表明，這一指數(shù)律能可靠地應(yīng)用于中等強(qiáng)度預(yù)震和主震的預(yù)測(cè)。該方法能夠在地震的中期、短期以及臨震預(yù)報(bào)方面發(fā)揮作用。

實(shí)際上一個(gè)孕震斷層可能包含多個(gè)鎖固段。秦四清以兩個(gè)鎖固段為例做進(jìn)一步分析。在構(gòu)造荷載作用下，大量的應(yīng)變能積聚在鎖固段處。假設(shè)第一個(gè)鎖固段的強(qiáng)度低于第二個(gè)鎖固段，在剪應(yīng)力集中作用下，在某一應(yīng)變值時(shí)第一個(gè)鎖固段將破壞。

隨后，剪應(yīng)力將施加于第二個(gè)鎖固段上，以連鎖反應(yīng)的方式導(dǎo)致第二個(gè)鎖固段破壞。在最后一個(gè)鎖固段破壞后，主震將發(fā)生。失穩(wěn)點(diǎn)的臨界應(yīng)變與加速應(yīng)變始點(diǎn)值和鎖固段的數(shù)目有關(guān)，而與鎖固段的尺寸和強(qiáng)度無(wú)關(guān)。表征大地震孕震過(guò)程的是一個(gè)常數(shù)（1.48）。

數(shù)據(jù)表明，累積Benioff應(yīng)變－時(shí)間曲線提供了判斷地震活動(dòng)性的豐富信息。在曲線上一個(gè)明顯的臺(tái)階形狀意味著應(yīng)變速率的迅速增長(zhǎng)與一個(gè)鎖固段的臨界破壞和斷裂錯(cuò)動(dòng)過(guò)程有關(guān)，之后低速的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)歸于下一個(gè)鎖固段承載力的施加。在最后一個(gè)鎖固段破壞前，每一個(gè)鎖固段的臨界破壞—斷裂過(guò)程表示一個(gè)中級(jí)或大級(jí)別預(yù)震的產(chǎn)生過(guò)程；在最后一個(gè)鎖固段破壞之后，主震將發(fā)生！

地震預(yù)測(cè)：必須強(qiáng)調(diào)歷史過(guò)程

通常而言，地震的預(yù)測(cè)包含四個(gè)要素：震中位置、震源深度、發(fā)震時(shí)間、震級(jí)。秦四清根據(jù)對(duì)大量地震的實(shí)例的分析總結(jié)，提出了地震四要素的預(yù)測(cè)方法。

首先，因大震前的震群與未來(lái)大震都屬于同一個(gè)鎖固體，兩者的震中位置相距不會(huì)太遠(yuǎn)，實(shí)際預(yù)測(cè)時(shí)可結(jié)合震群出現(xiàn)的位置和地震空區(qū)，估計(jì)未來(lái)大地震的震中位置。其次，因震群震源深度的集中范圍為未破裂鎖固體的深度上下限范圍，可根據(jù)最近震群震源深度的區(qū)間，估計(jì)未來(lái)大震震源深度的上下限區(qū)間。第三，根據(jù)對(duì)特定地區(qū)（帶）的地震活動(dòng)性觀測(cè)，通過(guò)實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)，當(dāng)累積Benioff應(yīng)變監(jiān)測(cè)值接近或達(dá)到臨界失穩(wěn)應(yīng)變值時(shí)，可認(rèn)為大地震隨時(shí)可被適當(dāng)?shù)臄_動(dòng)觸發(fā)。根據(jù)相當(dāng)數(shù)量的地震實(shí)例分析，如果達(dá)到臨界應(yīng)變值時(shí)，大地震還未發(fā)生，則延遲時(shí)間一般也不超過(guò)4個(gè)月。對(duì)于震級(jí)的預(yù)測(cè)，秦四清亦在相關(guān)論文中給出了詳細(xì)的計(jì)算公式。

秦四清根據(jù)相當(dāng)數(shù)量大震實(shí)例的分析與總結(jié)，得出了孕震周期的時(shí)間起點(diǎn)確定原則、孕震空間尺度確定原則、孕震時(shí)空范圍內(nèi)能量積累與釋放的能量守恒原則以及孕震規(guī)律合理性檢驗(yàn)原則。根據(jù)這四項(xiàng)基本原則，并結(jié)合斷裂分布與地震活動(dòng)性，還可劃分合理的孕震時(shí)空范圍。需要強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)大震震級(jí)與震中位置的預(yù)測(cè)，應(yīng)根據(jù)地震活動(dòng)性監(jiān)測(cè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，以逐漸接近實(shí)際情況。

秦四清建議采用如下工作步驟來(lái)確定合理的孕震時(shí)空范圍：先基于活動(dòng)斷裂與大于一定震級(jí)的地震活動(dòng)性分布關(guān)系、非發(fā)震斷裂的邊界控制條件、地震條帶與地震空區(qū)空間展布等，初步擬定多種孕震空間范圍的不同組合方案；然后根據(jù)以上四項(xiàng)基本原則檢驗(yàn)孕震空間與時(shí)間尺度劃分方案的合理性，盡可能用多個(gè)歷史大震進(jìn)行多點(diǎn)檢驗(yàn)，直至篩選出最佳方案。

在孕震區(qū)確定后，還可根據(jù)地震活動(dòng)的空間差異性，再細(xì)分出地震帶，研究各地震帶強(qiáng)震之間的聯(lián)系，并可解釋強(qiáng)震鏈?zhǔn)桨l(fā)震的機(jī)理。

強(qiáng)震孕育過(guò)程：遵循能量守恒原理

新的事物總是很容易受到否定與質(zhì)疑，秦四清的理論方法同樣如此。為了從理論和技術(shù)層面探討該方法的適用性，秦四清專門針對(duì)地震預(yù)報(bào)研究中某些有爭(zhēng)議的問(wèn)題進(jìn)行了討論。

自組織臨界性（SOC）指的是，一個(gè)具有持續(xù)的能量供給、由很多基本單元組成、組成系統(tǒng)的基本單元之間具有（非線性的）相互作用的系統(tǒng)，會(huì)自發(fā)地演化到一個(gè)類似于臨界狀態(tài)的狀態(tài)。目前國(guó)際上圍繞地震預(yù)測(cè)問(wèn)題的爭(zhēng)論，很大程度上與地震的自組織臨界性（SOC）模型有關(guān)。根據(jù)地震的SOC模型，地震預(yù)測(cè)被認(rèn)為是不可能的。Geller等（1997）認(rèn)為：“地球是處在一種自組織臨界狀態(tài)上的，其中任何小地震都有可能級(jí)聯(lián)式地發(fā)展成一個(gè)大地震。這一想法得到除特大地震之外的所有地震的尺度不變性的觀測(cè)事實(shí)的支持?！比绻厍蚩偸翘幱谧越M織臨界狀態(tài)，那么地震真的不能被預(yù)測(cè)。

但根據(jù)秦四清等人的實(shí)例分析，在某個(gè)鎖固段變形到臨界破壞（膨脹）－斷裂階段，在此處的地質(zhì)體處于自組織臨界狀態(tài)；在其斷裂后下一個(gè)鎖固段臨界破壞前，系統(tǒng)又脫離了臨界狀態(tài)，其演化過(guò)程的自組織臨界狀態(tài)是間斷出現(xiàn)的，不是總處于臨界狀態(tài)。

接著，秦四清又對(duì)大地震孕震過(guò)程中是否存在混沌性進(jìn)行了分析。混沌效應(yīng)是1963年Lorenz在研究大氣對(duì)流的穩(wěn)定性時(shí)發(fā)現(xiàn)的，它的最大特點(diǎn)是對(duì)初值的極其敏感性。正如著名的“蝴蝶效應(yīng)”指出：巴西的一只蝴蝶拍拍翅膀，就可能導(dǎo)致美國(guó)德克薩斯州的一場(chǎng)龍卷風(fēng)。根據(jù)混沌動(dòng)力學(xué)理論，不少學(xué)者推斷地質(zhì)系統(tǒng)如斜坡系統(tǒng)、孕震系統(tǒng)在其演化過(guò)程中存在著混沌性，因此得到了地質(zhì)災(zāi)害的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)是不可能準(zhǔn)確的，甚至是不可能預(yù)測(cè)的結(jié)論。

然而，秦四清的分析卻鮮明地指出，在鎖固段開(kāi)始膨脹前，系統(tǒng)可能有混沌性，其未來(lái)的演化路徑可能有多種選擇；但在其膨脹開(kāi)始后，除非發(fā)生大幅的減載作用，否則系統(tǒng)肯定向失穩(wěn)態(tài)演化，但其失穩(wěn)時(shí)間受控于動(dòng)力環(huán)境條件與觸發(fā)因素。這說(shuō)明在所關(guān)注的地質(zhì)體演化到膨脹點(diǎn)后，系統(tǒng)的演化將遵循確定性的規(guī)律，不會(huì)有混沌現(xiàn)象出現(xiàn)。

最后，秦四清談到了爭(zhēng)論的焦點(diǎn)——大地震可以預(yù)報(bào)嗎？“對(duì)于含多個(gè)鎖固段的孕震斷層，即使鎖固段的數(shù)目未知，結(jié)合地震活動(dòng)性觀測(cè)，我們?nèi)钥梢岳门R界應(yīng)變準(zhǔn)則進(jìn)行逐步的大地震發(fā)生時(shí)間與震級(jí)大小預(yù)測(cè)；同時(shí)通過(guò)動(dòng)態(tài)追蹤沿孕震斷層的預(yù)震活動(dòng)性區(qū)域，推測(cè)較大震級(jí)預(yù)震與主震的發(fā)生地點(diǎn)，”秦四清說(shuō)。

盡管從現(xiàn)有技術(shù)角度看，地球是不可入的且某些物理參量難以直接測(cè)定，但主震前的每次中、小地震活動(dòng)都是對(duì)沿?cái)鄬用婊瑒?dòng)位移的一次測(cè)度，Benioff應(yīng)變是反映深部位移的一個(gè)可靠參量，因此可以不去測(cè)定地球深部的其他物理細(xì)節(jié)和指標(biāo)；再者在鎖固段演化到膨脹點(diǎn)后，孕震系統(tǒng)將遵循確定性的規(guī)律，即沒(méi)有混沌性。因此可以確認(rèn)，至少在理論上和現(xiàn)有的技術(shù)層面上，大地震或特大地震是可以預(yù)測(cè)的?！笆澜缟献钣幸?guī)律、最按‘規(guī)則出牌’的自然現(xiàn)象就是大地震的孕育發(fā)展過(guò)程，其孕震過(guò)程雖然復(fù)雜，但受常數(shù)‘1.48’的控制。強(qiáng)震孕育過(guò)程遵循著世人公認(rèn)的能量守恒原理，世界上不存在所謂的孤立型地震?！?/p>

2010年9月，秦四清的地震預(yù)測(cè)研究基本完成，給出了我國(guó)各地震區(qū)未來(lái)強(qiáng)震四要素的預(yù)測(cè)結(jié)果，該研究成果總結(jié)在《中國(guó)未來(lái)強(qiáng)震預(yù)測(cè)》文集中，其中包含許多知名震例的孕震過(guò)程與預(yù)測(cè)分析結(jié)果，如唐山、邢臺(tái)、汶川與玉樹(shù)等地震。他說(shuō)：“如果我們的預(yù)測(cè)理論和方法能早日問(wèn)世的話，這些大地震都能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。”此外，他在文集中還對(duì)未來(lái)預(yù)測(cè)強(qiáng)震與減災(zāi)防災(zāi)應(yīng)該研究的重點(diǎn)提出了具體建議。

專家檔案：秦四清，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所研究員，主要從事工程地質(zhì)、巖土力學(xué)與巖土工程的研究；任中國(guó)工程地質(zhì)專業(yè)委員會(huì)委員與巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)理事，《巖土工程學(xué)報(bào)》、《工程地質(zhì)學(xué)報(bào)》編委；11999977年獲國(guó)際工程地質(zhì)與環(huán)境學(xué)會(huì)RRiicchhaarrdd WWoolltteerrss獎(jiǎng)，為亞洲人首次獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)；11999988年入選中國(guó)科學(xué)院“百人計(jì)劃”；22000099年獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。