預(yù)測地震的“水晶球”大都云霧重重＊

Richard A Kerr

中圖分類號: P315.7; 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: D; doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2011.07.001

預(yù)測地震的“水晶球”大都云霧重重＊

Richard A Kerr

中圖分類號: P315.7;文獻(xiàn)標(biāo)識碼: D;doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2011.07.001

地震預(yù)測失敗,地震學(xué)家便嘗試更加模糊的預(yù)報,但最近發(fā)生在日本的超大地震再次提醒人們,這種方法也存在諸多缺陷。

當(dāng)2011年3月的災(zāi)難性地震使東京以北地區(qū)產(chǎn)生強烈震動時,沒有人預(yù)見到如此規(guī)模的超大地震的來臨。“日本科學(xué)家屬世界上最好的科學(xué)家之列,他們擁有最好的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò),”位于加州MenloPark的美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)地球物理學(xué)家Ross Stein說道?！昂茈y想象別人的預(yù)報工作會做得更好。沒有一個小組的工作會令所有人都感到滿意?！?/p>

同樣,在中國、新西蘭和美國加州,最近發(fā)生的地震也使科學(xué)家面臨的預(yù)測未來的問題顯得尤為突出。預(yù)期發(fā)生較小地震的地方卻發(fā)生了驚人的大地震——比如在日本(參見圖1);一條未被察覺的斷層在遠(yuǎn)離明顯處于危險狀態(tài)的斷層的地方斷裂——比如在新西蘭。而且,最令人不安的是,官方預(yù)測實行了20多年以后,地球科學(xué)家仍不知道對自己預(yù)警工作的信任度究竟該有多高。在令人驚奇的事件發(fā)生之前,“我們確實不能區(qū)分哪些是成功的預(yù)報,哪些是不成功的預(yù)報”,Stein說。但提高預(yù)報水平已在計劃之中。

1 起初的想法很簡單

圖1 日本概率地震危險性圖。相去甚遠(yuǎn)——一次9級地震(圓形和藍(lán)色條帶)發(fā)生在被認(rèn)為地震危險性最高的地帶(紅色)以北很遠(yuǎn)的地方(原圖為彩圖)

目前地震預(yù)測研究的焦點與其幾十年前的雄心勃勃的目標(biāo)相比有所退卻。20世紀(jì)60年代和70年代,地震學(xué)家致力于“預(yù)測”:詳細(xì)說明即將發(fā)生的地震的確切時間、地點和震級。為此,科學(xué)家需要識別出斷層將要破裂的信號——一連串與眾不同的小地震、地上冒出一股氡氣的氣味、莫名其妙地出現(xiàn)煩躁不安現(xiàn)象的野生動物。遺憾的是,至今無人發(fā)現(xiàn)真正的地震前兆。到2004年帕克菲爾德(Parkfield)M6.0地震——歷史上監(jiān)測最嚴(yán)密的地震——在毫無前兆暗示的情況下襲擊圣安德烈斯斷層中段時(Science,8 October2004,Vol.306:206-207),多數(shù)研究人員已經(jīng)放棄了精確預(yù)測的嘗試。

從某種意義上講,Parkfield的確標(biāo)志著一項新戰(zhàn)略——地震預(yù)報——的早期成功實例。預(yù)報人員不是坐等警報信號的出現(xiàn),而是通過審視一條斷層上過去的地震活動習(xí)性來估算其未來的行為。他們假定一條斷層上的應(yīng)變正穩(wěn)步增大,而且一旦達(dá)到相同的破裂點,過去曾發(fā)生斷裂的同一斷層區(qū)段將來會再次發(fā)生類似的破裂。他們并不給出下一次地震將襲擊某一段斷層的具體年份或年份范圍,而是用概率的方式對其進(jìn)行表述。

USGS于1988年為圣安德烈斯斷層發(fā)布了第一次官方的地震預(yù)報(Science,22 July1988,Vol.241:413-414)。Parkfield擁有間隔大致為22年的相似地震事件的長期記錄,當(dāng)時,該區(qū)未來30年的重復(fù)概率被確定為99%。結(jié)果證明,1988年的那次預(yù)報是成功的。南部的圣克魯茲山(SantaCruz Mountains)區(qū)段在1906年舊金山地震中發(fā)生最后一次滑動,該區(qū)段30年內(nèi)再次斷裂的概率被定為30%,1989年,破裂還真的發(fā)生了。

自那以后,1988年圣安德烈斯預(yù)報再也沒有命中,但它也錯失了對多次嚴(yán)重的加州地震事件作出預(yù)報的機會。原因是:缺乏資料。地震預(yù)報“受可利用信息的高度制約”,設(shè)在Menlo Park的USGS辦公區(qū)的地震學(xué)家William Ellsworth如是說。Ellsworth曾在USGS的加州地震概率工作組(WGCEP)任職,正是該工作組發(fā)布了1988年的預(yù)報。考慮到對加州斷層歷史的了解還非常有限,WGCEP將自己的工作局限于最為熟知的幾個斷層段,這些區(qū)段大都位于圣安德烈斯斷層上。該小組不僅忽視了眾多的無關(guān)斷層,而且也忽視了穿越居住區(qū)(如舊金山灣地區(qū))的圣安德烈斯斷層的多個分支斷層。

那一焦點過于狹小,其局限性在該小組仍在發(fā)表定論時就已變得非常明了。在1987年11月23日召開的會議上,項目組成員斷定,有一條斷層(加州最南部的Superstition Hills斷層)的信息極其貧乏,妨礙了他們的預(yù)報。數(shù)小時之內(nèi),那條斷層上發(fā)生了一次M6.5地震,11個小時以后,在一條不為人知的交錯斷層上發(fā)生了一次M6.7地震。后來在一些鮮為人知的斷層上又發(fā)生了數(shù)次不測事件:1992年圣安德烈斯南段附近的Landers M7.3地震(死亡1人,損失9200萬美元)、1994年Northridge M6.7地震(死亡60人,損失200億美元)以及1999年發(fā)生在遙遠(yuǎn)的莫哈維沙漠的Hector Mine M7.1地震。

2 現(xiàn)代預(yù)言

但地震預(yù)報“20多年以來也并非完全停滯不前”,Ellsworth注意到?？茖W(xué)家現(xiàn)在掌握的斷層信息——無論斷層是大是小——要比過去多得多;同樣重要的是,他們已經(jīng)逐漸形成了一種更加敏銳的感知能力,知道在缺乏資料的情況下如何將工作進(jìn)行下去?！耙_面對地震危險性評估,就必須承認(rèn)我們還不知道地球的運作原理,”位于科羅拉多州Golden市的USGS地震學(xué)家Edward Field說道,他負(fù)責(zé)掌管下一次的加州官方預(yù)測,預(yù)期2012年完成。

Field同時注意到,過去,官方預(yù)測人員會對斷層的運作原理作出最佳預(yù)測——比如斷層的破裂長度如何以及斷層在地質(zhì)時期的滑移速度如何——并將其納入一個單一的預(yù)報模型,該模型即產(chǎn)生未來30年內(nèi)發(fā)生一次特定地震的概率。WGCEP在1988年和1995年的預(yù)報中遵循的就是這種方法。

然而,20世紀(jì)90年代末,人們開始明白僅憑單一的模型還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。“對于怎樣構(gòu)建一個統(tǒng)一的模型還沒有共識”,Field說,“所以我們構(gòu)建的模型數(shù)量必須大于一,以顧及眾多的可能的模型”。在發(fā)布2007年加州預(yù)報時,預(yù)測人員融合了480個不同的模型來產(chǎn)生單一的預(yù)報結(jié)果,其中的不確定性得到了更加清晰的界定。然而事情至此,并沒有完事大吉。Field說,現(xiàn)今的模型還不能預(yù)測實際上已經(jīng)發(fā)生的某些類型的地震,其中就包括發(fā)生在新西蘭和日本的地震。

那兩次地震“恰恰表明我們需要進(jìn)行哪些調(diào)整”,Field說。在新西蘭,2010年9月DarfieldM7.1地震發(fā)生在一條過去15000年可能都未曾破裂過的不為人知的斷層上。科學(xué)家此前意識到那一地區(qū)可能會發(fā)生類似規(guī)模的地震。新西蘭的官方預(yù)測人員估算出“背景”地震活動會導(dǎo)致某處發(fā)生一次大概萬年一遇的地震。位于Lower Hutt的新西蘭地質(zhì)與核科學(xué)研究所(GNS Science)地震學(xué)家Mark Stirling說,新西蘭的預(yù)測工作“履行了自己的職責(zé)”——但在這個事例中,信息太模糊,因此用處不大(一旦地震發(fā)生,基于主震規(guī)模的統(tǒng)計預(yù)報的確預(yù)測出了其最大余震的可能性,這次余震就是對古老建筑造成嚴(yán)重破壞的2011年2月Christchurch M6.3地震)。

在東日本大地震的事例中,罪魁禍?zhǔn)资且粋€“未知的未知因素?！必?fù)責(zé)準(zhǔn)備日本官方預(yù)測的日本地震學(xué)家認(rèn)為,延伸長度等同于東京以北主島長度的近海斷層基本上顯示出了其本性?！拔冶疽詾槲覀冋嬲J(rèn)識了東北地區(qū)”,日本京都大學(xué)地震學(xué)家James Mori說?！翱紤]到地震次數(shù)(眾多),500年的地震歷史對于地震研究而言似乎已經(jīng)足夠長了”。

根據(jù)幾個世紀(jì)以來使該斷層各個不同部分發(fā)生破裂的7～8級地震的歷史,官方的地震研究委員會曾將這一近海斷層劃分為6個區(qū)段,每一區(qū)段大概150km長。他們認(rèn)為這些區(qū)段會再次破裂,并給出了每一區(qū)段未來30年再次破裂的概率;近期官方預(yù)測的概率范圍從百分之幾一直到99%。

官方預(yù)測人員沒有將兩個區(qū)段同時破裂的可能性包含在內(nèi)。他們知道兩個相鄰區(qū)段似乎曾于1793年一起破裂,引發(fā)了一次8級地震。在2011年2月召開的會議上,他們還考慮了公元869年一次橫掃內(nèi)陸數(shù)千米的大海嘯留下的地質(zhì)證據(jù),那次海嘯襲擊的沿岸平原就是2011年3月被淹沒的平原。但他們最終斷定,由于所擁有的數(shù)據(jù)太少,他們無法設(shè)想如果兩個以上區(qū)段同時破裂會發(fā)生什么類型的地震,曾在該委員會任職的東京大學(xué)地震學(xué)家KenjiSatake說道。他又補充說,“我不認(rèn)為有人預(yù)期會發(fā)生9.0級地震”。

這次事件中,5個斷層區(qū)段在一次9.0級地震中破裂(見Science,20May2011,Vol.332:911)(由于多個斷層區(qū)段的破裂,2008年中國汶川大地震也達(dá)到了從未設(shè)想過的規(guī)模)。在日本,“這次發(fā)生的事件是一次非常不可思議的、千年一遇的事件”,Ellsworth說。最危險的地震往往非常罕見,不幸的是,正是因為非常罕見,所以這些地震研究起來也非常困難。

圖2 加州概率地震危險性圖。注意紅色部分——圣安德烈斯斷層南段發(fā)生一次加州大地震的概率最高(紅色)(原圖為彩圖)

雖然障礙重重,但水平必將不斷得到提高。加州從前的官方預(yù)測都是孤立地考慮各個斷層區(qū)段,他們忽略了那些與給新西蘭造成很大破壞的余震類似的事件。Field說,相比之下,預(yù)期于2012年完成的預(yù)測將考慮破裂延伸至鄰近斷層并使其同時破裂的可能性,如分支斷層上的破裂會延伸至圣安德烈斯主斷層。而且它也會發(fā)生余震(參見圖2——譯者注)。

地震學(xué)家也正開始利用最新發(fā)生的地震對他們的模型進(jìn)行檢驗。因為較大的地震沒有小地震那么常見,所以對大地震的預(yù)測也需要較長時間的檢驗(例如對過去5年間加州地震的檢驗只能顯示出5級以下地震的情況)。由此看來,網(wǎng)撒得越大越好?！白詈玫膽?zhàn)略就是開展全球范圍的檢驗”,Stein說。他是全球地震模型基金會(GEM Foundation)的科學(xué)委員會主席。該基金會是一個總部設(shè)在意大利Pavia的非營利機構(gòu),目前正在研制一個用作全球性預(yù)測的全球地震模型。Stein又說,由于該模型涵蓋全球,科學(xué)家應(yīng)該能夠?qū)τ趯嶋H時間長度中發(fā)生的大地震、破壞性地震的預(yù)測作出檢驗。

譯自:Science,20May2011,Vol.332:912-913

原題:Seismic crystal ball proving mostly cloudy around the world

(中國地震局地球物理研究所 左玉玲 譯)

(譯者電子信箱,左玉玲:yulingzuo@yahoo.com.cn)

2011-06-29。