努力構(gòu)筑地震系統(tǒng)科學(xué)＊

岡田義光

（日本防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究所）

引言

人們對于地震預(yù)報的期待在任何時代都是非常強烈的。

日本文部省科學(xué)技術(shù)政策研究所從1971年開始，幾乎每五年實施一次采用被稱之為“特爾斐預(yù)測法”（匯集專家們的意見預(yù)測未來技術(shù)發(fā)展的調(diào)查方法）的今后30年的技術(shù)預(yù)測調(diào)查，由約4 000名第一線的研究人員來預(yù)測日本未來的發(fā)展。其中，“要能夠以幾個月的精度預(yù)測M7地震”的項目，常常是占重要位置的期盼。

在特爾斐預(yù)測法調(diào)查中，可舉出一些與電子學(xué)或宇宙技術(shù)有關(guān)的預(yù)測項目已相繼變?yōu)楝F(xiàn)實，在以后的調(diào)查中就不存在了。相反，與地震預(yù)報有關(guān)的技術(shù)作為調(diào)查結(jié)果的?？晚椖棵看味急惶岢?。也就是說，預(yù)報仍未實現(xiàn)。像海市蜃樓一樣，每次仍登場。為了打破這種現(xiàn)狀，實實在在地推動實現(xiàn)地震預(yù)報，我們究竟該做些什么呢？

1 模擬的作用

日本的地震預(yù)報計劃以1995年的阪神大地震為契機，從過去把重點放在發(fā)現(xiàn)前兆現(xiàn)象的經(jīng)驗性方法，到了解地震發(fā)生全過程并進行預(yù)報的這種基礎(chǔ)科學(xué)研究方向發(fā)展。在硬件和軟件兩方面的研究正不斷推進，希望不久的將來能結(jié)出碩果。

構(gòu)成目前地震預(yù)報計劃的主流思想是，一方面要盡可能準確地把握詳細的地殼構(gòu)造和準確的地殼活動狀況，另一方面要開展符合實際的各種模擬研究，將從中獲得的預(yù)測結(jié)果與實際觀測結(jié)果進行比較，相互反饋，由此了解地震現(xiàn)象的本質(zhì)，做出科學(xué)的地震預(yù)報這一思路。

這里，觀測體制的充實和觀測技術(shù)的進步，要求理論性的地震發(fā)生模式和精密觀測數(shù)據(jù)的模擬研究一起大發(fā)展。但是，目前認為模擬獲得的研究成果終究只是解釋了過去的觀測結(jié)果。

模擬研究的真正價值在于，它能夠科學(xué)地預(yù)測今后應(yīng)該出現(xiàn)的現(xiàn)象，并提出為了證明這個預(yù)測最好應(yīng)該在哪里進行怎樣的觀測的觀測方向。有了這個觀測方向，觀測與模擬才有可能從同等的立場出發(fā)，相互進行反饋。我們期盼著今后模擬研究日益發(fā)展，不斷具備這樣的實力。

2 模擬研究的方向性

關(guān)于地震預(yù)報系統(tǒng)重要環(huán)節(jié)之一的模擬技術(shù)，近年已有長足的進步。但是，作為今后的方向，我想有兩個應(yīng)該繼續(xù)推進研究的問題。其一是實現(xiàn)沒有人為領(lǐng)域界限的全球模擬化；另一個就是，向板塊邊界和斷層面邊界引進不連續(xù)構(gòu)造。

首先，在通常進行的模擬研究中，大多是采用設(shè)定某一個有限的對象領(lǐng)域，從它的外部給予一定的力和使其運動的構(gòu)圖方式。但是，這種人為設(shè)定邊界的做法，將成為對模擬過程中的反射或吸收等現(xiàn)象的模擬結(jié)果造成不利影響的原因。還有，設(shè)想一定的外力等的做法還具有不能確切地運用作用與反作用原理的危險。

為了避開這些難點，最理想的就是應(yīng)該考慮把地球整體看作是一個封閉的自律的體系，把它作為模擬的對象。在氣候變化的領(lǐng)域，把地區(qū)整體的大氣和海洋作為一個體系處理的“全球模式”將成為研究的對象。而關(guān)于地震科學(xué)，應(yīng)將固體地球整體地設(shè)定為“全球模式”完整處理。進而，將它視為一個熱機關(guān)，通過實施所謂空間和時間尺度上的模擬研究，希望能夠構(gòu)筑讓板塊運動或地震、火山現(xiàn)象自然發(fā)生的模式?？梢哉f，在某種意義上這也是再現(xiàn)地球歷史的某些現(xiàn)象的一次嘗試。

第二個是把板塊邊界或斷層面邊界視為具有不連續(xù)體的離散接觸的構(gòu)造的思路。在連續(xù)體的力學(xué)中，伴隨斷層面產(chǎn)生的向周圍擴散的應(yīng)變影響與距離的3次方成反比而變小，所以，要說明遠隔地的地震誘發(fā)等現(xiàn)象是非常困難的。與此相反，考慮由有限個混雜物體支持的邊界面發(fā)生破裂時，會很容易想到，一個混雜物體的破裂會給遠隔地的混雜物體很大負荷，引起連鎖性破裂。

最近，設(shè)定與凸凹等構(gòu)造相對應(yīng)的摩擦參數(shù)非均質(zhì)分布的邊界面，模仿斷層滑動的模擬研究非常盛行，這些研究似乎相當成功。今后要進一步發(fā)展這種方法，例如，將離散的接觸點引入呈相似圖形分布的邊界面，預(yù)測斷層滑動的多種動向等，我們期待這一預(yù)測思路的研究進展。

3 地震發(fā)生的物理模式

如前所述，為了實現(xiàn)基于科學(xué)依據(jù)的真正的地震預(yù)報，我們歸根結(jié)底必須要了解地球這個巨大系統(tǒng)自身的現(xiàn)象，以及了解其中產(chǎn)生地震這一現(xiàn)象的過程，在觀測和模擬的基礎(chǔ)上進行科學(xué)的預(yù)測。

但是，這種用于預(yù)報所使用的地震發(fā)生模式并非只有一種。目前，作為地震發(fā)生物理模式，最受關(guān)注接受且獲成功的就是根據(jù)摩擦構(gòu)成法則建立的震源核形成模式[1]，以及在此基礎(chǔ)上實施的非均質(zhì)斷層滑動的模擬研究。根據(jù)其理論，有望觀測到在地震發(fā)生之前出現(xiàn)的預(yù)滑動現(xiàn)象。在監(jiān)視東海地震的地震防災(zāi)對策強化區(qū)域判定會上也認為，采用體積應(yīng)變儀檢測出預(yù)滑動是預(yù)報東海地震的唯一依據(jù)。

但目前世界上任何地方都沒有觀測到確實的預(yù)滑動現(xiàn)象。即便是在布設(shè)了高密度高靈敏度觀測網(wǎng)的日本，在最近發(fā)生的大地震的震源近旁也沒有捕捉到預(yù)滑動。與東海地震相關(guān)的1944年南海地震發(fā)生之前，掛川附近發(fā)現(xiàn)的異常傾斜變化被認為是支持預(yù)滑動出現(xiàn)的有力材料，但對它的解釋也有人提出了疑問[2]。

這種狀態(tài)下，光靠預(yù)滑動理論支撐地震預(yù)報體系能行嗎？換言之，也就是說，只把建立在摩擦構(gòu)成法則上的模擬作為唯一的地震發(fā)生模式的研究是正確的嗎？

20世紀70年代，也曾有過將地震發(fā)生模式的擴容理論[3]作為地震預(yù)報決定性的時代。當時，它是能夠?qū)Ξ惓５匦巫?、地震波速度變化和地下水中氡濃度變化等地震發(fā)生前兆統(tǒng)一給以說明，對地震預(yù)報未來充滿曙光的理論。但隨著觀測精密化，人們對前兆現(xiàn)象的存在本身也提出了質(zhì)疑，該理論今天也已失寵。

那么，預(yù)測預(yù)滑動現(xiàn)象出現(xiàn)的摩擦構(gòu)成法則的模擬研究，能夠作為代替它的唯一的地震發(fā)生模式處于主導(dǎo)地位嗎？冷靜地想想看，在至今尚沒有確切的觀測實例這一點上，也可以說它與擴容理論的場合和狀況沒有多大區(qū)別。

至少，作為摩擦構(gòu)成法則的模擬研究，對于期待的信息水平過低，或預(yù)想的前兆時間過短，即便是沒有觀測到，也應(yīng)該通過模擬本身來證明這其中不得已的理由吧。再者不能只限于依靠摩擦構(gòu)成法則的模擬研究，還應(yīng)須盡最大的努力，開發(fā)研究建立在與迄今為止完全不同的思路上的新的地震發(fā)生模式。

4 面向地震系統(tǒng)科學(xué)的研究

安蕓（2002）[4]提出，應(yīng)用標準的模式這一概念匯集地震的科學(xué)信息，并在此基礎(chǔ)上，提供包括地震預(yù)報在內(nèi)的面向公眾社會的信息。其中強調(diào)了在預(yù)報科學(xué)方面，要根據(jù)有限的數(shù)據(jù)提出盡可能多的模式，展開多視角的想象和綜合其細節(jié)的重要性。針對地震這一極其復(fù)雜的地學(xué)現(xiàn)象，要依靠一個萬能的模式進行預(yù)報，本質(zhì)上說，是很勉為其難的，我們要讓盡可能多的科學(xué)研究人員開發(fā)多種多樣的模式，努力探尋更多的可能性。

要不斷地意識監(jiān)測與模式研制之間的精密結(jié)合，提出更具機動靈活和想象力的研究各種地震發(fā)生物理模式的方案，開發(fā)構(gòu)筑將這些研究作為一個整體的“地震系統(tǒng)科學(xué)”。由此，希望在不久的將來，實現(xiàn)科學(xué)的可靠的地震預(yù)報。

[1]Dieterich J H.A model for the nucleation of earthquake slip.AGU Geophys.Mono.，1986，37：37-47

[2]鷺谷 威.1944年東南海地震の前兆的地殼變動再考.月刊地球，2004，26（11）：746-753

[3]Scholz C H，Sykes L R，Aggarwal Y P.Earthquake predition：A physical basis.Science，1973，181：803-810

[4]安蕓敬一.地震予知のための物理モデル序說.地震ジャ－ナル，2002，33：1-8