本刊記者 黃為軍 王 輝

大地震可以預測嗎？
——訪中國科學院地質(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28分，四川汶川、北川，8級強震猝然襲來，大地顫抖，山河移位，滿目瘡痍，生離死別……西南處，國有殤。這是新中國成立以來破壞性最強、波及范圍最大的一次地震。此次地震重創(chuàng)約50萬平方公里的中國大地！

2010年4月14日，強震再度來襲。當日早晨，青海省玉樹縣發(fā)生兩次地震，最高震級達7.1級，截止5月30日下午18時，玉樹地震已造成2698人遇難。

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

強震預測：無解的科學難題？

大地震具有突發(fā)性、強烈破壞性和難以預測性等特點，常給人類帶來沉重的災難和巨大的經(jīng)濟損失。無情的大地震激發(fā)著人們不斷地對地震的成因及其預測進行探索與研究。自19世紀70年代后期現(xiàn)代地震學創(chuàng)立以來的130余年里，地震預測便一直是地震學研究的主要問題之一。地震預測是公認的世界性科學難題，如能同時準確地預測出未來大地震的地點、時間和強度，無疑可以拯救數(shù)以萬計乃至數(shù)十萬計生活在地震危險區(qū)的人民的生命；并且如果能預先采取恰當?shù)姆婪洞胧?，就有可能最大限度地減輕地震對建筑物等設施的破壞，減少地震造成的經(jīng)濟損失。

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

地震預測的進展主要受到地球內(nèi)部的“不可入性”、大地震的“非頻發(fā)性”以及地震物理過程的復雜性等困難的制約，所以，許多地震學家認為，地震、火山噴發(fā)以及滑坡等災害的預報是不可能的。其中，孕震區(qū)幾何與地質(zhì)條件的復雜性、斷裂帶應力的不可量測性、地球介質(zhì)的非均勻性以及孕震過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的嚴重災害，地震預測問題必須解決。

唐山、汶川和玉樹地震，是國人永恒的痛。而對于中科院地質(zhì)與地球物理研究所的秦四清來說，更是如此。然而今天，當再次面對“大地震是否可以預測”這樣的問題，秦四清的回答卻顯得堅定又自信：“我們的研究表明，雖然大地震和特大地震的孕育過程千差萬別且十分復雜，但他們的孕育過程仍遵循著一個基本、確定乃至簡單的力學規(guī)律，大地震是可以預測的?！?/p>

觸類旁通 靈光閃現(xiàn)

從上世紀90年代起，秦四清就一直致力于滑坡和地震的預測研究工作。然而十多年過去了，對于滑坡和地震的機理的研究始終未能取得突破性進展。

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理。一通百通，自此，他們的研究工作開始不斷取得實質(zhì)性進展。從2010年5月開始，秦四清基本摸清了地震孕育過程的共性規(guī)律，并開始著手進行理論驗證工作。根據(jù)這一規(guī)律，從內(nèi)蒙古、華北、華南一直到臺灣、甘肅、青海、寧夏等省份和地區(qū)所發(fā)生的大地震，無一不驗證了秦四清的理論的正確性?！爸灰业降卣鹪杏墓残砸?guī)律，地震難以預報的時代就將結束，”秦四清頗有底氣地說道。

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測理論的。有史以來，同屬于地質(zhì)災害之列的地震、滑坡、火山噴發(fā)、泥石流、崩塌等自然災害的預測預報科學一直是業(yè)界的技術難題。秦四清在研究滑坡與崩塌預測理論的過程中，發(fā)現(xiàn)了一個共性的規(guī)律，將之用于地震與巖爆預測都取得了很好的預測效果。通過對40個崩滑、105個地震、5個巖爆實例的驗證，表明地質(zhì)體的破壞都遵循這個統(tǒng)一規(guī)律。

“地震像室內(nèi)巖樣加載破裂過程一樣，在巖石變形到膨脹點時，微破裂會向未來的主破裂面叢集，出現(xiàn)震群，震群是唯一的大地震活動性前兆，建立了震群與未來大震的力學聯(lián)系，大震預測問題也就迎刃而解了，”秦四清解釋道。2010年4月14日的青海玉樹地震，在大震發(fā)生兩小時前，有一個4.7級的地震發(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”，可準確判定該事件發(fā)生后孕震系統(tǒng)已接近臨界點，并可作出臨震預報， 從而能夠?qū)⒌卣饟p失盡量降低。

最后一個鎖固段破壞之后，主震將發(fā)生！

“大千世界中，表面現(xiàn)象大都是復雜的，而論其內(nèi)在，越是深層次去探究就會發(fā)現(xiàn)本質(zhì)其實很簡單。就像是牛頓力學定律、愛因斯坦的相對論一樣。地震也是同樣的，沒有探究出本質(zhì)，就感覺是深不可測、遙不可及是不對的。大自然法則都是有規(guī)律可循的，地震災害當然也不例外?！痹趥鹘y(tǒng)理論遭遇瓶頸，人們對地震預測的前景表示擔憂的時候，秦四清卻信心滿滿。

他指出，地震源自于沿斷層的滑動，斷層的運動模式和相關的地震活動性受斷層中一個或多個鎖固段所控制。“鎖固段”可定義為在斷層面上具有較高強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。

通過建立孕震斷層中鎖固段的臨界破壞—斷裂力學與其蠕變過程聯(lián)系，秦四清發(fā)現(xiàn)，每個鎖固段斷裂點與加速應變能釋放起點的累積的應變之比，有著依賴于鎖固段個數(shù)的指數(shù)律關系。

經(jīng)過相當數(shù)量地震實例的回溯性預測分析表明，這一指數(shù)律能可靠地應用于中等強度預震和主震的預測。該方法能夠在地震的中期、短期以及臨震預報方面發(fā)揮作用。

實際上一個孕震斷層可能包含多個鎖固段。秦四清以兩個鎖固段為例做進一步分析。在構造荷載作用下，大量的應變能積聚在鎖固段處。假設第一個鎖固段的強度低于第二個鎖固段，在剪應力集中作用下，在某一應變值時第一個鎖固段將破壞。

隨后，剪應力將施加于第二個鎖固段上，以連鎖反應的方式導致第二個鎖固段破壞。在最后一個鎖固段破壞后，主震將發(fā)生。失穩(wěn)點的臨界應變與加速應變始點值和鎖固段的數(shù)目有關，而與鎖固段的尺寸和強度無關。表征大地震孕震過程的是一個常數(shù)（1.48）。

數(shù)據(jù)表明，累積Benioff應變－時間曲線提供了判斷地震活動性的豐富信息。在曲線上一個明顯的臺階形狀意味著應變速率的迅速增長與一個鎖固段的臨界破壞和斷裂錯動過程有關，之后低速的應變增長歸于下一個鎖固段承載力的施加。在最后一個鎖固段破壞前，每一個鎖固段的臨界破壞—斷裂過程表示一個中級或大級別預震的產(chǎn)生過程；在最后一個鎖固段破壞之后，主震將發(fā)生！

地震預測：必須強調(diào)歷史過程

通常而言，地震的預測包含四個要素：震中位置、震源深度、發(fā)震時間、震級。秦四清根據(jù)對大量地震的實例的分析總結，提出了地震四要素的預測方法。

首先，因大震前的震群與未來大震都屬于同一個鎖固體，兩者的震中位置相距不會太遠，實際預測時可結合震群出現(xiàn)的位置和地震空區(qū)，估計未來大地震的震中位置。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，估計未來大震震源深度的上下限區(qū)間。第三，根據(jù)對特定地區(qū)（帶）的地震活動性觀測，通過實時更新數(shù)據(jù)，當累積Benioff應變監(jiān)測值接近或達到臨界失穩(wěn)應變值時，可認為大地震隨時可被適當?shù)臄_動觸發(fā)。根據(jù)相當數(shù)量的地震實例分析，如果達到臨界應變值時，大地震還未發(fā)生，則延遲時間一般也不超過4個月。對于震級的預測，秦四清亦在相關論文中給出了詳細的計算公式。

秦四清根據(jù)相當數(shù)量大震實例的分析與總結，得出了孕震周期的時間起點確定原則、孕震空間尺度確定原則、孕震時空范圍內(nèi)能量積累與釋放的能量守恒原則以及孕震規(guī)律合理性檢驗原則。根據(jù)這四項基本原則，并結合斷裂分布與地震活動性，還可劃分合理的孕震時空范圍。需要強調(diào)的是，對大震震級與震中位置的預測，應根據(jù)地震活動性監(jiān)測進行動態(tài)修正，以逐漸接近實際情況。

秦四清建議采用如下工作步驟來確定合理的孕震時空范圍：先基于活動斷裂與大于一定震級的地震活動性分布關系、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)以上四項基本原則檢驗孕震空間與時間尺度劃分方案的合理性，盡可能用多個歷史大震進行多點檢驗，直至篩選出最佳方案。

在孕震區(qū)確定后，還可根據(jù)地震活動的空間差異性，再細分出地震帶，研究各地震帶強震之間的聯(lián)系，并可解釋強震鏈式發(fā)震的機理。

強震孕育過程：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。為了從理論和技術層面探討該方法的適用性，秦四清專門針對地震預報研究中某些有爭議的問題進行了討論。

自組織臨界性（SOC）指的是，一個具有持續(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)，會自發(fā)地演化到一個類似于臨界狀態(tài)的狀態(tài)。目前國際上圍繞地震預測問題的爭論，很大程度上與地震的自組織臨界性（SOC）模型有關。根據(jù)地震的SOC模型，地震預測被認為是不可能的。Geller等（1997）認為：“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聯(lián)式地發(fā)展成一個大地震。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事實的支持。”如果地球總是處于自組織臨界狀態(tài)，那么地震真的不能被預測。

但根據(jù)秦四清等人的實例分析，在某個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)；在其斷裂后下一個鎖固段臨界破壞前，系統(tǒng)又脫離了臨界狀態(tài)，其演化過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，秦四清又對大地震孕震過程中是否存在混沌性進行了分析?；煦缧?963年Lorenz在研究大氣對流的穩(wěn)定性時發(fā)現(xiàn)的，它的最大特點是對初值的極其敏感性。正如著名的“蝴蝶效應”指出：巴西的一只蝴蝶拍拍翅膀，就可能導致美國德克薩斯州的一場龍卷風。根據(jù)混沌動力學理論，不少學者推斷地質(zhì)系統(tǒng)如斜坡系統(tǒng)、孕震系統(tǒng)在其演化過程中存在著混沌性，因此得到了地質(zhì)災害的長期預測是不可能準確的，甚至是不可能預測的結論。

然而，秦四清的分析卻鮮明地指出，在鎖固段開始膨脹前，系統(tǒng)可能有混沌性，其未來的演化路徑可能有多種選擇；但在其膨脹開始后，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)時間受控于動力環(huán)境條件與觸發(fā)因素。這說明在所關注的地質(zhì)體演化到膨脹點后，系統(tǒng)的演化將遵循確定性的規(guī)律，不會有混沌現(xiàn)象出現(xiàn)。

最后，秦四清談到了爭論的焦點——大地震可以預報嗎？“對于含多個鎖固段的孕震斷層，即使鎖固段的數(shù)目未知，結合地震活動性觀測，我們?nèi)钥梢岳门R界應變準則進行逐步的大地震發(fā)生時間與震級大小預測；同時通過動態(tài)追蹤沿孕震斷層的預震活動性區(qū)域，推測較大震級預震與主震的發(fā)生地點，”秦四清說。

盡管從現(xiàn)有技術角度看，地球是不可入的且某些物理參量難以直接測定，但主震前的每次中、小地震活動都是對沿斷層面滑動位移的一次測度，Benioff應變是反映深部位移的一個可靠參量，因此可以不去測定地球深部的其他物理細節(jié)和指標；再者在鎖固段演化到膨脹點后，孕震系統(tǒng)將遵循確定性的規(guī)律，即沒有混沌性。因此可以確認，至少在理論上和現(xiàn)有的技術層面上，大地震或特大地震是可以預測的。“世界上最有規(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)展過程，其孕震過程雖然復雜，但受常數(shù)‘1.48’的控制。強震孕育過程遵循著世人公認的能量守恒原理，世界上不存在所謂的孤立型地震?！?/p>

2010年9月，秦四清的地震預測研究基本完成，給出了我國各地震區(qū)未來強震四要素的預測結果，該研究成果總結在《中國未來強震預測》文集中，其中包含許多知名震例的孕震過程與預測分析結果，如唐山、邢臺、汶川與玉樹等地震。他說：“如果我們的預測理論和方法能早日問世的話，這些大地震都能準確預測?！贝送?，他在文集中還對未來預測強震與減災防災應該研究的重點提出了具體建議。

專家檔案：秦四清，中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所研究員，主要從事工程地質(zhì)、巖土力學與巖土工程的研究；任中國工程地質(zhì)專業(yè)委員會委員與巖石力學與工程學會理事，《巖土工程學報》、《工程地質(zhì)學報》編委；11999977年獲國際工程地質(zhì)與環(huán)境學會RRiicchhaarrdd WWoolltteerrss獎，為亞洲人首次獲得該獎項；11999988年入選中國科學院“百人計劃”；22000099年獲國家科技進步二等獎。