Richard A Kerr

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

預(yù)測(cè)地震的“水晶球”大都云霧重重＊

Richard A Kerr

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

地震預(yù)測(cè)失敗,地震學(xué)家便嘗試更加模糊的預(yù)報(bào),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(qiáng)烈震動(dòng)時(shí),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(cè)網(wǎng)絡(luò),”位于加州MenloPark的美國(guó)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(bào)工作會(huì)做得更好。沒有一個(gè)小組的工作會(huì)令所有人都感到滿意?！?/p>

同樣,在中國(guó)、新西蘭和美國(guó)加州,最近發(fā)生的地震也使科學(xué)家面臨的預(yù)測(cè)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(xiǎn)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(cè)實(shí)行了20多年以后,地球科學(xué)家仍不知道對(duì)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(shí)不能區(qū)分哪些是成功的預(yù)報(bào),哪些是不成功的預(yù)報(bào)”,Stein說。但提高預(yù)報(bào)水平已在計(jì)劃之中。

1 起初的想法很簡(jiǎn)單

圖1 日本概率地震危險(xiǎn)性圖。相去甚遠(yuǎn)——一次9級(jí)地震(圓形和藍(lán)色條帶)發(fā)生在被認(rèn)為地震危險(xiǎn)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(cè)研究的焦點(diǎn)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(cè)”:詳細(xì)說明即將發(fā)生的地震的確切時(shí)間、地點(diǎn)和震級(jí)。為此,科學(xué)家需要識(shí)別出斷層將要破裂的信號(hào)——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(dòng)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——?dú)v史上監(jiān)測(cè)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(shí)(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(cè)的嘗試。

從某種意義上講,Parkfield的確標(biāo)志著一項(xiàng)新戰(zhàn)略——地震預(yù)報(bào)——的早期成功實(shí)例。預(yù)報(bào)人員不是坐等警報(bào)信號(hào)的出現(xiàn),而是通過審視一條斷層上過去的地震活動(dòng)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(diǎn),過去曾發(fā)生斷裂的同一斷層區(qū)段將來會(huì)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(duì)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(bào)(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(zhǎng)期記錄,當(dāng)時(shí),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(bào)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(dòng),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(bào)再也沒有命中,但它也錯(cuò)失了對(duì)多次嚴(yán)重的加州地震事件作出預(yù)報(bào)的機(jī)會(huì)。原因是:缺乏資料。地震預(yù)報(bào)“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(bào)?？紤]到對(duì)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(gè)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(gè)分支斷層。

那一焦點(diǎn)過于狹小,其局限性在該小組仍在發(fā)表定論時(shí)就已變得非常明了。在1987年11月23日召開的會(huì)議上,項(xiàng)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(bào)。數(shù)小時(shí)之內(nèi),那條斷層上發(fā)生了一次M6.5地震,11個(gè)小時(shí)以后,在一條不為人知的交錯(cuò)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(cè)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(bào)“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。“要正確面對(duì)地震危險(xiǎn)性評(píng)估,就必須承認(rèn)我們還不知道地球的運(yùn)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(cè),預(yù)期2012年完成。

Field同時(shí)注意到,過去,官方預(yù)測(cè)人員會(huì)對(duì)斷層的運(yùn)作原理作出最佳預(yù)測(cè)——比如斷層的破裂長(zhǎng)度如何以及斷層在地質(zhì)時(shí)期的滑移速度如何——并將其納入一個(gè)單一的預(yù)報(bào)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(bào)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?！皩?duì)于怎樣構(gòu)建一個(gè)統(tǒng)一的模型還沒有共識(shí)”,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(bào)時(shí),預(yù)測(cè)人員融合了480個(gè)不同的模型來產(chǎn)生單一的預(yù)報(bào)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(cè)實(shí)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?？茖W(xué)家此前意識(shí)到那一地區(qū)可能會(huì)發(fā)生類似規(guī)模的地震。新西蘭的官方預(yù)測(cè)人員估算出“背景”地震活動(dòng)會(huì)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(cè)工作“履行了自己的職責(zé)”——但在這個(gè)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(jì)預(yù)報(bào)的確預(yù)測(cè)出了其最大余震的可能性,這次余震就是對(duì)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€(gè)“未知的未知因素。”負(fù)責(zé)準(zhǔn)備日本官方預(yù)測(cè)的日本地震學(xué)家認(rèn)為,延伸長(zhǎng)度等同于東京以北主島長(zhǎng)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(shí)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(duì)于地震研究而言似乎已經(jīng)足夠長(zhǎng)了”。

根據(jù)幾個(gè)世紀(jì)以來使該斷層各個(gè)不同部分發(fā)生破裂的7～8級(jí)地震的歷史,官方的地震研究委員會(huì)曾將這一近海斷層劃分為6個(gè)區(qū)段,每一區(qū)段大概150km長(zhǎng)。他們認(rèn)為這些區(qū)段會(huì)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(cè)的概率范圍從百分之幾一直到99%。

官方預(yù)測(cè)人員沒有將兩個(gè)區(qū)段同時(shí)破裂的可能性包含在內(nèi)。他們知道兩個(gè)相鄰區(qū)段似乎曾于1793年一起破裂,引發(fā)了一次8級(jí)地震。在2011年2月召開的會(huì)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(gè)以上區(qū)段同時(shí)破裂會(huì)發(fā)生什么類型的地震,曾在該委員會(huì)任職的東京大學(xué)地震學(xué)家KenjiSatake說道。他又補(bǔ)充說,“我不認(rèn)為有人預(yù)期會(huì)發(fā)生9.0級(jí)地震”。

這次事件中,5個(gè)斷層區(qū)段在一次9.0級(jí)地震中破裂(見Science,20May2011,Vol.332:911)(由于多個(gè)斷層區(qū)段的破裂,2008年中國(guó)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(xiǎn)的地震往往非常罕見,不幸的是,正是因?yàn)榉浅：币?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(xiǎn)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(cè)都是孤立地考慮各個(gè)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(cè)將考慮破裂延伸至鄰近斷層并使其同時(shí)破裂的可能性,如分支斷層上的破裂會(huì)延伸至圣安德烈斯主斷層。而且它也會(huì)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(duì)他們的模型進(jìn)行檢驗(yàn)。因?yàn)檩^大的地震沒有小地震那么常見,所以對(duì)大地震的預(yù)測(cè)也需要較長(zhǎng)時(shí)間的檢驗(yàn)(例如對(duì)過去5年間加州地震的檢驗(yàn)只能顯示出5級(jí)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(yàn)”,Stein說。他是全球地震模型基金會(huì)(GEM Foundation)的科學(xué)委員會(huì)主席。該基金會(huì)是一個(gè)總部設(shè)在意大利Pavia的非營(yíng)利機(jī)構(gòu),目前正在研制一個(gè)用作全球性預(yù)測(cè)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?shí)際時(shí)間長(zhǎng)度中發(fā)生的大地震、破壞性地震的預(yù)測(cè)作出檢驗(yàn)。

譯自:Science,20May2011,Vol.332:912-913

原題:Seismic crystal ball proving mostly cloudy around the world

(中國(guó)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。