作者:徐治国 来源:科学新闻杂志 发布时间:2009-8-13 10:11:31
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地震学界的两个阵营

地震预报是地震科技工作者的职责袁做出来是科技工作者的使命要要
——中国科学院院士陈运泰


就目前现实情况来讲,作出地震预报的可能性比较小,但是不能说地震预报是永远不可能做的,预报肯定是要做的
——中国地震台网中心预报部主任刘杰


 
■记者 徐治国
 
2009年5月1日,《中华人民共和国防震减灾法》开始施行。其中的第26条规定:国务院地震工作主管部门和县级以上地方人民政府负责管理地震工作的部门或者机构,根据地震监测信息研究结果,对可能发生地震的地点、时间和震级作出预测。
 
这也就意味着今后地震预报工作过程中如有发生失察、失当行为,将在法律层面上以“不作为”来追究责任。
 
然而直到现在,地震究竟能否准确预报、应不应该预报,在中国地震学界依然争论不休,一方振振有词,认为地震已经有多次成功预报的先例;另一方认为当前根本不可能预报成功,而应该加强抗震力度和作地震预警。
 
从“总理的期望”开始
 
1966年3月,河北,邢台。
 
周恩来总理站在地震的废墟上。“我们不能只留下地震史实,要抓住地震现场不放,希望在你们这一代搞出地震预报。”由此,中国要作地震预报的“最高指示”发出。
 
1966年3月23日,周总理召见地震工作者研究震情。“当时我刚从地震现场回来,于是我们提出要在北京地区创建电信传输台网的建议。”中国工程院院士、中国地震局地球物理研究所研究员许绍燮告诉《科学新闻》,“当总理知道该台网建成后,有可能实现准实时速报地震,当即委托李先念副总理亲自来帮助我们落实实施条件。”
 
从此,中国拉开了地震预报的序幕。1971年,中国地震局的前身国家地震局宣告成立,地震预报在中国似乎成了不可逆转的事业。中国还成为世界上唯一把地震预报作为社会责任和政府工作任务的国家。“中国搞地震预报是符合国情的,是客观的,是随着几十年来地震的发生所衍生而来的,是一次次的地震灾难把地震预报事业推向前的。”中国地震台网中心原首席预报员孙士鋐说。此后30多年,中国地震局在一系列大震“预报失败”之后,出现了老百姓的斥责声,甚至还有倒台的呼声。“尽管有要将‘国家地震局撤掉’的呼声,但是一直没有(实现),这主要(因为它)是周恩来总理一手组建起来的。”孙士鋐说。
 
两种观点的交锋
 
“邢台地震,周恩来总理为我们启动了地震预报的全面进军。”现年77岁高龄的许绍燮表示,“但我们还不敢说,(几十年来)在预报地震的水平上有了多大实质性进展。”地震预报到底该如何做,理论却还没成熟。接受《科学新闻》采访的大多数专家认为,地震预报再过几十年也未必有什么进步。
 
地震预测属于科学研究范畴,主要来预测哪里会或即将发生地震,“预测并没有官方的声音,而地震预报则只能由政府官方来发布。”中国地震台网中心预报部主任刘杰说,“就目前现实情况来讲,作出地震预报的可能性比较小,但是不能说地震预报是永远不可能做的,预报肯定是要做的。”
 
许绍燮认为地震是应该可以预报的,“目前我们的知识水平还不够,还报不好、报不准,地震预报的探索性极强,主攻方向都很难确定,就是因为你掌握的关键信息还不够,所以很难报。”
 
从事地震预报工作41年的孙士鋐有自己的想法:“我很热爱我的职业,因为地震预报确确实实是为老百姓服务的。只要问心无愧,报不出来就是报不出来,老百姓骂就骂吧,我们还会继续做这个事情。”
 
“地震预报是地震科技工作者的职责,做出来是科技工作者的使命。”中国科学院院士、中国地震局地球物理研究所名誉所长、地震学家陈运泰如此认为。
 
然而另一种声音更具有“杀伤力”。
 
“中国作地震预报,草创的时候就是政治路线和群众路线的产物,直到今天还存在这两方面的压力。”美国加州大学伯克利分校博士后、从事地质研究工作的夏新宇说。
 
“中国地震局本身的职责是对地震的预报。由于地震的发生并非是随机事件,所以他们根据以往地震的发生数据来进行统计计算地震发生的系数。他们所谓的预报仅仅是作一个预测,地震局作预报其实是科学算命。”中国地质科学院地质力学研究所某研究员告诉《科学新闻》。
 
其实,汶川地震之前,地震预报部门一直有机会充分认识“地震至少目前还不能预报”这个现状,应该对政府和公众解释这个现状,但至今并无下文。于是在汶川地震之后,一些负责任的政府官员以及有科学素养的公众,已经对地震预报提出严厉质疑。
 
夏新宇认为现在地震预报的主要动力与其说是社会因素,倒不如说是科研体制下的“因人设事”。美国加州理工学院地质与行星学系教授、地球物理学名誉退休教授金森博雄(Hiroo Kanamori)也表示:“我虽然并不了解中国目前的情况,但是以地震预报为主绝对不是一个好主意。”
 
一篇引起高层关注的论文
 
然而,就在中国地震预报搞得如火如荼的时候,一篇论文让地震预报研究进入一个“低谷”。
 
1996年11月7日至8日,英国,伦敦。
 
英国皇家天文学会地球物理联合会举办了“地震预报体制评估研讨会”,与会科学家一致认为地球是一种自组织临界状态[1]。有欧洲、美国、日本代表参加,中国没有人出席。会上几个主题发言都相当低调。
 
会后第二年即1997年,来自日本东京大学地球与行星物理学系的盖勒(Robert J. Geller)教授等人在3月14日出版的Science杂志上发表了一篇题为《地震不能预报》的论文[2],此处的地震预报特指地震短临预报。此文一出,立刻在科学界内外引起强烈反响,甚至引起当时中国政府高层的关注。
 
“这篇文章发表以后,当时国务委员宋健非常重视,问地震局对这篇文章是怎么认识的。”孙士鋐说。于是中国地震局组织相关科学家进行了好几次会商和研讨,“当时,国内地震系统的很多专家认为地震可以预报,但是也拿不出证据。”
 
一篇论文缘何触动了中国地震界甚至中国政府高层的敏感神经,受到如此之“待遇”?
 
盖勒等人发表的论文认为,“地震不能预报”的主要根据是地球是一种“自组织临界状态”(self-organized criticality),任何一个小的变动都会产生具有各种时间和空间尺度的较大变动。也就是说,在这种临界状态,一个小的事件会引发大小不等的一系列连锁反应。因此,任何一次小地震都有可能灾变成一次大地震,地震在任何时间、任何地点都有可能发生。因为人们根本无法掌握深部无数细结构的临界状态,所以地震根本不能预报,应该打消可能会在几小时、几天或几个月之前预测到地震的希望。
 
但盖勒同时向《科学新闻》记者强调:“自组织临界状态也并不是一个完全严格的概念,但是,目前的问题是,在广泛变化的时间和空间尺度上,地球外壳确实是不稳定的。”因此,应该将重点转向基础科学如工程抗震等问题上。
 
百家争鸣
 
无论如何,此文一出,有关地震能否准确预报便再次引起争议。
 
从事几十年地震研究的许绍燮持不同看法:“地震是分层的,大地震不是任何时间、任何地点都可以发生的,自组织临界中的无标度(尺度)概念只是个错觉。”
 
许绍燮通过大量统计数据向记者展示图件分析说,小一点的地震与地表断裂有关,稍大一点的地震与河流走向有关,再大一点的与盆山结构有关,更大一点的呈经向纬向性分布,可能与地球转动有关。在发生时间上,地震活动明显呈现出髙潮低潮的涨落。也就是说,“大地震的发生是有其内在结构规律的,因此也就否定了地震因自组织不能预报的论点。但是,到目前为止,只是对这些规律还没有搞得足够清楚。”
 
但在孙士鋐看来,地震究竟能不能预报,现在这个水平还谈不上。“因为任何一方都拿不出充足的证据让另一方信服。地震预报只能是一种探索。”
 
而刘杰则认为,作为一种方法论,盖勒的理论有一定道理,“自组织临界状态有它自己的理论根据,作为学术讨论、宏观的物理概念没有问题,但是,用它来否定地震不能预报是不正确的。发生大的地震有可能是一种自组织临界状态,但是自组织临界现象就一定不可以预报这是有争论的。气象也是一种自组织临界现象。”
 
“盖勒等人持否定态度,而国内有人认为‘一定能够实现’。但是后者并没有给出证明。所以,最乐观的答案应该是‘不知道’。”夏新宇说。
 
学界对地震机理和地震物理本质的思考一直没有停止。可以说正是这些对基本物理概念的深入思考和争论,才使政府部门和地震科学工作者能够静下心来重新反思地震是否能够准确预报这一问题。中国科学技术大学地球和空间科学学院教授倪四道认为,断言地震不能预报只是部分人的认识,此问题一直有争议。
 
从世界范围来说,大部分专家认为,我们目前无法真正认识地震的物理特征,我们还没有获得足够的致密、详细的观察数据,特别是在断层带上的数据。
 
根据前兆来预报可靠吗?
 
精确的地震预报要在地震发生之前明确给出地震发生的时间、地点和震级三要素,同时也要明确每种参数的不确定性范围。目前中国的地震预报主要建立在理论计算和前兆观测的基础上。“中国的地震预报主要是依据建立在几乎覆盖全国的2000多个地震前兆观测台站(观象台)所观测到的震前的各种前兆和异常现象。”孙士鋐说。
 
而这些观象台的日常工作主要就是观测地球物理量、地球化学量、地形变化、地下流体、地磁地电,以及很多宏观异常,如动物异常等。“我们现在主要是靠这些异常来预报地震的,这些异常和地震有一定关系,但不是因果关系,地球本身也在不断地运动,没有地震的时候,也表现出若干地球物理和化学等变化,所以无法区分是否与地震有关。”
 
地震之前可能有一定的前兆现象,但是,刘杰认为,“根据前兆报出来,不等于就解决地震预报了。完全依靠这些现象来预报是不可能的。”刘杰强调说,并不是所有地震之前都出现异常,出现异常而没有发生地震的例子也数不胜数,要想弄清楚地震如何发生,必须对地震如何孕育等问题弄清楚。
 
中科院地质与地球物理研究所研究员、地球物理学家滕吉文院士曾经指出,对大地震前兆现象的研究仍处于对各个震例进行总结研究阶段,缺乏建立地震发生的理论所必需的切实可靠的经验规律。“地震前兆很多,这些前兆哪些是属于规律性的,哪些是属于真实的,我们怎么样通过这些前兆来综合研究,是我们必须探测的。”
 
“地震预报的基础是地震科学,人类对地震的研究还没有达到实现短临预报的能力,前兆研究并非一事无成,但距‘短临预报’的能力甚远。”中科院地质与地球物理研究所研究员郑天愉说。
 
如果能够很可靠而准确地进行预报,那么地震预报对社会发展和人类生存将意义重大。“但是,迄今为止,尽管世界上好多国家的科学家都在试图突破这一难题,但地震预报目前尚不可能。”盖勒在接受《科学新闻》采访时说。
 
预警的作用
 
既然地震预报还无法实现,科学家们则退而求其次,目标转向地震预警(Earthquake Early Warning)。地震预警技术是为了适应减轻地震灾害的要求而产生的,其技术原理是利用电磁波与地震波的速度差,以及地震P波与S波的速度差来实现地震发生后的及时预警。
 
它是在地震发生以后,抢在地震波传播到某一地区前,提前几秒至数十秒向该地区及周边地区发出警报,以减小损失。
 
“地震预警系统提供的警告只有几秒、十几秒,但这足以让人们采取保护措施。”金森博雄告诉《科学新闻》。
 
倪四道认为,“中国应建立地震极早期预警系统。”通过发布预警信息,可以在很大程度上降低因地震破坏造成的人员伤亡和财产损失[3]。地震预警系统由地震检测系统、通讯系统、中央处理控制系统和对用户的警报系统4个部分组成。每一部分的处理时间之和与地震波走时之差形成了最终的预警时间。
 
美国、日本、墨西哥是最早应用地震速报与预警的国家。近年来,随着几个重要国际会议的召开和宣传,又有很多国家应用这项技术,如澳大利亚、德国、土耳其、亚美尼亚、罗马尼亚和立陶宛等。地震预警运用面波与电磁波之间的短短几秒、十几秒的时间差,就可以及时地告诉公众躲避到更加安全的区域(如桌子下面)、停驶高速铁路、停采油气田等等。
 
目前,地震预警作为一项比较成熟的技术,“在日本、中国台湾也已进入实用阶段。尽管还需要不断改进,但是地震预警已经在发挥着重大的作用”,美国罗德岛大学教授沈杨说。
 
当然,精确的地震预警系统需要更多的地震学研究、公共警报技术以及人们对预警的理解。地震预警在技术层面上是可行的,但是仍受到许多限制。例如,虽然电磁波比地震波快,但是可以赢得疏散时间的区域往往并不是有毁灭性灾害的区域。如果地震直接发生在城市下部,则地震预警功效甚微。只有震中远离城市,预警才起作用。
 
虽然这个系统大体上仍处于探索发展、继续完善的阶段,“然而事实上,这是对眼前将要发生的事情作出一些预测的唯一方法,”金森博雄告诫说。
 
主角和配角
 
将视线定焦中国。
 
到目前为止,中国的地震监测系统已经在地震威胁区建立了密集的数字地震传感器网络和通讯系统,这些硬件都可以为地震预警提供强有力的基础支持。
 
“鉴于地震预报的成功还有较长的路要走,地震预警应该大力发展,有效减少地震灾害。”倪四道说。同时他认为,中国已有的地震监测能力可以保证在1~2年内完成以下三个目标:具有密集观测网地区的早期预警、观测网稀疏地区的早期预警和地震灾害快速评估[4]。
 
台湾大学地质系地球科学副教授吴逸民也有类似的看法:“地震能否预报已经成为争议之话题,而地震预警系统可以有效降低地震灾害则是不争之事实,中国应该发展地震预警,基于我们的经验,可以迎头赶上世界之水平。”
 
就拿汶川地震来讲,“如果有有效的地震预警系统,在大地震破坏波到来之前,可以为当地的居民提供10~100秒左右的反应时间,从而可以挽救无数生命,”沈杨认为。
 
然而,地震预警在孙士鋐看来似乎是一个不怎么成熟的东西,因为地震预警的提出是基于墨西哥海边经常发生7级以上的地震,对几百公里以外的墨西哥城造成很大的破坏。“墨西哥是建立在一个比较松软的地基之上,于是就提出地震预警的概念。而我们呢,地震很分散,国家很大,地震预警无法做,在全国各地开展地震预警不现实,对于发展中国家,建立预警系统的代价很高,其维修费用更高。并不是否定预警系统的价值,而是提醒人们在减轻灾害方面不要过分依赖硬件设备。过于频繁的预警,老百姓就不相信了。”
 
但是,美国伍兹霍尔海洋研究所资深研究员、国际大洋中脊综合研究组织主席林间则有不同的看法:“只要预警这项技术能够挽救生命、减小损失,我认为政府就应该加大投入。对于像中国这样的发展中国家,人口众多,地震就是一种灾难,必须努力投身于地震、技术和公众教育的研究。我们还得不断发展这项技术以得到更广泛的应用,来挽救众多生命。”
 
英国爱丁堡大学地质与地球物理系教授梅恩(Ian Main)在接受《科学新闻》采访时指出,更直接、更现实的做法是在地震多发区加强抗震建筑规划、建设与检测。“事实上,并不是地震杀死了人,致死的是建筑物本身。那么最终问题就变成人类如何将这种补救的方法付诸实施。”
 
但孙士鋐认为,很多规划在实施前,如果了解当地是否处于地震断裂带上,一些建筑就不应该在那里建设,可是目前是“政府无知,专家群体也无知,也就是科学还没有达到一定的水平时所作出的无知的决定,造成无法挽回的损失。”
 
陈运泰认为,加强预警和预防、放弃预测预报看起来有一定道理,但是如果没有预报研究作为指导,很难做出预防的工作,因此两个都不能荒废,要“两条腿走路”。“二者具有不同的技术路线,预警是已经发生的,预测(预报)是基础研究,虽然成功率很低,但是如果不去做,就永远没有意义,无论是领导还是公众都需要。”陈运泰告诉《科学新闻》。
 
“地震预警系统的难度和实用性无法评价;但是,由于地震预报多年来徒劳无功、未来又很难看到突破的希望,所以预警系统再差,其‘性价比’也会优于地震预报。”夏新宇总结说。
 
(实习记者闫岩对本文亦有贡献)
 
参考文献:
 
[1] Nature, 1997, 385, 19-20
 
[2] Science, 1997, 275, 1616
 
[3]中国科学D辑: 地球科学, 2009, 39, 1-10
 
[4]中国科学院院刊, 2008, 第23卷
 
第4期, 311-316
 
 
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