方丞时

滕吉文：地震预报存在三大困难
　　滕吉文（中国科学院院士、中国科学院地质与地球物理研究所研究员）
　　“地震的孕育、发生和发展受诸多要素的制约，而且每一次地震都有其本身的特点和深层动力过程，因此给地震的预报带来了众多的未知数。”中国科学院院士、中国科学院地质与地球物理研究所研究员滕吉文日前接受新华社记者采访时表示，地震预报存在三大困难，公众应科学理性地看待地震预报问题。
　　地震预报通常分为长期预报、中期预报、短期预报和临震预报，10年以上为长期，1年至10年为中期，10天到100天为短期，1天到50天为临震。地震预报通常需要给出未来地震的位置、大小、时间和概率4种参数。
　　地震预报的困难主要表现为3个方面：一是地球内部的不可入性。迄今最深的钻井是前苏联科拉半岛的超深钻井，达12公里，和地球平均半径6370公里相比还是“皮毛”，还是解决不了直接对震源进行观测的问题。通过地球物理方法精确探测深部介质与结构，对预报地震发生的地点有着极为重要的意义。
　　二是大地震的非频发性。迄今对大地震之前的前兆现象的研究仍然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。
　　三是地震物理过程的复杂性。地震过程是高度非线性的、极为复杂的物理过程。地震前兆出现的复杂性和多变性可能与地震震源区地质环境的复杂性以及地震过程的高度非线性、复杂性密切相关。
　　地震可预测性的困难源于人们不可能以高精度测量断层及其邻区的状态，并且对其中的物理定律仍然几乎一无所知。如果这两方面的状况有所改变，将来做到提前几年的地震预测还是有可能的。
　　邓明德：将遥感和预报结合起来
　　邓明德（中国地震应急搜救中心研究员）
　　四川汶川地震发生后，有学者称通过卫星遥感图像监测到了该地区震前的热辐射变化，邓明德研究员长期从事地震预测预报和遥感用于地震预报及工程的基础理论和实验方面的研究工作，他就相关问题接受了科技导报专访。
　　我国从1966年邢台地震之后就开始了地震预报的研究，地震预报是一大科学难题，需要多学科、多途径进行探索。
　　1981年至1983年，国家地震局提出地震预报的“三新”要求，即新技术、新理论、新方法。那个时候就提出了用遥感技术来进行地震预测。
　　地震从孕育到发生是一个力学过程，力能不能引起遥感信息的变化，这是问题的关键。对这个问题，在国内外，没有人提出过。
　　经我们从理论上证明，力有可能引起遥感信息的变化。但这需要获得实验的证实。
　　这个理论得到了遥感专家的赞同和支持，他们认为很有道理，而且还提出了一些好的建议。
　　我们在1989年正式提出基金申请，并获得了批准，由当时的国家地震局综合观测中心、国家地震局地球物理研究所、中国科学院遥感研究、航空航天部二院207所4个单位合作开展研究。因为这是个跨学科的问题，需要协作，而且还要大的协作。
　　从1990年起到2003年，这项研究先后得到了地震科学联合基金、原国家科委、国防科工委和国家自然科学基金的多项支持，在实验室对不同岩性和不同结构的岩石、不同强度的混凝土以及不同的钢材等体物质，进行了几百次红外遥感、无源微波遥感和有源微波遥感多波段实验。实验结果表明：岩石、混凝土、钢材料等固体物质的红外辐射强度、微波辐射强度和微波反射强度，随压力变化而显著变化。红外辐射温度和微波辐射亮度变化量级为零点几度到几度，雷达波反射强度变化为百分之几到百分之二十几。这些实验结果证实了应力引起岩石等因体物质的红外辐射温度、微波辐射亮度和微波反射强度变化，这就为遥感用于地震预报提供了实验依据，并奠定了其物理基础。遥感还可应用于岩土、大型水库大坝和大型地下工程的稳定性监测和稳定性评估，以及对矿暴进行监测和预测等工程领域，具有广泛的应用前景和实用价值。这一物理现象为国际上首次发现。
　　我们现在进地的研究和实验，是基础理论和基础实验研究，还不是应用，但这个研究很重要，没有基础理论和实验的充分研究，就很难谈上应用。还需要进行哪些方面的更深入研究呢？例如：建立不同物质遥感信息变化量和应力的关系，以最佳遥感波段，建立判识标准，研制用于地震预测的遥感器，等等。完成这些研究需要足够的经费支撑，不是10万、200万资助就能完成的。没有国家有力的经费支持，是不可能完成这些研究的。
　　奥佐诺夫：有可能提前1—4天预警
　　迪米塔·奥佐诺夫（美国航空航天局科学家）
　　据《华尔街日报》报道，5月初美国航空航天局（NASA）的科学家迪米塔·奥佐诺夫(DimitarOuzounov)给同事发了一封电子邮件：中国四川可能会有状况发生。他接受东方早报邮件采访时表示，我们基于多参数分析的一些案例研究表明，存在大地震发生前提前1至4天预警、预测地震发生地点的可能性。
　　四川地区信号异常上升
　　我们在美国航空航天局内部测试自己的研究方法，5月初发现，在四川及其以西的地区有一个信号呈现异常上升的趋势。所谓“异常”是指高于我们所认为的该地区的平均值。
　　这种不正常的信号并不是地震的前兆。除了异常的信号外，对于地震的预报还需根据不同条件、通过严格的程序加以确认，这些特殊的信号也必须通过不同的模型来加以核实和验证。当然，还是有可能发出错误的地震预警，因为我们才刚着手分析中国的热红外卫星遥感数据。
　　在之前研究经验的基础上，我作出了这个判断。我们做过几个震后的独立分析很让人振奋，促使我们用一种综合性的系统方法来在震前发现大地震的端倪，即预报大于里氏5.5级的地震。这种方法能整体地测量多个物理和环境参数，如热红外卫星遥感数据、电离层参数、全球定位系统（GPS）及电离层电子浓度总含量（TEC）、边界层的温湿度、地震活动度等等。研究表明，这些数据都和大地震的发生密切相关。对这种综合系统方法的研究，我们已经发表了4篇科学论文，目前正准备一篇关于四川地震详细分析的新论文。
　　卫星观测成主要信息源
　　通过地表观测可以掌握历史上地震前曾发生过的各种现象。科学家约翰·米尔恩首先系统地发现，地震前空气的温度会发生变化。在研究日本387次地震的基础上，1913年他得出了此项结论，并开创了现代地震学。地表观察本来主要通过测量地面电磁来进行，1980年后开始采用卫星观测的方法。由于覆盖全球，可在太空搭载多种测量平台，卫星观测后来成为在大地震前发现某些电磁现象的主要信息来源。
　　地震预测确实是困难的，但也并非不可能。如果仅用地震学的方法可能确实无法进行预测。现在正是运用卫星观测手段的黄金时代，最好的解决办法是把现有的地面观测和卫星观测结合起来，来建立一个可靠的早期预警系统。地面观测包括地震学、磁场、全球定位系统及电离层电子浓度总含量等方面的数据，卫星观测则可获得地面观测无法提供的新数据。
　　跨学科解决地震预测
　　我们基于多参数分析的一些案例研究表明，存在大地震发生前提前1至4天预警、预测地震发生地点的可能性。当然，短期地震预报的论证过程是非常复杂而重要的，因为这就是早期地震预警系统的核心工作。通常而言，提前数小时至数天不等的时间进行论证。
　　做好地震预测工作没有普遍规律可循，因为这是一个渐进的过程，由各国的科学发展水平所决定。我建议改变过去的研究方法，而采用一种复杂的跨学科方式来解决地震预测问题，近5年来我们一直通过各种方式进行试验。地震学本身可能不足以解决地震预测这个难题。
　　来自俄罗斯、美国、日本、法国、意大利、希腊和土耳其的科学家在这个领域发挥主导作用。中国有在与地震相关的热红外卫星遥感研究中做出强有力贡献的传统。最近，一个名为“中国地震电磁卫星系统”的大地震监测新项目已经启动。我密切地跟进这项工作，该小组有在大地震早期预警方面做出贡献的巨大潜力。
　　2008年5月12日，中国四川东部发生的地震灾难，再度提醒国际科学界，地震减灾研究需要跨学科的共同配合。1995年，著名地震学家阿里·本曼纳海姆已经建议：“除非我们发起跨学科的集中研究，否则我们将始终对下次大地震感到惊讶。”
　　■相关
　　地震预测研究的技术路径之争
　　在汶川大地震这场巨大的灾难面前，科学界尤其是地震学界被深深刺痛。在其后紧急召开的会商会上，对各种预报理论及技术方法的争论更带有一种别样的情感背景。
　　尤其是，在没有大震发生的“和平时期”没能得以充分显示的不同技术途径，此刻纷纷亮相，也为普通人了解地震预报的“内情”提供了契机。
　　目前，科学时报记者李晓明就此采访了相关专家，对地震预测研究的技术路径之争进行了报道。
　　主流测震学方法凸显“短板”
　　根据中国地震学会地震观测技术专业委员会委员池顺良的统计，我国发展了测震、大地形变测量、地倾斜、重力、水位、水化、地磁、地电、地应力等9个学科方法，研究预报地震的理论与观测技术，以获取地震预测信息。虽已取得很多进展，积累了不少数据，但现在地震预报的主流还是测震学方法。测震学方法提供了当前地震预报工作中绝大部分的地震预测信息。1975—2001年间，中国地震科学家对24个4—7级地震作出了成功或一定程度预测。其中21个是依据前震、小震活动、地震序列信息作出的预报。但是，靠测震学方法对主震前无小震活动或小震活动不突出的，就难以预报；而且，小震活动与大震发生之间的关系迄今为止也并不清楚。
　　测震学方法使用的仪器是经典惯性摆地震仪，它已成为地震预报人员最重要的观测手段。但是，这种仪器很不完善。它是一种运动学元件，只放置在地表，没有与地壳紧密结合，因此所测信号的放大倍数不是特别大。另外，它受限于自身弹簧—摆系统的自振频率，频宽很窄，无法观测到它的频带范围之外的地壳运动。在很多次地震前，许多人听到了从地下传来的隆隆地声，但地震仪上却什么反映也没有；一些大地震前，因为地面缓慢晃动，大群人感到头晕，地震仪仍然什么也没有记录到。这种灵敏的科学仪器因为工作频宽的限制，不能检测高频的地声和极缓慢的地面运动，在某些方面还不如人和动物的感觉灵敏。
　　池顺良说，与刑警捉住嫌犯一样，地震学家逮住“地震”必须依靠获得对象物的信息来实现。在池顺良看来，地震预测科学家目前的处境就像一个拿到了“嫌犯”录音的片言只语，而没有拿到相片和录像的刑警，因此“嫌犯”屡屡逃脱。
　　池顺良举例说，在唐山地震预报实践中，测震学仪器一个前震都没有监测到。从研究的角度和探索自然法则的角度来反思这段历史，监测不到前震是不是观测系统本身不够灵敏、频带不够宽，没有把我们不知道的信号包括在内？这些问题是当前测震学方法应该着重考虑的问题。
　　湮没在历史深处的“深井地声观测”
　　地声通常是地震发生的前兆之一，不过这种高频波并不被地震学家看好，理由是高频波在地层中衰减快，传不远，难以被地震仪接收到。事实上也的确如此，在地震预报实践中，如果高频波不能传播数十到上百公里距离，观测高频极微震就很难被实际应用。然而，有可能满足高频波观测的条件依然可以找到：如果将仪器安装到振动干扰小的深井中，采用比目前地震仪的放大倍率高数千倍的新型仪器，上百公里外的高频极微震与地声信息就可以被记录下来了。
　　最早想到这种方法的人叫伍富昆。1973年，天津市地震局，伍富昆带领着一批科研人员开始研制深井地声仪。1977年到1984年，利用研制成功的深井地声仪，伍富昆分别在天津宝坻(井深430米)、天津南郊万家码头(1200米)、四川江油(2200米)建立了试验观测点，并取得了一批宝贵的观测数据。
　　当深井地声仪快速展开记录时，一卷记录纸只能记录约一小时数据。要保持这三个试验台多年取得不间断资料，工作难度之大可想而知。幸运的是，在天津宝坻深井地声仪投入观测后，在以宝坻台为中心、半径130公里范围内发生了5个5级以上地震；在半径70公里范围内发生了3个4.7—4.9级地震；在20公里处发生了1个3.8级地震。历史上难得的机遇令伍富昆取得了一批宝贵的观测数据。
　　上世纪70年代，北京、太原、山东、四川、云南、辽宁等地也建立了一批地声观测点，研究结果“清楚地表明，地声记录系统的灵敏度远远高于微震仪。证明了地震前确实有不同于极微震的声发射”。
　　“这些试验说明，要获取更多的地震信息，要将地震观测技术向频率更高、信号更微弱的高频极微震领域推进，地震学家必须在他们已经使用了一个世纪、熟悉的摆式地震仪之外，寻找、发展新型结构的地震观测仪器。制造出比现有地震仪观测频带宽得多、灵敏度高得多的‘超级地震仪’来满足地震预报实践的要求！”池顺良表示。
　　不过，令人遗憾的是，伍富昆的这项工作虽然最后通过了国家地震局的鉴定，却没有推广使用，迄今也似乎后继乏人。其中，地震学家们认为高频波传不远的传统认识无疑起了重要作用。他们很可能没有想到，这种仪器的灵敏度会比他们熟悉的惯性摆地震仪要高3—4个量级。微弱的高频波，是有可能被安装在远处、本底噪声很低环境下、灵敏度极高的仪器接收到的。
　　临震前兆观测手段很关键
　　“不应盲目地推说此次汶川地震没有发现前兆，而应反思当前的测震技术体系是否满足观测前兆的条件。”池顺良说，“现实是我们对前兆观测的手段考虑得太少，如果在这次汶川地震震源区布设了几台钻孔应变仪，是有希望观测到前兆异常的。”
　　“现在地震学家预报地震的九成多的信息都是用测震学方法获得的，如果说让地震学家获得测震的信息占到30%%到50%%，把其他有效的方法吸收进来发挥作用，那么，测震手段占的比例虽然少了，但它获得的信息量更大了，预报能力更强了。这里很重要的是抛开专业的局限，让一个专家变成一个大家。李四光先生观测应变的思路如果能够发扬光大，加上测震学的方法，中国的地震预报研究就可能走在世界前面了。”池顺良说。
　　对地震发生机理，人类暂时没有能力认识，但并不妨碍人类利用技术手段观测地震发生前后的异常变化，现在的关键，是找到适合地震预测的观测技术系统。气象台也曾有过养鳝鱼预报天气的时期，引入气象卫星后，配合其他观测手段和理论，天气预报的准确率才大大提高，地震预报也是同样的道理。池顺良认为，发展“真正经得起科学检验”的宽频钻孔应变地震仪与高频地震学，是地震预测观测技术发展的方向和实现地震预报的希望所在。
　　■链接
　　日本开发新地震预警系统
　　期望提前两分钟预报地震
　　据美国《国家地理》杂志报道，日本是一个地震多发国家，历史上曾多次发生造成严重人员伤亡的大地震。因此，日本对预测地震投入很大，并于2007年10月发布了新型地震预警系统，期望在冲击波到达之前的2分钟内预报地震。
　　据悉，由日本气象厅(JMA)运作的此新型预警系统将一个广泛的地震监测网与高速网络联结起来，并为包括电视台、工厂和手机运营商在内的不同用户提供数据服务。
　　与此同时，日本三大手机运营商NTTDoCoMo、KDDI及软银移动公司计划在2008年推出一种新手机系统，以利用此地震预警系统来向手机用户自动发出地震警报信号。日本的建筑物上都装有用来接收政府或服务供应商所发出的数据的接收机，可以及时收取这一警报。
　　利用P波和S波传播的时间差进行预报
　　此系统的原理是通过分布日本各地的1000台地震仪捕捉强度小、移动快的纵波(P波，其速度为每秒7公里)后自动传送到日本气象厅，日本气象厅以此来自动预测移动较慢但更具破坏性的横波(S波，其速度为每秒4公里)何时到达某一地点以及强度有多大。如果预测出里氏5级以上的地震，可在S波传到而引起大波动之前发出地震预报。也就是说，由于地震发生时，威胁性不够强大的P波传递速度比会造成剧烈摇晃和灾害的S波快，因此，这个系统侦测到P波后，利用两种震波的时间差，来推估地震的强度及S波到达的时间，再透过光纤网络向设立于商业大楼、政府机关、医院和交通据点等地方的紧急中心通报。
　　这是地震发生时向普通市民提供“紧急地震快报”服务信息的快报系统，作为世界第一个地震预报系统备受关注。这套警报系统的设计目的是利用P波和S波传播的这短短的时间差，不但可以让运转中的交通工具和机器设备减速停止或自动使电脑保存数据，还可紧急疏散民众。随着这一系统的不断完善，希望将来它也能自动关闭气阀。虽然此地震警报系统发出的次数及时间不尽相同，震中附近的居民收到的预警信号可能比较短，而在某些情况下又也许什么信号都收不到。但是研究人员认为这种时有时无的警告总比没有好。
　　预报效果确实不尽人意
　　如果能及时又准确地预测地震，将可以减少巨大的损失。东京的一家非赢利组织———实时地震信息联盟已经测出，如果主震区提前2秒获得了警报，其区域的死亡人数能减少25%%。如果能提前5秒获得警报，死亡人数能减少80%%。因为5秒的时间足可以让人躲到桌子底下，站到门口或用座垫或被褥盖住头部。
　　然而，日本的新型地震预警系统却屡次不尽人意，不是没有预报就是预报晚了。今年1月26日在日本北海岸的石川辖区发生5级地震时，此系统未能发出预报。4月28日在宫古岛附近的冲绳县发生5.2级地震时，是在传出大波动后4秒钟才发出预报，而且预报有误。而5月8日在茨城和枥木县发生里氏5级地震时，快报发出也晚了20秒。也就是说，系统启动后发生了三次地震，均未能发挥出其预期的预报功能。
　　面对这一现状，评论界现在担心未来的失败将导致公众不信任此系统而最终忽视这一警报。为了消除民众的担忧，目前日本研究人员正在努力查找为何新型地震预警系统不能按计划完成工作的原因。他们表示，4月28日的地震震中离此岛太近，因此地震波数据没能及时到达日本气象厅。
　　日本气象厅的高级地震信息协调员土井（KeijiDoi）说：“检测到地震波后得马上发出警报，几乎没有一点时间让我们来分析数据和评估此类事件。因此，在确定地震的准确位置、地震的级别和强度方面可能会出现错误。我们一直在坚持不懈地运作此系统，并不断提升其性能，我们希望它在未来能更加准确地进行预报。”
　　此预警系统的这些失误加大了科学家设法预测地震破坏力的难度。即使有预报发出，一些地震也可能太强大，难以避免重大的损失。尽管如此，日本政府还在积极推进更加准确的地震预警系统。他们推进的这一系统是针对地震容易发生的东海建立的，而不是像天气预报一样进行全方位的预测。该系统将在这一地区海底设置400台以上地震仪，用高性能电脑分析岩石的变化，进行预测。该系统的研发将于15—20年以后完成。
　　

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