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地震为何不能预报 中国地震板块如何分布 2008年5月12日14时28分，是一个值得全人类铭记的时刻。中国四川省汶川县发生里氏8级强烈地震，大地一声吼，数以万计的生命之火瞬间熄灭，地震又一次在中国的大地上撕开了一道深深的伤口，举国之殇，全国同咽。悲痛过后，留给我们无尽的思考，为什么汶川会发生如此强烈的地震，它有怎样的地质构造，地震预报是否和天气预报一样的简单，地震预报工作的难点究竟在哪里有关这些问题，我们邀请到了中国地震局地质研究所特约研究员沈正康先生。 沈正康，结缘地球物理研究二十余载，上世纪80年代北大毕业，随后赴美留学，并获得地球物理博士学位，留学期间，沈正康参与并主持多项美国国家级地学研究工作，并取得重大研究成果，回国后，担任中国地震局地壳运动观测网络科学研究中心首席科学家，中国地震局地质研究所特约研究员,北京大学地空学院教授. 汶川地震由7.8级改为8.0级 0.2级意味着什么 主持人沈先生，可能很多的观众在这次汶川大地震的预报中间，会注意到一个细节，就是这次地震的强度，刚开始预报是7.8级，但是过了几天以后，又修改为8.0级，他们相差好像只有0.2级，可是这0.2级意味着什么 沈正康0.2级虽然数目看着不大，实际上从能量来讲差了有一倍。可是这个并不意味着说，我们前期的工作就做错了，实际上我们对于这种地震震级的认识，是一个实验性的过程，就是说我们首先要收集到全球各地地震台采集到的数据，然后同时用数据做一个分析，最后根据统计的性质，能够决定一个震级。在地震刚刚发生之后，我们搜集到的数据肯定是不够全的，所以得到的震级会有一定误差. 主持人我们知道地震的强度只会是一个，但是地震的裂度，好像一个强度的地震的裂度，会因为和它的距离或者和它的位置关系不一样，是吧 沈正康地震的震级只有一个。实际上人们一般用裂度这个词来表明，如果你在地球表面一点，你感受到这种地震的破坏或者说你感受到这种震动的强度有多强，那么随着你所在的位置离震中越远，那么你感受的实际上是越弱，所以可以说同样的一个地震，它有唯一的震级，可是你在不同点，会感受到不同裂度。 主持人那么强震过后，也不断地有余震在发生，而且我们看电视也注意到，有很多次5级以上的余震发生，甚至是预报到了6到7级余震发生，当然最后它没有发生，为什么会有这么多的余震接连不断地发生 沈正康这个也是和刚才所讲的地震的震级有关，震级由于大，首先地体非常大的范围遭受一个破坏，而这种破坏不是说在破裂的时候，它就一下把所有的能量全都释放完了，它的释放常常是不完全的。而且地震震级越大，那么这不完全的成分，可能存在就越多。所以在一次大震之后，这种不完全的释放，仍然处在一种不大稳定的状态. 汶川地震和1976年唐山大地震的异同 主持人有一次和32年以前1976年的唐山的这次大地震相比，这次汶川的大地震和那次大地震，有什么样的同和不同呢 沈正康如果说同的话，原来我们说汶川是7.8，现在我们说是8.0，唐山震级被定为是7.8，所以从震级上来说，现在通过我们修改的震级，可以说可能能量要比它还要大一倍。如果研究它产生的原因的话，一个就是说,唐山地震的破裂是发生在一个城市地下，恰恰又发生唐山市的脚下。那么,由于唐山城和城市离震源太近了,所以产生这种破裂是非常巨大的。还有就是，我们这次汶川的地震，现在已经知道它的破裂面是倾向北西的。它这个破裂面是一个斜面，斜面是它的走向是指向北东的。 沈可是它往北西方向倾，然后在破的时候，是包括汶川，我们叫做上盘，是相对于南面的，比方说都江堰那是下盘，是做这样一种逆冲性的活动。这种破裂有一个特征，就是说上盘所感受到破裂强度，要比下盘厉害得多。 主持人唐山地震是32年以前，那个时候中国的科学技术水平非常低，所以那次是没有得到预报的。32年以后，汶川这么大的地震，也没有在事先好像有任何预测，所以有很多人就想，怎么可能，难道32年以来，我们地震预报的科学发展水平，没有任何前进吗 沈当然如果你从最终结果来看，32年前没有预报，32年后仍然没有预报，这可能看不出多大差别。可是从我们从事地震科学的研究的人来看，这32年来，实际上仍然说我们取得了显著的进展，虽然我们还没有真正实现地震预报的一种目标，可是我们对于地震，它是怎么回事儿，它的成因，它的发展过程，实际上我们通过32年不懈的探索，有比原来要深刻得多的认识。我今天要讲的就涉及到这个问题，就是有关地震机理的基础性的研究。 地震预报难点究竟在哪中国地震板块究竟如何分布 汶川地震，灾情告急，地震专家备受责难，地震预报难点究竟在哪中国地震板块究竟如何分布汶川以后，我们对地震会有怎样的一个新认识著名地震研究专家沈正康开诚布公说地震。 沈10天前，我们经历了汶川这样一场非常惨痛的灾难，亿万人的心确实牵动在汶川，而且在问这样一个问题，这样一场重大的，造成毁灭性灾难的事件，为什么事先没有给我们一种预报。我是从事地球物理和卫星大地测量研究方面的专业工作者，地震是我从事这种研究的一个重要的方面，所以我想在这里和大家探讨这样几个问题，这也是大家有些人可能确实比较关心的，就是说地震为什么会发生，GPS作为一种高科技的手段，是怎么样监测地壳的运动，汶川地震前我们对于地壳运动和地震危险性有着什么样的认识，而汶川地震给予我们认识地震发生规律一个什么样的契机，最后我还想谈一谈当今的地震预测研究的现状和方向。 从地震发生的原因，我们可以看下面这样一个图片，这个图片给我们展示了全球中强地震的一个分布，这些黄色的园点就标示了在全球范围内发生的地震的震源的分布，从这个分布我们可以看到它呈现比较有规律的条带，而这些条带就勾勒出全球板块的一个边界范围，根据对板块运动多年研究，我们得到这样一个认识，就是说全球的地表可以分割成大大小小这样不同尺度的板块，板块内部一般是稳定的，而在板块的边界，各个相邻板块会发生碰撞，拉伸或者是位错，由于这种不同形式的运动就会产生地震，这也就是为什么我看到地震是在这种板块边界产生的原因。 全球强地震的分布 我说板块内部是稳定的，可是并不是所有板块内部都是稳定的。从这张图上我们可以看到，中国大陆就座落在欧亚板块上，而中国大陆内部虽然在板内，可是它仍然有众多的地震。 高科技手段GPS在这次地震中有何新的发现 通常认为板块边界是地震高发区，然而，拥有四川盆地天然屏障的汶川为何遭此厄运研究板块运动的高科技手段GPS在这次地震中有何新的发现 GPS是这样一种技术，它的诞生是人们用来作为定位用的，GPS的全称叫GlobalPositioningSystem，中文名字就叫做全球定位系统，它在发展的初始，是为了人们，如果你有一个手持GPS接收机的话，那么你就可以知道你所在这点的坐标，可是人们在进一步研究GPS技术的时候发现，我们可以用它做非常精确的定位，如果我们在地表建立GPS的监测台站的话，那么我们通过接收GPS卫星发来信号，如果我们接受的时间长达几天，那么通过分析这个信号，我们可以得到非常精确的地表的这一点它的坐标，这个精度可以达到几毫米，几毫米大约就好像一根筷子的粗细，这样一个精确的范围。 而且如果我们连续不断监测，可以说如果监测几年的话，我们可以得到这一点它的这种在地表非常精确的运动的速度，如果我们在地球表面建立许许多多这样的GPS监测台的话，那么我们通过综合分析这些资料，我们得到一个地表综合的地壳运动的速度场。 下面这张片子就给出了地壳形变的空间的图像 这个图像是告诉我们说，由于印度板块向北向的推挤而造成了中国大陆内部产生了比较强烈变形，由于它的板块在喜马拉雅和亚洲板块的碰撞，使得青藏高原产生这种隆升，而这种隆升的过程，又伴随着青藏高原整体向东向的挤出，这样一种挤出就会使得青藏高原内部，包括青藏高原周边的地块,破碎成了一系列大小不同尺度的地块，而这种地块在边界带会相互地位错，会发生运动，这种运动一旦以不稳定的破裂形式发生的话就产生地震，所以就是说我们通过GPS方法精确地如果确定了，测定了这种地壳的运动场的话，那么我们也许通过它能对地震的发生有一个更加，比过去要更进一步的认识，那么建立这样一种全球，中国大陆地壳运动速度场，具体到各个地区，我们能够得到一个什么样的，对于它的构造，对于它的地壳的活动有什么样的认识。 下面这张图呢，就给出一个在川滇地区，我们通过这样一种速度场，得到一个更精细的地壳运动的图像。 这图像的左边是川滇地区的GPS观测得到的速度场的图，而这个右边是根据这样一种GPS的速度场，我们认知存在的这些活动构造，它的错动率的图像，这个图像给出了我们在川滇地区，就是四川和云南地区存在的大大小小的活动断裂，如果它是一个活动的话，那么跨过这个断裂的话，我们观测到的GPS，就是台站的速率就会有不同，我们分析这种不同，就能够得到活动断裂的错动率的大小。 然后从这张图，我们可以得到这样一种认识，就是说川滇地区,确实存在着大大小小的这种活动的断裂，这个“龙门山”断裂就是其中的一支，这次的汶川地震，确实就发生在龙门山断裂上。可是龙门山断裂在里头并不好像表现出川滇地区的主要断裂，这个主要断裂在这张图上，它的错动率大小，是应该正比于我图上所展示的线条的那种粗细，所以,龙门山断裂从我们的结果来看，现今得到它的错动率是每年1.5个毫米。1.5毫米，如果我们用一个比喻来认识的话，就是说我们的指甲每年生长的速率大约是十来个毫米，所以1.5毫米的话，大约是每年指甲生长速率的十分之一，所以这是一个非常非常缓慢的一个过程，可是这样一个过程仍然能够通过我们GPS观测的方法，给予一定的解析。 那么我前面讲到的，GPS得到这种地壳的运动，得到这种断层的错动速率，实际上还不是在全地壳内部都是一致的，而我们根据现在的综合性的对地壳研究，我们发现这种地壳实际上是分成上地壳和下地壳这两个部分，上地壳，由于它比较冷，它是属于一种脆性的结构，而下地壳，由于它比较热，它是属于一种比较软的柔性的这种结构，所以，如果我们两个活动地块在之间有一个相互推挤的话，那么它们这个地块之间的相互错动在上下是不一致的，就是说由于它上边，上地壳是比较冷的，所以它当中的这个断层，它就呈现一种叫锁定状态，它的意思就是说在平时它会在那里不动，远处的远场在动，可是近场不动，只有在下地壳，这个断层的下部，它会随着这个远场的运动而发生的运动，所以这上面的锁定层，它可能会锁定几年，几十年，几百年，甚至上千年，只有到它积蓄的能量到相当高的程度，它会突然失稳，发生破裂，就产生地震。 具体说到汶川地震的发生，就是说地震的发生是在四川盆地的西边，它和青藏高原是东缘相接的，龙门山断裂带而发生的，它的发生的机理，我刚才说了是由于青藏高原向东向挤出，然后青藏高原的这种地块，压到了龙门山断裂带上，然后压到了四川盆地的上部，然后最后产生了破裂。这个基本的断层，就像这张图展示的，所以四川盆地内部和青藏高原内部的地壳结构上不一样的，像前面那张图，我们看到，如果我们再跨过龙川断裂带划一条剖面的话，我们做一条随深度剖面，就是下面这张图的展示 这张图给我们的一个认识就是说，在四川盆地内部这种地壳它是稳定的，而且上下基本结构是没有太大差异的，可是在青藏高原内部，呈现三明治的结构，三明治就是说，你在上面是有一个比较硬的上地壳，下面也有相对比较硬的下地壳，可是在当中，会有一个比较软的叫做滑移层，这个滑移层，如果我们从远处，青藏高原向东向挤出的话，给它加这样一种力，那么这种上面的上地壳的物质，就会相对于下面产生一个缓慢的滑移，这个滑移率就是我们刚才讲的,跨过龙门山断裂带每年是1.5个毫米，而这个滑移到了接近断层，接近龙门山断层的地方会停止，因为龙门山断裂在平时是被锁定的，在这种情况下，龙门山断裂和它下面这个滑移层当中间，我们可以有一个，认为叫做就是转换层，这转换层的意思就是说，转换层的上面就已经是完全被锁定了，转换层往下面的连接，到滑移面，就可能跟滑移面的完全相同那种速率，可是在转换层它本身，它的滑移可能就会低于后面这种滑移层这种滑移的速率。 而现在我们对这种转换层的认识，应该有可能是成为我们认识龙门山地震发生的一个很重要的一个因素，它的原因就在于，在我们这个青藏高原东向挤出，对整个这个系统施加一定的力的过程中，由于转换层的上面是被锁定住了，所以在这种挤出过程中，转换层在不断地增加力，然后，由于它不大稳定，在它施加一定量力的过程中，可能就会产生一定的滑移，每当它产生一次这种滑移的时候，就会把它本身承担一部分力释放出去，而这种力就会有一部分转移到上面这个锁定层上面。这样锁定层就在这一个过程中，就不断地有应力场的增加，有能量的增加，所以正因为这种能量增加到一定程度，这上面转换层承受不了，会发生地震。而这个地震破裂的过程中，最先开始破裂，那么就是和转换层直接相接的这个地方，这个地方就是说，上地壳下部和，或者说是锁定层的底部，这也是我们看到的这次地震的发生的震源的位置，而我们通过世界上许许多多类似这样所谓逆冲型地震的研究也发现，这些地震的初始位置恰恰就是发生在它这种锁定层下部，如果是这样的话，那么我们去研究这个应力场是怎么从这个转换层转换到了这个锁定层的话，可能有助于我们认识这个地震发生过程。 在无法确切分辨地震信号时如何展开跟踪研究 对地震预报的研究关键点在于如何捕捉有效的地震信号，目前国际地震学的前沿是否到了精确预报的地步在无法确切分辨地震信号的时候，我们如何展开跟踪研究 这方面的研究，可以从下面这张图片上得到进一步的解释。下面我们看到的是一个在北美板块的一个例子，就是说加拿大的地球物理学家们，对这地区进行了充分研究，他们研究的就是，在加拿大的西南面，是处在一个和太平洋板块相接的边界，所以太平洋这边有一个小板块，叫做胡安狄福卡板块，它在朝着北美板块做着北东向的一个向下的这种俯冲作用，这种俯冲是由于整个从太平洋这边向北东向的推挤这样产生的。 在这样一个过程中，这个板块向下走，可是它在最上面，上地壳这个地方，由于它比较冷，它被挤住了，它是不动的，在下面这个地方它会有就稳定的一个滑移层，这个滑移层就是说哪怕在平时的话它也会随着这边的推挤，在稳定地往下滑移。然后在这个滑移层和它的中间就会有一个转换层，所以如果我们在地表，在这个地方建一个GPS观测台的话，那么我们可以看到，随着这个块体向东向的推挤，这个GPS台站，就会缓慢地向东向移动。这个东向移动的过程中，人们很奇怪地发现，到一定程度，它可能就突然往反向又走了这么几天，或者是十几天的时间，然后过了这个时候，又开始向东向缓慢地移动。然后这样过程大概每隔一年多时间就会产生一次，刚开始的时候，人们不清楚这个产生的机制，它产生的原因是什么，到后来通过深入研究就发现，实际上它就是由于转换层它在一定时间内，它会产生一次失稳。 失稳就是说，由于不大稳定，它平时可以承受比较小量的这种应力和这种能量，可是它承受到一定程度的话，它就会发生滑移，然后每次滑移的时候，就会把它原来承受的那部分应力，就会转嫁到它的上面，就是锁定层。所以如果这样一种模式成立的话，那么我们可以有理由想象，就是说地震危险性，那么随时间是有着一个变化的，就是平时危险性并不高，可是每次它发生的周期性反转的时候，就是已经到了危险性大大提高的时候，因为在这个时刻，把它原来承受的应力场转嫁到上面，上面这个应力场一下就大大增加了，那么这个时候就是我们特别要警惕的时候，而且下次地震发生，很可能就是他这样一次，某一次这样一种过程正在进行的过程中。所以GPS通过这种，国外的这种，通过延续它的研究，给了我们这样一种启示，就是说如果我们把它放在一个关键的部位，我们去研究的话，我们有可能去捕捉到一些和地震发生非常相关的这种信号。 以上我讲的这些，就是我们做和地震有关的，这也是个基础性的研究，近些年来所看到一些东西和我们能有的一点认识。当然这方面例子还有很多，时间关系，这里就不多讲了。可是这些东西我们刚才也说了，确实还没有能够达到能够进行地震预报的程度，可是我们确实通过这一系列研究，已经对于这种地震发生的机制，有了相当大的进展。虽然我们不能做地震预报，可是我们希望能够沿着这条路走下去，那么终有一天，也许我们能够对地震预报有一个新的突破。如果沿这条路走的话，那么这是地震预报的一种途径，就是说我们从一种最基本的物理规律出发，比如说牛顿的力学定律然后去推演，那么我们知道，下面它应该发生的时间，我们可以观测数据，相对比，然后我们可以根据观测去检验它的正确性。 可是由于我们现在还不能正确通过这种方法实现地震预报，所以我们现在的地震预报工作，更多的是依赖另外一种方法，这种方法就是说我们通过统计性的归纳的方法，我们可以去搜集好多我们认为跟地震发生相关的一些信息，这种观测，比方说我可以看所谓地震云，我可以去看“动物异常”，或者去监测地下水位变化或者是地电场、地磁场变化等等，这些观测可能跟地震有某些内在联系，可是这种内在联系并不是很清晰的，可是我们重要的是，收集到众多的资料之后，我们就可以通过一种统计的方法，找出它也许有某种联系，那么也许能够预报地震，所以现在的地震预报，可能更多的是依赖于这种方法。 我们上面说的这两种方法，实际上恰恰就是科学研究所依赖的这两种基本方法，头一种方法叫做推演法，第二种方法叫做归纳法。归纳法，虽然它有它的好处，可以做我们现在还做不到的一些，就是说用推演法做不到的一些事情，可是它有它的缺陷，就是它会产生相当大的不确定性。 如果我们通过归纳法来做地震预报的话，那么我们怎么能判断我们的这种预报确实是科学的，是有效的，而且我们有众多的这种预报方法，我们怎么能判断方法A比方法B要来得更好呢，我觉得在这里，我特别要注重这种统计学的归纳法，它应该遵循的科学的检验的规律。 举个例子，就是说如果我做地震预报的话，因为我是一个统计性的，那么它可能有三种结果，一个叫做正确预报，一个叫做虚报，一个叫做漏报，所谓虚报的意思就是说，我可以预报，从明天开始，任何一天都有地震，这样的话，如果发生地震的话，我百分之百的地震，我都能够预报出来，可是它的代价就是，它明天不发生地震的话，我就发生一个虚报。举另外一个极端例子，我可以预报从明天开始，任何一天都不发生地震，那么确实有好多天是不发生地震的，可是一旦发生一个地震，那么我就会发生一个漏报，所以一个全面的预报，你一定要把这三种情况，你都要考虑进去。然后真正检验这种方法好与不好，那么不是说我今天预报成功了，我就说，我今天报得有多么多么好，我明天的预报失败了，我就把它按下不表，那么应该把所做的预报全都拿出来，然后放在一个统计的检验的模型里，去把你的正确预报，虚报和漏报，去看它们各占多少成分，然后通过这样一种统计的分析，我们才能够判断你这种方法是否真正是有用，而且方法A相对方法B可以通过这种方法来进行检验，来判断哪种方法的这种可行性。 而且地震预报，我们讲求要有时空强的三要素，所谓时空强三要素就是说，你要预报的是地震发生的时间，地点和强度。那么当你做一个预报的时候，你就要给出这种预报的地震的空间在多大范围，时间在什么范围，而且震级在一个什么样范围，只有在做了这样的预报之后，人们才能用你这种预报，通过你预报了许许多多次地震，你成功与失败，几年之后来做一个统计性的检验。 现在某些预报可能它给的范围很宽泛，或者它在检验的时候，有些因素没有对上，它也认为是成功，所以这些东西确实是否成功，要有一个统计，严格的判断。各种预测方法，应该是可以百花齐放的，我们都可以大胆假设，可是大胆假设之后，我们还要注意要小心求证，就是严格地求证你这种方法的正确性，严格地求证这种方法的成功性，只有这样才能成为科学，才能站得住脚，才能推动我们的地震预报事业取得前进