预测地震的“水晶球”大都云雾重重＊

Richard A Kerr

中图分类号: P315.7; 文献标识码: D; doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2011.07.001

预测地震的“水晶球”大都云雾重重＊

Richard A Kerr

中图分类号: P315.7;文献标识码: D;doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2011.07.001

地震预测失败,地震学家便尝试更加模糊的预报,但最近发生在日本的超大地震再次提醒人们,这种方法也存在诸多缺陷。

当2011年3月的灾难性地震使东京以北地区产生强烈震动时,没有人预见到如此规模的超大地震的来临。“日本科学家属世界上最好的科学家之列,他们拥有最好的监测网络,”位于加州MenloPark的美国地质调查局(USGS)地球物理学家Ross Stein说道。“很难想象别人的预报工作会做得更好。没有一个小组的工作会令所有人都感到满意。”

同样,在中国、新西兰和美国加州,最近发生的地震也使科学家面临的预测未来的问题显得尤为突出。预期发生较小地震的地方却发生了惊人的大地震——比如在日本(参见图1);一条未被察觉的断层在远离明显处于危险状态的断层的地方断裂——比如在新西兰。而且,最令人不安的是,官方预测实行了20多年以后,地球科学家仍不知道对自己预警工作的信任度究竟该有多高。在令人惊奇的事件发生之前,“我们确实不能区分哪些是成功的预报,哪些是不成功的预报”,Stein说。但提高预报水平已在计划之中。

1 起初的想法很简单

图1 日本概率地震危险性图。相去甚远——一次9级地震(圆形和蓝色条带)发生在被认为地震危险性最高的地带(红色)以北很远的地方(原图为彩图)

目前地震预测研究的焦点与其几十年前的雄心勃勃的目标相比有所退却。20世纪60年代和70年代,地震学家致力于“预测”:详细说明即将发生的地震的确切时间、地点和震级。为此,科学家需要识别出断层将要破裂的信号——一连串与众不同的小地震、地上冒出一股氡气的气味、莫名其妙地出现烦躁不安现象的野生动物。遗憾的是,至今无人发现真正的地震前兆。到2004年帕克菲尔德(Parkfield)M6.0地震——历史上监测最严密的地震——在毫无前兆暗示的情况下袭击圣安德烈斯断层中段时(Science,8 October2004,Vol.306:206-207),多数研究人员已经放弃了精确预测的尝试。

从某种意义上讲,Parkfield的确标志着一项新战略——地震预报——的早期成功实例。预报人员不是坐等警报信号的出现,而是通过审视一条断层上过去的地震活动习性来估算其未来的行为。他们假定一条断层上的应变正稳步增大,而且一旦达到相同的破裂点,过去曾发生断裂的同一断层区段将来会再次发生类似的破裂。他们并不给出下一次地震将袭击某一段断层的具体年份或年份范围,而是用概率的方式对其进行表述。

USGS于1988年为圣安德烈斯断层发布了第一次官方的地震预报(Science,22 July1988,Vol.241:413-414)。Parkfield拥有间隔大致为22年的相似地震事件的长期记录,当时,该区未来30年的重复概率被确定为99%。结果证明,1988年的那次预报是成功的。南部的圣克鲁兹山(SantaCruz Mountains)区段在1906年旧金山地震中发生最后一次滑动,该区段30年内再次断裂的概率被定为30%,1989年,破裂还真的发生了。

自那以后,1988年圣安德烈斯预报再也没有命中,但它也错失了对多次严重的加州地震事件作出预报的机会。原因是:缺乏资料。地震预报“受可利用信息的高度制约”,设在Menlo Park的USGS办公区的地震学家William Ellsworth如是说。Ellsworth曾在USGS的加州地震概率工作组(WGCEP)任职,正是该工作组发布了1988年的预报。考虑到对加州断层历史的了解还非常有限,WGCEP将自己的工作局限于最为熟知的几个断层段,这些区段大都位于圣安德烈斯断层上。该小组不仅忽视了众多的无关断层,而且也忽视了穿越居住区(如旧金山湾地区)的圣安德烈斯断层的多个分支断层。

那一焦点过于狭小,其局限性在该小组仍在发表定论时就已变得非常明了。在1987年11月23日召开的会议上,项目组成员断定,有一条断层(加州最南部的Superstition Hills断层)的信息极其贫乏,妨碍了他们的预报。数小时之内,那条断层上发生了一次M6.5地震,11个小时以后,在一条不为人知的交错断层上发生了一次M6.7地震。后来在一些鲜为人知的断层上又发生了数次不测事件:1992年圣安德烈斯南段附近的Landers M7.3地震(死亡1人,损失9200万美元)、1994年Northridge M6.7地震(死亡60人,损失200亿美元)以及1999年发生在遥远的莫哈维沙漠的Hector Mine M7.1地震。

2 现代预言

但地震预报“20多年以来也并非完全停滞不前”,Ellsworth注意到。科学家现在掌握的断层信息——无论断层是大是小——要比过去多得多;同样重要的是,他们已经逐渐形成了一种更加敏锐的感知能力,知道在缺乏资料的情况下如何将工作进行下去。“要正确面对地震危险性评估,就必须承认我们还不知道地球的运作原理,”位于科罗拉多州Golden市的USGS地震学家Edward Field说道,他负责掌管下一次的加州官方预测,预期2012年完成。

Field同时注意到,过去,官方预测人员会对断层的运作原理作出最佳预测——比如断层的破裂长度如何以及断层在地质时期的滑移速度如何——并将其纳入一个单一的预报模型,该模型即产生未来30年内发生一次特定地震的概率。WGCEP在1988年和1995年的预报中遵循的就是这种方法。

然而,20世纪90年代末,人们开始明白仅凭单一的模型还远远不够。“对于怎样构建一个统一的模型还没有共识”,Field说,“所以我们构建的模型数量必须大于一,以顾及众多的可能的模型”。在发布2007年加州预报时,预测人员融合了480个不同的模型来产生单一的预报结果,其中的不确定性得到了更加清晰的界定。然而事情至此,并没有完事大吉。Field说,现今的模型还不能预测实际上已经发生的某些类型的地震,其中就包括发生在新西兰和日本的地震。

那两次地震“恰恰表明我们需要进行哪些调整”,Field说。在新西兰,2010年9月DarfieldM7.1地震发生在一条过去15000年可能都未曾破裂过的不为人知的断层上。科学家此前意识到那一地区可能会发生类似规模的地震。新西兰的官方预测人员估算出“背景”地震活动会导致某处发生一次大概万年一遇的地震。位于Lower Hutt的新西兰地质与核科学研究所(GNS Science)地震学家Mark Stirling说,新西兰的预测工作“履行了自己的职责”——但在这个事例中,信息太模糊,因此用处不大(一旦地震发生,基于主震规模的统计预报的确预测出了其最大余震的可能性,这次余震就是对古老建筑造成严重破坏的2011年2月Christchurch M6.3地震)。

在东日本大地震的事例中,罪魁祸首是一个“未知的未知因素。”负责准备日本官方预测的日本地震学家认为,延伸长度等同于东京以北主岛长度的近海断层基本上显示出了其本性。“我本以为我们真正认识了东北地区”,日本京都大学地震学家James Mori说。“考虑到地震次数(众多),500年的地震历史对于地震研究而言似乎已经足够长了”。

根据几个世纪以来使该断层各个不同部分发生破裂的7～8级地震的历史,官方的地震研究委员会曾将这一近海断层划分为6个区段,每一区段大概150km长。他们认为这些区段会再次破裂,并给出了每一区段未来30年再次破裂的概率;近期官方预测的概率范围从百分之几一直到99%。

官方预测人员没有将两个区段同时破裂的可能性包含在内。他们知道两个相邻区段似乎曾于1793年一起破裂,引发了一次8级地震。在2011年2月召开的会议上,他们还考虑了公元869年一次横扫内陆数千米的大海啸留下的地质证据,那次海啸袭击的沿岸平原就是2011年3月被淹没的平原。但他们最终断定,由于所拥有的数据太少,他们无法设想如果两个以上区段同时破裂会发生什么类型的地震,曾在该委员会任职的东京大学地震学家KenjiSatake说道。他又补充说,“我不认为有人预期会发生9.0级地震”。

这次事件中,5个断层区段在一次9.0级地震中破裂(见Science,20May2011,Vol.332:911)(由于多个断层区段的破裂,2008年中国汶川大地震也达到了从未设想过的规模)。在日本,“这次发生的事件是一次非常不可思议的、千年一遇的事件”,Ellsworth说。最危险的地震往往非常罕见,不幸的是,正是因为非常罕见,所以这些地震研究起来也非常困难。

图2 加州概率地震危险性图。注意红色部分——圣安德烈斯断层南段发生一次加州大地震的概率最高(红色)(原图为彩图)

虽然障碍重重,但水平必将不断得到提高。加州从前的官方预测都是孤立地考虑各个断层区段,他们忽略了那些与给新西兰造成很大破坏的余震类似的事件。Field说,相比之下,预期于2012年完成的预测将考虑破裂延伸至邻近断层并使其同时破裂的可能性,如分支断层上的破裂会延伸至圣安德烈斯主断层。而且它也会发生余震(参见图2——译者注)。

地震学家也正开始利用最新发生的地震对他们的模型进行检验。因为较大的地震没有小地震那么常见,所以对大地震的预测也需要较长时间的检验(例如对过去5年间加州地震的检验只能显示出5级以下地震的情况)。由此看来,网撒得越大越好。“最好的战略就是开展全球范围的检验”,Stein说。他是全球地震模型基金会(GEM Foundation)的科学委员会主席。该基金会是一个总部设在意大利Pavia的非营利机构,目前正在研制一个用作全球性预测的全球地震模型。Stein又说,由于该模型涵盖全球,科学家应该能够对于实际时间长度中发生的大地震、破坏性地震的预测作出检验。

译自:Science,20May2011,Vol.332:912-913

原题:Seismic crystal ball proving mostly cloudy around the world

(中国地震局地球物理研究所 左玉玲 译)

(译者电子信箱,左玉玲:yulingzuo@yahoo.com.cn)

2011-06-29。