史保平：地震預測和防震的美國經驗

美國應對地震的基本思路是“防”

史保平，中國科學院研究生院地球科學教授；1982年畢業于北京大學，同年考入中國科學院地質與地球物理研究所，獲理學碩士學位；1999年美國內華達大學地震實驗室獲地球物理博士學位；1999-2001年從事地震學方面的博士后研究，師從世界著名地震學家James N. Brune 教授；2001-2005年任職于美國肯塔基大學地質調查所，從事工程地震與地震危險性方面的研究。
 
四川汶川大地震發生后，史保平教授接受了《科技導報》專訪。
 
科技導報：地震學家Geller于1997年發表了一篇很有影響的論文，提出“地震是不能預報的”。你怎么看待這個觀點？
 
史保平：Geller博士的文章有他的道理。在美國的時候，我的導師Brune博士也認為地震臨震預報難度非常大，因為地震斷層活動的力學機制目前我們所知甚少。由于地球內部斷層的受力狀態并不是我們想象的那么簡單，加上觀測資料非常有限，現今的斷層動力學模型、實驗室里的物理模擬并不能清楚地解釋地震的孕育和發生過程。在我們所用的教科書中，Brune 模型至今仍然應用于對斷層運動的描述和對地表運動的預測。
 
一個地震事件發生以后，斷層和斷層周圍的構造應力場都會發生變化，這種變化都可能是無序的，發生于該地的地震都可能誘發另外一個地方的地震。兩個地震發生的位置可能相差幾百或幾千公里。這樣的誘發過程是怎樣傳遞的，目前仍然無法定量地預測。
 
在中國，有關地震預報的研究已有幾十年的時間了，也付出了幾代人的努力，但事實證明，短期臨震預報還是有相當大的困難。一般說來，中長期預報可以知道特定地震活動帶或地震活動區內未來幾百或幾千年內地震發生的潛在危險性。這種潛在的危險性包括了特定地區的最大地震震級以及相對應的地表運動強度。地震空區理論是中長期預報的基礎。
 
科技導報：你是怎么看待臨震預報的？國外有關于臨震預報的研究嗎？
 
史保平：陳運泰院士為研究生講授的《震源物理學》，很大一部分的工作是介紹Brune博士在20世紀60年代至七八十年代所做的工作。這些工作是基于對美國加州每一次不同地震個體的現象的觀測所得出的結論。
 
在美國加州Partkfield長約30 km的斷層上，1966年的時候發生了震級為6.0 的地震。地震科學家根據歷史地震的研究，包括古地震的研究發現，從沒有地震監測儀器的時候開始，在這條斷層上平均每隔22年就會發生一次震級為6.0的地震。
 
當時大家比較高興，認為地震有可能是可以預報的。所以，美國的科學家想監測下一次的地震是否仍舊符合上述規律，以此來判斷地震是否可以預報。于是，就在那個地方布置了很好的臺網，在斷層兩邊打出深井，把儀器放在井下用于探測地震來臨時斷層兩邊位移的變化。假如以往的規律成立，1966年發生地震以后，在95%概率的基礎上，1988-1992年應該出現下一次的地震。
 
結果20世紀80年代一直沒有地震出現，一直等到2002年1月相同震級的地震才發生。雖然這次地震產生的地震波記錄跟歷史上的地震記錄一樣，且震級也是6.0，發震斷層的位置和長度也一樣，這一點美國《科學》雜志上已有文章介紹，說波形等各方面指標和以前是一樣的，但是地震發生的時間卻比預測的晚了十幾年。由此可見，對地震的預測太難了。
 
臨震預測方面，美國也有人一直從事這方面的研究工作。2004年，美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）的一位非常有名的70多歲的俄國籍科學家，通過幾十年的研究建立了一個模型，并用他的模型成功驗證了無數個已經發生過的地震，時間、空間和震級等參數都能一一對應。于是，在2004年4月份召開的美國地震學會年會上，他用這個模型預測，該年度10月份在南加州某個地方會有地震。很多媒體對他的預測都進行了報道。結果到時候地震并沒有發生，一年半載之后別的地方有小震發生，但跟他預測的完全不同。這還是著名的地震學家做出的工作。這位科學家的模型是基于已經發生的地震的參數進行的模擬，但是對未來的地震并不能夠進行準確的預測。
 
地震預報有3個要素：時間、空間、強度。目前中國科學家包括中國地震局的研究人員在內，所做的工作實際上還是很深入的，比如四川汶川、北川在1657年有過地震，龍門山1958年也發生過6.2級地震。整個這條斷層是會有地震發生的。中國地震局做的工作也是足夠深入的，不過因為地震預報的難度太大，所以只能判斷這個地方具有潛在的地震危險，早晚會有地震發生，但是目前的技術還是無法判斷地震發生的準確時間和震級。
 
科技導報：中國人常常討論地震前兆，比如蟾蜍遷徙、狗的異常現象等等，國外有這種說法嗎？
 
史保平：國外有人做動物方面的相關研究，但并不完全一樣，比如研究老虎在地表震動時的情緒反應。而震前動物的表情和情緒異常往往不好監測。
 
被稱為唯一一次預報準確的地震——中國海城地震，雖然震前預兆特別明顯，比如動物異常、天氣悶熱，但這并不能說明和地震有直接聯系，動物異常也許是由別的原因造成的。地質現象非常復雜，各種地質現象都可能造成動物的異常或者其他異常現象的發生，所以動物異常不能被簡單地當作地震的前兆，而且也不是每次地震都有明顯的前兆現象。可以肯定地說，還沒有科學證據支持動物可預測地震。
 
科技導報：有人說，大地震之前有些動物可能有反應，小孩和老人在地震前也有一些反應，而中青年人則沒什么感覺？
 
史保平：這個很難說。地震來的時候，有些動物對一些低頻波有可能感知到，這在生物學方面是值得研究的。已經有人在做這方面的研究，有的還比較深入。
 
地震的每個個例都不一樣，有的有前兆，有的什么都沒有。有的是主震型，有的是雙震（斷層多次破裂），不同的斷層的形態也不一樣，地震產生的類型很多。
 
每次地震的發震過程都不盡相同，很難找到規律性的東西。同時也很難在實驗室里重復地震的過程。實驗室中得到的很少的巖石標本，拿到地表很難說和在地底下時是不是一樣。實驗室只能做一些簡單化的實驗，真正的地球介質和地殼內部的真實變化從根本上講我們知道的還很少。
 
科技導報：美國應對地震的策略是什么？側重點在什么地方？
 
史保平：美國應對地震的基本思路是“防”。比如，已經知道某個區域是一個地震活動區或者地震帶，那么，通過我們對幾千年里地震情況的研究和積累的知識可以知道，這里未來肯定會有地震發生。那么，美國就會投入很大的力量來對這個區域進行實時監測。此外，美國人還在研究一種預警系統，它能在地震發生的幾十秒鐘之內把重大的設施和設備關閉。
 
比如，到目前為止，美國加州的工業很發達，但地震很多，尤其是20世紀七八十年代以后地震頻繁，斷層穿過了整個大的城市。怎么辦？他們從“防”的角度出發，在抗震、減震方面動了很多腦筋。比如，大型的核電廠就設計在遠離斷層的地方。在建筑物的防震方面，他們也有一套辦法。
 
美國有個雜志已經報道，北加州在今后30年里，約有99%的概率會爆發一次大型的地震，并將會和1906年的舊金山地震以及這次汶川地震的規模差不多。1906年加州舊金山的地震破了400多km的斷層，我們這次汶川地震的斷層是300多km。但是，這個雜志報道的地震預測也只能預測在30年之內，具體什么時候發生仍然不能預測。
 
對于臨震預報，目前美國科學家也沒有更好的預測技術。斷層的激光測距做得很好，但仍然是作為一種監測的手段。所以，我認為，中國地震局這幾年投入力量作監測是沒有錯的，必須進行仔細的監測以后才能繼續開展深入的研究。用其他的異常現象來進行地震預測不是沒有道理，但是從科學的角度來說，地震預測畢竟要基于科學的理論。如果遇到上報哪個地方將要發生地震，專家們要會商，國務院要作決定，這都是很嚴肅的事情。如果進行了地震預報，疏散了幾百萬人口，但是沒有地震發生，這必定會引起公眾騷亂和社會動蕩。
 
美國伊利諾大學香檳分校（UIUC）中美地震中心主任埃爾納賽近期表示，有些人稱自己掌握了預測地震的模式，但后來都證明方法失敗。對真正成功的地震預測來說，必須預測到地震等級、發生的時間與地點；這些項目如果錯誤，則將可能產生嚴重后果。埃爾納賽舉例說，如預測到A城市會發生大地震，A城市的人們撤離到B城市，結果最后卻是B城市發生地震；或預測上午9時會發生地震，人們準時撤離，但卻發現地震未發生，在隔天回家后反而發生地震；或是預測這是一場7級大地震，學校、政府機關、商店都關門，結果只是個2級地震；因此，只要有一個項目錯誤，就都會讓預測產生負向效果，而非正向效果。而到目前為止，還沒有人能正確預測地震。但是，在小范圍進行長期的觀測和試驗，應該予以鼓勵。
 
科技導報：所以，在地震帶上還是應該以防為主？
 
史保平：我認為是以防為主。嚴格按照建筑標準，以防為主；或者在一些大的斷裂帶，不適合人居住的話就不要居住了。不適合蓋水電站、核電廠等各種重大設施的地方，也一定要避開這方面的建設。
 
美國有這方面的例子。20世紀70年代，美國北加州要建核電廠，地質學家突然發現那個地方有條活動斷層，歷史上曾經發生過地震，不過發現的時候已經投了幾億美金進去，但是當時還是立即叫停了這個工程。這是必須停的，因為如果地震發生，核電廠一旦發生核泄漏，整個生態環境將不堪設想。其他的核設施、大型的水壩、橋梁都是如此。
 
科技導報：這是一個成功的案例。有失敗的例子嗎？
 
史保平：這方面，印度有過失敗的例子。印度某個地方有斷層，曾經發生過地震，但當地政府偏要在那里建水壩。20世紀90年代的時候，Brune博士知道這件事后，立即就給當地政府提出強烈的反對意見，認為這個地方肯定會有地震發生，不能建水壩。結果當地政府沒有采納他的意見，上世紀末的時候，那里果然發生了大地震，水壩受到了嚴重的損壞。
 
采用以“防”為主成功的例子比較多，最有代表性的是，2001年，中國昆侖山發生大地震，斷層裂開500多km。隨后，2002年，美國阿拉斯加發生了規模相當的大地震。當時，英國石油公司從阿拉斯加北面修建的一條輸油管道，卻沒有受到任何影響。因為管道必須穿過斷層，當時修建時就知道這條斷層今后會發生地震，于是設計的時候就把管道設計成了S型，避開了斷層。地震發生之后，管道安然無恙，輸油管沒有受到任何破壞。
 
另外一個例子是地震預警系統。1983年，美國Idaho 州發生7.3級地震。早期地質地球物理的研究表明，該地區的斷層是活動的，未來有地震的潛在危險。因此，建立在該州的原子能實驗室安裝了地震預警系統，地震來臨時實驗室的所有設備得以及時關閉，避免了災難的發生。在測震學中，地震波由體波和面波組成；體波包括了P波和S波，對建筑物造成破壞的是S波，而P波的傳播速度比S 波快。因此，當測震儀器接收到P波時，通過觸發有關的控制系統，就關閉了所有的實驗裝置。這是比較成功的例子。
 
發達國家在防止地震災害時，體現的是以人為本，房屋建筑一定要按照標準施工。在加州，建筑施工一定要按政府規劃的設計圖去做，不能偷工減料。我國也有地震危險性區劃圖，哪個地方地表運動量大也都標示出來了。這些地方的建筑和工程應該特別注意，必須嚴格按照規范施工。華北地區、北京地區都是地震高危地區，這些地方未來的建筑設計和施工都應按照地震抗震規范來做。
 
科技導報：西方對中國海城地震的預報成功有什么看法？
 
史保平：西方的地震教科書都提到了這次地震預報，但僅僅把它看作是一次經驗，而不是一個理論。因為后來的渤海地震、唐山地震，還是沒有預測到，之后也沒有臨震預報的成功記錄了。所以說，海城地震的預報成功只是概率很小的一次偶然事件，臨震預報還是很難的。
 
李四光先生在世的時候，邢臺地震之后，他也預測到華北地區在一定時期之內會有地震，但是到底是哪一天在哪一個斷層會動，還是無法具體預測。臨震預測難在我們無法從物理上完全了解地球內部的運動規律。
 
地球物理就是研究地球內部的物理過程，我帶的研究生就是想研究斷層是怎么運動的，怎么破壞，破壞以后是怎么回事，并從數據上、物理上予以解釋，然后在地震觀測中檢驗。如果地震天天來，積累數據量足夠多，也許了解得就深入一些、快一些。但這是偶發事件。8級以上的大地震，全世界平均一年也就一次。
 
科技導報：現在儀器的觀測有什么新的方向嗎？
 
史保平：一個是這幾年發展起來的GPS應用比較廣泛。GPS是空對地的大地測量，比如測量整個地球、華北地區或者云貴川地區每年的地殼形變有多大，比我們一般的大地測量精度要高很多。另外，高精度激光測距儀、多分量井下數字地震儀、強震儀、海底地震儀、無線傳感網絡、光纖通訊加速度儀等，都已應用于對地震和火山活動的監測。
 
科技導報：儀器觀測需要在哪些方面拓寬思路？
 
史保平：把儀器放在地下去看，這樣可以把地表的干擾屏蔽掉。20世紀90年代，美國加州已經將地震檢測儀放置到2 km的深井中記錄微震；近期的工作包括穿越圣安德烈斯斷層的10 km深的深井鉆探計劃，將相關的監測儀器逐步放入斷層內部，有望對斷層的運動獲得全新的認識。另外，儀器要做好的話，硬件很重要，就像計算機一樣，自主研發新一代數字地震儀是必須的。我們國家在儀器方面，硬件比別人落后一些。
 
科技導報：中國的地震臺網目前站點的密度如何？
 
史保平：還不夠。美國GPS臺站、地震臺站密度非常大，特別是對幾個主要地震活動區所設立的臺站就更多了。EARTHSCOPE計劃預計在全美增加的地震臺站達8 000個左右。美國國家基金會及美國內政部下屬的美國地質調查局（USGS）都在抓緊新的臺站建設。美國中部和東部許多著名大學與美國宇航局（NASA）、美國地質調查局（USGS）合作實施一項新的地空觀測計劃，預計對未來20~50年之內的地震做出準確的預報。這也是一項雄心勃勃的計劃。從以前的模擬技術到現代的數字技術，從沒有強震臺網到密集的強震臺網，融合創新技術的各種監測儀器，加上先進的網絡通訊，使得他們的監測力量很強。
 
這次第一個報出四川汶川地震的震級和震中的國家是美國，比我們大概早了十幾二十分鐘。而且當時他們是在深夜的凌晨，而我們是在白天。虛心學習發達國家先進的科學和技術，引入科學的管理體系，是我們邁向強國的第一步。
 
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