地震預測研究的技術路徑之爭

在汶川大地震這場巨大的災難面前，科學界尤其是地震學界被深深刺痛。在其后緊急召開的會商會上，對各種預報理論及技術方法的爭論更帶有一種別樣的情感背景。

尤其是，在沒有大震發生的“和平時期”沒能得以充分顯示的不同技術途徑，此刻紛紛亮相，也為普通人了解地震預報的“內情”提供了契機。

測震學的“天下”?

測震學方法是幾十年來監測地震與預報地震的主要手段。幾十年預報地震雖然也取得很多進展和成果，但預測中也存在不少問題。這就提出一個問題，即除了測震學方法，別的方法和途徑該如何評價又如何對待。

國家汶川地震專家委員會成員、中國工程院院士趙文津對此問題深有所感。早在2006年唐山大地震30年之際接受《科學時報》記者采訪時，他就強調，既然測震學方法不夠有效，為什么不走一走李四光提出的地震預報的途徑，即以地震地質調查與地應力測量為主線，加上其他探測方法進行地震預報試驗，并認為這是有成功的希望之路。為此，他向有關部門提出了系統的建議。

他認為，對地震這樣一個世界性的科學難題，不應當放棄對其他途徑的探索。因為科學途徑選得對路與否，常常可以決定科學探索能否取得進展與成功，而地震預報的科學途徑還是不清楚的。

趙文津提出，人的認識總是有限的，你對其他方法、途徑的不相信，并不代表這樣的方法就是不對的。現在許多專家已提出了多種地震預報方法，認為是成功的，這就需要給予重視，研究其有沒有合乎道理的地方，不要一棍子打死。

他說：“每年通過專家評審后向國務院上報的地震預報意見，準確率卻一年不如一年，預報與不作預報結果差不多;2001年昆侖山口西8.1級大地震，預報為無震區，結果卻發生了國內最大的一次地震，由于該地區人員稀少而幸免造成巨大損失。這次汶川地震也一樣沒有預報出來，造成了巨大人員傷亡和財產損失。”趙文津表示，我國地震預報工作應當好好改進。

中國地震學會地震觀測技術專業委員會委員池順良告訴《科學時報》，“地震系統的同行或參加過地震會商會的人都知道，目前我們進行地震預測所需的信息絕大部分來自測震方法。盡管各種前兆觀測手段各有價值，但提供的信息量只占很小的比例。”

根據池順良的統計，我國發展了測震、大地形變測量、地傾斜、重力、水位、水化、地磁、地電、地應力等9個學科方法，研究預報地震的理論與觀測技術，以獲取地震預測信息。雖已取得很多進展，積累了不少數據，但現在地震預報的主流還是測震學方法。測震學方法提供了當前地震預報工作中絕大部分的地震預測信息。1975～2001年間，中國地震科學家對24個4～7級地震作出了成功或一定程度預測。其中21個是依據前震、小震活動、地震序列信息作出的預報。但是，靠測震學方法對主震前無小震活動或小震活動不突出的，就難以預報;而且，小震活動與大震發生之間的關系迄今為止也并不清楚。

測震學方法的“短板”

愛因斯坦和英費爾德在《物理學的進化》一書中，曾把物理學家探尋自然奧秘比喻為偵探破案，這樣的比喻同樣適用于地震學家。

池順良說，與刑警捉住嫌犯一樣，地震學家逮住“地震”必須依靠獲得對象物的信息來實現。獲得關于嫌犯的足夠的信息量，無疑是刑警捉拿嫌犯的關鍵。

而僅憑嫌犯在現場留下的語音記錄去捉拿嫌犯會非常困難，但若現場有嫌犯作案時清晰的正面、側面相片，則嫌犯被捉的可能性就會大幅提高，因為相片的信息量是語音的數千倍!

在池順良看來，地震預測科學家目前的處境就像一個拿到了“嫌犯”錄音的片言只語，而沒有拿到相片和錄像的刑警，因此“嫌犯”屢屢逃脫。

測震學方法使用的儀器是經典慣性擺地震儀，它已成為地震預報人員最重要的觀測手段。但是，這種儀器很不完善。它是一種運動學元件，只放置在地表，沒有與地殼緊密結合，因此所測信號的放大倍數不是特別大。另外，它受限于自身彈簧-擺系統的自振頻率，頻寬很窄，無法觀測到它的頻帶范圍之外的地殼運動。在很多次地震前，許多人聽到了從地下傳來的隆隆地聲，但地震儀上卻什么反映也沒有;一些大地震前，因為地面緩慢晃動，大群人感到頭暈，地震儀仍然什么也沒有記錄到。這種靈敏的科學儀器因為工作頻寬的限制，不能檢測高頻的地聲和極緩慢的地面運動，在某些方面還不如人和動物的感覺靈敏。

顯然，光靠測震學方法難以“包打天下”，畢竟，每一種方法都有其自身的局限性。著名地質學家李四光認為，“測震學方法觀測的結果并不能反映地震發生的原因。”地震學家傅承義也說：必須注意地震波是地震發生之后的產物，如果說地震圖上有什么信息，那只能是關于后來的地震，而不是本次地震的前兆。

池順良舉例說，在唐山地震預報實踐中，測震學儀器一個前震都沒有監測到。從研究的角度和探索自然法則的角度來反思這段歷史，監測不到前震是不是觀測系統本身不夠靈敏、頻帶不夠寬，沒有把我們不知道的信號包括在內?這些問題是當前測震學方法應該著重考慮的問題。

湮沒在歷史深處的“深井地聲觀測”

“在唐山地震前后，很多人動員起來研究華北地區地震預報問題，中國科學院很多不同專業的科學家都參與了其中的研究探索。這里面可以發現一個很有意思的現象，他們把地震預報作為未明的科學問題來對待，比單搞地震預報的思路要寬。”

在接受記者采訪時，池順良提及了一段利用“深井地聲觀測”手段進行地震預測研究的珍貴歷史資料。

地聲通常是地震發生的前兆之一，不過這種高頻波并不被地震學家看好，理由是高頻波在地層中衰減快，傳不遠，難以被地震儀接收到。事實上也的確如此，在地震預報實踐中，如果高頻波不能傳播數十到上百公里距離，觀測高頻極微震就很難被實際應用。然而，有可能滿足高頻波觀測的條件依然可以找到：如果將儀器安裝到振動干擾小的深井中，采用比目前地震儀的放大倍率高數千倍的新型儀器，上百公里外的高頻極微震與地聲信息就可以被記錄下來了。

最早想到這種方法的人叫伍富昆。1973年，天津市地震局，伍富昆帶領著一批科研人員開始研制深井地聲儀。1977年到1984年，利用研制成功的深井地聲儀，伍富昆分別在天津寶坻(井深430米)、天津南郊萬家碼頭(1200米) 、四川江油(2200米) 建立了試驗觀測點，并取得了一批寶貴的觀測數據。

當深井地聲儀快速展開記錄時，一卷記錄紙只能記錄約一小時數據。要保持這三個試驗臺多年取得不間斷資料，工作難度之大可想而知。幸運的是，在天津寶坻深井地聲儀投入觀測后，在以寶坻臺為中心、半徑130公里范圍內發生了5個5級以上地震;在半徑70公里范圍內發生了3個4.7～4.9級地震;在20公里處發生了1個3.8級地震。歷史上難得的機遇令伍富昆取得了一批寶貴的觀測數據。

天津寶坻地聲臺的觀測結果顯示：在半徑130公里范圍內，發生的5個5級以上地震，都有地聲出現。已經獲得的資料表明，“相同震級的地震，越近的地聲出現越早;相同距離的地震，震級越大的震前地聲出現越早。同樣為5級地震，120公里遠的灤縣地震，14小時前出現地聲信息;70公里遠的古冶地震，46小時前出現地聲。震中距離相近的灤縣5.3級地震，震前14小時出現地聲;而盧龍6.2級地震，震前1700多個小時出現了地聲信息。”

物理而非地震專業畢業的伍富昆不受傳統測震技術和慣性擺地震儀思路的束縛，大膽選用振頻高、靈敏度也高的環狀壓電材料做敏感元件，打開了高頻地震觀測窗口。

上世紀70年代，北京、太原、山東、四川、云南、遼寧等地也建立了一批地聲觀測點，研究結果“清楚地表明，地聲記錄系統的靈敏度遠遠高于微震儀。證明了地震前確實有不同于極微震的聲發射”。

“這些試驗說明，要獲取更多的地震信息，要將地震觀測技術向頻率更高、信號更微弱的高頻極微震領域推進，地震學家必須在他們已經使用了一個世紀、熟悉的擺式地震儀之外，尋找、發展新型結構的地震觀測儀器。制造出比現有地震儀觀測頻帶寬得多、靈敏度高得多的‘超級地震儀’來滿足地震預報實踐的要求!”池順良表示。

不過，令人遺憾的是，伍富昆的這項工作雖然最后通過了國家地震局的鑒定，卻沒有推廣使用，迄今也似乎后繼乏人。其中，地震學家們認為高頻波傳不遠的傳統認識無疑起了重要作用。他們很可能沒有想到，這種儀器的靈敏度會比他們熟悉的慣性擺地震儀要高3～4個量級。微弱的高頻波，是有可能被安裝在遠處、本底噪聲很低環境下、靈敏度極高的儀器接收到的。

臨震前兆觀測手段很關鍵

汶川地震后，池順良接到經歷過唐山地震的老同志打來的電話：老池啊，這么大的地震，怎么可能一點前兆都沒有?!

在接受《科學時報》采訪時，池順良的感受頗為復雜，“不應盲目地推說此次汶川地震沒有發現前兆，而應反思當前的測震技術體系是否滿足觀測前兆的條件。”此前13個月，他研制安裝的分量式鉆孔應變儀，在距離此次汶川地震震中140多公里外的姑咱臺站上，已經連續觀測到了清晰的震前異常。

但令池順良感到遺憾的是，雖然早就觀測到姑咱臺的應變異常，他也曾向中國地震局打報告，希望能夠加密布設儀器進行觀測，但因種種原因未能等到答復。

而與之形成鮮明對比的是，主流的測震儀器在全國布設多達2000套，GPS觀測在全國也布了上千個點。“地震預報難的關鍵就在臨震預報上，那么臨震前兆的觀測手段就很關鍵。現在的局面是‘敵人’很強大，又專搞突然襲擊，那我們就必須有足夠的‘哨兵’，才能保證不被‘敵人’偷襲。”池順良說。

不過，另一方面，池順良也感到很“幸運”，經歷20年的努力，當年李四光先生提出的應力應變觀測思路和技術已經相當成熟，在幾家有遠見的地方地震部門支持下，“上世紀80年代分量式鉆孔應變儀就已經超過國際先進水平”。

在2003年，事情出現了轉機。當年美國科學家啟動地球透鏡計劃，其中一項板塊邊界監測計劃，要在美國西部布設200多套澳洲制造的鉆孔應變儀器。這個時候，國內有關部門認識到了這種儀器的重要性，于是也抓緊在全國布設了40套分量式和40套中國地震局地殼應力所的體積式應變儀器。

“實際上，李四光先生一直強調地震預報必須要有自己的思路，不能老跟在外國人后面。我們為此耽誤了30年的時間。”池順良說，“現實是我們對前兆觀測的手段考慮得太少，百余臺的分布在全國畢竟太稀少，如果在這次汶川地震震源區布設了幾臺鉆孔應變儀，是有希望觀測到前兆異常的。”

“現在地震學家預報地震的九成多的信息都是用測震學方法獲得的，如果說讓地震學家獲得測震的信息占到30%到50%，把其他有效的方法吸收進來發揮作用，那么，測震手段占的比例雖然少了，但它獲得的信息量更大了，預報能力更強了。這里很重要的是拋開專業的局限，讓一個專家變成一個大家。李四光先生觀測應變的思路如果能夠發揚光大，加上測震學的方法，中國的地震預報研究就可能走在世界前面了。”池順良說。

對地震發生機理，人類暫時沒有能力認識，但并不妨礙人類利用技術手段觀測地震發生前后的異常變化，現在的關鍵，是找到適合地震預測的觀測技術系統。氣象臺也曾有過養鱔魚預報天氣的時期，引入氣象衛星后，配合其他觀測手段和理論，天氣預報的準確率才大大提高，地震預報也是同樣的道理。池順良認為，發展“真正經得起科學檢驗”的寬頻鉆孔應變地震儀與高頻地震學，是地震預測觀測技術發展的方向和實現地震預報的希望所在。

四川汶川地震專題