地震什么时候会来?下次是什么时候?远不只是劫后余生者的困惑。一个网站开通了投票页面,让网民来选择:你认为地震可以预测吗?答案只有两个,是或者不是。蟾蜍过街、水塘干涸、地震云的链接在MSN上闪烁,遍地都是嘲笑地震学家不如癞蛤蟆的人。一些网友深信,一定有专家做出了预测,而地震部门因为某些原因密而不报,一位“专家”在网上“欲哭无泪”,一些曾经做出过中长期预测研究的专家试图解释自己的成果,反倒越发加深了网友们的质疑:你们不是说地震不可预测吗,怎么就有专家说几年前他就预测出了这次地震,既然预测出来了,为什么不公布?人们试图寻找到这个话题背后的真相,为数万瞬间逝去的灵魂,找到一个可以问责的对象。
公众最希望听到的,是大地震前的“地震预报”,是我们所在地区最近是否会有地震,以便让我们能像听天气预报决定明天是否带伞那样判断我们安全与否。然而,“短期的临震预测,目前的确还是世界性难题。”陈运泰院士说,这位任职中国地震局地球物理研究所荣誉所长的地震学家,主要从事地震学和地球物理学研究,是地震预测研究中的翘楚人物。
“地震预测不是说‘在某地最近要发生大地震’这类含糊的说法,而是有严格的界定。我们把对未来地震发生的地点、时间、大小和概率所做的相关研究的结果称为‘地震预测’,比如对某一地区在一段较长时期内所发生地震的概率做出估计。由政府主管部门依法发布的有关未来地震的警报才是‘地震预报’。不同时指明地震发生的地点、时间和大小,并对其区间加以明确界定的预测,对政府的预报工作几乎是没有什么意义的”。而一个草率的决策对社会造成的恐慌与损失,并不会比一场地震小。
这样的答案的确让人失望。实际上人们寻求地震预测的真相,不只是灾难后的一个情绪性话题,这也是一个长期的科学议题。20世纪60年代初期,美国、日本、智利等相继发生巨大的地震,严重的灾害使人们迫切希望能够提前预知地震发生,从那时起,一些地震频发的国家便相继开展了有计划的地震预报研究。
1978年,日本地震专家根据骏河海槽附近以前地震发生的规律预测,海槽东部近期会有一次大地震。政府迅速通过了大型地震对策法案,制定出相应的应急反应计划,并组建由地震专家组成的专门委员会来监测这次地震的孕育过程,这就是日本著名的“东海大地震”。然而,30年过去了,一次在板块边界、看上去发生很有规律的地震,却迟迟没有发生。委员会一直没有检测到需要启动应急反应计划的异常,一次也没有开过紧急判定会议。更让人沮丧的是,1995年初,在日本地震学家很少注意到的兵库县发生了7.2级的大地震。判定委员会主席、著名的地震预测专家茂木清夫对委员会能否判定大地震短临前兆的功能表示怀疑,并于1997年黯然辞去主席的职位。1997年日本国土地理院宣布,目前还做不到像地震对策法案所要求的短期预报,并且什么时间能做到也不得而知。
美国西海岸帕克菲尔德小镇,曾经是一个只有37位居民的小镇。1984年,美国地质调查局根据它所在断层的活动规律和地质调查资料,正式发布地震预报,说这里1988年前后4年左右,也就是说最晚到1993年初,将发生一次6级以上的地震,发生概率约为95%。然后政府疏散了当地居民,在那里开设了监测这次地震孕育过程的试验场。到了预计期限的最后关头,地震没有发生。到了1993年底,传说中的地震还没来,美国地质调查局于是沮丧地关闭了此次预报的监测窗口,然而11年之后的2004年9月28日,这场6级的地震才姗姗而来。
世界各国的地震学家都期望能够攻克地震预报这个难关,但也许再没有一个国家的人像中国人在地震预报方面投入如此多的热情。1966年河北邢台相继发生6.8级、7.2级两次地震,三赴灾区的国家总理周恩来在灾区现场提出:“希望在你们这一代搞出地震预报。”此后中国开始了大规模探索地震预报研究,建立监测台站,发展监测系统,在其后的十几年中“边观测,边研究,边预报”。
1974年,中国地震学家根据东北、华北一些异常,针对渤海北部和华北发布中期预测。11月中首先在丹东、岫岩一带出现多种宏观异常,一些水库几天之内发生百余次小震,人们把警觉的眼光放在了辽宁的南部。到了1975年1月底和2月初,更为大量的小地震发生在海城、营口地区,于是由辽宁省政府决定,向辽南的营口、鞍山、海城、金县发布临震预报。“10时30分,省上通过紧急电话向海城和营口有关部门部署了防震的具体工作后,当地人员开始有序疏散。各种急救车开赴当地待命,大型化工企业停放气,重点监测地区的大型会议和娱乐活动暂停……”这是辽宁省原地震局局长徐心同写下的一段文字,记录的是 1975年2月4日的海城。19时36分,地动山摇,里氏7.3级的强烈地震把一个人口密集、工业发达的城市瞬间变成了一片废墟。所幸人员都撤离了,原本可能造成10万人死亡的地震,仅有1328人死亡,这是地震预报史上一次空前的成功。
这次预报大大加强了人们的信心,作为众多监测站点补充的业余监测员,也作为群防群策的力量被大量宣传,观察动物异常的现象的口诀更是流传一时:“震前动物有前兆,发现异常要报告。牛马骡羊不进圈,猪不吃食狗乱咬。鸭不下水岸上闹,鸡飞上树高声叫。……”欢欣鼓舞的胜利又形成了新的口诀:“小震折腾大震到,一多一少要报告”,然而 1976年的唐山,这个口诀没有应验。
唐山地震之前,一些地震队曾经发出工作简报,向国家地震局震情预报值班室汇报了他们发现的一些异常情况,包括地电、水氡、地磁等等。然而回想起一年前海城地震之前数百次密集的小地震,这次的异常情况太少了。就在地震学家们和人们希望做进一步监测、判断的时候,7月28日凌晨3点42分,里氏7.8级的大地震在人们的睡梦间突袭而至,主震发生后的当天傍晚6点45分,距唐山40多公里的滦县又发生了一次里氏7.1级的地震,前后突袭的两次大地震让24万人丧生,超过16万人重伤,伤亡人员还包括数位前往唐山做地震预测研究的地震学家。
利用几乎完全相同的思路,预测了海城地震的方法却在唐山完全失灵。
地震预测为何如此难呢?“上天容易入地难。”陈运泰院士不无感慨的说。时至今日,天文学家可以用哈勃这样的大型天文望远镜看入太空几十光年,而地质学家对脚下的地球内部结构,仍然只是一个近乎卡通般的简单描摹。
大地的“不可入性”是古希腊人的一种说法。
人类目前还不能深入到高温高压状态的地球内部设置台站、安装观测仪器对震源直接进行观测。地震学家只能在地球表面约30%的陆地上和至多是几千米深的井下,用相当稀疏的观测台网进行观测,利用由此获取的资料来反推地球内部的情况。这些都极大地限制了人类对震源所在环境和对震源本身的了解,地震学家们好比是透过浓雾去看被哈哈镜扭曲了的影像,“我们连‘雾里看花’都不及。”更何况,人们对于地震的发生过程几乎还没有什么认识。
不过,地震是发生在地球内部的自然现象,一次7级地震释放的能量与数十颗原子弹的能量相当,地震学家们很难相信(公众就更不相信了)如此巨大的应变能,在释放之前没有任何“讯号”,这就是所谓的“地震前兆”。地震前兆是指“地震之前发生的、被认为是与主震的孕震过程有关联的一些环境参数的、定量的、可测量的变化。” 地面隆升、地应变加速、重力场变化、磁场变化、电场变化、地下电阻率变化、地下水位变化、地下流体流动、地下水化学成分变化、大气化学成分变化以及其他一些可能对应力、对岩石中的裂纹、动物异常等等都被称为地震前兆,或者说,可能的地震前兆。
60年代后美国、苏联地震学家相继发现,地震波的波速比在震前可能降低,随之而来的大量有关震前波速异常、波速比异常等前兆现象的物理机制的提出,地震学家们曾经一度乐观地认为“即使对地震发生的物理机制了解得不如天气、潮汐、火山喷发预测那样透彻,也可能对地震做出某种程度的预报”。当时,许多著名的地球物理学家都深信,系统地进行短期的、临震的预测是可行的,只要布设足够的仪器以发现与测量地震前兆。
然而,地震学家们很快就发现,这些前兆越研究越有问题,波速比异常试验结果不能重复,岩石力学膨胀、微破裂和流体流动实验结果时有时无。多年来地震学家们一直在希望找到“确定性的地震前兆”,也就是说,任何一种在地震之前必定毫无例外地观测到、并且一旦出现必定毫无例外发生大地震的异常。但是这种期待中的前兆,迟迟未能确定。
1989年,国际地震学与国际地震预测委员会,组织了一个多国专家委员会,对各国地震专家提出的地震前兆进行了严格的评审。这些专家两轮共评审了37项提名参数,其中只有5项被通过,包括震前数小时至数月的前震、震前数月至数年的“预震”、强余震之前的“平静期”、水中氡气含量减少(水温下降)和地壳形变。
不过,即使在地震学家内部,关于这些前兆参数的审议意见也并非完全一致,陈运泰院士说:“并不是说没有通过的方法就一定毫无用处,即使被确认的这5项,也不意味着就可以运用于预报地震,比如前震无疑是地震的前兆,但是如何识别前震呢?”
给出地震预测定义的瑞士地震学家麦克斯•魏斯正是当年参与评审的这些地震前兆的专家之一,他告诉我们,第三轮的地震前兆审议与评估的计划正在酝酿当中,他们计划建立一个网页,通过网络让更多的地震专家参与,评审出大部分地震学家认可的地震前兆。然而当我们问他,有没有可能通过这些前兆建立一个可靠的短期预测地震的方法时,这位曾经乐观地表示地震一定可以预测的专家表现了他的谨慎:“目前仍然不存在一个可靠的方法可以做到预测中短期地震,在可见的未来,似乎也没有一个方法可以让我们拥有这样能力。”
利用动物的异常举动来预测地震,至少在中国是一项广为人知甚至深入人心的方法,海城地震中 900多次动物行为异常的汇报也是一个时常被提起的例子。当时正值冬天,海5月10日,江苏泰州市东风桥路面上,成千上万只深褐色的癞蛤蟆正结对穿越公路(上左)。城附近很多蛇冻僵在地头,人们的解释是即将来临的地震可能导致地下温度升高,使冬眠的蛇误以为天气已经转暖而爬出地洞,冻僵在依旧低温的地面。当我用绵竹街头异常的蟾蜍来请教陈颙的时候,这位曾任国家地震局副局长、地球物理研究所所长的院士问我:“今天我们还会用燕子低飞和蚂蚁搬家来预测天气吗?”地震预测作为一个还十分不成熟的学科,使用一些经验性的总结是十分正常的过程。
作为一个最受公众关注的前兆,动物异常因为与地震过程并不十分关联而备受非议。动物行为异常可能与地震的发生过程有关,但并不是每一次异常都关乎地震。更常态的,是动物行为异常观测的主观性。往往在地震之后,人们才恍然大悟似的想起,蟾蜍大量搬家,家里的狗似乎也曾在两天里焦躁不安,低声呜叫。
然而蟾蜍搬家很难说是由于产卵期的迁徙还是感受到其他异常,宠物狗也很难把可疑人物的接近和其他的地面震动分开。上世纪70年代,美国地质调查局曾经发起过几起关于动物异常反应与地震发生之间的研究,结果是“没有找到二者间可信的联系”。
经验分析不是每回都能成功,地震前兆的物理机制也看不到方向,在对地震预测进行了近30年的苦心研究而无重大突破之后,一些科学家对短期的地震预测充满了悲观。1996年11月,英国皇家天文学会地球物理联合会在伦敦召开了一次“地震预报体制评估研讨会”。会后以日本东京大学的罗伯特•盖勒为首的三位著名地震学家联名在《科学》上发表论文,标题就叫做“地震不可预测”。他们认为,在地壳内部动力状态这一敏感的非线性系统中,一个破坏性大地震的形成取决于完全未知的物理条件,对这一复杂系统预测其偶然远远多于必然。而魏斯则反驳了他们的观点并以发展的态度对未来保持乐观,虽然他也承认在当前的知识水平上,地震预测是不可行的。
1999年,《自然》杂志在其网站上组织关于一场关于“地震预测”的公开辩论,来自7个国家的学者,提交了数十篇文章,引证了他们自己或者其他人相关的文献200多篇,对“地震预测”的相关问题进行了激烈的辩论,对地震预测持支持、怀疑、中立的学者都各抒己见。这场网上的公开辩论,是对此前地震预测研究的一次大总结。
来自中国的地震专家吴忠良参与了讨论,他在提交的论文认为,根据震源的物理性质对地震进行的分类还远不完备,还需要对地震的震源过程和发震机制作更为细致的研究。一个近乎常识的问题是,地震与地震是不同的,把所有地震都不加加以区别的对待是不合理的,要求一个前兆适合所有的地震也是没有根据的。
此外,他认为如果没有观察到某些前兆就说前兆不可靠,这样就会把太多可能成为有效的前兆先行屏蔽掉了。这些观点,为地震预测研究带来了一线曙光。
此后,国际的地震预测专家们似乎兵分两路,“科学界因为这次辩论而多少分成两派了。”
魏斯说。在一派继续鏖战地震预测的物理机制与方法的同时,另一派则把眼光转向了地震的长期预测和开发震后速报系统。颇值得玩味的是,曾经乐观地认为短期地震预测可以做到的魏斯投身了后者,他现在是一家开发震后速报系统组织的科学顾问。他还打算拍部电影,通过影片告诉人们地震预测的困难以及保护人们免于地震灾害还有一种方式:速报预警。
震后速报预警系统是基于地震波传播的速度不同而开发出来的。地震学家们发现,从震中传出的纵波和横波速度是不一样的,“你知道,波要跑的更快一些?”台湾大学地质系副教授吴逸明曾经做过台湾气象局地震测报中心的测报员,说着一口标准的普通话。P波就是我们说的纵波。他继续说,“真正对地面建筑造成巨大毁坏作用的恰好是后到来的剪力波,也就是你们说的横波。地震波传递的速度又远小于传递信息的电磁波,那么,利用这几种不同波速造成的几秒甚至几十秒的时间差,我们就可以来达到预警的效果。”
1986年11月15日台湾花莲发生了里氏7.8级的地震,这次地震的震中位置虽然位于花莲,主要灾情却发生在120公里外的台北。研究者们根据地震波的资料发现,横波由花莲传递至台北至少需要30秒,如果能在这30秒内提供地震发生的位置及规模,台北就可能在破坏性震动来袭之前,争取几秒至十几秒的逃生和预警时间。此后从90年代初,台湾开始积极安装实时强震观测系统,在台湾设立了超过100个站点,建立了覆盖全台湾的监测网,并建立了震后速报预警系统。
“这些站点全都在自动收集数据。”利用这套系统,地震一旦发生,从接收地震波到消息发布,能在地震发生后1分钟内提供震中位置、震级大小(台湾称为地震规模)和全台湾的烈度分布,并通过多种渠道将消息送至防灾、救灾单位。这样距离震中至少六七十公里之外的地区,就可以在破坏性最大的震波到来之前争取到十几秒时间。“关闭高速铁路,关闭可能引发火灾的瓦斯管道,让电梯停靠在最近的楼层以便里面的人员迅速到达楼层而不会被关在电梯间里,正在做精密手术的医生可以暂停操作,降低手术风险……”吴逸明这样为我描述了这与地震波赛跑抢来十几秒时间可以干什么。
1999年9月21日,台湾集集地震,速报系统在地震发生后102秒即发布出了地震报告。根据报告,政府在20分钟内成立“921地震中央灾害防救中心”,并迅速进行相关救灾行动,极大地减少了灾害损失。
不过就算这样的速报系统,真正实现起来也困难重重。就在汶川地震发生的前4天,5月8日,东京东北200公里处发生了6.7级地震,日本的震后速报预警系统9.3秒得出第一套数据,1分钟内得出了9套数据,然而这9套数据各不相同,计算机分析出来的地震烈度的恰好低于可以报警限度。民众纷纷投诉,而日本学界也在《自然》杂志网站上宣布了公众对于他们震后速报预警系统失去信心。
吴逸明说,速报预警系统对于远距离的大地震更加有效,但近距离的地震,因为波速相差更小从而在最初的时间里难以得出准确的结论。“所以我们还要做其他的事情,台湾是一个地震多发的地方,我们除了利用速报系统来指导救灾之外,对于公众,尤其是儿童开展的抗震、逃生教育也是我们日常的工作。”他说。
目前,中国国家级测震台152个,省级区域台网 800多个测震台,覆盖全国31个省市和自治区。5月12日下午2点28分,成都地震台发现监测设备屏幕上出现极强的振幅,监测设备随之报警。之后按照地震速报程序,自动速报系统中心给出结果,同时进行人工复核和修订,最终给出地震发生时间、震中位置和震级,整个过程用时约12分钟,这为汶川地震开展灾后救援工作提供了重要支持。
短期的临震预测虽让人沮丧,但也不能说地震学家们没有一点斩获。地震学家们发现,世界范围内的大地震有一个明显的空间分布,地震的长期预测地震学家公认是可以实现的。
世界上有四条大的地震活动带:环太平洋地震活动带、地中海-喜马拉雅地震活动带、大洋中脊地震活动带和各个大陆上的板块内活动带。
地震学家们现在已经知道,地球上这样一个极不均匀的地震分布究竟意味着什么:全球绝大多数地震都分布在板块边界上,比如青藏高原周边的地震,就是印度板块与欧亚板块碰撞的结果,这种碰撞也是青藏高原成为“世界屋脊”的主要原因。
预报一个地区在未来几年或几十年内发生地震的可能性和最大震级的地震长期预测结果,并非为公众所关注,也不能指导人们在临震前采取紧急措施,然而这种预测对于地震危险评估、地震灾害预测、抗震规范制定、地震保险的作用,要大过短期的临震预报。
地震最突出的特点是它的猝不及防的突发性和触目惊心的巨大破坏力。在众多的自然灾害中,地震灾害堪称群灾之首,尤其是在造成人员伤亡方面,地震造成的死亡人数占各类自然灾害造成的死亡人数总数的一半以上。“中国不是世界上地震最多的国家,却是地震灾害最严重的国家。”提起中国的地震灾害,陈颙院士的语气里透着沉重,他和同事刚刚编写了一本《自然灾害》作为大学生的辅修教材。“从建筑上来看,我们的房屋抗震能力还很不足,农村民房抗震能力更差。但是,如果我们预测一个地区未来50年可能发生7级以上的大地震,那么我们有很多事情可以提前做,比如预先加强房屋建筑的设计,不在此处修建重要的工厂,迁移重要设备物资,为我们的公众开展防震教育,这样即使有地震,也可以减少地震灾害造成的经济损失,把地震带来的伤害减少到最小。”
在地震学的历史上,一次如此巨大地震原地重复的例子极为罕见,对汶川来说,至少将有在上百年平静的时光不会再被地震侵扰。“我们几万同胞的生命,不能白白作为代价。”陈颙院士这样加重了语气,“在一个被地震灾害夷平的废墟中,最可能建立起一座最能抗震的城市。
科技的每一份力量都可以体现在防震上。”是的,我们无法知道脚下的大地什么时候又要颤抖,也无法避免未来5年、10年、100年必将会发生的地震,但我们知道我们可以防备,我们还有其他的力量来对抗地震!