運用「亞失穩理論」尋求地震預報先機——把准大地震動的脈搏

地震預報對於全球科學家而言，一直是道未解的難題。時至今日，破壞性地震屢屢發生，但提前預報出來的很少；有些地方屢屢被列入危險區，可地震從未發生。漏報、誤報將直接導致損失，但這是當今地震預報中的常態——

如何提高地震預報的準確性呢？其實，地震的孕育和發生過程是一個力學過程。當大地要發力時，探究斷層所處的應力狀態，就可能及時捕捉到那些「必震信息」。日前，在北京召開的全國地震科技創新大會上，中國科學院院士馬瑾及其研究團隊展示了這種地震預測研究的新思路——「亞失穩理論」。

「亞失穩態」才是「必震信息」

在處於「亞失穩態」時，地殼斷層上越來越多部位出現間隙。雖然此刻地震還沒有發生，但將來的地震發生已不可避免。這意味著，只要能探測識別出「亞失穩態」的出現，就能顯著提高預報的準確率

有過掰筷子經驗的人會發現，雙手握住筷子開始發力，一開始看不出外在變化，可是如果持續發力，筷子內部的一些纖維開始承受不住，最後筷子被「咔嚓」一聲折斷。

科學家表示，地震過程和掰筷子很像。當地球內部能量開始對地殼斷層發力，就進入了「穩態」階段——這時，人們感受不到其中變化。如果後續能量不足，就無法形成地震；而如果能量足夠，那麼地殼斷層就會像筷子內部纖維一樣產生間隙，當間隙足夠多到支撐不住時，就進入「失穩態」——區域內的地殼斷層像筷子一樣折斷，地震就發生了。

地震科學剛剛興起之時，科學家們還沒認識到這種複雜的變化過程。他們想走捷徑，從歷史經驗中尋找規律，提出地震的發生具有周期性。然而，這種預測方法實在不靠譜。1966年帕克菲爾德地震後，美國地質調查局預計此處將在1985年至1993年間再度發生地震，概率為90%。事實的結果是，地震直到2004年才姍姍來遲。現實無情「打臉」，告訴人們對於地震這種大事，不能把希望寄托在經驗性的總結上。

也有另外一些科學家在預測地震時，主要關心「筷子」開始受力前的狀態，即地質的應力變化。他們認為，地震前的「蓄力」是一個漫長的過程，所以要對地殼斷層的受力情況進行持續測量，如果有變化，說明存在發生地震的可能。經過研究，他們設定了一系列數值，用這些數值的變化趨勢來預測地震。1966年邢台發生地震後，這一方法在中國逐漸成為主流。

對於這種方法，馬瑾認為，地殼內部的變化是十分複雜的，每次地震的應力變化也很不一樣。在沒有搞清其中因果關係的情況下，測量那麼多數據，無異於大海撈針。用這種方法來預報地震，不僅難度大，準確性也不高。

為找到真正有效的「必震信息」，馬瑾將注意力投向了「筷子」折斷前的那一階段。筷子內部纖維不斷產生間隙，這種破壞是不可逆的，只要一出現，筷子基本上就要斷了。

「亞失穩態」就是這麼一個階段，它介於「穩態」和「失穩態」中間，是壓死駱駝的最後一根稻草。

在處於「亞失穩態」時，地殼斷層上越來越多部位出現間隙。雖然，此刻地震還沒有發生，但將來的地震發生已不可避免。這意味著，只要能探測識別出「亞失穩態」的出現，就能顯著提高預報的準確率。

從許許多多的應力變化過程中，發現了一個明確指向地震發生的階段，這就是「亞失穩理論」的獨到之處。而「亞失穩態」中變化不可逆的特點，意味著發現了地震預測的決定性證據。

研究地震斷層「崩潰」過程

通過建立高級的載入裝置以及配套的觀測系統，層層攻關之下，研究團隊發現了「亞失穩態」中的核心變化過程：加速協同化，並在「震例分析」中得到證實

儘管「亞失穩理論」聽上去邏輯非常嚴密，但地殼斷層是如何從「穩」演化為「不穩」的呢？還需要「大膽假設」之後的「小心求證」。

為再現地震過程，研究團隊建立了「雙軸伺服動態載入裝置」。這套裝置的厲害之處在於，它將實驗數據的採樣速率全面提升到了每秒數百萬次。有了足夠多的數據，科學家們才能夠更細緻地描繪地殼斷層逐漸「堅持不住」的過程。

有了高級的載入裝置，還要有配套的觀測系統，把實驗結果忠實記錄下來。「高頻多物理場同步觀測系統」應運而生。正是這套系統，讓科學家們得以用點面結合的方式來觀測，從而更全面地把握地震發生過程。

在地震發生時，重要數據的變化往往在剎那之間，數據測量難免存在時間差，影響到實驗結果的準確性，如何解決這個問題？經過研究團隊的努力，目前載入裝置和觀測系統間的時鐘同步精度已達到微秒量級，可以最大程度減少誤差。

層層攻關之下，室內地震試驗場終於打造完成。經過實驗，研究團隊發現了「亞失穩態」中的核心變化過程：加速協同化。

地殼斷層的「協同化」，就是斷層內部產生間隙的過程，而「加速協同化」，說的是間隙產生的速率越來越快。這就好比軍隊作戰，一開始損失很少，對余部的戰力減損也較小，可當部隊出現大面積陣亡時，軍隊的戰力便直線下降，愈發不堪一擊。這樣的軍隊往往一潰千里，失敗已成定局，地震的發生也是如此。

在實驗室取得成果後，為獲得更多一手資料，更直觀地把握地震活動的規律，研究團隊開始了更複雜、觀測難度更大的野外研究。

野外研究的主要方法被稱為「震例分析」，即將實驗室數據與實際發生的地震中的測量數據進行比對。研究團隊對2000年6月6日發生在老虎山、毛毛山的6.2級地震進行了觀測，發現震前的小震活動中，存在與實驗結果類似的加速協同化過程。而在典型的強震高發地區——川渝地區的觀測中，研究團隊也發現了大地震前後板塊邊界斷層的協同化作用。

觀測證實了加速協同化的存在，意味著「亞失穩態」是可以被探測到的，給理論的研究開了一個好頭，這意味著抽象的理論研究逐步接近實際。

「重頭戲」引領地震科技創新

未來10年，我國將把創新工程作為國家地震科技重點行動計劃，實施「透明地殼」「解剖地震」「韌性城鄉」和「智慧服務」4大計劃，推動全方位科技創新

中國是地震多發國，準確的預報能夠在最大程度上減少損失。因此，「亞失穩理論」的提出，對預防地震災害的發生，保障人民生命和財產安全至關重要。

中國地震局地球物理研究所所長吳忠良總結道：「地震學可能不是所有時候都需要，但現在一定需要；可能不是所有國家都需要，但中國一定需要。」

作為中國科學家獨立自主提出的理論，「亞失穩理論」對中國地震科技的發展具有深遠的象徵意義。中國地震局黨組書記、局長鄭國光強調，用科技創新作為防震減災事業發展的核心驅動力，是新時期地震科技的發展方向。「亞失穩理論」探討了地震的前兆機理，是中國地震科技發展的重大成果。

「亞失穩理論」的提出與實證，讓科學家們在預測地震時不必再「大海撈針」，只要把目光放在「加速協同化」的探測上即可。因此，該理論有利於提高地震預報的準確性。

從更高一層角度看，地震科學可謂「點燃地球內部的明燈」。「亞失穩理論」從設想到求證、從理論到實際的研究成果，進一步提升了人們對地球規律的認識。

馬瑾表示，「亞失穩理論」的研究還沒有結束，研究團隊將通過進一步野外研究，來擴充自身理論體系。

為更好地研究地震科學，鄭國光透露，未來10年，我國將把創新工程作為國家地震科技重點行動計劃，實施「透明地殼」「解剖地震」「韌性城鄉」和「智慧服務」4大計劃，並將向社會完全開放地震科學數據，推動全方位的科技創新。

鄭國光提到的這4大計劃將是未來地震科技發展的「重頭戲」。其中，「透明地殼」計劃是以「地下清楚」為目標，全面開展地下結構和構造的探查，發展新一代觀測技術，開展地殼深部探測，使「看不見」的地殼逐漸變得「透明」起來。「解剖地震」計劃則是以探索地震孕育機理為目標，解剖典型震例。該計劃將對汶川、唐山、海城、玉樹等典型大地震，以外科手術式的精準度詳細解剖，利用大數據、超算等新技術進行數值模擬，逐步認識大地震孕育發生規律。

鄭國光表示，爭取到2020年建成開放合作、充滿活力的國家地震科技創新體系，形成具有我國地域特色的若干地震科技優勢領域；到2025年，這些計劃取得階段性的成果。

中國正向著世界地震科技強國邁進，任重而道遠。（經濟日報記者 杜 芳 實習生 顧橋孜）

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