地震，真的能預測嗎？

大問題系列

撰文：偶奇（牛津大學）

記得第一次正兒八經出野外是在四年前蘆山地震後，當時坐在大戈壁路上奔跑的越野車裡，一位地震局的老師開著玩笑：「有一次我們幾個研究員、博士後帶著碩士生在村口採樣，一位路過的媽媽跟她孩子說，你要好好學習，不然以後就跟他們一樣……」我望了一眼車窗邊一晃而過的寫著敦煌和拉薩的指路牌，心想，干這行還真有意思，苦中作樂，浪跡天涯。

四年來，慢慢從圈外走進圈內，發現地震研究真的是一件吃力不討好的差事，不但研究者有著許多難言之隱，外界對這行也存在不少誤解和非議。所以這次接到《原理》邀稿，我欣然接受。果然小編上來就拋出兩個直戳痛處的問題：「地震真的能預測嗎？既然不能預測，那為什麼還有這麼多人在從事這項工作呢？」好在我在讀博以來第一次跟導師的談話中就已得到了答案：那些說地球是個無序系統（complicated system）的人，會希望這個謎題永遠不要被解開；而那些說地球是個有序系統（complex system）的人，會離真相越來越近。

的確，地震是個複雜的問題，而科學家的職責就是把複雜的問題簡單化，從而嘗試去剖析和理解它，並希望最終能將獲得的知識貢獻到人類文明的建設中。

首先，什麼是地震？

地震，其實是在應力的作用下，發生在斷層面上的斷層兩側地殼的快速錯動。地震斷層主要分三種：即擠壓作用下的逆沖斷層、拉伸作用下的正斷斷層和剪切力作用下的走滑斷層。

地震斷層的三種機制。（圖片來源：中國地震信息網）

應力又是從哪裡來？

從重力勢能和熱能造成的板塊漂移中來。如：青藏高原是由印度板塊55百萬年前撞上歐亞大陸板塊而隆起，東非大峽谷是在地幔熱熔岩上涌和板塊拉分的共同作用下而撕裂。地球46億年來，大陸板塊們合久必分，分久必合，被擠壓或拉斷過無數回，地殼岩石內部早已有許多薄弱面，它們會在最新的應力作用下「合縱連橫」，形成所謂的斷層面，讓地殼得以順著斷層滑動，以釋放應力造成的形變，又稱應變。

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板塊再造。（圖片來源：中國地震信息網）

什麼時候會地震呢？

記得以前物理課上學的摩擦力嗎，每個接觸面都有一定的摩擦性質，當接觸面兩側的物體在外力的作用下，欲進行相對運動，它得先越過靜摩擦係數的坎才能滑動，一旦動起來，就只受一個較低的動摩擦係數的控制，如果外界不能提供持續的推力，那滑動就會減速停止。地震也類似，具有周期性。假設應力的施加是持續不變的，那隻能靠時間積蓄足夠的應力和斷層面周邊的累積應變，等待超越靜摩擦係數的那一刻， 幾十公里深的岩石地殼一起沿著斷層面進行加速滑動，幾秒後又很快地減速停止運動，而這幾秒所經歷的地動山搖，就是我們所說的地震了。

彈簧-滑塊模型。（圖片來源：Scholz/Nature Review Letter）

應力應變釋放。（圖片來源：BGS Earthquake Seismology）

如何預估地震周期？

還是摩擦力，接觸面的摩擦係數是跟面積成正比的，也就是說斷層面越大，觸發地震所需要積累的應力和應變就越大，所以震級越大的地震間隔的時間就越長，這是地震學裡有名的古登堡－里克特定律（Gutenberg–Richter law）。

b=1時的古登堡－里克特定律。（圖片來源：Wikipedia）

震級又是什麼？

震級的演算法多種多樣其中對地震預測最有意義的是矩震級(M_w)。這裡要提到地震矩(M_0)的概念。地震矩與斷層面的滑動面積(A)和滑動的錯距(D)成正比，代表了地震釋放的能量。而矩震級取的是地震矩的對數，從而把很大的地震矩換算成0-10的震級。

地震矩M_0與矩震級M_w的計算方法。

地震預測的理論依據？

在長時間尺度上看，長期累積的應變應該是和這期間多次的地震累積釋放的地震矩保持一致。也就是說，當我們知道一條斷層上歷史上發生過的最大地震的時間、震中和震級（通過查找歷史文獻、地震儀記錄或野外挖探槽採樣測年），以及這個地區的應變速率和斷層滑動速率（通過GPS和衛星監測，或野外測量、採樣測年），我們就能大致估算下一次發生這條斷層上的地震的時間、震中和震級，但是因為大地震的間隔時間往往是上百年，我們很難精確推算下一次地震的具體日期，所以只能得出「xx斷層某處在接下來xx年內發生x級地震的可能性是xx%」這樣的結論。雖然這些結論一直都是城市規劃和建築抗震標準的基石，但國家為了避免大家生活在恐慌之中，幾乎不把類似信息公布與眾。這就不幸地造成了震後大眾可能對地震從業者的一些誤解，殊不知很多地震都是發生在業界的認知範圍里的。

中國地震綜合等震線圖。（圖片來源：中國地震信息網）

那地震可以預報嗎？

首先，地震預測、預報、預警是三個不同的概念。上文說的預測是指百、千年時間尺度的可能性預測，又叫作中長期預報；短臨預報是指報告未來幾小時、幾天哪裡會有地震發生；預警是指地震已經發生，再過幾秒地震波就來了。

地震預報是件很尷尬的事情。幾百年來，人們總結出了各種地震前兆，但很遺憾，似乎沒有一個徵兆是震前一定會出現的，也不是每次觀察到這些徵兆都會發生地震的。 2016年，義大利發生了一連串的地震，當地地震預報機構因為一次模稜兩可的預報讓大眾誤以為地震不會來，結果傷亡慘重，而警醒之後預報措辭更明確，反而因為幾次「狼來了」而失去了公信力。目前能做到的最好，就是日本採用的地震預警，能在監測到地震體波後、面波還沒有傳播到地表之前發出警報，給人幾秒到十幾秒的時間反應，以減小損失。（更多關於地震預報的歷史與現狀，請見參考文獻列表）

我們哪裡可以做更好？

地震造成傷亡的最大殺手不是地震本身，而是倒塌的建築。所以在地震高風險地帶，普及地震知識、開展疏散演習，落實建築抗震要求至關重要。在經濟發達、斷層明確、地震台網密布的情況下，地震預警能發揮很大的作用，但是中國幅員遼闊，近期還很難實行。而搜救方面，現在最需突破也是最有創新空間的是如何廣泛利用各類信息（如交通監控信號的切斷、手機信號發送頻次的變化、社交媒體實時發布的照片和文字等）來快速確定震中和災情，指導搜救計劃。除此之外，地震研究的結果正越來越多地應用於巨災模型中，為政府和保險行業提供技術支持和金融保障。因此，防震減災早已不是單純的科學問題，它集政治、經濟、社會、工程與一體，需要大家的共同投入，集體創新。

地震研究工作還有什麼進步的空間嗎？

當然，隨著遙感技術（從天上看）、地震波解析能力（從地下看）和基礎設施建設（去地面看）的日益進步，地震研究者們正在獲取前所未有的高精度、高覆蓋率、近實時的觀測數據。海量的新型數據對從業者的數學、物理、計算機基礎提出了更高的要求。現在的地震工作者不但要能上天入地、為大地「診脈」，還要用得了數學，寫得出代碼，建得起模型。任何一個方面的創新都代表著業界對這個複雜有序的系統的進一步認知。我們歡迎各行各業的能人與我們跨界融合，解決世界級的難題，一起定一個小目標，萬一實現了呢？

（圖片來源：Elliott et al 2016 Nature Communication）

作者的野外考察圖（Photo credit：Austin Elliott）。

小調查

面對臨震徵兆的不確定性，地震預報已經成為了一種機會成本的博弈。萬一漏報，付出的是無數生命和社區重建的巨額代價；萬一虛報，則擾亂經濟活動（如大型工廠、核電站等），引起社會不安，降低公信力。

如果我們不再做地震預報，而是實時發布地震的風險級別，一旦達到橙色警戒，則媒體進行報道，大家提高警惕做好防備；等到徵兆減弱，則警報解除。你覺得這樣的系統會對大眾更有價值嗎？

參考文獻：

1.Scholz, C.H.1998. Earthquakes and friction laws.Nature391(6662), 37–42.

2.Elliott, J.R., Walters, R.J. & Wright, T.J.2016. The role of space-based observation in understanding and responding to active tectonics and earthquakes.Nature Communications7, 13844.

3. 地震預報維基百科：https://en.wikipedia.org/wiki/Earthquake_prediction

5.Yeats, R.S., 2007. Paleoseismology: Why can t earthquakes keep on schedule?. Geology, 35(9), pp.863-864.

大問題系列

1.《數學中未解決的問題》

2.《鋰-空氣電池的時代會到來嗎？》

3.《我們離奇點更近了么？》

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