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地震预测的科学探索历程
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来源:中国科学院工程地质力学重点实验室 发布日期: 2019-10-16 

      据中国地震台网测定,北京时间2019年10月12日22时55分24秒,在广西玉林市北流市(北纬22.18度,东经110.51度)发生5.2级地震,震源深度10千米。这是继9月8日四川内江市威远县5.4级地震以来,今年在我国发生的又一次五级以上强震。我国位于环太平洋地震带与欧亚地震带之间,是世界上地震灾害最为严重的国家之一,地震灾害深刻影响经济社会发展、危害人民群众生命财产安全,防震减灾、刻不容缓。党的十八大以来,习近平总书记就防灾减灾救灾发表了一系列重要论述,亲自推动自然灾害防治工作。在2018年10月10日在中央财经委员会第三次会议发表重要讲话中,习总书记强调,加强自然灾害防治关系国计民生,要建立高效科学的自然灾害防治体系,提高全社会自然灾害防治能力,为保护人民群众生命财产安全和国家安全提供有力保障。

      地震灾害尤其是强震的发生会带来经济的惨重损失,更令人痛心的是会造成成千上万的人伤亡。强震往往带来伤亡损失惨重的一个很重要原因在于受灾群众在地震前没有能及时得到预警并做好相应防震减灾措施。据研究,利用物联网技术实现地震全自动报警,提前20秒可减少63%的伤亡,提前10秒可减少39%的伤亡。加强对于地震预测的研究,造福人民、功在千秋。

      20世纪50年代,美国一些科学家称:“地震不能预测。”[]这就提出了地震学界的“地震预测难题”。地震预测是根据对地震规律的认识,预测未来地震的时间、地点和强度。实现地震预测的基础是认识地震孕育的物理过程及在此过程中地壳岩石物理性质和力学状态的变化。地震学家不能直接观测地球内部,对地震的孕育过程缺乏观测数据。因此准确的地震预测,特别是短临地震的预测一直是一个科学难题。

      但从理论上分析,地震预测具有复杂性并不能得出地震不能预测的结论,地震作为一种自然现象必定有决定其发生的内在规律,某种方法不能预测地震,只能说明方法运用不得当,问题的关键是探索更加科学合理的地震预测方法。地震多、分布广、强度大、灾害重是我国的基本国情,如果我国能在地震预测研究上有所突破,不仅事关地质力学、地磁理论等诸多学科的发展,更事关保护人民生命财产安全、维护社会稳定、实现中华民族伟大复兴梦的社会进程。

      “防震减灾,造福人民。”上世纪六十年代以来,我国国内以李四光为首的一批地质理论研究者,不盲从、不迷信,以为人民群众谋福利的高度使命感和探索真理的理论勇气,扎实苦干、刻苦钻研,弥补了西方在地震预测领域的空白。

      1966年3月8日邢台发生地震,人民群众伤亡惨重。“当时很多科学家认为地震是无法预报的,李四光斩钉截铁地说地震是可以预报的”[]李四光根据他提出的地质力学理论和调查研究结果提出:“从构造体系上看,深县、沧县、河间一带发生地震的可能性不能忽视。”1967年3月27日果然在河间发生6.3级地震。这是新中国第一次成功的中期地震预测。邢台地震后,大港油田物探工程师张铁铮发现:两次地磁异常间隔时间延长一倍,与地震发生的时间相似,提出“地磁二倍法”预测发震时间。并于1969年12月底向中央地震办公室(国家地震局前身)提出预测:1970年1月4日可能发生一次大地震。结果于1970年1月5日在云南通海发生了7.7级地震。这是全球第一次部分成功的(缺发震地点、震级)短临地震预测。在学习张铁铮“地磁二倍法”经验的基础上,沈宗丕于1970年9月开发出“磁偏角二倍法”,进一步提高了预测精度。

      七十年代以来,沿着李四光等人的理论探索之路,中国地质学界继续不断地发展地震预测理论。钱复业、赵玉林,以坚忍不拔的探索精神,终于在震中区昌黎台的监测记录中,发现了“潮汐力谐振共振波”(简称HRT波),提出了一种整体论与还原论方法结合、相关性思维与因果性思维结结合的“HRT波短临预测地震法”。他们的儿子还发明了一种高精度、抗干扰的的PS-100电测仪,中国地震局特批基金在川滇边境建立了4个HRT波测站。这4个测站在印尼9级大地震前都收到了HRT波信息,在距离近3000公里的情况下,4个台站PS-100台站与震中距离不同,信号到达时间不同,到达测站的时间与二者的距离成正比。从而证明,这个“潮汐力谐振共振波”正是国际地震界苦苦探寻多年,一无所获的、从震源发出的必震信息。

      从理论上看,西方学界坚持所谓“地震不能预测”的观点,其理论支撑是西方科学的还原论方法。从还原论视角分析,由于地震孕育、发生、发展的过程极其复杂,准确地预测地震的时间、空间、强度三要素是不可能的。李四光、张铁铮、钱复业、赵玉林等人之所以斩钉截铁地坚持地震可以预测,则是走出了还原论视角的限制。他们“以我为主,洋为中用”,结合地质力学、地磁理论,发挥中国传统科学在价值内涵和类比推演方法上的特点,开辟了新中国的自主地震预测方法。与西方还原论思维模式不同,这种预测方法的原理是一种系统思维指导下的、概略的、复杂性的因果分析。

      从系统科学的角度看,地震预测是“以复杂系统行为的预测和控制为对象的科学研究”的一个部分。钱学森指出,这种“开放的复杂巨系统”具有四个特征:①系统与环境有物质、能量和信息交换;②子系统成千上万,甚至上亿万;③子系统种类繁多,几十上百,甚至几百种;④从可观测的整体系统到子系统,层次很多,甚至连有几个层次也不清楚。[]天体演化、地质构造、人体、思维、社会等,都是具有这四个特征的开放的复杂巨系统。这种复杂系统中的整体性、根本性问题,单纯的理论分析、实验室实验是无法解决的,必须采用理论分析与经验分析相结合的方法,综合应用一切可能利用的多种理论、方法;汲取、总结、模拟专家群体经验;充分利用计算机和网络技术。打个比方,如果把地震预测类比于指挥打仗,那么系统思维指导的战争不要求对战斗把握达到还原论上的完全精确,而是认识到战役和战斗中的不确定性极大,只要把握决定性的部分,就是胜利的基础。

      从预测实践的成果看,地震不能预测这一观点也和前人成功实践相悖。为此观点做论据的无非是西方现代科学因果性思维、从部分认识整体的还原论方法(微分单元法和抽样法)。但实际上,“地震不能预测”的结论在美国也是一家之言、一面之词。在美国,宇航局和能源部等设立的“地震模拟”计划官方网站公布,从2002年2月到2008年6月9日,加利福尼亚州共发生24次5级以上地震,预测成功21次。他们利用历史数据、地质信息、卫星数据,使用数值模拟和模式识别技术预测地震。

      “不忘初心,牢记使命。”“防震减灾,造福人民。”地震预测是一个造福人类的崇高事业,中国的许多地震工作者,正是抱着对人民祖国负责的态度,以社会实践而非一家之言作为检验真理的标准,孜孜不懈地钻研和攻克“地震预难题测”。目前的研究进展显示,在地震预测中运用中国传统系统思维的研究思路极有可能孕育的领先西方水平的、超前的和突破的地震预测技术成果。如能得到必要的课题经费和技术支持,假以时日,“潮汐力谐振共振波短临地震预测法”作为一个防震减灾的科学技术综合性成果,可能是继“四大发明”之后,在习近平新时代中国人对世界做出的又一个伟大贡献。(中国科学院工程地质力学重点实验室 客座研究员 李世煇)