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地震预测研究的技术路径之争

已有 2237 次阅读 2008-12-10 19:57 |个人分类:汶川地震科学反思|系统分类:观点评述|关键词:地震,预测研究,技术路径| 地震, 预测研究, 技术路径

在汶川大地震这场巨大的灾难面前,科学界尤其是地震学界被深深刺痛。在其后紧急召开的会商会上,对各种预报理论及技术方法的争论更带有一种别样的情感背景。
 
尤其是,在没有大震发生的“和平时期”没能得以充分显示的不同技术途径,此刻纷纷亮相,也为普通人了解地震预报的“内情”提供了契机。
 
测震学的“天下”?
 
测震学方法是几十年来监测地震与预报地震的主要手段。几十年预报地震虽然也取得很多进展和成果,但预测中也存在不少问题。这就提出一个问题,即除了测震学方法,别的方法和途径该如何评价又如何对待。
 
国家汶川地震专家委员会成员、中国工程院院士赵文津对此问题深有所感。早在2006年唐山大地震30年之际接受《科学时报》记者采访时,他就强调,既然测震学方法不够有效,为什么不走一走李四光提出的地震预报的途径,即以地震地质调查与地应力测量为主线,加上其他探测方法进行地震预报试验,并认为这是有成功的希望之路。为此,他向有关部门提出了系统的建议。
 
他认为,对地震这样一个世界性的科学难题,不应当放弃对其他途径的探索。因为科学途径选得对路与否,常常可以决定科学探索能否取得进展与成功,而地震预报的科学途径还是不清楚的。
 
赵文津提出,人的认识总是有限的,你对其他方法、途径的不相信,并不代表这样的方法就是不对的。现在许多专家已提出了多种地震预报方法,认为是成功的,这就需要给予重视,研究其有没有合乎道理的地方,不要一棍子打死。
 
他说:“每年通过专家评审后向国务院上报的地震预报意见,准确率却一年不如一年,预报与不作预报结果差不多;2001年昆仑山口西8.1级大地震,预报为无震区,结果却发生了国内最大的一次地震,由于该地区人员稀少而幸免造成巨大损失。这次汶川地震也一样没有预报出来,造成了巨大人员伤亡和财产损失。”赵文津表示,我国地震预报工作应当好好改进。
 
中国地震学会地震观测技术专业委员会委员池顺良告诉《科学时报》,“地震系统的同行或参加过地震会商会的人都知道,目前我们进行地震预测所需的信息绝大部分来自测震方法。尽管各种前兆观测手段各有价值,但提供的信息量只占很小的比例。”
 
根据池顺良的统计,我国发展了测震、大地形变测量、地倾斜、重力、水位、水化、地磁、地电、地应力等9个学科方法,研究预报地震的理论与观测技术,以获取地震预测信息。虽已取得很多进展,积累了不少数据,但现在地震预报的主流还是测震学方法。测震学方法提供了当前地震预报工作中绝大部分的地震预测信息。1975~2001年间,中国地震科学家对24个4~7级地震作出了成功或一定程度预测。其中21个是依据前震、小震活动、地震序列信息作出的预报。但是,靠测震学方法对主震前无小震活动或小震活动不突出的,就难以预报;而且,小震活动与大震发生之间的关系迄今为止也并不清楚。
 
测震学方法的“短板”
 
爱因斯坦和英费尔德在《物理学的进化》一书中,曾把物理学家探寻自然奥秘比喻为侦探破案,这样的比喻同样适用于地震学家。
 
池顺良说,与刑警捉住嫌犯一样,地震学家逮住“地震”必须依靠获得对象物的信息来实现。获得关于嫌犯的足够的信息量,无疑是刑警捉拿嫌犯的关键。
 
而仅凭嫌犯在现场留下的语音记录去捉拿嫌犯会非常困难,但若现场有嫌犯作案时清晰的正面、侧面相片,则嫌犯被捉的可能性就会大幅提高,因为相片的信息量是语音的数千倍!
 
在池顺良看来,地震预测科学家目前的处境就像一个拿到了“嫌犯”录音的片言只语,而没有拿到相片和录像的刑警,因此“嫌犯”屡屡逃脱。
 
测震学方法使用的仪器是经典惯性摆地震仪,它已成为地震预报人员最重要的观测手段。但是,这种仪器很不完善。它是一种运动学元件,只放置在地表,没有与地壳紧密结合,因此所测信号的放大倍数不是特别大。另外,它受限于自身弹簧-摆系统的自振频率,频宽很窄,无法观测到它的频带范围之外的地壳运动。在很多次地震前,许多人听到了从地下传来的隆隆地声,但地震仪上却什么反映也没有;一些大地震前,因为地面缓慢晃动,大群人感到头晕,地震仪仍然什么也没有记录到。这种灵敏的科学仪器因为工作频宽的限制,不能检测高频的地声和极缓慢的地面运动,在某些方面还不如人和动物的感觉灵敏。
 
显然,光靠测震学方法难以“包打天下”,毕竟,每一种方法都有其自身的局限性。著名地质学家李四光认为,“测震学方法观测的结果并不能反映地震发生的原因。”地震学家傅承义也说:必须注意地震波是地震发生之后的产物,如果说地震图上有什么信息,那只能是关于后来的地震,而不是本次地震的前兆。
 
池顺良举例说,在唐山地震预报实践中,测震学仪器一个前震都没有监测到。从研究的角度和探索自然法则的角度来反思这段历史,监测不到前震是不是观测系统本身不够灵敏、频带不够宽,没有把我们不知道的信号包括在内?这些问题是当前测震学方法应该着重考虑的问题。
 
湮没在历史深处的“深井地声观测”
 
“在唐山地震前后,很多人动员起来研究华北地区地震预报问题,中国科学院很多不同专业的科学家都参与了其中的研究探索。这里面可以发现一个很有意思的现象,他们把地震预报作为未明的科学问题来对待,比单搞地震预报的思路要宽。”
 
在接受记者采访时,池顺良提及了一段利用“深井地声观测”手段进行地震预测研究的珍贵历史资料。
 
地声通常是地震发生的前兆之一,不过这种高频波并不被地震学家看好,理由是高频波在地层中衰减快,传不远,难以被地震仪接收到。事实上也的确如此,在地震预报实践中,如果高频波不能传播数十到上百公里距离,观测高频极微震就很难被实际应用。然而,有可能满足高频波观测的条件依然可以找到:如果将仪器安装到振动干扰小的深井中,采用比目前地震仪的放大倍率高数千倍的新型仪器,上百公里外的高频极微震与地声信息就可以被记录下来了。
 
最早想到这种方法的人叫伍富昆。1973年,天津市地震局,伍富昆带领着一批科研人员开始研制深井地声仪。1977年到1984年,利用研制成功的深井地声仪,伍富昆分别在天津宝坻(井深430米)、天津南郊万家码头(1200米) 、四川江油(2200米) 建立了试验观测点,并取得了一批宝贵的观测数据。
 
当深井地声仪快速展开记录时,一卷记录纸只能记录约一小时数据。要保持这三个试验台多年取得不间断资料,工作难度之大可想而知。幸运的是,在天津宝坻深井地声仪投入观测后,在以宝坻台为中心、半径130公里范围内发生了5个5级以上地震;在半径70公里范围内发生了3个4.7~4.9级地震;在20公里处发生了1个3.8级地震。历史上难得的机遇令伍富昆取得了一批宝贵的观测数据。
 
天津宝坻地声台的观测结果显示:在半径130公里范围内,发生的5个5级以上地震,都有地声出现。已经获得的资料表明,“相同震级的地震,越近的地声出现越早;相同距离的地震,震级越大的震前地声出现越早。同样为5级地震,120公里远的滦县地震,14小时前出现地声信息;70公里远的古冶地震,46小时前出现地声。震中距离相近的滦县5.3级地震,震前14小时出现地声;而卢龙6.2级地震,震前1700多个小时出现了地声信息。”
 
物理而非地震专业毕业的伍富昆不受传统测震技术和惯性摆地震仪思路的束缚,大胆选用振频高、灵敏度也高的环状压电材料做敏感元件,打开了高频地震观测窗口。
 
上世纪70年代,北京、太原、山东、四川、云南、辽宁等地也建立了一批地声观测点,研究结果“清楚地表明,地声记录系统的灵敏度远远高于微震仪。证明了地震前确实有不同于极微震的声发射”。
 
“这些试验说明,要获取更多的地震信息,要将地震观测技术向频率更高、信号更微弱的高频极微震领域推进,地震学家必须在他们已经使用了一个世纪、熟悉的摆式地震仪之外,寻找、发展新型结构的地震观测仪器。制造出比现有地震仪观测频带宽得多、灵敏度高得多的‘超级地震仪’来满足地震预报实践的要求!”池顺良表示。
 
不过,令人遗憾的是,伍富昆的这项工作虽然最后通过了国家地震局的鉴定,却没有推广使用,迄今也似乎后继乏人。其中,地震学家们认为高频波传不远的传统认识无疑起了重要作用。他们很可能没有想到,这种仪器的灵敏度会比他们熟悉的惯性摆地震仪要高3~4个量级。微弱的高频波,是有可能被安装在远处、本底噪声很低环境下、灵敏度极高的仪器接收到的。
 
临震前兆观测手段很关键
 
汶川地震后,池顺良接到经历过唐山地震的老同志打来的电话:老池啊,这么大的地震,怎么可能一点前兆都没有?!
 
在接受《科学时报》采访时,池顺良的感受颇为复杂,“不应盲目地推说此次汶川地震没有发现前兆,而应反思当前的测震技术体系是否满足观测前兆的条件。”此前13个月,他研制安装的分量式钻孔应变仪,在距离此次汶川地震震中140多公里外的姑咱台站上,已经连续观测到了清晰的震前异常。
 
但令池顺良感到遗憾的是,虽然早就观测到姑咱台的应变异常,他也曾向中国地震局打报告,希望能够加密布设仪器进行观测,但因种种原因未能等到答复。
 
而与之形成鲜明对比的是,主流的测震仪器在全国布设多达2000套,GPS观测在全国也布了上千个点。“地震预报难的关键就在临震预报上,那么临震前兆的观测手段就很关键。现在的局面是‘敌人’很强大,又专搞突然袭击,那我们就必须有足够的‘哨兵’,才能保证不被‘敌人’偷袭。”池顺良说。
 
不过,另一方面,池顺良也感到很“幸运”,经历20年的努力,当年李四光先生提出的应力应变观测思路和技术已经相当成熟,在几家有远见的地方地震部门支持下,“上世纪80年代分量式钻孔应变仪就已经超过国际先进水平”。
 
在2003年,事情出现了转机。当年美国科学家启动地球透镜计划,其中一项板块边界监测计划,要在美国西部布设200多套澳洲制造的钻孔应变仪器。这个时候,国内有关部门认识到了这种仪器的重要性,于是也抓紧在全国布设了40套分量式和40套中国地震局地壳应力所的体积式应变仪器。
 
“实际上,李四光先生一直强调地震预报必须要有自己的思路,不能老跟在外国人后面。我们为此耽误了30年的时间。”池顺良说,“现实是我们对前兆观测的手段考虑得太少,百余台的分布在全国毕竟太稀少,如果在这次汶川地震震源区布设了几台钻孔应变仪,是有希望观测到前兆异常的。”
 
“现在地震学家预报地震的九成多的信息都是用测震学方法获得的,如果说让地震学家获得测震的信息占到30%到50%,把其他有效的方法吸收进来发挥作用,那么,测震手段占的比例虽然少了,但它获得的信息量更大了,预报能力更强了。这里很重要的是抛开专业的局限,让一个专家变成一个大家。李四光先生观测应变的思路如果能够发扬光大,加上测震学的方法,中国的地震预报研究就可能走在世界前面了。”池顺良说。
 
对地震发生机理,人类暂时没有能力认识,但并不妨碍人类利用技术手段观测地震发生前后的异常变化,现在的关键,是找到适合地震预测的观测技术系统。气象台也曾有过养鳝鱼预报天气的时期,引入气象卫星后,配合其他观测手段和理论,天气预报的准确率才大大提高,地震预报也是同样的道理。池顺良认为,发展“真正经得起科学检验”的宽频钻孔应变地震仪与高频地震学,是地震预测观测技术发展的方向和实现地震预报的希望所在。


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1 侯振宇

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