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地震数值预报——飘渺的梦,还是现实的路? 精选

已有 9927 次阅读 2013-4-20 17:48 |个人分类:科学|系统分类:科普集锦|关键词:地震预报,地震,地震数值预报| 地震, 地震预报, 地震数值预报

地震数值预报

——飘渺的梦,还是现实的路?

石耀霖

专家简介:

石耀霖,中国科学院院士,发展中国家科学院(第三世界科学院)院士,地球物理学家,中国科学院研究生院、中国科学院研究生院地球科学学院教授。领导创建了中国科学院计算地球动力学重点实验室。主要从事地球动力学基础研究工作,发表学术论文200余篇,其中被S C I收录80余篇,引用1000多次。担任《中国科学院研究生院学报》主编、《地震学报》副主编、国际刊物《Tectonophysics》等刊物编委,现任中国地球物理学会副理事长,曾任中国地震学会副理事长。

一、        我国地震预报历史

我国是一个多地震的国家。1962年新丰江水库地震和1966年邢台地震之后地

震预报被提到了议事日程,成为重要研究内容。地震预报研究是在文化大革命中上路的。谈到地震预报,有几个人应该谈到:一位是李四光,另一位是傅承义。19531128日中国科学院常务会议决定成立“中国科学院地震工作委员会”,由李四光、竺可桢兼正、副主任。委员会下设综合组、地质组、历史组;1954年,中国科学院地震工作委员会主任委员李四光副院长提议利用中国历史地震资料来制定拟设厂矿地址的地震烈度;邢台地震后,李四光积极推进地震预报工作,强调地震地质研究和地应力测量在地震预测中的作用。

1、图22008年汶川地震。

3 李四光,世界著名的科学家、地质学家、教育家和社会活动家,是中国现代地球科学和地质工作的奠基人之一和主要领导人。

4 傅承义,地球物理学家,是中国地球物理科学的主要奠基人之一,为推进中国地震学与地球物理学的研究起了重要作用。

1956年,傅承义率先提出在我国开展地震预报研究工作的规划,并提出实现地震预报的科学途径和实施方法;在“科技长远规划”中提出中国地震活动性及其灾害防御研究。1963年,傅承义先生在《科学通报》上发表的《有关地震预报的几个问题》的文章,这是我国在科学刊物上提出地震预报的第一篇文章。

1971年,傅承义先生在《地震战线》上发表的文章《关于地震发生的几点认识》。“预告的最直接标志就是前兆,寻找前兆一直是研究地震预报的一条重要途径”。文中列举了一些可能前兆,如前震和地下微弱震动、地倾斜和地形变、地磁要素、地震波速度、地下水位、地温、地电、生物,以及月相、气象等要素的变化,并指出:“地震预告是一个极复杂的科学问题”。

1966年开展地震预报研究以来,在科学家的不懈努力下,我们有成功的实例,例如1975年成功预报海城地震;但也有惨痛的失败,例如1976年的唐山地震,没能实现短临预报,死亡了24万人。

地震预报搞了近半个世纪,虽然地震科学整体研究取得了许多可喜的进展,但地震预报问题上没有大的突破,仍然在原来的水平上徘徊。2008年的汶川地震,中长期和和短临都没有能实现预报。

因此地震预报成为科技界和广大群众十分关心的问题。

地震能否预报?

在进一步讨论之前,先讨论澄清一下地震能否预报的问题。地震震级M和该震级地震发生数目N之间存在l o g N=abM的关系,美国的理论物理学家巴克探索这一规律时,在计算机上模拟进行了有名的沙堆实验,发现沙堆模型同样可以生成这样幂律的崩塌。他随机地扔沙子,发现一旦沙子形成陡坡,就无法估计丢下沙子会导致什么结果:可能停下,可能触发小规模崩塌,但也可能引起连锁反应,导致极大规模崩塌。这种高度敏感的不稳定状态称为临界状态。由于它是在沙子堆积过程中自己逐渐形成的,巴克称之为自组织的临界状态。一些人认为这种状态下任何规模的崩塌都有可能发生,是完全不可预测的。模拟实验(不管是真实的还是在计算机上虚拟的)是认识复杂事物的一种有效方法,但前提是要满足相似条件。沙堆实验可以有助于理解地震数目幂律分布的形成,但在沙堆实验中扔沙子是随机的,不能和地震实际状况比拟。地质构造板块运动是有规律的,因此一个地块受到的加荷是有规律的,在边界作用下地块内部应力的变化也是有规律的。比如,拿枪随便乱打,即初始指向是随机的,将无法预测子弹落在哪里;但是如果瞄准靶子射击,尽管会受瞄准精度、风、枪等因素的影响,是否能准确击中靶心也难以预测,但是着弹点围绕靶心会形成正态分布,并不是完全不可预测的。

5 1975年海城地震。

6 1976年的唐山地震。

7 沙堆模型同样可以生成这样幂律的崩塌。

蝴蝶效应

在以上子弹射击成正态分布的比喻中,隐含的条件是处于一个线性系统中。但是人们发现许多实际过程发生于非线性动力学系统中,而非线性动力学系统对初始条件有高度敏感性。

美国麻省理工学院气象学家洛伦兹(L o r e n z)为了预报天气,他用计算机求解仿真地球大气的非线性方程组。他偶然地发现,初始条件很小的差异,最后结果却有极大偏差!洛伦兹(L o r e n z)形象地把这种“对初始值的极端不稳定性”称为“蝴蝶效应”。197912月,洛伦兹(L o r e n z)在华盛顿的美国科学促进会的一次讲演中提出:“一只蝴蝶在巴西扇动翅膀,有可能会在美国的德克萨斯引起一场龙卷风”的比喻。

基于非线性系统对初始条件的极端敏感性,系统长时间演化是不能确切预测的。当然,非线性系统的发展演变并不是没有规律的,有时会最终异途同归,演变为一种或有限种最终状态,似乎状态空间中存在一些“吸引子”;更有意思的是许多情况下演变成的最终状态有无穷尽多的可能性,但是这些可能状态不是没有规律的,而是在状态空间中被“吸引”到无穷多特殊的点,这些点的空间分布可能具有自相似性,被称为奇异吸引子,达到所谓“混沌”状态。

预测非线性系统最终出现的混沌状态(而不是具体演化到某一个点)是另一种类型的预测。但是即使是非线性动力学系统,在一定的时限内(时限的长短取决于系统的具体特征),短期预报仍然是可能的。人们可以用数值模式做几天的气象预报已经为实践所证实,人们可以对多长时段内的地震进行什么程度的预报是需要具体工作回答的问题,而不能武断宣称任何时段内的地震预报都是不可能的。

二、地震预报现状和评价

上个世纪60年代,也就是1966年邢台地震后,人们的一种期望,期待的是地震是有前兆的。也就是“有异常”→“有地震”、“无异常”→“无地震”。

那时我们认为,预报不了地震,因为我们台站不够多、手段不够多。因此,我们建设了更多的台站,中国大陆现有测震观测站1303个。除了测震台网还要建设更多的前兆台网,因此现在有多种前兆手段台站。中国大陆前兆台站中形变观测站358个、电磁观测站294个、流体观测站619个,前兆合计观测站1271个。尽管有那么多的台站,我们还是漏报了汶川地震。

陈运泰院士认为地震预报的三个难点:一是地球内部的不可穿透性;二是大地震事件的稀少性;三是地震孕育发生的复杂性。

因为,固然有这样的情况:“有异常→有地震”,比如海城地震的成功预报;但是也有这样的情况:“有异常”→“无地震”;或是“无明显异常”→“有地震”。

也许,我们没有找到最佳前兆手段?人们尝试了不少新手段方法,经常听到不同的研究者宣称他自己的方法最灵最好,但是没有得到地震界公认的“灵丹妙药”。

也许,任何单一手段都是有局限性的,我们还是要靠“综合”预报?最简单的方法是把各种异常总数随时间变化与大地震的发生找出联系,下图开始似乎显示了联系,可是,汶川地震没有遵从经验规律。

也许有的赌徒愿意相信神秘的数字韵律预报?比如,图11显示了德国“本来应该”获得2010年世界杯冠军,可惜被章鱼保罗搅了。好在保罗已死,你相信2014是乌拉圭获得冠军吗?地震预报的方法不妨与气象预报相比较,可以分为两大类:基于前兆现象的经验预报和统计预报,以及基于物理规律的数值预报。

8 196638日凌晨,邢台发生M6.8级地震。死亡8064人,受伤38000人。震预报研究在文化大革命中上路。

9 中国大陆测震观测站分布图。

10 把异常总数汇总,看是否有地震。中国大陆西部每月地震前兆数量(2006年下半年以来前兆异常数量逐月波动减少)。

11 有人认为,运用这种神秘的数字韵律也是预报的一种方法。

经验预报

经验预报的一个典型案例是美国的加州P a r k f i e ld小镇,人口只有18个人。有记载以来每隔二十一二年就发生一次6级左右的地震。第一次地震是1850年,按照规律应该在1983年又一次地震,结果没有发生地震;有人推算应在1988年来,还不来。一直到2004年才来地震。

这就是说地震经验预报很受限制。与气象预报天天都有新经验不同,大地震一人一生也难得体验几次,经验本来就少,老经验还总碰上新问题。地震预报虽然很复杂,有时我们认识一些简单的事物,返璞归真,反而有助于厘清我们的头脑。比如我们掰一根筷子,当应力超过它的强度,筷子就会断裂。筷子上方中央出现最大张应力,下表面中央出现最大压应力,但一般抗压强度会比较大,抗张强度较低,所以断裂处一般会在上方(图12)。

12 图中红色为计算出的张应力最大的部位,蓝色为计算出的压应力最大的部位。

这个简单的例子表明,对于预测,应力是一个关键量,材料的强度是另一个关键量。应力超过强度就会破坏,在应力增强过程中还有一些间接的表现——例如小的破裂(微震活动),材料如果孔隙含水、并具有导电性,那么也可以期待它们随着应力增大在破裂前会有所反映,即前兆。我们既要关心间接的前兆,更应该关心直接的因素——应力,如果我们能够计算出在特定的加力方式和加力速率下应力的分布,就有可能去预测破裂的发生。

基于物理原理的数值预报

气象预报在上个世纪20年代提出数值预报设想,但当时缺乏计算能力而失败了,只有到上个世纪50年代后开始利用电子计算机探讨而取得进展,现在数十个先进国家数值预报已经成为日常天气预报的手段。

地震数值预报离我们还有多远呢?

数值天气预报:数值天气预报既在给的初始条件和边界条件下,通过对大气流体力学、热力学某些方程进行数值计算求解,从而得到未来时刻大气的变化和气象要素的分布;它以物理理论为基础,以计算机数学和高速电子计算为实现手段,以地面台站、气球、飞机和卫星来获得特定预报所需要的三维问题的边界条件和初始条件。

数值地震预报:如果能够建立地下结构和物性的模型,应用连续介质力学、热力学方程和基于岩体破裂准则或断层本构关系,在了解区域边界条件和三维初始应力的条件下,我们也可以通过高性能计算,了解应力的演变,预测应力最可能超过岩体强度而发生地震的位置和破裂类型、高应力区域体积的大小和未来地震最大的可能震级、根据现有的应力大小和计算的增长速率预测可能发生地震的时段。难点在于地震难以获得深部三维的位移、应力、温度等量的测值,确定初始条件和边界条件。

中国地震局在28000字的汶川地震科学总结与反思报告中提出:“应加强地震监测预报,创新地震预测预报研究与发布体系,加强地震预报科学研究,不断积累和奠定地震预报的理论基础,逐步从经验预报向物理预报发展。⋯⋯

目前我国地震界对于要“逐步从经验预报向物理预报发展”几乎没有异议,但不少人心目中的物理预报仅仅是定性的理解物理机制,谈数值预报似乎为时尚早。可是物理学的基本特点就是对物理规律有定量方程和公式的描述,没有基于物理学规律的定量的计算,还算物理预报吗?物理预报必须是基于定量物理规律的数值预报。

地震数值预报有五个关键环节:对物理机制的认识和通过数学公式和数理方程的定量描述、解这些方程的计算能力、研究区域地下的结构、物性以及建立特定区域模型、边界条件、初始条件。这五个环节现状如何呢?

对物理规律的了解现状如何?连续介质力学(弹性、粘性、粘弹性、塑性)发展比较成熟,在地震学内(如地震波传播)和其他科学和工程问题中都已经得到了成功的应用。岩体破坏准则、断层本构关系(速度相关、状态相关)相对更为困难,但也有相当的进展。

高性能计算能力近年来不断飞速发展,我们中国科学院计算地球动力学重点实验室的计算能力,已经接近了2004年世界排名第一的日本《地球模拟器》的计算能力,我们国家的超级计算机也获得过世界排名第一。我们也发展了计算所需要的方法和软件,有能力开展百万单元的粘弹性介质地球动力学过程模拟。

对地下结构物性了解如何?地震学和岩石实验提供了一定的了解。特别是近年我国开展了地壳深部探测专项,被评选为2011年我国十大科技进展新闻之一。反映了我国在这方面投入的大幅度加强和资料的迅速积累。

边界条件,在力学上可以主要分为应力边界条件、或位移(速率)边界条件,当然也还有更复杂的边界条件。应力随深度变化规律比较复杂,目前世界最深的钻孔在俄国克拉半岛也仅12公里,次深的德国钻孔测量了地下7公里深的应力,对广大区域深部应力现状我们了解甚少;对应力随时间的变化我们就知之更少。应力边界条件难以确定。

空间大地测量技术近几十年的飞速发展(例如G P S等测量手段)提供了现今地壳构造运动速度的宝贵资料。地质学研究还表明,位移速度在漫长的地质时期(几千万年)可以存在稳定性;而G P S测量表明现今(数十年)尺度也往往存在稳定性。海洋板块一般可以视为刚性板块,其地表位移可以外推到深部;大陆板块可以柔性变形,深推时需要更慎重,但不妨用于初步模拟。

最困难的是我们不知道现今地下的三维应力状态。我们仅通过直接测量对百米乃至数千米的少量地区知道地应力大小和方向;地震学震源机制测定方法可以告诉我们更深的应力的方向,但不能告诉我们应力的大小。关于它们的空间分布和时间变化知之甚少。

因此可以给出下列表格:

模拟地震的孕育和发生,需要时间、空间多尺度的计算。包括地震的孕育(应力数年、数千年的积累过程)、地震破裂和震后调整三个主要阶段。如果我们能把这几个主要阶段的动力学过程研究清楚,就可以得到一个较好的地震数值预测模型。

地震的发生破裂过程有很多专家在研究,比如运动学,有陈运泰、姚振兴等在研究;动力学有陈晓非、章文波等在研究;地震的影响,同震和震后一段时间位移和应力变化有汪容江等在研究。

下面仅仅介绍一下介绍我们实验室在地震的孕育、地震的影响这两个方面做的一些工作,其目的是说明,基于数学物理方程模拟计算构造运动造成的地应力变化,有助于我们得到过去定性研讨得不到的新认识,数值预报的尝试是有益的。

13 地震孕育和发生的三个主要过程。

三、        地震数值预报展望

地震的孕育——G P S显示的汶川区域地表运动。一般认为:汶川地震是逆冲、右旋、挤压型断层地震。印度板块向亚洲板块俯冲,造成青藏高原快速隆升。高原物质向东缓慢流动,在高原东缘沿龙门山构造带向东挤压,遇到四川盆地之下刚性地块的顽强阻挡,造成构造应力能量的长期积累,最终在龙门山北川——映秀地区突然释放。但是,为什么汶川地震发生在龙门山之下,而不是更东或更西?为什么汶川地震发生在十余公里深的上地壳底部,而不是更深或更浅?为什么汶川地震西南段以逆冲为主、而东北端右旋走滑更为发育?要回答这一系列问题,需要定量的数值模拟。

川滇构造——我们的P波层析成像工作,提供深部构造,作为模型基础。根据野外观测和三维有限元计算,确定地壳温度分布。根据得到的温度和基于实验室岩石高温高压实验,得到不同地区不同深度的粘滞系数分布。

地热测量使我们可以推测深部的温度,根据高温高压岩石力学实验,可以知道高温高压下岩石不再是弹性体,而是粘弹性体(粘弹性体在短期高频载荷下、表现为固体;但在长期载荷作用下,表现为流体。例如冰看起来是固体,但在长时间尺度下,冰川的冰可以缓慢的像流体一样的流动),并计算其粘滞系数。在有大震震后变形观测的地区,可以用野外观测资料验证根据实验室结果计算的岩石粘滞系数与观测是否吻合。

14 川滇地区的地下结构。图中红色表示该部分地震波速低于这一深度平均值,对于同类岩石意味着它的温度可能高于该深度平均值;蓝色表示该部分地震波速高于这一深度平均值,对于同类岩石意味着它的温度可能低于该深度平均值。可以看出四川盆地的下地壳和上地幔为高速区,青藏高原地壳较厚,且下地壳为低速区。

15 模拟区域(右下角内红框内部分)的结构分层。

15为构建的川西三维粘弹性有限元计算模型,其特征是高原下地壳粘滞系数最低。初始应力状况未知,因此我们只能简单假定初始应力为零,观测应力的增长积累特征。边界条件由G P S实际观测到的边界点上的位移速度插值确定,假定不同深度的位移速率相同,底面垂直位移为0,水平可以自由滑动。

弹性模型计算结果无法解释汶川地震成因

我们习惯于常温常压下岩石是理想弹性体,先看看假定浅部和深部岩石均是弹性计算出的是什么结果。图16左边显示垂直断层的水平挤压应力,右边显示导致断层右旋的水平剪应力分布。应力集中部位与实际地震分布毫不相干。弹性模型无法解释汶川地震孕育成因。


              垂直于断层的压应力                   导致断层右旋走滑的剪应力

16 图中红色为应力集中部位,蓝色为低应力部位,弹性模型计算出的应力集中部位与实际地震活动性毫无关系。

粘弹性Maxwell体模型计算结果可以解释汶川地震特征

实验和野外观测均表明,高温高压下岩石是粘弹性的,会产生柔性变形。下面是粘弹性模型的计算结果。在恒定边界速度下粘弹性介质的变形是随时间变化的,在经过大约千年的暂态变化期间后,进入接近稳态的应力增长期,图17给出的是这时的应力增长率分布。

高原具有柔性下地壳的粘弹性模型计算模拟可以解释汶川地震多种特征,包括位置、深度、错动方式等,这是过去仅仅依赖定性的讨论无法认识的。

在以上模拟中,我们输入的是什么?基于观测的结构模型、基于观测和实验室实验的物性、基于地表G P S观测的边界条件。

不知道的是什么?深部边界条件(简化的假定)和初始应力条件(只能从0应力出发计算)。

得到的是什么?应力变化过程和千年之后大体稳定的应力增长率、发现应力增长率高低与地震活动性相关。得不到什么?应力的绝对值,究竟哪里最危险。因为应力增长率高的地方,模型开始计算时刻的初始应力未必一定最高。只知道增量,不知道原来的初始值,就不知道应力的绝对值,无法确定后续地震最可能发生的地点和规模。

          垂直于断层的压应力增长率             断层右旋走滑的剪应力增长率

17 红色(应力增长率最高)的区域集中在龙门山断裂带上地壳的底部(10-20公里深度),这里发生了汶川八级大地震;橙色(应力增长率较高)区域位于高原一侧,这里有不少地震、松潘地震震级可达七级;四川盆地上地壳为浅蓝色(应力增长率较低),没有地震活动;地幔为深蓝色(应力增长率最低),在模拟区域内地幔柔性变形占主导,没有地震发生。注意,左图显示计算的压应力在龙门山断层西南侧最高,与这里断层错动主要为挤压逆掩一致;右图显示计算的剪应力在断层东北段最大,与这里断层右旋走滑发育实际情况一致。

地震的影响

可以计算日本东北大地震对中国东北、华北的影响,图18给出计算的位移和应力同震变化。

18 远场位移必须考虑地球球形和分层及横向不均匀性。初步结果(蓝色箭头)与观测到的GPS同震位移(白色箭头)对比,方向吻合很好,计算位移值比实际观测值大4倍。

地震造成的应力变化,以北京地区为例,南北向压应力减小13k P a,东西向压应力减小18k P a(邢台、河间、渤海、海城、唐山地震震源机制解均反映该区主压应力大体为N E E方向,每年应力增长约0.25k P a)。N E E向主压应力,因此,日本东北大地震造成首都圈应力场的变化,可能给使这类机制的地震在华北有十余年到几十年的相对平静时期。

地震数值预报的瓶颈是我们不知道初始应力。地震的孕育如果假定初始应力为0,给定边界条件可以计算应力增加速率。但初始应力状态不是0,我们不知道初始应力状态,也无法计算绝对值。因为,最后应力=初始应力+应力增长率X时间,或最后应力=初始应力+应力变化量。

初始应力必须来自观测,进行应力测量(包括绝对测量和相对测量,地表浅和深部三维测量)。应力观测系统必须有国家级的部署。

19 中国现代构造应力场图。

展望

地震预报需要从基于前兆的经验预报、统计预报,发展到基于对地震发生物理基础理解基础上的数值预报。

即使有了地震数值预报,并不意味着排斥经验预报和数统计预报。不断有新的观测、不断有新的经验、不断有新的总结、不断有新的理论。理论也帮助我们更深的了解前兆。但是,仅仅依靠积累经验、特别对于发生频度很低的大地震积累经验,是缓慢而漫长的过程,获得的经验也充满了不确定性。要改变过去半个世纪的徘徊,必须要有新的科学思想和战略部署。不能仅仅把物理预报当做定性的研究地震物理机制,而是要在定量计算意义上开展数值预报;不能仅仅泛泛谈谈要逐渐从经验预报向数值预报过渡,而是要有明确的科学思路和切实的路线图及规划;要突破原有的专业分割局限性,注重具有地质、地球物理基础和数值模拟能力的创新人才的培养。

数值预报不是飘渺的梦,是现实可行的路,尽管路漫漫。气象数值预报从提出设想到初步实现,用了约半个世纪;地震经验预报在我国迅速起步之后也步履艰难的走过了半个世纪;地震数值预报更加困难,也许距最初步的目标也还有世纪之遥,但千里之行始于足下,不能畏难而止步,不能再搞半个世纪的经验预报,把数值预报留给子孙去开拓。是时候了,在我们这一代就要吹起地震数值预报的“起床号”!

(本文根据“院士讲地灾”高峰论坛发言稿整理)

20昆仑山口西8.1级地震纪念碑。

本文发表在2012年第11期《科学中国人》



4.20雅安地震
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