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[随笔] 地震：前兆、预报与“因果性、相关性”杂谈

一、2011版《中国地震和火山分布图》，中国地震局地质研究所

   惭愧！没有找到更新版本的分布图。应该不会有太大的变化吧？

   感谢您提供更新的版本！

图1  2011版《中国地震和火山分布图》，中国地震局地质研究所

图2 天津周围，从上图裁剪出

   看到了吧！俺们天津可不是没有地震的世外桃源啊！

二、我是谁？为什么讨论地震？

   我从 2000 年开始学习“时间序列分析与预测”，主要结合电力负荷预测、公路交通流预测，近 10 年主要集中在“风电功率预测”（属于新能源）。

   我们对未来的预测，主要采用《“机理+辨识”策略》。这个策略是我们学习预测后逐渐整理出的总体思路。

   在具体的预测时，主要采用“复杂系统分析与预测的自动控制模式”，因为我本科是学习“工业自动化”的。我们学院现在仍然简称“自动化”学院。

   我对地震没有任何好感，只有深深的恐惧！

   因为害怕，所以才忍不住看些关于地震的资料。

三、关于地震预报的一些看法

   总体上看，作为一位有一定哲学和自然辩证法知识的基础课教师，我是沿着马宗晋院士课题组看法来思考的：

   “由于自然灾害的发生不是地球某单一圈层内部的孤立行为，而是地球系统各圈层（地、水、气、生、冰）的相互作用加上某些天文因素触发的结果，所以灾害预测是一项跨学科的综合手段的研究。文章从能量的聚集、传递、释放等角度探讨了灾害发生的动力学机制及各圈层在其中所起的控制作用，并介绍了我们开展灾害综合预测研究的思路和模型框架。”

   目前，对这类灾害预报仅能作出临近预报，尚不能作出季度和年度预报。同时，对同一灾害事件的前兆现象，不同部门却能作出完全不同的预报，比如“75·8” 河南大暴雨之前，地震部门曾作出过地震预报，而大暴雨发生后，地震征兆也消失了。

   越来越多的事实说明：灾害发生前，随着下垫面情况的不同，征兆的情况也会不同。不同的灾种之间可能有某些相同的前兆，而相同的灾种在不同条件下前兆可能大不一样。

   尽管该文献第一作者是聂高众研究员，第二作者是高建国研究员，我还是将其称为马宗晋老师的论文吧！请二位研究员老师谅解！

3.1  地震，是个多因一果问题，甚至是多因多果

   地震发生不是地球某单一圈层内部的孤立行为，而是地球系统各圈层（地、水、气、生、冰）的相互作用加上某些天文因素触发的结果。

   直接抄袭上面三位老师的观点吧！

3.2  地震，是有一定前兆的

   大多数地震，岩石运动是其主要介质。

   众所周知，实验室实验已经证明：岩石破裂前，不仅有力学的形变，还往往伴随其它物理现象。如电磁现象。

   曾经红火一时的“石英钟”，其核心是压电石英晶片，其工作原理是压电效应。目前数字计算机的主频产生，常用的方法是采用石英晶片。

   但是，在实际的地震孕育过程中，除了岩石作为主要的载体外，还受到地表板块下面地幔软流层等的运动，板块之间相互作用等的影响。板块上层往往有土壤和植被。这样，不同的板块岩石成分与结构等，在地震孕育过程中会产生不同的物理现象，包括宏观现象（地震的前兆）。对于电磁现象，土壤的成分与湿度等，甚至植被的情况，都会使岩石运动产生的电磁现象受到衰减或变形。

   岩石运动伴随的其它物理现象，作为前兆信号出现的提前时间，可能从提前数秒，到数年乃至更长的时间。作为前兆的物理现象，应当与板块的岩石性质、岩石的应力作用方式等多种物质或因素相关。

   多种不同性质的物理信号的采集，长期观察资料的定量分析，是改善前兆作为某区域地震预报因子有效性的可能途径。如不同季节，土壤的湿度、植被，都会引起前兆信号的变异。

   前兆信号成因往往不唯一。例如，地震前兆，和大暴雨前兆有时有较高的类似性。

3.3  多数地震可以用岩石运动解释或预报

   从 1994-07-17 到 07-22，苏梅克-列维九号彗星（Shoemaker-Levy 9）的碎片大约对木星进行了 21 次撞击。总能量约为 3 亿颗原子弹。

   假如撞击是地球，会引发多大的地震呢？

   一般认为：2008年汶川地震大约相当于 2000 颗原子弹。

   上面的反例说明，地震的成因是多样化的。

   “除了常规的构造地震外，还有塌陷地震、火山地震、陨石撞击诱发地震、注入流体诱发地震等。若这些地震的震级较大，就会有感。

   除此，还有慢地震，包括低频地震、超低频地震、幕式颤动地震、缓移地震及静默地震。慢地震持时较长，通常无感。”

   地震的主要载体是“岩石破裂”。

   构造地震（断层地震）由地壳（或岩石圈，少数发生在地壳以下的岩石圈上地幔部位）发生断层而引起。世界上 90% 以上的地震、几乎所有的破坏性地震属于构造地震。已记录到的最大构造地震震级为 8.9 级（智利，1960年5月22日）。

3.4  构造地震：岩石自身的性质与外部激励

   岩石发生断裂而引起地震，地应力从逐渐积累到突然释放的过程，除了岩石自身的性质外，还受到下层地幔的影响。以及受到大气压，地球公转、自转，天空天体运动等多种因素的影响。

   根据“复杂系统分析与预测的自动控制模式”，一种描述岩石运动（破裂）的物理机制，在加上外部的各种激励，有可能形成一种能够解释大多数构造地震的理论。

   各种激励具体包括：地幔运动，板块运动特别是相邻板块的运动，地球自转公转中引起的地表能量变化，地球自转不均匀的影响，月球和太阳运动的影响，等。

   即板块上下左右的各种作用，都会影响到板块的运动，进而影响地震的发生：提前、延缓、能量变化等。从某种意义上讲，类似天气预报，地震也是一种相互联系的全球运动。

   因此，实用的地震预报系统，应该是像 ECMWF（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts） 一样的全球范围预报活动。依据该系统的地震机理预报结果，再结合本地地震历史资料和前兆信息等多种物理性质的历史资料和观测值加以修订。思路类似于现在的天气预报产品。

3.5  地球地震的预报，还是采用“机理+辨识”预测策略

   从大量的实践经验看，复杂问题几乎必然使用“组合预测”。“组合预测”是 2003 年诺贝尔经济奖得主 Clive W.J. Granger 在 1974 年提出的。

Clive W.J. Granger, 1934-09-04 ~ 2009-05-27

https://www.nobelprize.org/prizes/economic-sciences/2003/granger/facts/

   我们的“机理+辨识”预测策略，是 2007 年中国科技论文在线精品论文。

   在竭尽全力构建全球地震的力学机理运动模型的同时，深挖历史资料，特别是与前兆有关的历史资料透彻分析，最终将依据力学的机理预报，和依据历史资料（前兆资料）的辨识预报结合在一起，以期最终形成越来越高的地震预报效果。

   近来，我在怀疑一个问题：以流体运动为载体的天气预报，和基本上是以固体运动为载体的地震预报，到底哪个更难？

   换言之，不能排除在合适的角度下，同样可以实现（断裂）地震全球统一预报的可能性。假如上述思考具有合理性，则仅仅依据板块局部信息的预报，一般难以达到三要素的高可靠性、高精度预报。采用该板块外部作用进行修正，是提高板块地震预报效果的可能途径。

   或许，现在真的应该考虑：类似天气预报，认真地探索依据板块运动和岩石运动规律性的机理型全球地震预报系统的原型了。为什么要“全球统一预报”？因为这是“板块 plate”运动的性质引起的。

——————— 附录 ———————

1.  复杂系统分析与预测的自动控制模式

   对于控制系统，

附录图1  复杂系统分析与预测的自动控制模式

   （1）在系统稳定的前提下，系统的输出和输入之间才有较为确定的因果性。

   （2）在系统的稳定性边界上，可能会出现“自激振荡”现象，此时的负反馈线性控制系统成为了“信号发生器”。在没有明确的输入信号时，该系统输出端会出现有规律性的变化信号（自激振荡）。

   （3）在系统不稳定时，输出信号更多地由该系统自身的特点决定，而与其外部输入信号关系不大。

2.  因果与相关是两个不同的重要概念

   因果关系描述事物之间的影响机制，具有外延性和可预测性；相关关系描述所看到事物之间的表面现象，没有外延性和可预测性。

   即使这两个因素之间没有因果关系，仍可能会表现出虚假的相关关系；相反地，如果它们之间具有因果关系，也不一定表现出相关关系。

   引用自： https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=235393&Type=bkzyb&SubID=59860

   因果性/causality/朱复康，中国大百科全书

3.  NASA, 2021-07-27, P/Shoemaker-Levy 9

https://solarsystem.nasa.gov/asteroids-comets-and-meteors/comets/p-shoemaker-levy-9/in-depth/

   The impacts started on July 16, 1994, and ended on July 22, 1994.

   The "freight train" of fragments smashed into Jupiter with the force of 300 million atomic bombs. The fragments created huge plumes that were 1,200 to 1,900 miles (2,000 to 3,000 kilometers) high and heated the atmosphere to temperatures as hot as 53,000 to 71,000 degrees Fahrenheit (30,000 to 40,000 degrees Celsius). Shoemaker-Levy 9 left dark, ringed scars that were eventually erased by Jupiter's winds.

   碎片“货运列车”以3亿颗原子弹的威力撞击木星。这些碎片产生了高达 1,200 到 1,900 英里（2,000 到 3,000 公里）的巨大羽流，并将大气加热到高达 53,000 到 71,000 华氏度（30,000 到 40,000 摄氏度）的温度。Shoemaker-Levy 9 留下了黑色的环状疤痕，最终被木星的风抹去。

4.  NASA, 2011-05-22, Moonquakes

https://www.nasa.gov/exploration/home/15mar_moonquakes.html

   There are at least four different kinds of moonquakes: (1) deep moonquakes about 700 km below the surface, probably caused by tides; (2) vibrations from the impact of meteorites; (3) thermal quakes caused by the expansion of the frigid crust when first illuminated by the morning sun after two weeks of deep-freeze lunar night; and (4) shallow moonquakes only 20 or 30 kilometers below the surface.

   一般认为：至少有四种不同类型的月震：①地表以下约 700 公里的深月震，可能是由潮汐引起的；②陨石撞击产生的振动；③深冻月夜两周后，在晨光首次照射时，由寒冷地壳膨胀引起的热震；④仅在地表以下 20 或 30 公里处的浅月震。

5.  NASA, 2019-05-13, Shrinking Moon May Be Generating Moonquakes

https://www.nasa.gov/press-release/goddard/2019/moonquakes

   Additionally, the new analysis found that six of the eight quakes happened when the Moon was at or near its apogee, the farthest point from Earth in its orbit. This is where additional tidal stress from Earth’s gravity causes a peak in the total stress, making slip-events along these faults more likely.

   新的分析发现，八次地震中有六次发生在月球处于或接近其远地点时，即其轨道上离地球最远的地方。这就是来自地球重力的额外潮汐应力导致总应力达到峰值的地方，从而更有可能沿着这些断层发生滑动事件。

参考资料：

[1] 聂高众, 高建国, 马宗晋. 谈我国重大自然灾害的中长期综合预报问题[J]. 地学前缘, 1996, 3(1~2): 203-211.

http://qikan.cqvip.com/Qikan/Article/Detail?id=2067593

https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-DXQY602.013.htm

[2] 王静. 专访中国地震局地质研究所研究员高建国：地震前兆信息可靠性不足两成[N]. 《科学时报》 2010-4-16 A1 要闻

https://paper.sciencenet.cn/dz/upload/201041614441234.pdf

https://paper.sciencenet.cn/dz/dzzz_1.aspx?dzsbqkid=8560

https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2010/4/231111.html

[3] 马宗晋，中国科学院院士

http://casad.cas.cn/sourcedb_ad_cas/zw2/ysxx/dxb/200906/t20090624_1804353.html

https://ysg.ckcest.cn/html/details/1000852/index.html

[4] P/Shoemaker-Levy 9, NASA

https://solarsystem.nasa.gov/asteroids-comets-and-meteors/comets/p-shoemaker-levy-9/in-depth/

[5] 地震预测/earthquake prediction/刘杰，中国大百科全书

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=60137&Type=bkzyb&SubID=76978

   地震地质。地震统计。地震前兆。

   地震预测通常分为长期（10年以上）、中期（1～10年）、短期（10日至数百日）和临震（1～10日及1日以下）预测。

[6] 地震前兆/earthquake precursors/刘杰，中国大百科全书

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=60138&Type=bkzyb&SubID=76979

[7] 地震力学/earthquake mechanics/尹祥础，中国大百科全书

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=136808&Type=bkzyb&SubID=64113

[8] 海洋地震/marine quake/许东禹，中国大百科全书

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=48634&Type=bkzyb&SubID=76864

[9] 岩石蠕变/rock creep/李根，中国大百科全书

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=192852&Type=bkzyb&SubID=63787

[10] 岩石力学/rock mechanics/冯夏庭，中国大百科全书

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=58295&Type=bkzyb&SubID=63784

[11] 岩石力学实验/rock mechanics experiment/徐涛，中国大百科全书

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=63131&Type=bkzyb&SubID=64557

[12] 岩石破碎/rock fragmentation/徐小荷、杜坤，中国大百科全书

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=64267&Type=bkzyb&SubID=64563

[13] 构造地震 - 百度百科

https://baike.baidu.com/item/%E6%9E%84%E9%80%A0%E5%9C%B0%E9%9C%87

[14] 大气负荷理论/atmospheric loading theory/罗少聪，中国大百科全书

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=152009&Type=bkzyb&SubID=111883

[15] 负荷潮/load tide/章传银、孙和平，中国大百科全书

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=229151&Type=bkzyb&SubID=79603

[16] 固体潮/earth's tides/徐建桥、孙和平，中国大百科全书

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=229316&Type=bkzyb

[17] P. Newbold,C. W. J. Granger. Experience with forecasting univariate time series and the combination of forecasts [J]. Journal of the Royal Statistical Society. Series A (General), 1974, 137(2):131-165.

doi:  10.2307/2344546

https://rss.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.2307/2344546

[18] Clive W.J. Granger, The Sveriges Riksbank Prize in Economic Sciences in Memory of Alfred Nobel 2003

https://www.nobelprize.org/prizes/economic-sciences/2003/granger/facts/

[19] 杨正瓴，张军，陈曦，等. 复杂系统行为预测的“机理+辨识”策略[EB/OL]. 北京：中国科技论文在线 [2006-09-29].

http://www.paper.edu.cn/releasepaper/content/200609-432

[19-2] 杨正瓴，张军，陈曦，等. 复杂系统行为预测的“机理+辨识”策略[EB/OL]. 中国科技论文在线精品论文，2007，1（1）：83-87.

[20] ECMWF, European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, Advancing global NWP through international collaboration

https://www.ecmwf.int/

[21] 许小峰，2018-04-16，大牛“EC” 精选 

https://blog.sciencenet.cn/blog-1310230-1109328.html

   数值天气预报领域一枝独秀的欧洲中期数值天气预报中心（ECMWF）

[22] 科学出版社，2017-10-12，当气象遇上大数据 精选

https://blog.sciencenet.cn/blog-528739-1080292.html

   根据天气学原理，在数值预报产品的基础上，进行人工订正，从而对天气形势作出诊断和预报，进而作出具体的天气预报，是数值预报产品定性化应用的一个思路，实际上是把天气学理论和天气图分析预报方法进行移植和拓展。不同于天气图分析方法的是，其将对前期和当前实况天气图的时间、空间分析延伸到了未来，并把传统天气图方法中对气压场、高度场、风场、温度场、湿度场的分析和预报扩展到对物理量场的分析和预报，有的文献中称为“纵横分析”。横向分析是指，对数值预报产品的多物理量场的各类分布图作时间演变分析，着重分析影响天气系统的移动和强度变化的物理量。纵向分析是对同一时刻的各类分布图作垂直对比分析，了解主要天气系统的垂直结构和有关物理量的配置关系。具体的气象要素预报则是在纵横分析的基础上，开展相似预报和落区预报。

[23] 板块边界/plate boundary/温扬茂，中国大百科全书

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=230251&Type=bkzyb&SubID=79641

   板块内部是比较稳定的，而板块交界地带则是地壳活动比较活跃的地区。在这里，有岩浆上升、地热增温，还伴随着断裂、褶皱和挤压。板块边界是全球火山和地震最集中的区域。据统计，全球有80％的地震发生在板块边界，仅少部分与板块边界没有明显关系。

   按照相邻板块的运动状况以及生长带消减的特征，可以将板块边界划分为三种基本类型：分离型板块边界、汇聚型板块边界和转换型板块边界。其中，分离型板块边界在大洋中表现为大洋中脊，在大陆上表现为裂谷带；汇聚型边界则表现为深海沟和俯冲消减带以及弧-陆碰撞带和大陆间碰撞带；转换型则是板块相对剪切滑动的边界。除上述三种基本类型外，板块边界还有许多过渡类型。这些过渡类型的边界性质是由于板块相对运动速度与边界走向斜交时所造成。板块边界类型并非一成不变，而是随着板块相对运动速度与边界走向的几何关系在时间和空间上不断变化着。

[24] 板块构造说/plate tectonic theory/许东禹，中国大百科全书

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=48597&Type=bkzyb&SubID=76841

[25] 板块构造学说/plate tectonic theory/冉进华，中国大百科全书

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=153320&Type=bkzyb&SubID=140736

[26] 板块相对运动/relative plate tectonics/温扬茂，中国大百科全书

https://www.zgbk.com/ecph/words?SiteID=1&ID=230291&Type=bkzyb&SubID=79638

相关链接：

[1] 2022-07-25，[自己提出问题，提问] 与大数据与机器学习、数据挖掘等“数据科学”有关的一些问题

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1348710.html

[2] 2022-07-28，往日（15）：2009-11-13 对21世纪数学发展的看法

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1349097.html

[3] 2020-10-04，[优先权？] 中国人首先提出 SI 基本单位“安培”新定义？

https://blog.sciencenet.cn/blog-107667-1253168.html

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