太原城市圈设定地震地貌图。图中红色曲线表示断层在地表的出露，双箭头表示模拟采用的水平主压应力的方向与相对大小，另外一个主应力与水平面垂直。

■本报记者 赵广立

经过长达5年的法庭审理拉锯战，在2009年意大利拉奎拉地震中被指涉嫌“杀人罪”的6名科学家于11月20日最终被罗马最高法院判决无罪释放。

这一事件在全球科学界以及社会各界引起强烈反响和争议。2009年4月6日，意大利拉奎拉地震导致309人死亡。2010年，6名科学家因在此次地震前“作过错误及虚假的安慰性调查报告”而受到指控。

时至今日，关于地震的“两朵乌云”仍没有消散。其一，地震的孕震环境和地震触发、破裂规律能不能确定；其二，地震能不能预报。如果这两大疑题得以解答，上述6名科学家的遭遇或许根本不会发生。

“画”出地震潜在破坏

难道每次都要被地震杀个猝不及防？未必。

人们目前虽然不能知晓和预测地震的发生，但如今科学家可以借助模拟仿真的计算手段，预判地震一旦发生，将会造成较强破坏。也就是说，可以用一张“地震潜在破坏图”指导人们防震减灾。

中国科学技术大学地球和空间学院教授张伟就在开展类似的研究。他在接受《中国科学报》记者专访时表示，由于地震过程的复杂性，以及目前我们对地下精细结构和应力状态的认识不足，预报地震还是一种奢望。不过，通过用大型计算装置模拟地震的破裂过程及地震波传播，可以算出来地震将在地面哪些地方造成较大的潜在破坏。

“地震造成的破坏程度同地震断层的破裂过程紧密相关，也和地下复杂结构相关。地震触发后它是往哪个方向‘破’的、低速沉积盆地的形态、地面地形如何，我们就是综合这些因素来分析地震一旦发生的破坏程度。”张伟说。

张伟课题组近期模拟了太原城市圈历史发震断层发生矩震级（反映地震断层错动能量的一个物理量）7.5级地震的自发破裂过程。他们通过对地震断层参数加以设定，以网格间距100米、时间步长0.005s进行计算，得出了一张“太原城市圈设定地震烈度图”。

更上一层楼

张伟告诉记者，如果有条件的话，类似的地震潜在破坏图“可以多画几张”，一来可探究地震动力学破裂过程规律，二来利于分析地震带来的地震灾害，系统分析、制定灾害应急响应机制，“毕竟我国是一个多发地震国家”。

不过，张伟同时指出，这张地震破坏强度图并不是一成不变的。确切地说，这是一张“动态图”。这也容易理解，一方面地下应力变化会影响地震强度，另一方面，随着对地下结构更准确的认知，也会得到更接近真实的地震破坏分布。

获得更真实的地下速度结构，也是目前给地震潜在破坏作图的瓶颈。张伟介绍说，地震破坏强度与地下速度结构息息相关。现在国家地震局数据台网的建设已经积累了大量的数字地震记录，为获得高分辨率地下速度结构提供了可能。现在对速度结构的计算大都是基于“走时”（即地震波传播时间）信息的。但地震波形蕴含更丰富的信息，振动的形状、幅值、相位的变化其实也应加以考虑——但它们的计算量很高。“如果计算机系统可以提供这么一个计算能力的话，那我们就可以做这个工作。”随着计算能力的提高，地下结构的速度模型也会反演得越来越准确，模拟的地震破坏强度也将越来越准确。

与计算能力共突破

这并不意味着现在的模拟计算就不可靠。在模拟太原城市圈地震破裂过程的计算中，张伟与其同事为了更真实地反映地震破裂，还在计算中考虑了断层表面的自相似粗糙起伏。

“我们前几年的工作主要集中在如何准确地模拟地形起伏情况的地震波传播过程和复杂几何断层的动力学破裂过程。我国很多地震发生在山区，比如芦山、汶川的地形起伏就很大，因此我们率先在算法上较好地解决了地形模拟的问题。这使得我们在给出速度结构、地形的条件下，可以计算复杂断层自发破裂过程。”张伟对记者说。

地形复杂并不是唯一要求计算能力的因素。“提高计算能力能帮助我们的工作更上一层楼。”张伟告诉记者，在对地震的模拟仿真中，除了地形的几何复杂性，他们还将断层的几何复杂性等影响断层破裂的主导因素计算在内。而在断层破碎带、近地表低速层非线性效应等以前大家都“计算不起”“直接不考虑”的因素，如果计算能力可满足的情况下，“也可以在算法上考虑加入”。

“如果我们有一个大的计算机系统，我们可以把真正影响地震的物理因素都包括在模型里，这样就可以算出一个跟实际情况相符的地震破裂运动的分布过程。”张伟介绍说，他们目前在已建成的“地球数值模拟装置”原型系统上运行了他们自己开发的有限差分程序用于模拟复杂断层面上的自发破裂过程，尝到了更高计算能力（10倍于前）的甜头，然而该计算网格尺寸能模拟的地震波最高频率4.33Hz，距离模拟10Hz以上的地震波这一目标仍有一定的差距。

“这也对地球科学模拟器的建设提出更高的要求。”张伟说，在此基础之上研制更大的地球科学模拟系统能大大提升数值模拟水平，从而可以“高精度模拟”研究地球科学问题。

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