55. 是否存在可以有效预报地震的前兆？
Are there earthquake precursors that can lead to useful predictions ？

1976年7月25日，唐山市郊区一个池塘内，大量的鱼在池塘里翻滚跳跃，有的鱼甚至在水里头朝下尾朝上不停旋转；7月27日下午大量的蜻蜓遮天蔽日地在天空中飞过，然后是家禽、鸟类、老鼠、蝙蝠等动物的反常出现和聚集.......。1976年7月28日凌晨3时42分唐山市发生了7.8级大地震，瞬间一座百万人口的城市化为废墟，24万人在这场灾难中丧生。

图1 地震前动物的反常行为

这是唐山大地震当时场景的回忆，此刻回忆它的目的只是想思考一个问题：是否真的存在可以有效预报地震的“前兆”因素，让人类可以由此避免地震所带来的灾难。然而，这些地震到来之前的宏观现象，真的可以用来预测地震，或者这些现象只是地震之后人们推测的虚假联系？地震之前发生的各种反常现象到底是因为恐慌而制造的危言耸听的谣言，还是地震后人们一些牵强附会的错误总结，大地震前的反常现象或征兆到底与地震的发生之间有没有确定的因果关系？

然而反常事件的真相到底是什么呢？唐山大地震之前，人们除了看到动物的反常行为之外，从当年的5月开始，唐山和天津地区的观测站还发现该地区的地下水位和大地电阻率呈明显下降趋势，当地还出现了声、光、电等宏观的异常现象。而这些异常和唐山即将到来的地震之间真的存在必然联系吗？或者这些前兆真的可以用来预测即将到来的地震灾难吗？

图2 唐山大地震纪念雕塑

答案表面上看似乎是肯定的，人们正是利用了地震前的反常现象，成功预测了1975年发生在辽宁海城的7.3级地震，从而使同样人口密集的海城地震死亡率仅有0.16‰。然而，这次成功的地震预测后来被认为只是一种客观的巧合和主观的总结，因为海城7.3级地震之前已经连续发生过大小几百次小强度的地震，从而提高了防范意识的人们更容易将某些现象和地震联系起来；而且如果地震真的可以被“前兆”成功预测，那之后1976年的唐山大地震为什么就没有被成功预测？于是“地震能否被预测”的争论在世界范围内展开，最后讨论的结果是：由于地震是概率事件（不同等级地震发生的概率满足幂律分布），所以准确预测地震基本上是不可能的（地震被认为是一种自组织临界状态下的非线性随机阵发现象）。

图3 科学杂志关于地震预测的争论文章

然而面对这种结论人们似乎并太不愿相信或接受，虽然自20世纪70年代以来，人们寻找地震前兆迹象的热情在不断减弱，但随着人类对地球板块构造和断层运动理解的进一步深入，人们似乎又回到希望利用简单而直观的反常现象来预测地震的道路，因为毕竟无论从板块运动的测量、实验室的仿真到利用计算机的模拟，这些努力似乎都无法对人们准确预测大地震提供实际有效的帮助。

所谓的地震预测严格地来讲就是：在地震发生之前能够确切给出地震发生的时间、地点、强度和概率。或者更狭义地来讲，地震预测必须能够大概率给出强度在5级及以上地震发生的时间和地点。其实由于地球内部岩浆的运动和板块漂移，每时每刻地球都在发生地震，只是绝大多数的地震由于等级很小，人类无法感知，只能通过精密仪器才能纪录和测量，所以震级小于5级的地震破坏力就相对较弱（当然破坏力不唯一决定于震级），预测它的意义就不大了。

图4 地壳内岩石板块断层错位的地震成因

然而大地震来临之前的反常宏观现象到底可不可以用来预测地震，或者大地震发生之前地壳内部岩石层的变化会不会导致宏观可以发现的异常现象呢？答案是肯定的。地震其实就是地壳活动产生的一种运动形式，地壳不同板块岩层在不同力的作用下会发生缓慢形变，当形变达到一定程度时就有岩层忽然错动的能量释放过程，而这种从形变积累到错动过程中释放能量的大小和时间却是非常随机或非常复杂的。当然大的形变积累和突然的能量释放必然会形成大的地震，但这个过程的成因、发展和发生却极为复杂。首先造成地壳某处板块岩石层发生形变的力的来源非常复杂，包括重力、地球自传、地壳下岩浆的活动、地表海洋洋流和潮汐、冰川活动、河流和地表结构改变等等，甚至月球、木星等其他星球的引力等都可以触发地震，而且不同板块岩层受到的力必须能够产生差异，岩层物质结构的密度分布及力学性质等方面的因素同样会在形变积累和能量释放中起到重要的作用。

图5 全球大于5.5级的地震分布图（红色 地震等级，黄色 城市人口规模）

无论形成地壳岩层形变的因素多么复杂，形变能量的大量积累一定会产生宏观可以感知或探测的效应，如岩层内部应力的增加会造成地表结构性形变，造成介质波速度的改变；承受巨大应力的岩层的电阻必然会发生改变，含有石英等压电物质的岩层会激发电学、磁学和光学现象（包括电磁辐射）；具有高应力的岩层温度会发生改变，应力产生的蠕动会发出可以被动物听到的次声波，造成动物的反常行为等等，当然有些特殊地质构造区域岩层的高强度形变会影响地表或地下水位，影响水汽蒸发和云层变化，岩层发生小规模释放时会产生异常声音等现象。所以地震的某些前兆现象的确能和地震相联系，但并非出现这些前兆就一定会发生大规模的能量释放，也许岩层形变会通过这些前兆现象把能量释放完而避免发生大的地震，或者大地震之前不一定都能产生这些宏观现象，地震的发生和地壳岩层的物质成分和结构也有巨大关系，所以虽然这些前兆的确和地震相联系，但并非一定会导致大地震的发生，或者造成这些宏观现象的前期能量释放有时发生的范围会很广，持续的时间可能会很长，所以也根本无法准确定位地震发生的区域和时间，也就是地震前兆现象严格来讲并不能准确预测地震所要发生的区域、时间和烈度。

图6 地球的板块构造照片

尽管准确预报地震理论上似乎很让人失望，但人类依然可以通过准确探测地震并成功预报后续影响来最大限度地降低地震给人类带来的损失，比如根据地震爆发前后地波的表现和传播速度而为地震强波未到达区提供前期预报，通过提前预报地震引发的海啸、强降雨及恶劣气候等降低地震爆发后所带来的其他危害。

无论如何，地震发生前的反常现象一定可以做为地震预测的辅助工具，通过与其他探测和计算手段相结合，人们也许可以找到大地震发生前具有标志性的反常现象或独特指标，从而为突破地震有效预测提供一种可靠的手段。