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对“地震系统属于具有自组织临界性的系统,因而地震是不可预测的”观点之我见

已有 1635 次阅读 2020-1-4 10:11 |系统分类:论文交流

1997319日的科技日报根据Science 275Geller等的文章,刊出了题为“几位科学家联合撰文断言地震根本不可能预报”的报Geller等的观点是“处于自组织临界状态的大地,任何一次小地震都有可能灾变为一次大地震”,而小地震发展成为大地震不仅决定于其断层附近,而且决定于其整个(震源体)空间的物理状态的无数细结构”。因为人们根本无法掌握深部无数细结构的临界状态,所以地震根本不可能预报[1]。与Geller等持类似观点的一些专家也认为:“地震系统与其他许多系统一样,都属于具有自组织临界性(Self-organized criticalitySOC)的系统,即在无临界长度标度的临界状态边缘涨落的系统。在具有自组织临界性的系统中,任何一个小事件都有可能以一定的概率级联式地演化成大事件。级联是否发生与整个系统内的所有细节有关,而不仅仅取决于大事件及其邻近区域的细节;整个系统内的所有细节虽然从理论上说是可以测量的,但是因为需要测量的细节的数量是如此之多以至于实际上是不可能一一准确测量的;并且人们迄今仍然不了解其中的物理定律。因此,从本质上说,具有自组织临界性的现象是不可预测的[2]

根据非平衡态热力学的理论,所谓自组织现象是指一个开放系统,当其某参数达到或超过临界值时系统发生的从无序到有序的现象;并且任何一种有序状态的出现都可看作是某种无序的参考态失去稳定性的结果[3]。由此可见,所谓自组织实际上是对源自于热力学第二定律的“有序状态将自发地转变为无序状态,而无序状态不会自发地转变为有序状态”的传统认识的一种再认识。即自组织表明:在一定的条件下,开放系统能由无序状态自发地转变为有序状态。然而地震是对震源区系统原来的有序的一种破坏,是使震源区由有序到无序的一种失稳性的突变(这里所说的失稳是由有序到无序的失稳,而非由无序到有序的失稳)。综上可以看出,说地震系统属于具有自组织临界性的系统,似乎有悖自组织的原意。

其次,“任何一个小事件都有可能以一定的概率级联式地演化成大事件(即引发地震),而级联是否会发生则与整个系统内的所有细节有关”的观点,其实是源自于与非线性理论有关的一些论述。例如,对于确定的初始值,从数学上说,动力学系统给出一个确定性的解或过程。但在某些系统中,这种过程可能由于对初始值的极微小扰动而有很大的变化,即系统对初值的依赖性十分敏感,因而从物理上看,得到的解似乎是随机过程,它是非线性动力学系统具有内在随机性的一种表现[4]。显然,由此就可很自然地引申出:由于地球构造运动的环境和过程都十分复杂,描述这一过程的动力学方程只能是非线性的,其对初始值的依赖性也会十分敏感,以致初始值的极微小扰动就有可能引发很大的变化从而导致失稳,引发地震。初始值的极微小扰动实际上是无法预测和不可避免的,因此就得出了地震是无法预测的悲观结论。

然而,已有的观测资料及历史记录都表明,地震(尤其是大地震)具有一定的活动周期,例如我国青藏高原南部、天山地区的地震活动周期分别是几十年和100年左右。而东部区是300400年”[5]。可见地震并不是随机事件。地震实际上是因地球构造运动促使孕震体内岩石发生大尺度破裂的能量逐渐累积,当其累积到临界值时才会发生的一种自然现象。因此只有当累积的、促使孕震体内岩石发生大尺度破裂的能量接近临界值时,地震才有可能会因某些小事件(小扰动)而引发。在累积的能量未接近临界值之前,任何小事件(小扰动)是不能引发地震的。因为促使孕震体内岩石发生大尺度破裂的能量累积过程,其实是一个与地震活动周期同步的缓慢过程,它不可能因任何小事件(小扰动)而导致能量累积速度突变,所以认为任何小事件(小扰动)都能引发地震的观点不成立。另外,从数学的角度看,体系的某种特定状态相当于描述体系的动力学行为的动力学方程(常微分方程或偏微分方程)的某个特解,因此失稳现象应相当于微分方程的特解失稳。但是一个不稳定的特解是不能描述在宏观时间间隔内可以观测到的时空有序状态的,体系的这种状态必须相当于动力学方程的某个稳定的特解因此能正确描述体系的动力学行为的动力学方程必须既有不稳定的特解又允许稳定的特解。按照微分方程的理论,具有这种特性的微分方程必须是非线性的[3]。由此可见,能正确描述地球构造运动过程的动力学方程一定是既具有不稳定的特解,又允许稳定的特解的非线性方程。但需要指出的是:一个真正能完备地描述地球构造运动的动力学方程组,除既具有不稳定的特解又允许有稳定的特解之外,还需要能够解决在什么样的特定情况下才会导致不稳定的特解(即地震)的出现。这意味着在这样的动力学方程组中,除应包括通常被认为是能够决定地球构造运动状态的非线性的运动方程、物理方程和几何方程之外,还应该包含一个能够判定在什么样的情况下会导致上述非线性动力学方程组出现不稳定特解(即发生地震)的准则。就像在对弹、塑性结构进行分析时,除了需要建立与之相应的平衡方程、物理方程和几何方程之外,还需要建立一个与之相应的屈服准则,否则仅根据缺少屈服准则的方程组就无法判定所研究的弹、塑性结构是处于正常工作状态还是处于塑性流动状态。鉴于地震是因地球构造运动而引发,因此只有在建立了包括“准则”在内的、能够完备地描述地球构造运动的动力学方程组的基础上,才能判定在什么情况下会发生地震(即导致不稳定特解)。者在文献[6]中重点讨论了建立上述准则的思路、方法和技术路线。

 

   

                                   参 考 文 献

 

[1] 许绍燮. 地震预报发展战略在于创新. 国际地震动态, 2005, 5: 30-33

[2] 陈运泰. 地震预测——进展、困难与前景. 地震地磁观测与研究, 2007, 28(2):1-24

[3] 李如生. 非平衡态热力学和耗散结构. 北京: 清华大学出版社, 1986

[4] 钱伟长. 非线性力学的新发展——稳定性、分叉、突变、. 武汉: 华中理工大学出版社, 1988

[5] 谢礼立, 张景发. 颤抖的地球——地震科学. 北京: 清华大学出版社, 2005

[6] 周筑宝, 唐松花. 基于最小耗能原理的地震预测、预报理论. 北京: 科学出版社,2015




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2 杨学祥 张国宏

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