我們能預測地震嗎？

在下一場災難到來之前，科學究竟能為人類多少脫險時間。

“誰看見我的幻燈片了?”

這是1991年冬天，曾任國際大地測量與地球物理學聯合會(IUGG)主席的符拉迪米爾·克依利斯-博羅克(Vladimir Keilis-Borok)在位于意大利的國際理論物理中心(ICTP)開始他著名的《地震預測：新的嘗試》(Earthquake Prediction：The New Deal)演講之前的疑問。沒有人能給他答案，于是這位70歲的老人聳了聳肩，用嫻熟卻帶有濃重俄羅斯口音的英文說道：

“好吧，那么只好用黑板了?！?/p>

這只是研討會中的一個小小插曲，但這個“偶然事故”意味深長——當地震學家開始討論地震預測的問題時，卻突然發現自己手中的材料實際上還沒有準備好。

但這并不是他們的過錯，至少不完全是。地震預測被譽為地震科學中的圣杯，人人都想得到，卻人人都難以得到。全世界每年約有18次7.0或以上級別的地震。從1968年開始，實際每年的數字范圍從1986年和1990年的每年6-7次上升到1970年、1971年和1992年的每年20-23次，強烈而突然的地震所能造成的破壞幾乎壓倒所有自然災害。1835年2月20日，智利的康塞普森在一場8.1級的地震中被摧毀。兩周后，達爾文在他著名的貝格爾號(HMS Beagle)環球旅行中來到那里，這位經歷過數次余震的地質工作者(雖然他以進化論聞名于世)被眼前的景象深深震撼了。他寫道：“通常在幾百年才能完成的變遷，在這里只用了一分鐘。這樣巨大場面所引起的驚愕情緒，似乎還超過了對于受災居民的同情心。”

震驚之后，每個人都會提出這樣的疑問：“如果不能阻止地震發生，那么可否提前預見，從而避開悲劇?”

這個問題又將我們帶回到開頭的故事——地震學家面對地震預測時的努力、奮斗、希望和迷茫。科學或許不能讓我們遠離災難，但科學為我們爭取了更多的時間，在下一場災難來襲之前做好準備。

這就是地震預測的魅力，也是地震預測的意義。

不可能的任務?

據說地球物理學家、散文作家寺田寅彥在日本一句家喻戶曉的警句就是：“天災總是在人們將其淡忘時來臨?！比绻皇倾氪ǖ卣?，很少會有人想起中學時學過的些許地震知識，更不會對地震預測感興趣。

當不明真相的人們群情激憤地詰難地震學家為何不發布、或不能發布地震預測時，其實很少有人知道什么是真正的“地震預測”。

一個完整的地震預測不僅要包括位置、大小和時間三個參數(每個參數的誤差都不得大于一定范圍)，還應當指明預測發生的可能性。在滿足上述條件后，地震預測又可分為長期、中期和短期。關于地震預測的長、中、短期的時間分界沒有統一口徑，大致上，超出10年的預測為長期，1年至數年為中期，幾個月內為短期，如果能精確到幾天之內，則可稱為臨震預測。而在我國，又有人將地震學家等專業人士對未來地震發生情況作出的研究稱為“預測”，而將政府發布的未來地震警報稱為“預報”。

實際上，關于地震預測最重要的區別是“Forecast”和“Prediction”。這兩個英文單詞對應的中文都是“預測”、“預報”，但在英文中卻有著本質區別?！癙rediction”指極為精確的預測，某個具體地點在未來某個確定時間內將以非常高的概率發生某個震級的地震，近乎“預知”；而“Forecast”則是以一定資料為基礎，對一個較為廣泛的區域在一段較長時期內的某一不確定時間發生地震的概率估計。絕大部分地震學家和相關專業人士作出的預測都屬于“Forecast”而非“Prediction”，他們也不愿把自己的名字和后者聯系在一起。因為在目前(即便是未來相當長的一段時間內)，想要“預知”地震的發生基本不可能，但“預測”卻是可行的。

研究全球板塊構造及地球動力學的“長江學者”陳永順教授在接收《環球企業家》的采訪時表示，根據歷史數據，對未來地震發生的地點和震級都可以有所估計，但發生的時間難以判斷。瑞士著名的地震學家馬科斯·懷斯(Max Wyss)曾經將地震比作一個危險的火藥桶，大家都知道它快要爆炸了，但沒有人知道究竟是哪個火花在何時將其引爆。

自從1870年代后期現代地震學建立以來，人們對地震的了解已經有了相當的進步，但這種了解距離地震的終極真相還相去甚遠。我們無法像儒勒·凡爾納一樣撰寫“地心游記”，真正保留了完整記錄的大地震也為數不多，而最重要的是，地震本身的復雜性?？茖W家能不能破解地震的復雜性，直接關系著地震可不可能被預測。

多數人認為地震是因地下巖石的突然斷裂而造成的，根源在于地球內部的不斷運動所造成的地殼大規模變形，而地震波能量輻射的直接原因是巖層沿地震斷裂面的忽然滑移。地震的醞釀和發生過程都是極為復雜的物理過程，這個地下巖石的“應變緩慢積累一快速釋放”過程具有非線性，一些地震學家更認為地震系統具有“自組織臨界性”(self-organized criticality，SOC)。

線性系統的平衡將在何時被打破是可計算的，要讓系統達到臨界狀態產生質變，需要對“控制參數”進行調節。而具有自組織臨界性的系統具有持續的能力供給，并由很多基本單元組成，這些基本單元之間具有(非線性的)相互作用，不需要從外部控制參數，系統可自發演化到穩定與非穩定的臨界狀態。而且在這樣的系統中，任何一個小事件都可能以一定的概率“級聯”式地演化成大事件，而這種情況是否會發生與整個系統內部的所有細節、而不僅僅是與大事件及其鄰近區域的細節有關。整個系統內的所有細節雖然從理論上是可測量的，但實際上需要測量的細節如此之多以至于根本不可能完成準確測量，而且人們至今仍不了解其中的物理定律。因此，具有自組織臨界性的現象被認為是不可預測的。

在地震的案例中，地球巖石層可以看作由不同層次的塊體組成的，其中最大的是板塊，最小的是礦物顆粒。不同的塊體之間、不同層次的塊體之間都存在非線性的相互作用。地幔對流給這種塊體運動提供了持續的能量供給。這樣一個動力系統能自發地演化到自組織臨界狀態。在1997年《科學》關于“地震能否預測”的辯論中采取激進反對立場的羅伯特·蓋勒(Robert J.Geller)就認為：“地球處在一種自組織臨界狀態上，其中任何小地震都有可能級聯式地發展成一個大地震。”因此，他當時的觀點是，地震的不可預測性是由這個系統本身的性質決定的，應當干脆放棄，不去研究它。

持這種觀點的人的一個重要依據就是古登堡一里克特定律(Gutenberg-Richter law，指不同震級的地震的頻度與震級間存在某種對數關系)，這一地震學中的重要定律的冪律分布性質是具有自組織臨界性系統中的普遍現象。

當然，地震的完全不可預測性只是一個非常偏激的觀點。關于地震系統是否真的具有自組織臨界性、并因此而不可預測也存在眾多分歧和說法，但毫無爭議的是地震系統的復雜性。這或許是一個只有少數人才真正具有發言權的科學領域，但所有人都懂得的是，地震毀滅性的巨大力量總是造成無可挽回的悲劇。正因為如此，盡管地震預測面臨著種種限制和困難，一代又一代的地震學家仍獻身于這個科學難題。

對地震預測這樣尚處于探索階段的科學命題，我們應當對“不可能”和“100％精確”這樣的絕對說法保持同樣的警惕性。就像伯克利大學的地震學家羅伯特·納多(Robert Nadeau)所說的，許多不可預測的隨機性只是因為缺乏足夠的知識。隨著人類對地球和地震了解的加深，對地震的科學預測將不再僅僅是夢想。

預測之殤

1906年8月17日，智利的瓦爾普拉索(Valparaiso)發生8.5級大地震，3760人遇難。智利是全球地震活動最強烈的國家之一。因此，在這次大地震之前，智利政府就已經特地聘請著名的法國地震學家巴羅(Fernand Montessus de Ballore)擔任該國地震觀象臺臺長。在巴羅的主持下，智利開始布設地震臺網，開展相關的地震監測與研究工作，成績斐然。盡管如此，智利政府仍然對巴羅未能預測到瓦爾普拉索地震深感失望，對他頗有指責。1923年，巴羅病故于任上時，也對沒有得到外界的理解感到遺憾。

同樣是1906年，當時在東京帝國大學理學系地震專業擔任大森房吉教授助手的今村明恒發表了一篇文章，預測在50年內日本相模灣將發生大地震，并對東京缺乏防火設施提出警告，指出如果相模灣發生的大地震襲擊到東京，東京將有10萬人死于火災。作為日本地震學界的泰斗，大森教授認為今村的文章缺乏可靠的科學依據并會引起社會的恐慌而加以抨擊。兩人在1915年再次進行了辯論，結果仍不了了之。

今村的預測在1923年9月1日成真，著名的關東大地震奪走了14.3萬人的生命，地震引起的火災尤為嚴重。當時大森正在澳大利亞參加第二屆泛太平洋科學大學，地震發生時他正在訪問澳大利亞悉尼天文臺，忽然看見地震儀的記錄筆瘋狂擺動起來。仔細分析記錄后的大森驚呆了，因為他發現這場大地震就發生在東京。匆忙趕回日本的大森在乘船回國的途中健康狀況急劇惡化。當他抵達橫濱時，迎接他的正是今村。除了對今村表示感謝，大森還為關東大地震深感自責，回國不久便去世了，終年55歲。逝世之前，大森將后事托付給了今村。

今村明恒在相模灣地震的預測中使用了“地震空區”理論。按照該理論，在指定的一段斷層上，會準周期性地發生具有特征大小與平均復發時間的地震。這種“特征地震”的大小和發生的時間都可以根據地質情況和歷史數據進行估計，而“地震空區”就是在時間上已超過平均復發時間、但仍未以特征地震的方式破裂過的一段斷層。上一個特征地震的發震時間類似“地震鐘”的“零時”，從那時起，與這個特征地震類似的下一個特征地震的發生概率是可以推算的。

地震空區理論在地震的長期預測中具有重要意義，也取得了一定成功，但即便如此，地震系統的復雜性也經常使根據這個理論做出的預測落空。1970年代初，日本地震學者找出了“東海大地震空區”，并預測將發生“東海大地震”，日本政府針對預測制定通過了“大地震對策特別措施法”，但直到今天，預測中的大地震仍未發生。

這些發生在幾十年前、甚至是100年前的故事并不僅僅是已經翻過去的陳年黃歷，直到今天，類似的故事仍在上演。地震及其預測是懸在許多地震學家心中的達摩克利斯之劍，他們試圖通過種種手段化解潛在的可能災難，卻缺乏相應的手段。

找不到演講用幻燈片的符拉迪米爾·克依利斯-博羅克在2004年預測當年9月5日之前，南加州12440平方英里的范圍內將發生6.4級或更大的地震。這個預測引起了美國各界的關注，包括《圣·荷塞水星報》在內的許多大媒體紛紛報道了克依利斯-博羅克的預測和研究，美國地質調查局(USGS)也為此專門在網站上做了一個相關常見問題的答疑頁面。

克依利斯-博羅克的預測之所以如此引人注目，是因為他所使用的方法預測準確度非常高，不僅成功預測了2003年9月的日本北海道8.1級地震和12月的加州圣·西蒙(San Simeon)6.5級地震，并且幾乎沒有失誤。數學背景深厚的克依利斯－博羅克長期研究地震預測，與來自俄羅斯、美國、西歐、日本和加拿大等國的跨學科專家組成的研究團隊歷時20年完成了自己的預測模型，通過對日常發生的小地震預測較大的地震，預測時間則從原來跨度數年的中期預測精確成數個月內的短期預測。

盡管美國地質調查局與其他的研究機構針對克依利斯－博羅克小組的預測及其方法聯合進行了調查、評審，認為是合法的地震預測方法，仍將其定性為“未被證明的”。而事實上，這個在之前屢試不爽的預測模型在最多人關注的時候遭到了重大失敗，預想中的南加州地震并未發生。

希望之光

雖然即便是最負盛名的地震學家也難以避免預測失誤，但這并不意味著地震預測走進了死胡同?？艘览?博羅克仍然在繼續利用歷史統計數據進行地震預測的研究，而另外一些人則試圖利用新的技術來破解地震預測的難題，加州大學戴維斯分校的約翰·蘭道(John Rundle)就是其中之一。

據蘭道教授對《環球企業家》介紹，他所帶領的小組最初的方法是研究一段時期內某地地質活動的異?；钴S或異常平靜，而最近幾年的創新在于他們開始追蹤活動的變化，并將其與長期的平均活動水平進行比較，這樣對大地震的預測將更為精確。

實際上，除了大地震，全球每年還會發生數百萬次人們難以感知到的小地震。蘭道表示，小地震可能暗示著斷層上正在積攢壓力。隨著大多數斷層的不斷活動，其中一些斷層上愈加頻繁的小地震最后可能演變成大地震，另一些可看上去反而異常安靜。這兩種現象都是更大地震發生的可能征兆。而蘭道等人的研究方法是通過圖形信息技術(pattern informatics technique)，對一段時間內(比如5-10年)測量到的小地震信息進行分析處理，與更長時間范圍內的歷史數據相比，從而在統計上得到關于大地震發生地點的中期預測。得出的預測結果可以“地圖”(scorecard)的形式形象地展示出來。

蘭道負責的這個項目得到了美國航空航天局(NASA)的資助和支持，是后者的QuakeSim項目的一部分。QuakeSim旨在為模擬和理解地震及構造過程建立一個堅實的地球科學框架，其中的一個重要任務就是為地震預測尋找、提供合適的工具。通過NASA的GPS和衛星孔徑雷達干涉測量術(InSAR)等空間大地測量技術，地面形變，特別是對與活動斷層和火山有關的地面變形都會被高精度的衛星照片記錄下來。而蘭道的任務正是對這些來自天空的數據進行處理，作出相應的預測。

正如QuakeSim項目的主要研究者，NASA噴氣推進實驗室(JPL)安德里亞·多內蘭(Andrea Donnellan)對《環球企業家》所說的：“任何運用于地震預測中的技術都要求對地震形成過程有所理解。”而利用電腦對歷史數據、地質信息和衛星數據等與地震相關的多維度數據進行處理，更可能將地震預測水平提高到新的高度。

蘭道和多內蘭的預測成績相當不錯。他們建立了從舊金山灣區到墨西哥邊界的加州“地震預測地圖”，區分出了從2000年的第一天到2009年的最后一天這10年間最可能發生大地震的“熱點”(hotspot)地區。過去半年里加州發生的5次5級以上的地震都落在了“熱點”里。更重要的是，確定的“熱點”只占地圖所描繪地區面積的1.2％，這意味著在擴大偵測地區范圍的同時減少了需要重點關注和進行預測的區域面積，實際上也減少了錯誤預測的概率。

蘭道和多內蘭均對《環球企業家》表示這種預測方法可以運用于全世界，唯一的限制是需要當地較長時間段的與地震活動相關的數據。QuakeSim的最終目標是建立起自動化的，能每天實時更新地震數據，并適用于任意時間段(從幾個小時到幾年)的全球地震預測和損失評估系統。

這是一個不小的，但很有希望實現的“野心”。

另辟蹊徑

InSAR是預測地震的重要技術，但并不是唯一的技術，而且它的應用主要有益于改進正統地震學對地震的認識和預測。在“正統”之外，還有許多打破傳統的“非專業”專家在為地震預測做出不懈努力，而這些研究及預測都跟“地震前兆”有著密切關系。

已知的地震前兆包括直接與地震過程相聯系和不十分直接與地震過程相聯系的兩大類。前者主要是地震活動性和地震空區等地震學前兆；后者包括地磁、地電、地下水位、地下水化學和動物異常等等。這些種類繁多的地震前兆涉及地球物理、大地測量、地質和地球化學等眾多的學科和廣闊的領域，但具有國際公信力的，“定量的、可測量的”地震前兆僅包括地震活動性圖像、地下水特性和地殼變形等3類5種。這種審核或許過于嚴苛，但如果不能與地震的發生確立有意義的聯系，所謂的“前兆”也就失去了意義。

耿慶國是在汶川地震后被人們談論得最多的地震學家之一。這位師從著名地震學家傅承義的“非主流”專業地震工作者所從事的研究就是尋找干旱作為前兆與大地震的聯系，也就是所謂的“旱震關系”。

1966年邢臺地震和1970年通海地震發生時，耿在地震現場工作時聽當地老農講到地震前一年的干旱，這種樸素的知識給他很深的印象，也成為他日后研究“旱震關系”的起點。但耿慶國所研究的“干旱”并不是通常意義上因為降水不夠引起的普通干旱。在地震孕育過程中，不僅存在著力學過程，同時還伴隨著熱、電、磁等物理化學過程。在震源及其前兆異常的區域內，可能有由地下放出的熱能、電磁能、化學能以及載熱、載電的物質流上升到地表，這些都可能導致地熱增高，使近地面出現干熱特征，再加上地球內部電場和低空大氣電場的相互作用，經過一系列氣象反應，最終導致地表的干旱。

耿慶國研究出的旱震關系是：在6級以上大地震的震中區，震前1—3年半的時間內往往是旱區。正如耿本人曾經表示過的，這是也一種中期預測，而非短、臨預測。

耿慶國并非唯一從正統地震學之外尋找地震預測方法的人，身在地球另一端的NASA地球物理研究員弗里德曼·弗洛伊德(Friedemann Freund)就是其中之一。

在2001年1月26日印度的古吉拉特邦(Gujarat)發生7.7級大地震之前，弗洛伊德和同事在檢查NASA的Terra衛星發送回來的紅外線照片時，發現在印度西部出現地熱增加的異常情況，溫度提高了近4攝氏度。

沒有人知道為什么巖石在壓力下會產生紅外線輻射，巖石彼此摩擦產生的熱量并不是原因。弗洛伊德在一次試驗中發現壓力下的巖石產生了電流，而敏感的攝像頭則發現了紅外線輻射。這讓弗洛伊德開始相信是巖層中的電流產生了紅外線輻射。

這種研究仍處于初級階段，但對于地震預測來說似乎非常有益——通過衛星監控巖層產生的紅外線輻射，從而監控、預測地震的產生。弗洛伊德在接收《環球企業家》的郵件采訪時表示，這種巖石在壓力下變成“電池”而產生電流的情況實際上應當存在于組成地球巖石圈的所有巖石中，不同巖石問的區別僅僅在于“量”，而不是“質”。

弗洛伊德的研究同時能解釋地震前的電磁異常、電離層混亂、近地面大氣層的變化和動物行為怪異等許多異?，F象，或許也是耿慶國的旱震關系研究的一個重要注腳。這是一個從來沒有人研究過的新領域，弗洛伊德表示：“我成功的理由是，一旦我懂得了復雜自然現象背后的基本物理原理，一切都忽然變得透明，或者用物理學的話來說，‘美麗’?！?/p>

并不認為自己是地震學家的弗洛伊德在贊同地震學家認為地震不可“預知”的觀點的同時亦指出，地震學家所做的是“傾聽”地球內部的聲音，并通過地震這樣的“閃電”照亮地球內部的瞬間來窺視地下深處，竭力攫取無論多么微小的信息。在他看來，地震學家通過既有的科學手段，所能做出的預測只是10-30年這樣的長期預測，即使通過科技進步將預測的窗口期縮小到幾年之內，仍然沒有太多用處，而他的工作就是通過地震學之外的手段來識別可能的地震前兆。

對于弗洛伊德的研究，曾與之交談過的蘭道對《環球企業家》表示，這類工作的一個問題就在于缺乏統計學意義上的有效性。無論是天氣、金融，還是地震的預測，都有公認的標準和統計方法被用來證明預測方法是可靠的。只有這樣才能讓人們回到合適的時間，運用前后一致的假設，證明過往的大地震能夠基于更早的數據而被預測。

這或許就是所謂“主流”與“非主流”地震預測的關鍵區別之一。

盡管人們都想看到非常精確的地震預報拯救成千上萬的生命，但現實是在目前的科學水平下，所有的專業人士所能做到的僅僅是時空區間模糊的預測。正如馬科斯·懷斯在2004年時所說的，人們應當理解地震預測中的可能性因素，接受中、長期預測中的有益信息。從另一個角度看，認真地預防地震，或許反而比依靠地震預測從地震中一次又一次地驚險逃生更有意義。