心怀宇宙天地宽分享 http://blog.sciencenet.cn/u/陈学雷 国家天文台研究员,从事宇宙学研究

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为什么地震不能完全准确预测 精选

已有 16714 次阅读 2008-5-26 02:21 |个人分类:科学普及|系统分类:科研笔记

    汶川地震后,我写了两篇文章谈地震预测问题。其一是说,不是所有的地震都可以预测,因此应该立足防震,而不要把希望寄托在临震预报上,其二则指出,在存在误报的可能性下,即便有临震预报,政府也很难决策,因此我们更不应该形成倚赖临震预报的思想。遗憾的是,从网友评论和科学网上其它有关地震的讨论文章看,大部分网友尽管没有什么科学根据,却依然一厢情愿地相信地震一定能预报,而把主张不能预报的观点当做是官方科学家们推卸责任的说法。一些所谓的非主流科学家们,特别是某些号称预报了此次地震的人,则趁此机会呼吁政府和社会重视自己的研究。而即使是那些“官方科学家”,在解释为什么不能预报的时候,也往往只是泛泛地说,我们现在对大地内部了解太少,因此现在全世界都还不能预报,似乎以后还是有希望预报的。我认为,这种盲目相信地震可以预报的观点,将把我们引入歧途。因此,在这里我谈谈自己的观点。我要声明的是我并不从事地震研究,因此我是外行。不过,我提出的下述观点,也是基于我作为一个普通人对有关地震的科学的了解写的。

    地震的发生,是由于岩石受力。当力大到一定程度,造成岩石发生断裂。断裂是突然的,这时能量被释放出来形成地震波。这种断裂发生有一定的随机性,正是由于存在这种随机性,注定了地震本身是不可能完全准确地预测的。地震的随机性,在一定程度上类似于现在非常著名的气象上的所谓蝴蝶效应。

    蝴蝶效应是指动力系统在某些情况下对于初始条件非常敏感,微小的改变就足以使整个系统的演化完全不同(蝴蝶扇一下翅膀就可能引起飓风)。不过,实际上在气象上,并不是在所有情况下系统都处在这种对初始条件都很敏感的状态,在某些参数条件下系统是稳定的。例如,洛伦兹(Lorenz)当年发现蝴蝶效应时提出的 洛伦兹方程,在雷诺数较低时,存在稳定的动力学吸引子,因此这时蝴蝶扇不扇翅膀都没什么影响。只有当雷诺数较高时,才会出现奇异吸引子,这时才会出现蝴蝶效应。这也是为什么数值天气预报在较短的时间内是可能的。

    不过,地震比气象更难预测,这不仅仅是因为我们看不到地下的情况,而是与地震本身的特点有关。导致地震的岩石断裂其实是经常发生的,但很多时候这种断裂只导致少量能量释放,引起小地震,对我们没有影响。然而有时,一块岩石断裂造成其它岩石受到更大的力,这又导致其它岩石断裂,这种多米诺骨牌效应的放大导致大地震。地震过后,在重新取得平衡的过程中会发生一些余震。但是,最终这导致地壳能量的释放,这时地震暂时停止,地壳再次开始蓄积能量,直到蓄积的能量再次导致地震。这一动力学过程导致地震形成所谓自组织临界系统(self-organized criticality system), 这种系统里动力学的吸引子正在临界点上,因此它具有高度的不稳定性和随机性。任何微小的变化都可能导致完全不同的后果。地震的次数和震级服从幂率分布(古滕堡-里克特定律),这正是自组织临界系统的特点之一。

    对于自组织临界系统,也不能说完全无法预测。比如,一个沙堆可以作为自组织临界系统的例子。我们知道,如果往沙堆上不断注入沙子,沙堆坡度高到一定程度以后会发生崩塌。但是,由于沙堆不是完全规则的,到底何时发生这种崩塌,是发生大崩塌还是小崩塌,这有一定随机性,只能作出概率性预测。类似的,对于地震,根据一些异常现象和前兆,可以给出一些预测,也有些预测可能正确,但这些预测绝不可能是完全准确的,这是由自组织临界系统本身的随机性决定的,无论科学家再怎么努力,也不可能准确预言本身是随机的事物。当然,也有可能可以得到一些概率性预测。但是,由于概率性预测无法对地震发生的时间、地点和震级给出短期的、完全准确的预测,这样一来,政府就很难据此作出决策。我在上一篇博文“如果真有关于地震的预测该怎么办”里指出,在存在较多误报的情况下,政府即使收到了地震预报,恐怕都很难决定该不该实行疏散。该文自发表以来,虽然已被不少人浏览,但迄今我没看到谁提出任何可行的办法能够解决这个问题。

    我国在邢台地震以后,就提倡走群众路线,搞地震预测,这收到了一定成效,成功预报了一些地震,我并不想完全否定这一点。但是,经过多年的研究,进展并不大,我认为这不完全是地震研究受不受重视的问题,而是由于地震本身的随机特性,注定了它难以被完全准确预测。因此,我们不应该再象过去那样,每次大震之后就大举上马地震预测研究,指望能临震预报出下次地震来--最终很可能是下次大震仍未被预报出来。应该转变思路,在地震长期预报的基础上,加强对建筑抗震能力的要求。实际上,象日本、美国等,尽管同样无法准确预报地震,但每次地震死亡的人数很少,这些经验是中国应该学习的。

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