為地球把脈——地震的預(yù)報與監(jiān)測

張瑞晰

汶川地震過去了。每一次災(zāi)難過后，痛定思痛，我們要總結(jié)經(jīng)驗，要總結(jié)教訓(xùn)。汶川地震又告訴了我們一些什么呢，面對著一一幕幕悲慘的場景，很多人可能都在想，我們有天氣預(yù)報，為什么就不能有個地震預(yù)報呢？地震到底能不能預(yù)報？

我們生活的地球，是茫茫宇宙中一個小小的藍(lán)色星球。地球上有水、空氣和陽光，為所有生命提供了適宜生長的環(huán)境。但是有時地球也會發(fā)出痛苦的震顫，使我們原本溫暖的家園，變成地球子民災(zāi)難的煉獄（圖1）。

（1） 強(qiáng)烈地震造成的破壞性災(zāi)難

張少泉（中國地球物理研究所 研究員）:從以往的情況來看，絕大部分地震發(fā)生在地球的表層，特別是在地殼里邊，因此，處在地殼里邊和上地面頂部的地震我們都叫作“淺源地震”。大陸地震都屬于這個類型。因此我們要想了解地震，必須了解地球。地震就是地球內(nèi)部所發(fā)生的變動，它主要體現(xiàn)在地球的表層，特別是地殼。地殼的破裂是一個脆性的破裂，地震的過程是一個斷層的滑移過程，是能量的釋放過程，是由一個點發(fā)展到一個面、一個局部的錯動過程。

地殼是由一些構(gòu)造板塊組成的，這些板塊飄浮在地下很深的熾熱液體上（圖2），因為受到各種因素的影響而慢慢漂移，速度極其緩慢。在移動中，這些板塊發(fā)生碰撞，形成了地球上的高山丘陵。地球上95%的地震現(xiàn)象都發(fā)生在各大板塊的交界處。由于板塊的運動方向不同，彼此之間摩擦，產(chǎn)生了巨大能量，經(jīng)過時間的積累，這種能量超出了板塊地層的承受能力，就會發(fā)生瞬間的爆發(fā)，這個爆發(fā)的點就是地震的中心。

（2） 地殼構(gòu)造板塊示意圖:地殼是由一些構(gòu)造板塊組成的。這些板塊漂浮在地下很深的熾熱液體上緩慢地漂移

張少泉:具體到一次地震的發(fā)生，它必然是在某個地方積蓄了能量。比如說我的兩只手，代表一個斷層的左右盤，它在錯動，可以使斷層是垂直的，也可以是水平的，也可以是傾斜的。它們逐漸活動，逐漸活動，直到一動不動了。為什么呢？當(dāng)推動力量小于它的摩擦力，不能動了，就開始積蓄能量。

萬事萬物都在運動變化發(fā)展，并且互相發(fā)生作用，地球內(nèi)部也是一樣。經(jīng)過上千年的觀察積累，我們發(fā)現(xiàn)，一些破壞性大的地震發(fā)生前，未來震中或者其外圍地區(qū)，可能會出現(xiàn)各類平時未曾出現(xiàn)過的，與地震活動有關(guān)的自然現(xiàn)象，科學(xué)家們稱之為地震前兆，這種前兆為我們預(yù)知地震提供了依據(jù)。

張少泉:一類是用精密儀器進(jìn)行觀測的，是專業(yè)工作者用重力儀，電磁儀等等還有水氡等監(jiān)測儀器觀測，這叫微觀前兆。

地震前兆非常復(fù)雜，并且具有多樣性，微觀前兆被科學(xué)家記錄，而宏觀前兆比較容易被普通人感知，比如動物行為出現(xiàn)異常，地下水發(fā)生流量增減，水溫變化或水質(zhì)發(fā)生變色變味等異?，F(xiàn)象，這些都屬于宏觀前兆。那么，這些現(xiàn)象，是否就一定預(yù)示著地震的發(fā)生呢？

蔣海昆（中國地震臺網(wǎng)中心預(yù)報部 副主任）:宏觀前兆就是你觀察到的一些不正常的現(xiàn)象，可能它會反映出一種地殼的變動，但是這種變動是不是足以導(dǎo)致地殼的突然破裂，不一定。

主持人:比如 5月９日這天，人們從報上看到在綿竹縣出現(xiàn)了上萬只蟾蜍徐徐過馬路的報道。當(dāng)時的解釋是因為氣候潮濕，蟾蜍繁殖比較快。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生以后很多人都發(fā)表了自己的看法，認(rèn)為這是地震的一個先兆。也許動物比我們更敏感一些，但是絕不能說有動物聚集的場面出現(xiàn)，就一定會發(fā)生地震，導(dǎo)致動物聚集的原因?qū)嵲谑翘唷?/p>

盡管很多人對此類現(xiàn)象感到疑惑，并把這些現(xiàn)象與大的災(zāi)難聯(lián)系在一起。但科學(xué)家認(rèn)為，井水變化，動物異常這些孤立的現(xiàn)象，與地震并沒有一一對應(yīng)的必然因果關(guān)系。

因為這種現(xiàn)象出現(xiàn)之后往往不是必然發(fā)生地震，因此，動物異常等現(xiàn)象不能單獨作為預(yù)測地震的依據(jù)。但是專家們?nèi)匀幌Ｍ軐@些現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

除了我們能感知的宏觀前兆，地球內(nèi)部還有很多微觀的地質(zhì)活動，比如地球磁場，地電等等，人類無法直接感知，需要借助科學(xué)的儀器進(jìn)行觀測收集。但是這些信息卻經(jīng)常受到來自人類自身的干擾，而使我們不能準(zhǔn)確判斷。

蔣海昆:人類活動加重了識別難度，在我們觀測中，主要因素來自城市的擴(kuò)張，人類活動的影響，還有自然天氣的影響。

那么，我們有沒有科學(xué)的方法對地震進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)報呢？據(jù)后漢書記載，公元132年，在京師，就是今天的河南洛陽，盛傳著一個驚人的消息:太史令張衡發(fā)明了一種儀器，可以觀測到發(fā)生地震的時間和方位。但也有人不相信，認(rèn)為地震發(fā)生在幾百里以外，人怎么能測出來呢？

張少泉:張衡給我們開了很好的頭。是他把我們看到的地動山搖、稍縱即逝的現(xiàn)象用一個儀器記錄了下來。

張衡發(fā)明了地動儀（圖3），不久之后，就準(zhǔn)確地監(jiān)測到了一次地震的發(fā)生。

（3） 張衡地動儀模型

公元138年3月1日，張衡地動儀西方的龍嘴突然張開了，銅球落到蛤蟆嘴里，測知洛陽以西發(fā)生地震。但洛陽人并沒有感到震動，幾天后，信使飛馬來報，距離洛陽以西一千多里的隴西，就是現(xiàn)在甘肅東南部發(fā)生了大地震，使朝廷內(nèi)外“皆服其妙”。

張少泉:這件事情說明，在張衡的頭腦里已經(jīng)有這么一個雛形，一個基本的認(rèn)識，所有的地震接收到之后，就可以推斷出一個發(fā)生震動的源。

張衡地動儀的功績，不僅僅是一項技術(shù)，一個儀器，它體現(xiàn)了一個科學(xué)理念。通過地動儀的發(fā)明，他傳達(dá)給我們一個概念，那就是地震波的概念。

張少泉:什么是波？波就是震動的傳播。在震源，斷層一錯動，就會引起地面的升降和擺動，并以每秒幾公里的速度傳播。四川發(fā)生地震，北京也能感到晃動，越在高層的人感到的晃動越厲害。為什么呢？不是北京在地震，是北京地面有運動，這個運動來自于1200公里外的四川。這個概念就是延續(xù)我們老祖宗張衡的思路。地震波就是震動的傳播。

現(xiàn)在我們使用的地震監(jiān)測儀，比張衡的地動議先進(jìn)了許多。目前對地震活動進(jìn)行監(jiān)測的儀器有兩類，一類是記錄地震的，叫作地震儀；一類是記錄地震前兆信息的，叫作前兆儀。前兆儀觀測記錄的信息就是科學(xué)家對地震進(jìn)行預(yù)報的依據(jù)（圖4），這些信息涉及地磁學(xué)，地下流體學(xué)，地殼形變學(xué)等等（圖5）。

（4）記錄地質(zhì)信息的專門儀器

（5）各種地質(zhì)信息，為地震預(yù)報提供科學(xué)依據(jù)

主持人:地震學(xué)界認(rèn)為，進(jìn)行地震預(yù)測應(yīng)該是三個途徑，首先就是地震統(tǒng)計法，根據(jù)以往發(fā)生過的地震，進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)研究，得出結(jié)論；再一個就是地震地質(zhì)法，就是研究該地區(qū)地質(zhì)應(yīng)力變化數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析的方法；第三個方法是地震前兆法，就是大震前的前震，以及地磁異常等。只有這三種方法結(jié)合在一起，我們才能拿出一個相對較為完善的地震預(yù)測來。

中國國家地震臺網(wǎng)中心是隸屬于中國地震局的一個研究機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)地震的預(yù)報和監(jiān)測工作。而地震的預(yù)報，是目前人類尚無法完全掌控的一個領(lǐng)域，既然如此，我們?yōu)槭裁催€要開展地震的預(yù)報監(jiān)測工作呢？

?蔣海昆:從防震減災(zāi)法來說，地震預(yù)報是中國地震局的職責(zé)，是以法律的形式賦予的責(zé)任，這是社會的需求，是必須要做的事。一方面積累資料，一方面探尋方法。

專業(yè)人員把地震預(yù)報分為長期預(yù)報，中期預(yù)報和短臨預(yù)報。時間越短，預(yù)報的精度就越高。為了了解更多的地震知識，我們來到中國地震臺網(wǎng)中心，希望了解地震信息監(jiān)測和處理的流程。

對地震的監(jiān)測，可以幫助我們知道地震的地點和震級；對前兆的觀測，則可以幫助我們對即將發(fā)生的地震作出判斷。但前兆儀器僅僅記錄地殼的形變還不夠，科學(xué)家們還要監(jiān)測地殼更多的有用信息，才能為地震的預(yù)報提供依據(jù)。

張少泉:那就是地下流體的變化，地下的水位升降，地下氡的放射，還有地下一些其他的變化；另外，在大地震之前，地球的物理場，比如說電場，磁場，溫度場等的變化，都由專門儀器進(jìn)行監(jiān)測。

雖然世界各國所采用科技監(jiān)測手段已經(jīng)比較先進(jìn)，但是全球關(guān)于地震的預(yù)報仍然處在地震發(fā)生后，才能確認(rèn)地震地點以及地震級數(shù)的層次。在大自然面前，人類的認(rèn)識水平還很幼稚。

地震監(jiān)測預(yù)報的難點主要在于對于地震前兆的識別和判定。目前，我們對于地震前兆觀測主要是在地表淺層。這個區(qū)域當(dāng)中，各種信息混雜在一起，以我們現(xiàn)在的研究水平很難從中篩選出最有價值最可靠的信息來。

張少泉:天氣預(yù)報火箭能上去，氣球能上去，能夠進(jìn)行多方面的監(jiān)測。可是地球，火箭下不去，數(shù)據(jù)就有限了，這是一；第二，大氣的動力學(xué)研究，在數(shù)學(xué)上，在理論上，應(yīng)該說相當(dāng)完善了，而地下孕育的很緩慢的變化，在理論上還沒建立起來。它不是觀測手段問題，而是一個科學(xué)問題。

上天容易入地難，人們對宇宙空間的認(rèn)識，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比對地球表層以下的認(rèn)識豐富。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，推動了科學(xué)家對地球物理的研究，但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有我們想象那么深入，目前人類對地表最深的探測也只有10公里左右?？纱蠖鄶?shù)的震源都是集中在5公里～30公里甚至更深處，歷史上記錄到的最深的地震是發(fā)生在地表以下600多公里的地方，像這種環(huán)境我們根本無法在現(xiàn)有條件下對它進(jìn)行直觀的觀測。

經(jīng)過地震災(zāi)難的教訓(xùn)，我們規(guī)劃城市建筑物，就參考了地質(zhì)和地震部門對房屋選址的建議。除此之外，在選好的地址，建什么樣的房子，怎樣建房子，同樣是不能忽視的安全問題。

對地震的長期監(jiān)測，為我們積累了大量寶貴的資料，這些資料也包括對于我們城市中地質(zhì)斷層的了解。根據(jù)資料我們可以設(shè)定房屋抗震指數(shù)，指導(dǎo)城市建設(shè)，減輕災(zāi)害威脅。通過對地震的監(jiān)測，我們現(xiàn)在已經(jīng)可以做到對國內(nèi)外發(fā)生的地震，在較短時間內(nèi)，準(zhǔn)確地給出地震的震級、位置、時間和深度，為減輕地震災(zāi)害的損失爭取時間，盡量趨利避害。

張少泉:比如說在唐山地震的震害調(diào)查當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)凡有圈粱的房屋震害就輕；在房屋的幾片墻交匯的地方有一個混凝土的柱，叫構(gòu)造柱，有構(gòu)造柱的房屋，它的震害也比較輕。后根據(jù)這個經(jīng)驗推薦，在不同的地區(qū)，就要求要加上圈粱加上構(gòu)造柱，這樣的內(nèi)容就被寫進(jìn)了抗震設(shè)計規(guī)范里面。

全球整體科技水平的發(fā)展也在不斷推動地震預(yù)測技術(shù)的進(jìn)步。

我國的地震監(jiān)測預(yù)報工作從上世紀(jì)60年代開展以來，也得到了極大的發(fā)展，這次汶川地震，由于地震地點和震級被迅速確定，預(yù)報監(jiān)測的信息為決策提供了依據(jù)，也為我們贏得了大量寶貴的救援時間。這也是地震監(jiān)測對于減災(zāi)工作極大的支持。

張少泉:一般咱們所感覺到的都是大震。而一次大震，都伴隨著一系列的中等地震和小震。有一個統(tǒng)計數(shù)字，全世界，一年發(fā)生8級以上地震一兩次；7級以上地震一二十次；6級以上地震一二百次；5級以上地震一兩千次。就是說隨著震級的增加，次數(shù)是在減少；隨著震級的減少地震是在增加。它本身是一個逆指數(shù)的分布。這樣一個變化，給我們提供了一種可能，就是利用小地震，利用中等的地震預(yù)報大地震。而且我們確實取得了成果。

人類與地震斗爭已經(jīng)數(shù)千年了，利用這些經(jīng)驗再加上現(xiàn)代科學(xué)的指導(dǎo)我們可以在一定范圍之內(nèi)對某一類的地震進(jìn)行一些預(yù)測。

隨著我們地震監(jiān)測水平的提高，人類科技水平的不斷推進(jìn)，希望有一天，地震的精確預(yù)報不再是一個夢想。