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地震预报为什么这么难?看看原理和过程就知道了

地震预报为什么这么难

这是过去 120 年发生在全球的地震记录,几乎每时每刻都有地震发生,平均每天发生万次以上。其中超过 6 级的破坏性地震,每年达到 100~150 次。超过 90% 的地震分布在活动断层、活火山等地质构造活跃的地区。

面对这种强大且快速的地球能量释放,我们是否可以预测它的到来,避免灾难降临?

几乎每时每刻都有地震发生

人们常说的地震预报,是在地震发生之前就准确预知地震的时间、地点和强度。也就是「时空强三要素」。但想要预测未来,要先搞明白过去有什么规律。

比如在这个地区,这些点代表着历史上发生地震的地方。点越大,地震越强。

我们在这条断裂带上框住一段区域,再选定一个参考位置,将距离它 1000 km 的地震记录提取出来,将它们按时间序列排序,得到这样一串数据点,代表这一地点的地震历史。

将距离它 1000 km 的地震记录提取出来,将它们按时间序列排序

你似乎还看不到规律,但当我们将框内的每一个区域都按照上面的办法处理,就得到了这样一张图。在这些空白区域之后,就会紧跟着一场超过 7~8 级的大地震

这似乎揭示了地震的规律:地下能量释放的节奏,依次经历漫长的孕震期、急促的发震期和震后调整期。这些「空区」可能代表着正在蓄力将要发震的地方。

这些「空区」可能代表着正在蓄力将要发震的地方

但利用「空区」预报地震,赌的成分太大。大笔一挥,你就可以圈出一大片土地。总不能让这么多人年年处在待震状态吧?

于是人们想到了更加精确的预测方法,地震前兆法。

在蛤蟆上街、地震云、气功偏头痛、电视机雪花点、易经八卦预测地震等众多「民间偏方」中,找到更科学更靠谱的地震前兆,有赖于我们对地震物理机制认识。

蛤蟆上街、地震云、气功偏头痛、电视机雪花点、易经八卦预测地震等众多「民间偏方」

其中一种比较经典的物理机制是膨胀-扩散(Dilatancy-Diffuson)模型,它将一个地震划分为 5 个物理过程。

地壳岩层受外力作用,不断积累能量并产生一些细微裂纹。当能量积累达到岩石强度的1/2~2/3 时,裂纹开始不断扩大、张开,导致岩石体积膨胀。周围的地下水灌入这些裂隙中,导致岩石抵抗剪切的强度骤降,直到突破岩石破裂的强度极限,能量瞬间释放,地震发生。震后地下力场被重新调整,地下水扩散诱发余震。

震后地下力场被重新调整,地下水扩散诱发余震。

整个过程将带来一系列宏观震兆,并被仪器捕捉。

例如,在第二阶段岩石膨胀造成地面出现起伏和倾斜,在第三阶段临震时期,地下水灌入裂隙,将岩石中的放射性气体氡带出,造成氡含量骤升。

利用这些科学的前兆观测,1975 年 2 月 4 日,中国提前数小时成功预测了 7.3 级的海城大地震,避免了巨大的生命和财产损失。一度为人类攻克地震预报,特别是临震预报带来曙光。

中国提前数小时成功预测了 7.3 级的海城大地震

不过事后看来,海城大地震还是太特殊,经验难以复制。次年的唐山大地震又给地震预报浇了盆冷水。

美国加州也在 1985 年采用相同的思路,预测下一场地震将大概率发生在1988 年 1 月的帕克菲尔德地区。其后数年,大量人力财力被投入该地区,但等待中的超过 6 级的强震直到 2004 年 9 月才姗姗来迟。

美国加州也在 1985 年采用相同的思路,预测下一场地震将大概率发生在1988 年 1 月的帕克菲尔德地区

为什么还是测不准?

这是因为地震的物理过程远比想象中复杂的多。比如,科学家们发现岩石圈并不是钢板一块,而是在 30~50 公里深处呈塑性状态,就像两层面包夹果酱的三明治一样。其中的塑性物质甚至还在流动、撞击。

在这篇《Nature·地球科学》的论文中,研究者利用仪器得到了如下 4 条切穿横断山区的断面图像。这些红色的区域对应塑性流动的物质,进而发现青藏高原东缘存在两条规模巨大的「地下暗流」。并指出 2008 年 5 月 12 日的 8.0 级汶川大地震可能与这个「地下暗流」相关。

2008 年 5 月 12 日的 8.0 级汶川大地震可能与这个「地下暗流」相关

所以,极端复杂的地下结构和物理过程使地震预报,特别是临震预报到现在仍然是世界难题。

既然目前无法预报地震,但我们仍然可以通过地震预警,赢得宝贵的避险时间。

比如 2019 年 6 月 17 日 22 时,四川宜宾长宁县发生 6 级地震,成都提前 61 秒就启动了 110 个社区大喇叭广播预警倒计时。这是怎么做到的?

在发震时刻,震源激发或次生叠加,会产生以下四种地震波类型。其中 S 波和两种面波对地面建筑的破坏性更大。

在发震时刻,震源激发或次生叠加,会产生以下四种地震波类型

因为 P 波传播速度最快,当台站探测到 P 波时会立即报告给预警中心。预警中心随即通过公共通讯部门,向电视、手机、社区大喇叭等终端广播预警信息。赶在其他地震波到来之前通知远处的人们避险、火车停车、工厂停工。

但是,想要实现地震预警并不容易。必须先知道发震时间、地点和震级。即「时空强三要素」。

必须先知道发震时间、地点和震级

在传统的地震速报中,地震台要等 P 波、S 波依次到来之后才能得到「三要素」。例如在这个台站中,记录了 P 波和 S 波初到的时刻。通过计算二者的时间差,以距离等于速度乘以时间为基础,就可以得到台站到震源的距离。

这就是经典的「大森公式」。

这就是经典的「大森公式」

基于三个台站对同一场地震的记录。以 R 为半径画出三个球面并交于一点,就是震源的位置。将震源投影在地面得到震中,计算台站的震中距离代入这个经验公式,进而估算出震级。

但是,地震预警可等不了这么久。台站必须在探测到 P 波的时刻,就立即给出「时空强三要素」。这就需要对算法做出调整。

这篇论文介绍了一种「最大交集法」,只需前 3 秒 P 波数据就可以迅速给出「三要素」,实现预警。

研究表明如果提前 3 秒收到警报,伤亡人数可以降低 14%;提前 10 秒获得警报,伤亡人数可以减少 39%;提前 20 秒,伤亡人数可以降低 63%。

研究表明如果提前 3 秒收到警报,伤亡人数可以降低 14%

预警算法不断迭代,针对 2011 年 3 月 11 日 9.0 级东日本大地震暴露的新问题,这篇论文引入了数值模拟方法,无需提前计算「三要素」也可以实现地震预警。

随着各种新技术和新方法的落地,如今的地震预警技术也日臻成熟。2022 年中国地震局将建成全球最大的地震预警系统「国家地震烈度速报与预警工程」,「一张网」覆盖全国。共计 15391 个台站,实现重点地区台站间距 10~15 km 加密布防。

如今的地震预警技术也日臻成熟

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