大地震可以预测吗？——访中国科学院地质与地球物理研究所秦四清研究员

本刊记者 黄为军 王 辉

大地震可以预测吗？
——访中国科学院地质与地球物理研究所秦四清研究员

本刊记者 黄为军 王 辉

2008年5月12日14时28分，四川汶川、北川，8级强震猝然袭来，大地颤抖，山河移位，满目疮痍，生离死别……西南处，国有殇。这是新中国成立以来破坏性最强、波及范围最大的一次地震。此次地震重创约50万平方公里的中国大地！

2010年4月14日，强震再度来袭。当日早晨，青海省玉树县发生两次地震，最高震级达7.1级，截止5月30日下午18时，玉树地震已造成2698人遇难。

2010年7月12日，冯小刚执导的影片《唐山大地震》在河北唐山市全球首映，再一次勾起了当代人们对那一段惨痛灾难的回忆。短暂的23秒，震动的是无数观众的心。面对大地震屡次重创同胞的现实，人们已不止一次在追问——

强震预测：无解的科学难题？

大地震具有突发性、强烈破坏性和难以预测性等特点，常给人类带来沉重的灾难和巨大的经济损失。无情的大地震激发着人们不断地对地震的成因及其预测进行探索与研究。自19世纪70年代后期现代地震学创立以来的130余年里，地震预测便一直是地震学研究的主要问题之一。地震预测是公认的世界性科学难题，如能同时准确地预测出未来大地震的地点、时间和强度，无疑可以拯救数以万计乃至数十万计生活在地震危险区的人民的生命；并且如果能预先采取恰当的防范措施，就有可能最大限度地减轻地震对建筑物等设施的破坏，减少地震造成的经济损失。

目前，世界上提出的地震预测方法已有几十种，但却都像有人所指出的那样，“能看懂的方法预测不了地震，声称能预测地震的方法搞科学的人看不懂”。而在秦四清等看来，已有的预测方法与强震孕震过程关系不大，都有多解性，缺乏科学性，不能保证高可靠性的地震预测，也不能实现地震三要素的实际预测。

地震预测的进展主要受到地球内部的“不可入性”、大地震的“非频发性”以及地震物理过程的复杂性等困难的制约，所以，许多地震学家认为，地震、火山喷发以及滑坡等灾害的预报是不可能的。其中，孕震区几何与地质条件的复杂性、断裂带应力的不可量测性、地球介质的非均匀性以及孕震过程的非线性是最重要的影响因素。但为了有效减轻大地震及巨震带来的严重灾害，地震预测问题必须解决。

唐山、汶川和玉树地震，是国人永恒的痛。而对于中科院地质与地球物理研究所的秦四清来说，更是如此。然而今天，当再次面对“大地震是否可以预测”这样的问题，秦四清的回答却显得坚定又自信：“我们的研究表明，虽然大地震和特大地震的孕育过程千差万别且十分复杂，但他们的孕育过程仍遵循着一个基本、确定乃至简单的力学规律，大地震是可以预测的。”

触类旁通 灵光闪现

从上世纪90年代起，秦四清就一直致力于滑坡和地震的预测研究工作。然而十多年过去了，对于滑坡和地震的机理的研究始终未能取得突破性进展。

直到2009年7月，在和朋友去散心的途中，秦四清突然想明白了困扰他多年的难题。他立即停止散心，匆匆返回工作室，很快，秦四清等人一举突破了滑坡和地震的形成机理。一通百通，自此，他们的研究工作开始不断取得实质性进展。从2010年5月开始，秦四清基本摸清了地震孕育过程的共性规律，并开始着手进行理论验证工作。根据这一规律，从内蒙古、华北、华南一直到台湾、甘肃、青海、宁夏等省份和地区所发生的大地震，无一不验证了秦四清的理论的正确性。“只要找到地震孕育的共性规律，地震难以预报的时代就将结束，”秦四清颇有底气地说道。

令人惊讶的是，秦四清最初并不是研究地震，而是研究滑坡与崩塌预测理论的。有史以来，同属于地质灾害之列的地震、滑坡、火山喷发、泥石流、崩塌等自然灾害的预测预报科学一直是业界的技术难题。秦四清在研究滑坡与崩塌预测理论的过程中，发现了一个共性的规律，将之用于地震与岩爆预测都取得了很好的预测效果。通过对40个崩滑、105个地震、5个岩爆实例的验证，表明地质体的破坏都遵循这个统一规律。

“地震像室内岩样加载破裂过程一样，在岩石变形到膨胀点时，微破裂会向未来的主破裂面丛集，出现震群，震群是唯一的大地震活动性前兆，建立了震群与未来大震的力学联系，大震预测问题也就迎刃而解了，”秦四清解释道。2010年4月14日的青海玉树地震，在大震发生两小时前，有一个4.7级的地震发生，若根据秦四清的建立的“孕震断层多锁固段脆性破裂理论”，可准确判定该事件发生后孕震系统已接近临界点，并可作出临震预报， 从而能够将地震损失尽量降低。

最后一个锁固段破坏之后，主震将发生！

“大千世界中，表面现象大都是复杂的，而论其内在，越是深层次去探究就会发现本质其实很简单。就像是牛顿力学定律、爱因斯坦的相对论一样。地震也是同样的，没有探究出本质，就感觉是深不可测、遥不可及是不对的。大自然法则都是有规律可循的，地震灾害当然也不例外。”在传统理论遭遇瓶颈，人们对地震预测的前景表示担忧的时候，秦四清却信心满满。

他指出，地震源自于沿断层的滑动，断层的运动模式和相关的地震活动性受断层中一个或多个锁固段所控制。“锁固段”可定义为在断层面上具有较高强度且在地震中释放较大地震矩的部位。例如在断层面上的不同类型、尺寸不一的凸起体，包括两断层面之间的非均匀接触体、另一个破裂区域内断层面的未破裂区段、以及蠕滑区段内的锁固区域。一旦所有的锁固段被突破，主震将不可避免地发生。

通过建立孕震断层中锁固段的临界破坏—断裂力学与其蠕变过程联系，秦四清发现，每个锁固段断裂点与加速应变能释放起点的累积的应变之比，有着依赖于锁固段个数的指数律关系。

经过相当数量地震实例的回溯性预测分析表明，这一指数律能可靠地应用于中等强度预震和主震的预测。该方法能够在地震的中期、短期以及临震预报方面发挥作用。

实际上一个孕震断层可能包含多个锁固段。秦四清以两个锁固段为例做进一步分析。在构造荷载作用下，大量的应变能积聚在锁固段处。假设第一个锁固段的强度低于第二个锁固段，在剪应力集中作用下，在某一应变值时第一个锁固段将破坏。

随后，剪应力将施加于第二个锁固段上，以连锁反应的方式导致第二个锁固段破坏。在最后一个锁固段破坏后，主震将发生。失稳点的临界应变与加速应变始点值和锁固段的数目有关，而与锁固段的尺寸和强度无关。表征大地震孕震过程的是一个常数（1.48）。

数据表明，累积Benioff应变－时间曲线提供了判断地震活动性的丰富信息。在曲线上一个明显的台阶形状意味着应变速率的迅速增长与一个锁固段的临界破坏和断裂错动过程有关，之后低速的应变增长归于下一个锁固段承载力的施加。在最后一个锁固段破坏前，每一个锁固段的临界破坏—断裂过程表示一个中级或大级别预震的产生过程；在最后一个锁固段破坏之后，主震将发生！

地震预测：必须强调历史过程

通常而言，地震的预测包含四个要素：震中位置、震源深度、发震时间、震级。秦四清根据对大量地震的实例的分析总结，提出了地震四要素的预测方法。

首先，因大震前的震群与未来大震都属于同一个锁固体，两者的震中位置相距不会太远，实际预测时可结合震群出现的位置和地震空区，估计未来大地震的震中位置。其次，因震群震源深度的集中范围为未破裂锁固体的深度上下限范围，可根据最近震群震源深度的区间，估计未来大震震源深度的上下限区间。第三，根据对特定地区（带）的地震活动性观测，通过实时更新数据，当累积Benioff应变监测值接近或达到临界失稳应变值时，可认为大地震随时可被适当的扰动触发。根据相当数量的地震实例分析，如果达到临界应变值时，大地震还未发生，则延迟时间一般也不超过4个月。对于震级的预测，秦四清亦在相关论文中给出了详细的计算公式。

秦四清根据相当数量大震实例的分析与总结，得出了孕震周期的时间起点确定原则、孕震空间尺度确定原则、孕震时空范围内能量积累与释放的能量守恒原则以及孕震规律合理性检验原则。根据这四项基本原则，并结合断裂分布与地震活动性，还可划分合理的孕震时空范围。需要强调的是，对大震震级与震中位置的预测，应根据地震活动性监测进行动态修正，以逐渐接近实际情况。

秦四清建议采用如下工作步骤来确定合理的孕震时空范围：先基于活动断裂与大于一定震级的地震活动性分布关系、非发震断裂的边界控制条件、地震条带与地震空区空间展布等，初步拟定多种孕震空间范围的不同组合方案；然后根据以上四项基本原则检验孕震空间与时间尺度划分方案的合理性，尽可能用多个历史大震进行多点检验，直至筛选出最佳方案。

在孕震区确定后，还可根据地震活动的空间差异性，再细分出地震带，研究各地震带强震之间的联系，并可解释强震链式发震的机理。

强震孕育过程：遵循能量守恒原理

新的事物总是很容易受到否定与质疑，秦四清的理论方法同样如此。为了从理论和技术层面探讨该方法的适用性，秦四清专门针对地震预报研究中某些有争议的问题进行了讨论。

自组织临界性（SOC）指的是，一个具有持续的能量供给、由很多基本单元组成、组成系统的基本单元之间具有（非线性的）相互作用的系统，会自发地演化到一个类似于临界状态的状态。目前国际上围绕地震预测问题的争论，很大程度上与地震的自组织临界性（SOC）模型有关。根据地震的SOC模型，地震预测被认为是不可能的。Geller等（1997）认为：“地球是处在一种自组织临界状态上的，其中任何小地震都有可能级联式地发展成一个大地震。这一想法得到除特大地震之外的所有地震的尺度不变性的观测事实的支持。”如果地球总是处于自组织临界状态，那么地震真的不能被预测。

但根据秦四清等人的实例分析，在某个锁固段变形到临界破坏（膨胀）－断裂阶段，在此处的地质体处于自组织临界状态；在其断裂后下一个锁固段临界破坏前，系统又脱离了临界状态，其演化过程的自组织临界状态是间断出现的，不是总处于临界状态。

接着，秦四清又对大地震孕震过程中是否存在混沌性进行了分析。混沌效应是1963年Lorenz在研究大气对流的稳定性时发现的，它的最大特点是对初值的极其敏感性。正如著名的“蝴蝶效应”指出：巴西的一只蝴蝶拍拍翅膀，就可能导致美国德克萨斯州的一场龙卷风。根据混沌动力学理论，不少学者推断地质系统如斜坡系统、孕震系统在其演化过程中存在着混沌性，因此得到了地质灾害的长期预测是不可能准确的，甚至是不可能预测的结论。

然而，秦四清的分析却鲜明地指出，在锁固段开始膨胀前，系统可能有混沌性，其未来的演化路径可能有多种选择；但在其膨胀开始后，除非发生大幅的减载作用，否则系统肯定向失稳态演化，但其失稳时间受控于动力环境条件与触发因素。这说明在所关注的地质体演化到膨胀点后，系统的演化将遵循确定性的规律，不会有混沌现象出现。

最后，秦四清谈到了争论的焦点——大地震可以预报吗？“对于含多个锁固段的孕震断层，即使锁固段的数目未知，结合地震活动性观测，我们仍可以利用临界应变准则进行逐步的大地震发生时间与震级大小预测；同时通过动态追踪沿孕震断层的预震活动性区域，推测较大震级预震与主震的发生地点，”秦四清说。

尽管从现有技术角度看，地球是不可入的且某些物理参量难以直接测定，但主震前的每次中、小地震活动都是对沿断层面滑动位移的一次测度，Benioff应变是反映深部位移的一个可靠参量，因此可以不去测定地球深部的其他物理细节和指标；再者在锁固段演化到膨胀点后，孕震系统将遵循确定性的规律，即没有混沌性。因此可以确认，至少在理论上和现有的技术层面上，大地震或特大地震是可以预测的。“世界上最有规律、最按‘规则出牌’的自然现象就是大地震的孕育发展过程，其孕震过程虽然复杂，但受常数‘1.48’的控制。强震孕育过程遵循着世人公认的能量守恒原理，世界上不存在所谓的孤立型地震。”

2010年9月，秦四清的地震预测研究基本完成，给出了我国各地震区未来强震四要素的预测结果，该研究成果总结在《中国未来强震预测》文集中，其中包含许多知名震例的孕震过程与预测分析结果，如唐山、邢台、汶川与玉树等地震。他说：“如果我们的预测理论和方法能早日问世的话，这些大地震都能准确预测。”此外，他在文集中还对未来预测强震与减灾防灾应该研究的重点提出了具体建议。

专家档案：秦四清，中国科学院地质与地球物理研究所研究员，主要从事工程地质、岩土力学与岩土工程的研究；任中国工程地质专业委员会委员与岩石力学与工程学会理事，《岩土工程学报》、《工程地质学报》编委；11999977年获国际工程地质与环境学会RRiicchhaarrdd WWoolltteerrss奖，为亚洲人首次获得该奖项；11999988年入选中国科学院“百人计划”；22000099年获国家科技进步二等奖。