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一向走在地震研究最前沿的加州,真的怂了?

发布时间:2020年10月13日 来源:
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  地震预报、预测、与早期预警

  作者简介

  美国地震学博士,做地震危险性相关研究20余年,目前就职于某超过200年历史的老牌大公司,是公司里第一个也是唯一的女性首席科学家(principal scientist)。

  作者感谢与中国地震局地球物理研究所的蒋长胜研究员的讨论

  地震预报和预测

  22年前,四位统计地震学家在《科学》杂志上发表了一篇短小精悍的文章,题目是《地震不可预报》。这四位专家分别是东京大学的 Robert J. Geller 教授;加州大学 洛杉矶分校的 David D. Jackson 教授和 Yan Y. Kagan研究员;以及意大利博洛尼亚大学的 Francesco Mulargia 教授。

  值得一提的是,关于预报这词,这篇文章里用的是 “prediction”,不是 “forecast”。这俩词翻译成中文意思很相近,甚至可以互换,而在英文里,给出未来发生地震的确切时间地点震级的叫 prediction,地震预报;给出未来发震概率的叫forecast,地震预测。其实天气预报准确地说应该翻译成天气预测,因为现在的技术手段,只能给出下雨下雪的概率而不是确切时间地点。


天气预测显示了下雨的概率

  当年,地震预报的研究在不少国家还是如火如荼,尤其是在天朝和前苏联国家。记得那时候中国地震局(当时还叫国家地震局)有不少课题组都有预报地震的项目。

  研究人员们八仙过海,寻找和应用各种所谓的 “地震先兆” (比如地下氡气、水,或者电磁异常),在地图上圈出未来几个月(短期预报),未来一两年(中期预报),或者未来几年或者更长时间(长期预报)可能发生地震的地方。还有一种预报是老百姓眼里的真正预报:临震预报,就是地震发生前一天或者几天发布的预报。1975年的海城地震的 “成功预报”让我国地震届扬眉吐气了一阵子,可是到1976年就垂头丧气了。

  这些所谓的前兆里面最靠谱的是地震的前震,就是大地震前持续增多的小震。海城地震的成功预报靠的就是这个。不幸的是,只有一小部分大地震有明显前震,很多时候发生了很多小震,研究人员热情高涨地期待狼来,狼却没兴趣来。当然,一些业余选手还采用看青蛙、看大象、看蚂蚁、或者看云来预报地震。


所谓的地震云,其实跟地震扯不上关系

  去年德国有几个统计地震学家,大概实在想找地方应用自己的统计知识,居然收集并严格地检验了世界各地基于动物异常的地震预报,结论当然是动物异常跟地震的关系太弱。

  时隔22年,大部分国家的地震人员都已经放弃了用先兆来预报地震。22年前地震不可预报那句话用的现在时态,还是一样成立。

  为什么地震不可预报呢?首先,那些所谓的“先兆”大部分是事后诸葛。地震发生了,人们会把地震和各种异常联系起来。其实这些异常不地震的时候也会有,而且,各个地震前后出现的异常是不一样的。其次,地球系统的复杂性让我们还无法彻底弄清楚到底什么条件会发生地震,会发生多大地震。因为小地震可能会改变旁边断层的应力,使地震破裂继续传播,从而形成大地震,使得情况更加复杂。

  目前地震还是不可预报,这在科学界已经达成共识。可笑的是有些不懂地震的人还在孜孜不倦地预报地震。去年一些媒体,或者为了博眼球,或者报社审稿人缺乏科学背景,发了这样一篇报道:“中国可以提前三个星期预报地震!” 这个报道瞬间冲出亚洲,走向世界,覆水难收,成了国际笑料。而夸下这个海口的,就是最近因为四川地震预警走红了大江南北的成都高新减灾研究所。


中国号称可提前三个星期预报地震的一些报道

  虽然我们知道了精确的地震预报(prediction)短时间内还不可能实现,但是我们可以做地震预测(forecast)。地震预测一般是根据历史地震、活动断层和板块运动数据建立模型,从而计算出将来发生地震的概率和地震导致的地面震动强度。

  这种地震预测有广泛应用,是抗震建筑规范的基础。如果洛杉矶和纽约发生同样震级的大地震,洛杉矶会比纽约少死伤很多很多的人。这是因为地震预测告诉人们洛杉矶更可能发生大地震,建筑规范因此要求洛杉矶的建筑要比纽约的更为抗震。

  地震预警

  今年6月17日,四川省宜宾市长宁县发生6.0级地震。

  以往国内发生地震,大家都会关心的问:四川(或者其它某地)地震了?真的吗?然后是。这次发生地震以后,从电视台到网络到普通老百姓都在议论的是地震预警是什么鬼,它到底有多牛,虽然我们很多搞地震的人都在讨论这个地震是否跟页岩油气开采有关。

  原来,成都某研究所开发的一套地震预警系统成功的向民众发布了预警:电视手机大喇叭同时 9,8,7,6……倒计时为零的一刻警笛哇哇开叫。据报道,这套系统成功给提供了乐山提前10秒,成都提前60秒地震预警。很多网民兴奋的拍了预警视频,发布在各个网站上。

  7月4日美国独立日,加州地震了,6.4级。这还不算,第二天,又来了一个7.1级的地震。然而,洛杉矶县的地震预警系统却没有给洛杉矶居民提供任何警报。一时间,从中国网民到美国报纸都在问:“一向走在地震研究最前沿的加州,肿么了?”

  要回答中国网民到美国报纸的这个问题,我们首先看看地震预警是个什么鬼。对于地震预警系统,这次成了网红的成都高新减灾研究所的网站上是这么科普的:

  地震波包括纵波(P-wave,P波)和横波(S-wave,S波)。纵波的速度快但破坏性小,横波的速度慢但破坏力大。 地震预警系统,就是在一定地域布设相对密集(例如,台站间距15公里)的地震观测台网,在地震发生时,利用地震波与无线电波或计算机网络传播的速度差,在破坏性地震波(横波或面波)到达之前给预警目标发出警告,以达到减少地震灾害和地震次生灾害的技术。

  地震预警的关键是利用地震波的前几秒的数据准确估计震级、震中位置以及快速估计地震对预警目标的影响等。日本和墨西哥已建成了向公众发布预警信息的地震预警系统,也有其他国家和地区在试验地震预警系统。目前,国内外有众多单位在研究地震预警系统。

  国内研究所网页的一大缺点就是内容太少。国外网站的科普除了给出地震P波振幅小传播快,S波和面波(surface wave)传播慢振幅大之外,一般是还会更详细的解释地震预警系统是如何工作的。

  简单的说,P波被离地震震中最近的几个地震台接收到之后,数据立刻被送到处理中心。地震的震中和震级至少需要三个台站的数据定出,台站越多得到的信息越准确。处理中心定出初步的震中和震级后,会进一步估算各个地方的地震强度,根据估算的地震强度,地震预警系统会向估计会受灾的地区发出警报。警报可以通过电视台收音机手机高音喇叭等等方式发送。

  在这里稍微解释一下P波和S波。P波和S波都是在地球内部传播的波(学名 body-wave),但是P波是一种纵波, 而S波是一种横波。在地球介质中,P波传播速度大约每秒6公里,而S波的速度大约每秒3.5公里。

  所以,地震预警系统并不会预报地震,它只有在地震发生并被测到以后,对将要受影响的地区发出警报。这种警报的发布是可以救命的和减灾的。

  理想情况下,能够提前预警的时间越长越好,因为这样能够给人们以足够的时间做决定:是跑下楼还是躲在桌子底下?是暂停手术台的手术,还是赶快做完?是关闭工厂的煤气管道还是不关闭?

  但是这个能够提前预警的时间取决于几个因素。讽刺的是,离震中越近的地方,震动越强烈,越需要提前预警,可是这种地方能够提前预警的时间越短。最近20公里的地方基本上是预警盲区。

  对于不太大的地震(比如说小于6.5级),震中震动最强的地方,根本无法提供预警,因为P波和S波到达的时间差小于测到并初步处理地震数据的时间。越远的地方,可以提供预警的时间越长,然而,一般来说,比较远的地方震动也不算强烈。对于大地震来说,因为受灾区会比较大,所以给大范围提供预警会很有用。

  一个地方震感强烈与否跟几个因素有关:

  1.地震大小

  2.距震中远近

  3.所在地的场地条件

  4.地震波经过的地方的地质情况

  前两个因素都很好理解。第三个因素指的是当地是比较松软的沉积层,还是坚硬的岩石。松软的沉积层会放大不太强的地震波的振幅,尤其是长周期地震波。坚硬的岩石则不会有明显的放大作用。

  对于第四个因素,如果地震发生在地质条件很稳定的地方,比如美国东部,跟美国西部相比,地震波能传到更远的地方,振幅随着距离衰减的更慢。

  那么,都哪些国家有了地震预警系统呢?我们一起来看看下面这张截止到2018年夏天发表的图。地图上的颜色是预测的475年峰值加速度(一种表示地震动强度的参数),白色地区最安全,粉色最危险。

  地图上标出的国家或者地区都已经安装了地震预警系统。其中,台湾、日本、韩国和墨西哥是面向公众。美国(加州)、罗马尼亚、土耳其和印度则是面向部分民众。其他国家还在测试。之所以台湾日本和墨西哥都走在前沿是因为这些国家地震多且长期造成严重的损失。

  其实地震预警的想法早已有之。1868年加州物理学家 J. D. Cooper就提出了地震预警的概念。他提议在旧金山周围安装地震监测网,当地震引起的地面运动触发了地震监测仪,信号就以电报的形式发到旧金山,然后警钟就自动敲响。由于当时的技术所限,这个想法直到上个世纪八十年代才得以实现。


Cooper 1868年发表在旧金山纪事报的文章,公认为第一篇地震早期预警的文献。

  1985年,加州理工的 Thomas Heaton 教授完善了现代地震预警的概念。墨西哥是在1985年大地震以后就发展预警技术的,1993年墨西哥城就开始了给公众的预警。

  日本的全国地震预警是2007年开始的,地震警报发出以后新干线和地铁会自动停止,防止脱轨发生。加州由于迟迟得不到政府资助,2012年才开始地震预警的开发。

  


Thomas Heaton

  现在回到前面的问题:为什么四川人民兴奋地收到了6.0级地震的预警,而洛杉矶人民却沮丧地没有收到7.1级地震的预警?

  如果仔细比较一下四川高新技术研究所和洛杉矶预警系统的介绍,你就会发现一个细微的差别:四川的预警只模糊地说“快速估计地震对预警目标的影响”,而洛杉矶的预警系统,明确的说会估算各个地区的地震动强度,而且估算地震动强度的时候,还会考虑当地的场地条件。

  更为重要的是,洛杉矶的系统要满足两个条件才发布公众预警:

  1.地震震级大于5

  2.地震烈度大于IV

  这里的烈度也是表示地面震动强度的一个参数,用罗马数字表示,一般从I到XII。XII震动最强,基本上是山崩地裂,VII的时候会震倒烟囱,V的时候会震醒一般熟睡的人,但是敏感的人能感觉到烈度II。

  人们对晃动的感觉很敏锐,一辆大卡车开过,都可能会感到地面晃动,但是这种晃动是不会造成什么破坏的。

  对于一个6级地震来说,是不太可能对300公里以外的成都造成破坏,四川高新所发布了预警。加州东部沙漠里面一个7.1级地震,洛杉矶的人会感觉晃动,但是不会造成任何损害,所以洛杉矶预警系统当了哑巴。事实上,洛杉矶的科研人员对内部降低了预警的阈值,是收到了预警的。

  另外,地震预警有一个重要特性:预警的阈值设的越低,预警越准确,预警给的时间越长。显然四川高新所设的阈值很低,而洛杉矶设的阈值很高。但是,为什么洛杉矶不把阈值调到跟四川的一样低呢?

  美国做事效率普遍不如国内高是有目共睹的。但是美国做事效率低的一个原因是启动什么项目都要把好处坏处考虑周全。想象一下,大家正在一个城市里忙碌有序地正常生活的时候,突然整个城市突然倒计时,然后哇哇报警,如同世界末日马上来临,那么是不是会给整个城市造成惊慌恐乱?马路上也许会因此造成数起车祸,老人院数个老人心脏病促发。如果是真的大震动来临,这些预警引起的惊慌恐乱造成的损失会比不预警造成的损失小很多。可是如果是本不会造成什么损失的地震却引起这么大的惊慌恐乱,那就得不偿失了。

  还有,如果每次小震动就预警,那么狼来了的故事可能会上演。地震预警系统里面狼来了最惨烈的是2004印尼海啸。因为沿太平洋俯冲带大地震频繁,海啸预警时不时就发布,但是真正造成损失的海啸却不频繁。于是2004年海啸真的来了的时候,很多人都以为又是虚晃一枪吓唬人的,继续在沙滩上玩耍。于是,二十几万的人生命都被翻脸无情的大海吞噬。

  其实中国地震局一直在紧锣密鼓地开发真正的公众地震预警系统。研发和测试工作从二十年前就开始了。目前已经有了针对核电站高铁等特殊设施的预警。为了建成高质量的公众地震预警系统,地震局已经在全国各地布置了几千个地震台和上万个烈度计。但是,跟美国一样,地震局要开启真正的公众预警之前,需要把各方面的因素考虑周全。

  跟预警配套的还有很重要一个方面:对民众的科普和教育。预警发出了,或者地震来了,民众应该怎么做?那种哇哇的警报,大大的惊叹号,世界末日般的倒计时,是否会让民众更加惊慌失措?怎样预警,怎样科普,能让民众能够能够冷静地面对地震做出最明智的应对,是一个综合项目。

  参考文献:

  1.Geller, R.J.,Jackson, D.D.,Kagan, Y.Y.,and Mulargia, F.,1997. Earthquakes cannot be predicted, Science, 275, 1616–1617.

  2.Woith, H.,Petersen, G. M., Hainzl, S., and Dahm, T., 2018. Review: Can Animals Predict Earthquakes? Bulletin of the Seismological Society of America, 108 (3A), 1031-1045.

  3.Richard M. Allen and Diego Melgar,2019. Earthquake Early Warning: Advances, Scientific Challenges, and Societal Needs, Annual Review of Earth and Planetary Sciences, Vol. 47, 361-388.

  4.Thomas H. Heaton, A Model for a Seismic Computerized Alert Network, 1985. Science, Vol. 228, No. 4702, 987-990.

  5.Sarah E. Minson,Men-Andrin Meier,Annemarie S. Baltay,Thomas C. Hanks,and Elizabeth S. Cochran,2018. The limits of earthquake early warning: Timeliness of ground motion estimates,Science Advances,Vol. 4, no. 3, eaaq0504

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