地震預(yù)測(cè)面臨的哪些科學(xué)挑戰(zhàn)？
地震預(yù)測(cè)就是在相對(duì)較長的時(shí)段內(nèi)，在較大的區(qū)域范圍內(nèi)，較宏觀地揭示地震發(fā)生的可能性。地震預(yù)測(cè)目前遇到的挑戰(zhàn)主要有：
(1) 對(duì)地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)探測(cè)的深度和精度不足。目前最深的鉆孔才12km，一般鉆孔僅數(shù)公里，遠(yuǎn)未達(dá)到地震孕育和發(fā)生的層位。最新的研究認(rèn)為，地震的孕育不僅與震源深度以上的介質(zhì)有關(guān)系，而且大地震的孕育可能與更深的脆韌轉(zhuǎn)換帶關(guān)系密切(Aki，2003)，對(duì)這一層位的認(rèn)識(shí)更是知之甚少。因此，急需發(fā)展地下深部探測(cè)技術(shù)，提高對(duì)地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)探測(cè)的深度和精度。
(2) 對(duì)地表整體的觀測(cè)不足。由于地球表面有70%被海洋覆蓋，大陸區(qū)域的南極、沙漠、無人區(qū)等觀測(cè)站點(diǎn)缺乏，使得人們對(duì)地球表面的觀測(cè)很有限。海洋觀測(cè)、極地觀測(cè)技術(shù)需要發(fā)展，觀測(cè)資料需要不斷積累。同時(shí)，為了彌補(bǔ)地表觀測(cè)的不足和克服地表觀測(cè)的限制，需要進(jìn)一步發(fā)展衛(wèi)星觀測(cè)技術(shù)，如正在開展的GPS、INSAR和電磁衛(wèi)星觀測(cè)。GPS技術(shù)已被廣泛應(yīng)用，并已取得十分明顯的進(jìn)展,，使人們對(duì)全球塊體的運(yùn)動(dòng)獲得了整體的認(rèn)識(shí)，在地震預(yù)測(cè)研究中的應(yīng)用取得了比較明顯的進(jìn)展。例如，2004年12月26日印度尼西亞9. 0級(jí)地震后，依據(jù)GPS觀測(cè)資料，分析認(rèn)為中國大陸尤其是西南地區(qū)處于較為松弛的狀態(tài)，做出了地震活動(dòng)比較弱的判斷，后來地震活動(dòng)證明了這一點(diǎn)(楊國華等，2006)。
(3) 觀測(cè)資料時(shí)間差異的可靠性需要提高。在目前的觀測(cè)精度下，人們比較容易接受觀測(cè)資料空間差異的分析結(jié)果，其可靠程度較大，由于研究分析利用的多為靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)變化觀測(cè)資料，因而信度較高。例如，云南地區(qū)位于印度板塊東部結(jié)點(diǎn)區(qū)域，其GPS運(yùn)動(dòng)的量級(jí)(cm級(jí))遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離板塊邊界華北地區(qū)的運(yùn)動(dòng)量級(jí)(mm級(jí))(馬宗晉等，2001)。但是，對(duì)觀測(cè)資料時(shí)間差異的分析結(jié)果，由于在研究分析時(shí)利用的多為動(dòng)態(tài)變化觀測(cè)資料，其精度受到限制，其變化幅度往往同背景噪聲量級(jí)差不多，難以令人信服。例如，波速本是介質(zhì)內(nèi)在的物理性質(zhì)，但同一區(qū)域的巖石波速在很短時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生明顯變化，而且觀測(cè)誤差和計(jì)算誤差也比較大，這樣的變化人們普遍難以接受。令人遺憾的是，地震預(yù)測(cè)非常需要相關(guān)參數(shù)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化。
(4) 經(jīng)驗(yàn)性地震預(yù)測(cè)的局限性。經(jīng)驗(yàn)性地震預(yù)測(cè)基于前兆的相似性和重現(xiàn)性，采用歸納、類比、推理的方法進(jìn)行研究。而實(shí)際地震前兆的表現(xiàn)十分復(fù)雜，完全重復(fù)的地震前兆十分罕見，目前沒有條件獲得豐富的地球動(dòng)力學(xué)背景和深部動(dòng)力學(xué)過程的信息，難以用物理模式來約束，進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)成功率非常困難。
同時(shí)，地震現(xiàn)象以唯象分析為主，缺乏具有物理含義的統(tǒng)計(jì)模型的定量刻畫。地震前觀測(cè)到一些前兆異常,僅僅依靠經(jīng)驗(yàn)分析方法也很難區(qū)分構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地震前兆及干擾引起的非正常異常變化。
(5) 對(duì)地震預(yù)測(cè)基本問題研究不足。由于理論認(rèn)識(shí)的局限，國內(nèi)對(duì)地震預(yù)測(cè)的基本問題研究不足，對(duì)地震孕育、發(fā)生機(jī)理及過程認(rèn)識(shí)不清。目前的地震預(yù)測(cè)以震例的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)為主，具有動(dòng)力學(xué)含義的物理、數(shù)值預(yù)測(cè)十分缺乏,盡管取得一些成功的實(shí)例，但僅僅是依靠大量震例經(jīng)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)和總結(jié)，目前還缺乏在地震孕育理論指導(dǎo)下反映動(dòng)力學(xué)過程的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)方法，一些關(guān)鍵的科學(xué)問題尚未解決,從而導(dǎo)致經(jīng)驗(yàn)性地震預(yù)測(cè)的成功率偏低，難以建立起觀測(cè)資料與地震之間較為穩(wěn)定的物理或統(tǒng)計(jì)關(guān)系。
(6) 缺乏大尺度的動(dòng)態(tài)場(chǎng)整體觀測(cè)。地球物理和地球化學(xué)前兆觀測(cè)資料的使用，是以單點(diǎn)觀測(cè)資料時(shí)變曲線與震例的經(jīng)驗(yàn)性統(tǒng)計(jì)相對(duì)應(yīng)為主，缺乏對(duì)于大尺度物理場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化分析。不同觀測(cè)資料之間缺乏物理過程的關(guān)聯(lián)解釋和數(shù)據(jù)同化研究。地震前兆現(xiàn)象的復(fù)雜性，增加了物理上定量描述與刻畫的難度，難以建立各前兆學(xué)科預(yù)測(cè)地震的基礎(chǔ)理論框架，同時(shí)與地震學(xué)及其他學(xué)科的有機(jī)融合不夠。
(7) 新觀測(cè)技術(shù)的挑戰(zhàn)和新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。近年來隨著科技的不斷發(fā)展，一些國家逐步開展地震衛(wèi)星技術(shù)的應(yīng)用研究,如在GPS、熱紅外、電離層、INSAR、衛(wèi)星重力、電磁波等方面(趙國澤等,2007)，拓展可能的地震前兆觀測(cè)項(xiàng)目，初步顯示了新技術(shù)在地震預(yù)測(cè)研究中的可能前景。
一些揭示了巖石圈深部活動(dòng)與淺部脆性層破裂關(guān)系的新現(xiàn)象不斷被發(fā)現(xiàn)。例如通過對(duì)數(shù)十年地震波資料的分析，發(fā)現(xiàn)地殼介質(zhì)Ｑ值和特征地震頻次存在相關(guān)性，這些現(xiàn)象揭示了巖石圈深部活動(dòng)與淺部脆性層破裂的關(guān)系，為解決地震預(yù)測(cè)中的疑難問題開闊了思路(張國民等，2005)。我們可沿著已有的方向繼續(xù)努力尋找地震前兆，但必須探索新的前兆�，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)洋中脊轉(zhuǎn)換斷層上的“慢地震”，在俯沖帶上以及圣安德列斯斷層上的“寂靜地震”，還有在大型的逆沖斷層下面周期性的緩慢滑動(dòng)事件及與其相關(guān)的間歇性的間歇顫動(dòng)等等，均應(yīng)引起足夠的重視(陳運(yùn)泰，1993、2007；王閻昭等，2007)。
(1) 對(duì)地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)探測(cè)的深度和精度不足。目前最深的鉆孔才12km，一般鉆孔僅數(shù)公里，遠(yuǎn)未達(dá)到地震孕育和發(fā)生的層位。最新的研究認(rèn)為，地震的孕育不僅與震源深度以上的介質(zhì)有關(guān)系，而且大地震的孕育可能與更深的脆韌轉(zhuǎn)換帶關(guān)系密切(Aki，2003)，對(duì)這一層位的認(rèn)識(shí)更是知之甚少。因此，急需發(fā)展地下深部探測(cè)技術(shù)，提高對(duì)地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)探測(cè)的深度和精度。
(2) 對(duì)地表整體的觀測(cè)不足。由于地球表面有70%被海洋覆蓋，大陸區(qū)域的南極、沙漠、無人區(qū)等觀測(cè)站點(diǎn)缺乏，使得人們對(duì)地球表面的觀測(cè)很有限。海洋觀測(cè)、極地觀測(cè)技術(shù)需要發(fā)展，觀測(cè)資料需要不斷積累。同時(shí)，為了彌補(bǔ)地表觀測(cè)的不足和克服地表觀測(cè)的限制，需要進(jìn)一步發(fā)展衛(wèi)星觀測(cè)技術(shù)，如正在開展的GPS、INSAR和電磁衛(wèi)星觀測(cè)。GPS技術(shù)已被廣泛應(yīng)用，并已取得十分明顯的進(jìn)展,，使人們對(duì)全球塊體的運(yùn)動(dòng)獲得了整體的認(rèn)識(shí)，在地震預(yù)測(cè)研究中的應(yīng)用取得了比較明顯的進(jìn)展。例如，2004年12月26日印度尼西亞9. 0級(jí)地震后，依據(jù)GPS觀測(cè)資料，分析認(rèn)為中國大陸尤其是西南地區(qū)處于較為松弛的狀態(tài)，做出了地震活動(dòng)比較弱的判斷，后來地震活動(dòng)證明了這一點(diǎn)(楊國華等，2006)。
(3) 觀測(cè)資料時(shí)間差異的可靠性需要提高。在目前的觀測(cè)精度下，人們比較容易接受觀測(cè)資料空間差異的分析結(jié)果，其可靠程度較大，由于研究分析利用的多為靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)變化觀測(cè)資料，因而信度較高。例如，云南地區(qū)位于印度板塊東部結(jié)點(diǎn)區(qū)域，其GPS運(yùn)動(dòng)的量級(jí)(cm級(jí))遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離板塊邊界華北地區(qū)的運(yùn)動(dòng)量級(jí)(mm級(jí))(馬宗晉等，2001)。但是，對(duì)觀測(cè)資料時(shí)間差異的分析結(jié)果，由于在研究分析時(shí)利用的多為動(dòng)態(tài)變化觀測(cè)資料，其精度受到限制，其變化幅度往往同背景噪聲量級(jí)差不多，難以令人信服。例如，波速本是介質(zhì)內(nèi)在的物理性質(zhì)，但同一區(qū)域的巖石波速在很短時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生明顯變化，而且觀測(cè)誤差和計(jì)算誤差也比較大，這樣的變化人們普遍難以接受。令人遺憾的是，地震預(yù)測(cè)非常需要相關(guān)參數(shù)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化。
(4) 經(jīng)驗(yàn)性地震預(yù)測(cè)的局限性。經(jīng)驗(yàn)性地震預(yù)測(cè)基于前兆的相似性和重現(xiàn)性，采用歸納、類比、推理的方法進(jìn)行研究。而實(shí)際地震前兆的表現(xiàn)十分復(fù)雜，完全重復(fù)的地震前兆十分罕見，目前沒有條件獲得豐富的地球動(dòng)力學(xué)背景和深部動(dòng)力學(xué)過程的信息，難以用物理模式來約束，進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)成功率非常困難。
同時(shí)，地震現(xiàn)象以唯象分析為主，缺乏具有物理含義的統(tǒng)計(jì)模型的定量刻畫。地震前觀測(cè)到一些前兆異常,僅僅依靠經(jīng)驗(yàn)分析方法也很難區(qū)分構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、地震前兆及干擾引起的非正常異常變化。
(5) 對(duì)地震預(yù)測(cè)基本問題研究不足。由于理論認(rèn)識(shí)的局限，國內(nèi)對(duì)地震預(yù)測(cè)的基本問題研究不足，對(duì)地震孕育、發(fā)生機(jī)理及過程認(rèn)識(shí)不清。目前的地震預(yù)測(cè)以震例的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)為主，具有動(dòng)力學(xué)含義的物理、數(shù)值預(yù)測(cè)十分缺乏,盡管取得一些成功的實(shí)例，但僅僅是依靠大量震例經(jīng)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)和總結(jié)，目前還缺乏在地震孕育理論指導(dǎo)下反映動(dòng)力學(xué)過程的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)方法，一些關(guān)鍵的科學(xué)問題尚未解決,從而導(dǎo)致經(jīng)驗(yàn)性地震預(yù)測(cè)的成功率偏低，難以建立起觀測(cè)資料與地震之間較為穩(wěn)定的物理或統(tǒng)計(jì)關(guān)系。
(6) 缺乏大尺度的動(dòng)態(tài)場(chǎng)整體觀測(cè)。地球物理和地球化學(xué)前兆觀測(cè)資料的使用，是以單點(diǎn)觀測(cè)資料時(shí)變曲線與震例的經(jīng)驗(yàn)性統(tǒng)計(jì)相對(duì)應(yīng)為主，缺乏對(duì)于大尺度物理場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化分析。不同觀測(cè)資料之間缺乏物理過程的關(guān)聯(lián)解釋和數(shù)據(jù)同化研究。地震前兆現(xiàn)象的復(fù)雜性，增加了物理上定量描述與刻畫的難度，難以建立各前兆學(xué)科預(yù)測(cè)地震的基礎(chǔ)理論框架，同時(shí)與地震學(xué)及其他學(xué)科的有機(jī)融合不夠。
(7) 新觀測(cè)技術(shù)的挑戰(zhàn)和新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。近年來隨著科技的不斷發(fā)展，一些國家逐步開展地震衛(wèi)星技術(shù)的應(yīng)用研究,如在GPS、熱紅外、電離層、INSAR、衛(wèi)星重力、電磁波等方面(趙國澤等,2007)，拓展可能的地震前兆觀測(cè)項(xiàng)目，初步顯示了新技術(shù)在地震預(yù)測(cè)研究中的可能前景。
一些揭示了巖石圈深部活動(dòng)與淺部脆性層破裂關(guān)系的新現(xiàn)象不斷被發(fā)現(xiàn)。例如通過對(duì)數(shù)十年地震波資料的分析，發(fā)現(xiàn)地殼介質(zhì)Ｑ值和特征地震頻次存在相關(guān)性，這些現(xiàn)象揭示了巖石圈深部活動(dòng)與淺部脆性層破裂的關(guān)系，為解決地震預(yù)測(cè)中的疑難問題開闊了思路(張國民等，2005)。我們可沿著已有的方向繼續(xù)努力尋找地震前兆，但必須探索新的前兆�，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)洋中脊轉(zhuǎn)換斷層上的“慢地震”，在俯沖帶上以及圣安德列斯斷層上的“寂靜地震”，還有在大型的逆沖斷層下面周期性的緩慢滑動(dòng)事件及與其相關(guān)的間歇性的間歇顫動(dòng)等等，均應(yīng)引起足夠的重視(陳運(yùn)泰，1993、2007；王閻昭等，2007)。