汶川15年:地震究竟能否预测? |
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![]() 本文由 北京市地震局 与 星球研究所 联合制作 15年前的今天 汶川地震爆发 数万平方公里的大地 在几分钟的震动过后 山河变色、满目疮痍 (北川老县城曲山镇,汶川地震的重灾区之一,摄影师@朱建国) ▼ ![]() 此后的15年中 中国大地依然震颤不止 2010年玉树地震2698人遇难 2013年芦山地震196人遇难 2014年鲁甸地震617人遇难 2022年泸定地震93人遇难 在全球范围内 地震也无情地展示着 巨大的破坏力 2010年海地地震16万人遇难 2011年日本地震近2万人遇难 2023年土耳其地震5万余人遇难 (海地地震后的废墟,图片来源@视觉中国) ▼ ![]() 回首人类的历史 地震称得上是“群灾之首” 在20世纪以来的所有自然灾害中 地震夺走的生命占到一半以上 而中国 更是世界上大陆地震最多的国家 也是因地震死亡人数最多的国家 对地震的恐惧 就像悬在头顶的、不知何时落下的 达摩克利斯之剑一样 贯穿了人类的历史 (请横屏观看,全球20世纪以来主要地震灾害和遇难人数,制图@吴昕恬/星球研究所) ▼ ![]() 然而遗憾的是 我们至今无法像预测天气一样 准确预测地震的到来 它仍是所有灾难中 最扑朔迷离的一个 预测一场地震 怎么这么难? 未来的我们 究竟如何应对地震带来的巨大灾难? (2011年3月11日,日本东北部海岸附近发生了里氏9.0级强烈地震,气仙沼市被地震引发的海啸淹没,图片来源@视觉中国) ▼ ![]() 要回答这些问题 我们需要回到1960年代 那时的中国正迎来 长达10年的地震活跃期 连续不断的大地震 接连重创这片土地 而中国的地震预测研究 也正是在那时艰难起步 01 半壁江山皆震颤 首先 我们需要了解 地震发生的基本机制 我们生活的地球表面 由大大小小的板块组成 不止不休的板块运动 造成地下岩石变形 当变形积累的力量超过岩石的弹性极限 岩石骤然破裂,并释放出巨大的能量 地震 便产生了 (地震原理示意,注:实际地震中断裂两侧的块体既有垂直错动,又有水平错动,本图仅示意水平错动,制图@汉青/星球研究所) ▼ ![]() 而中国位于几大板块的挤压之下 世界最重要的两大地震带 环太平洋地震带、阿尔卑斯-喜马拉雅地震带 分别从中国东西两侧经过 中国由此成为 少数同时受到两大地震带影响的国家 雪上加霜的是 中国所在的欧亚板块内部 地质结构复杂而破碎 造成内陆同样地震频发 这些发生于板块内部的地震 被称为板内地震 新中国成立以来 伤亡最惨重的唐山、汶川地震 便位列其中 (中国地震带分布示意,注:图中用颜色深浅表示地震动峰值加速度,单位为重力加速度g,颜色越深,可能遭遇的地震就越强烈,制图@吴昕恬/星球研究所) ▼ ![]() 于是 中国的陆地面积占全球的1/14 板内地震数量却占到全球陆地的1/3 (不含港澳台地震数据) 全国一半以上的省区 皆位于大大小小的地震带上 皆有发生7、8级地震的危险 正可谓 “半壁江山皆震颤” 正因为如此 中国一直是受地震伤害最重的国家 甚至超过以多震闻名的日本、智利 也正因为如此 在这样震颤不止的大地上 人们对地震预测有着极为迫切的需求 (汶川地震后,通向震中映秀镇的公路被地震摧毁,摄影师@朱建国) ▼ ![]() 现在 让我们把时针拨回到 1966年3月 当时,多次强震接连袭击河北邢台 导致八千余人死亡 这是新中国成立后 第一场发生在人口稠密地区的大震 损失惨重,举国震惊 周恩来总理第二天便赶赴灾区 100多个研究机构和大学的数千名科技人员 也陆续到达 开展地震预测大会战 (1966年河北邢台地震之后,周恩来总理视察灾区,图片来源@视觉中国) ▼ ![]() 调查中人们发现 地震前会有一些异常情况出现 这便是 地震前兆 正如冰冻三尺非一日之寒 地震的能量也经历了漫长的积累 临近大地震发生时 随着地下岩石弯曲、破裂 各种地球物理、地球化学指标 均可能发生相应的变化 并可能间接引起地下水、动植物等 人类易于感知的异常 (部分地震前兆示意,制图@汉青/星球研究所) ▼ ![]() 例如 当时震中附近的一口水井 在震前一周左右翻花冒泡 而最明显的地震前兆 则是震前数日发生的一连串较小的地震 最高震级为5.2级 仅对建筑造成了轻微的破坏 事后人们把这种大震前的小震称为 “前震” 于是 人们很快总结出了邢台地震的规律 即先小震密集,然后转入平静,最后发生大震 这便是著名的三段式 前震密集-转入平静-主震到来 (前震-平静-主震序列,制图@汉青/星球研究所) ▼ ![]() 这就像一根木头在彻底掰断之前 会先开始弯曲,然后裂开一个个小的裂口 直到无法承受,才突然整体崩断 大地深处的岩石断裂也往往先是一系列小破裂 最终积累成更大的破裂 利用这样简明清晰的规律 邢台地震现场的科学家们 很快成功预测了一次6.2级的强烈余震 中国的地震预测 出现了一丝曙光 (请横屏观看,如今的河北邢台,图片来源@视觉中国) ▼ ![]() 但邢台地震之后 更多未能预测的地震 依然接二连三地发生 包括 1969年7.4级的渤海地震 1970年7.8级的云南通海地震 1973年7.6级的四川炉霍地震 1974年7.1级的云南永善地震 中国的华北与西南 同时动荡不休 (云南通海地震之后,灾民们在废墟前召开动员会,图片来源@云南省地震局) ▼ ![]() 即便有了三段式的地震规律总结 但要在大震发生之前 准确分辨前震和其他的孤立小震 要在浩如烟海的前兆信息中 筛选出需要重点关注的时间和地点 都绝非易事 人们只能期待着 第一场真正成功的大震预测 尽快到来 02 难以复制的奇迹 1974年6月 针对严峻的形势 国家地震局召开会议 试图判断下一场地震将会发生在何方 相比8年前的邢台地震 此时的中国有了更加完善的前兆观测网络 一座座地震台、监测点 在全国各地建设起来 密切关注着大地发出的重要信号 (辽宁大连地震台,始建于1970年代初的地震台之一,摄影师@马天旭) ▼ ![]() 在此前后 辽宁的地震工作者们发现 辽东半岛的金县断裂 两侧地面的高差发生突变 这被专业人员称为“水准异常” 还有 大连的地磁出现异常 渤海的水位突然上升 以及辽宁南部小震增加等线索 让人们开始将目光聚焦到 辽宁 (海城地震前兆分布示意,制图@吴昕恬&松楠/星球研究所) ▼ ![]() 但辽宁的范围如此之大 如果发生地震 震中究竟会在哪里? 又会在什么时间发生? 在时间和空间上 人们都需要缩小包围圈 1974年年底 辽宁东南部许多地方发现了 地下水变浑、冬眠动物出洞等异常 这很可能预示着 地下深处的能量积累 已经接近极限 12月22日 辽阳、本溪一带发生4.8级地震 难道靴子这么快就落地了? 似乎不是 因为各种前兆仍在继续 人人都绷紧了神经 (这场4.8级地震被认为可能由水库蓄水引发,下图为辽宁抚顺大伙房水库,距离发生地震的葠[shēn]窝水库约90公里,此处仅作示意,摄影师@王宇) ▼ ![]() 1975年2月1日 海城、营口之间密集发生小震 并且愈演愈烈 到2月3日达到高潮 缩小包围圈的信号出现了 2月4日 小震逐渐转为平静 地震工作者立刻判断这正是“三段式”中 大震到来之前最后的平静 2月4日上午起 辽宁省和地方相关部门 陆续发布临震通报 得到消息的民众穿好冬装、打开房门 随时准备着逃生 当天19:36分 7.3级的海城地震爆发 (辽宁营口市百货公司仓库在海城地震中倒塌,图片来源@北京市地震局) ▼ ![]() 这场地震摧毁了 海城、营口两地9成以上的房屋 并造成千余人遇难 如果没有准确的地震预测 和果断的疏散命令 将很可能有数万人死于非命 科学家在此后的研究中写道 迄今为止,海城地震仍是 “世界上首次且唯一一次、有文档记载的 在大震前几小时的正确时刻 对正确地点发布了疏散令的事例” (引文出自陈棋福《2008年汶川地震与中国的地震预报》;下图为如今的辽宁营口城区,当时的地震灾区之一,图片来源@视觉中国) ▼ ![]() 由此 人们对地震预测的信心 前所未有地高涨起来 但这样的成功,真的可以复制吗? 在真正全面了解地震背后的机制之前 等待人们的将是 更大的失败 1976年上半年 海城地震已经过去一年 人们迫切地想要知道 华北的大震频发期是否已经结束? 地震工作者依然继续着繁忙的工作 不断监测着各地发现的前兆 包括河北、天津等地 地下水氡含量、土地电、地磁等大量异常 然而 4月6日内蒙古和林格尔发生6.2级地震 4月22日河北大城发生4.4级地震 这两场不大不小的地震 就像大地扔出的烟雾弹 再次干扰了人们对前兆的解读 有人认为上述地震完全可以对应之前发现的异常 (请横屏观看,唐山地震前兆和相关小震活动分布示意,制图@吴昕恬&松楠/星球研究所) ▼ ![]() 与此同时 人们基于此前的“三段式”经验 认为大震之前会有前震给出明确的信号 然而此次前震并未出现 7月28日凌晨3点人们熟睡之时 灾难突至 7.8级的唐山大地震 将这座百万人口的工业重镇 夷为平地 并夺走了24万人的生命 (唐山地震后的城市废墟,图片来源@视觉中国) ▼ ![]() 人们对地震预测的乐观情绪 瞬间跌入谷底 血泪的教训让人们意识到 “前震-平静-强震”的三段式 并不适用于每一次地震 对前兆的准确解读 远比人们想象的更加困难 在对地震的原理进一步了解之前 成熟可靠的地震预测 仍然只是奢望 03 地震居然声东击西 华北遭受重创的同时 西南也并不平静 1976年春季 四川龙门山断裂带沿线 井水变色、空中升起火球 或是天然气从地下涌出 各种异常现象一度此起彼伏 然而 在人们紧张追踪了两个月后 遥远的云南龙陵紧接着发生了较强地震 四川龙门山附近却毫无波澜 难道地震也会声东击西? (龙陵、松潘地震和龙门山断裂带位置示意,制图@吴昕恬&松楠/星球研究所) ▼ ![]() 到了6月 龙门山一带再次密集出现前兆 种种迹象表明大震将至 人心的动荡迅速蔓延 有人在成都的街头搭起地震棚 有人从传闻要发生大震的县城集体出逃 有人询问水库是否放空、工厂是否停工 而当唐山大地震消息传来 更是让谣言四起 后来的研究者推算 在1976年那一年 9.3亿中国人中有4亿人 曾在临时防震棚或空地上过夜 (为了预防地震破坏房屋造成伤亡,在有地震风险的区域,一度流行用轻质材料建造防震棚,临时居住,地震之后由于房屋不再坚固,人们担心余震,也常常居住于防震棚中,下图为云南鲁甸地震后的救灾帐蓬,作用类似防震棚,仅作示意,摄影师@车应华) ▼ ![]() 直到8月初 地下水异常、烦躁不安的动物等 依然在龙门山南北数百公里的范围内 持续不断地不断出现 这个范围实在太大 人们对地震具体时间、具体地点的判断 仍是一团迷雾 但唐山地震的教训 让四川省防震抗震指挥部 没有再苦等更加确切的前震信号 而是于8月12日果断发布了临震预报 龙门山断裂沿线方圆上百公里的地区 全部进入警戒 4天后 7.2级的强震袭来 造成41人遇难 但震中却位于此前少有前兆报告 并非重点区域的川西北松潘一带 地震再次声东击西 幸运的是 松潘地区此前也做了一定准备 救援力量第一时间进入灾区 有效减少了伤亡 (如今的四川松潘,是美丽山谷中的一座繁荣的县城,图片来源@视觉中国) ▼ ![]() 松潘地震之后 新中国的第一个地震活跃期终于逐渐淡去 随着改革开放的到来 全国人民的关注重点 也转移到了民生、经济领域 时间到了1995年 再次密集出现的众多前兆表明 云南西部可能有强震的风险 7月12日 云南孟连发生7.3地震 造成11人遇难 由于之前发生过5.5级的明确前震 此次强震得到了比较准确的预测 (请横屏观看,如今的云南孟连,摄影师@应浩飞) ▼ ![]() 而1996年2月的云南丽江7.0级地震 就没有那么幸运了 因为缺乏前震和明确的前兆 导致没有做出成功的预测 地震重创了美丽的丽江古城 造成三百余人遇难 (如今的云南丽江古城,已经发展成为旅游胜地,摄影师@刘珠明) ▼ ![]() 自1966年邢台地震以来 数十场大小地震的预测 终究胜少负多 对人类而言 大地之下是如此混沌 如此难以捉摸 04 混沌的大地 除了中国 全球的地震学家 也在努力探索地震预测的方案 尤其是尝试从某一地区的历史地震中 寻找规律 但这些努力同样遭遇了滑铁卢 在美国加州的帕克菲尔德 科学家发现这里的地震规律性极强 每隔22年左右的间隔 就发生一次6级左右地震 人们曾通过这一规律预测 下一场地震将在1993年之前发生 但实际上却迟到了足足11年之久 (引发帕克菲尔德地震的美国加州圣安第列斯断层,是美国最著名的活动断层之一,图片来源@视觉中国) ▼ ![]() 在日本 一条地震频发的海沟中 有一片很少发生地震的“空白地带” 即日本所称的东海地区 有科学家曾提出“地震空区”的理论 认为这样的空白地带有着更大地震的可能 于是人们一直对 只存在于预测中的“东海大地震”设防森严 但这场地震至今仍未到来 (地震频发的日本,正在展开一场防灾演练,为可能到来的地震做好准备,图片来源@视觉中国) ▼ ![]() 1997年 知名地震学家罗伯特•盖勒 在《科学》杂志发表文章 宣称“地震无法预测” 标志着国际科学界对地震预测的信心 降到谷底 这其中的核心困难包括 震源深度可达数十千米 远远超过人类的探测极限 还包括 地震前兆对人类观测者而言 几乎是随机出现、难以捉摸 在浩如烟海的异常中找到准确信号 更是难上加难 (2023年2月6日土耳其地震,难以预测的地震仍然如不散的阴霾,图片来源@视觉中国) ▼ ![]() 很多的前兆都难以被有效利用 前兆或是过于分散、持续时间过长 或是可以由其他原因解释 难以判断预示着何时何地的地震 如果仅凭一些异常就发布预警 将给社会运行带来巨大的成本 全球的地震学界 就在这样低迷的信心中 进入了21世纪 2001年 人迹罕至的昆仑山 发生了8.1级地震 但除此之外 世纪之交的中国大地还算平静 然而大地的能量 已经在更多地方悄然积累 (青海昆仑山口,这里曾发生过一场鲜为人知的8.1级地震,但因人烟稀少,损失轻微,摄影师@聂移同) ▼ ![]() 从2006年开始 四川郫县的地电阻率出现异常下降 走势与唐山震前的前兆有类似之处 但在2008年初就又恢复了正常 与此类似 四川、甘肃还有一些地区出现过 地下水位、水温等零散异常 但都过于分散,难以引起注意 没有人知道 此时的龙门山断裂带 已经悄然积蓄了巨大的能量 走进破裂的倒计时 一场巨大的灾难即将降临 (请横屏观看,岷江流经龙门山断裂带,峡谷两侧山势陡峭、滑坡密集,是剧烈地质运动留下的痕迹,摄影师@刘少宇) ▼ ![]() 历史上这条断裂上的强震 都发生在北段西侧 松潘地震便是如此 相比之下 中段的汶川一带 缺少超过7级的强震记录 在这里 断裂的水平运动速度不足每年1毫米 垂直运动速度也仅有每年2毫米左右 低于大部分引起地震的活动断裂 是一段极为“平静”的断裂 (四川彭州,雪后的龙门山,摄影师@墨山) ▼ ![]() 其发生强震的间隔可达千年以上 超出人类地震观测的历史 因此,在中长期的预测中 人们并未做出 汶川附近可能发生强震的判断 就在这样的迷雾之中 我们至今难以忘却、每每想起都心有余悸的 汶川地震 猝然降临 (北川老县城地震遗址,这座城市定格在了2008年5月12日,摄影师@苏凌汉) ▼ ![]() 震后人们意识到 孕育汶川地震的龙门山断裂中段 在震前进入了“闭锁”阶段 这意味着表面的平静之下 巨大的能量在不断累积 如一段压缩到接近极限的弹簧 在回顾研究中人们猜测 此前提到的地电阻率、地下水等异常现象 或许正是汶川地震的前兆 地震前的动物异常活动 以及电磁场异常变化 也被认为可能与汶川地震相关 (汶川映秀镇的漩口中学,在地震中倒塌,摄影师@李贞泰) ▼ ![]() 遗憾的是 由于对龙门山断裂带 长期地震趋势的致命误判 我们并未读懂这些大地发出的警告 在事后的分析中 人们也困惑于前兆的复杂、纷乱 即使提前捕捉到前兆 也几乎无法得出可靠的结论 人类面对地震 真的无策可施了吗? 05 防震的曙光 从1960年代至今 地震预测走过了半个世纪 中国和世界各国的科学家有过短暂的成功 但更多的是失败 人类对地震预测的信心也经历了 从高峰到低谷的巨大起伏 从邢台地震起步的地震预测工作 在海城地震的成功之后 迅速又遭到唐山地震失败的打击 并在汶川地震后陷入低谷 对地下世界一片未知 但在地上的世界 我们还有许多可以努力的方向 (地震预测信心与抗震设防标准变化示意,本图主要展示中国的情况,世界主要国家半世纪以来走过的历程类似,但关键时间节点不同,制图@汉青/星球研究所) ▼ ![]() 随着社会经济的发展 和一次次大震经验的积累 我国对建筑抗震设防的标准不断提高 各种抗灾技术手段也蓬勃发展 而所有这些进步 都在给生命带来更多希望 从历次地震的经验来看 绝大多数的伤亡都来自倒塌的建筑 我们需要合理设计框架结构 采用高标准的材料和施工方式 让建筑面对地震时更加坚固 (汶川地震后的映秀中心小学,建筑的绝大部分被夷为平地,造成大量伤亡,摄影师@朱建国) ▼ ![]() 以彭州的白鹿中学为代表的 一批严格保证了工程质量的建筑 在一众废墟中屹立不倒 拯救了成百上千师生的生命 汶川地震以来 我国不断提高建筑的抗震标准 也将抗震建筑的覆盖范围 扩展到越来越多的地区 从大城市推广到乡村 尤其是对学校、医院等建筑 提出最高的防震要求 在未来,面对地震 我们将有更大的安全空间 (四川彭州白鹿中学,教学楼前的大地被汶川地震错断,形成3米左右的高差,两侧建筑却屹立不倒,师生无一伤亡,图片来源@北京市地震局,制图@汉青/星球研究所) ▼ ![]() 除了倒塌的建筑之外 地震中的伤亡还有相当一部分 来自地震引起的次生灾害 尤以滑坡、泥石流等为重 汶川地震中 单点死亡人数最多的 北川县城 几乎三分之一的城区 被两侧山脉的滑坡掩埋 震后的北川县城 整体搬迁到了龙门山外的平原 主动避开了地质脆弱、灾害易发的地区 (北川新县城,位于龙门山前平原的永昌镇,地势平坦开阔,是汶川震后唯一异地重建的县城,图片来源@视觉中国) ▼ ![]() 同样位于地震带上的宁夏银川则未雨绸缪 提前确定活动断裂走向 将活动断裂两侧100米的范围 划为绿地 由于地震造成的地表破裂 往往沿活动断裂延伸 而只要离开断裂很小的距离 就可以避免最严重的损失 这样的城市规划 可以尽可能减小地震对道路、房屋的破坏 (宁夏银川地震公园,位于城区内的一条活动断裂上方,摄影师@刘思尧) ▼ ![]() 我们还建成了覆盖数个省份的 地震预警系统 近几年,它在四川的地震新闻中频繁刷屏 与地震预测不同 地震预警的目的并非提前预知地震的到来 而是在地震发生后挽救更多的生命 电子信号以光速传播 比地震波快十万倍以上 依靠密集的地震台网和灵敏的算法 我们在地震发生十秒之内 就可以向波及地区发布预警 抢出数秒至数十秒的宝贵时间 供人们紧急逃生避险 或应急处置核电站、高铁等高危设施 (地震预警原理示意,制图@汉青/星球研究所) ▼ ![]() 另外 虽然无法做出准确的短期预测 但通过研究断层活动的规律 我们可以做出长期趋势的预测 指导大型工程的规划和建设 (新修建的高速公路穿过地震多发的四川西部山区,摄影师@姜曦) ▼ ![]() 攀登科学高峰的道路总是痛苦并漫长 而通向地震预测科学高峰的道路 也注定会铺满血泪 人类的强大 正是在于面对磨难拥有永不放弃的顽强 正是无数前仆后继的人们 推动着地震科学和防灾技术 不断前进 终有一日 地震的阴霾将散去 不再带来血泪与恐惧 (2008年5月13日, 都江堰聚源中学,一位父亲紧紧握住儿子沾满泥沙的嫩手,仿佛要从死神手中拽回儿子宝贵的生命,摄影师@朱建国) ▼ ![]() 本文创作团队 撰文:李楚阳 图片:张钊海 设计:汉青 地图:吴昕恬&松楠 审校:王逻辑&云舞空城&陈志浩 封面图片来源:李贞泰&视觉中国 文章封面大图拍摄于5.12汶川特大地震映秀震中纪念馆 审核专家 北京市地震局研究员、副局长 刘桂萍 北京市地震局二级研究员 邢成起 特别鸣谢 北京市地震局 云南省地震局 【参考文献】可上下滑动查看 [1]吴泰然,何国琦.普通地质学[M].北京大学出版社,2011. 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