地震预测的现代理论
——课堂笔记整理
任课教师：吴忠良
培养单位：中国地质科学院
不要全抄，老师会安排同学网上查重，
查到抄袭据说会给挂，切记
我本科专业是矿产勘查工程，现在的专业是岩石学、矿物学、矿床学。从本科以来，几乎很少接触的地震学的知识，这次选吴老师的课，主要是因为一
直以来对地震都比较感兴趣，几乎是以对待科普讲座目的而选了这门课。因此，对于吴老师所讲的知识，可能理解不是十分到位，下面简单谈一下我的理解。
原始记录时间：20xx年6月19日（星期四），13:30—17:00。
1.弹性回跳理论的现在版本与地震物理理论的若干标杆
1).震断层和弹性回跳：弹性回跳学说是美国学者Reid提出的，以说明断
层发生巨大地震的机制。假说认为地震的发生，是由于地壳 中岩石发
生了断裂错动，而岩石本身具有弹性，在断裂发生时已经发生弹性变形
的岩石，在力消失之后便向相反的方向整体回跳，恢复到未变形前的状
态。这种弹跳可以产生惊人的速度和力量，把长期积蓄的能量于霎那间
释放出来，造成地震。
2).运动与岩石圈变形：岩石圈的变形与变位都受到板块运动的控制, 岩石
圈板块沿着塑性软流圈之上发生大规模水平运动;板块与板块之间相对
运动造成岩石圈变形。
3).理论与地震前兆：非弹性变形(膨胀)是认识地震前兆现象本质和发展预
报技术的一个物理和力学基础。
4).带与损伤带：断层带亦称断裂带，是由主断层面及其两侧破碎岩块以及
若干次级断层或破裂面组成的地带。在靠近主断层面附近发育有构造岩，以主断层面附近为轴线向两侧扩散，一般依次出现断层泥或糜棱岩、断
层角砾岩、碎裂岩等，再向外即过渡为断层带以外的完整岩石。
5).中的韧脆性转换带：脆韧转换带是地壳强度最大的部分。对于富含石英
和长石的大陆地壳而言，脆韧转换带出现在大约13到18公里深度（大
致对应于250到400°C的温度）。在这一深度，岩石变得不容易破裂，而更容易由蠕变而造成韧性变形。
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6).体与断层几何复杂性：凹凸体是一种地质学特征板块。凹凸体之间的凹
凸导致地质板块嵌合在一起。如果凹凸体间的嵌合不够或者摩擦力不够，就会导致地质板块滑动，从而产生地震。
7).闭锁: 蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增
加的现象。它与塑性变形不同，塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限时也能出现。
8).不稳定性、流体与地震的复杂性动力学。
2.现代地震预测
高应力段或应变积累段 应力测量
GPS/INSAR/Repeating events
长期预测: 闭锁端或者凹凸体 深部构造探测
活断层分段/古地震/地震活动性
用b值勾画凹凸体
外因——地震触发
——蠕变和ETS
短期预测: 内因——断层摩擦定律
——断层带损伤
——流体作用
——类临界点模型
1).地震断层上究竟发生了什么热流佯谬或摩擦佯谬：观测热流值比理论值
小十倍。地震过程中为滑动摩擦摩擦系数要大于地震前的静摩擦系数(图1)。
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地震参数测定和CFS计算 宽带地震观测 S波分裂 微震活动性分析 主震源探测 介质性质时间变化NCF+C3
2).车笼埔断层钻探项目(TCDP)：TCDP项目在台湾台中大坑车笼埔断层上
进行2000m深井钻探,期望通过钻探获取地震深部断层带岩芯并开展深
井测量和观测，究车笼埔断裂产生剧烈错动的原因所在。要理解大地震如何发生,物理数据的进一步获得是至关重要的。TCDP的目的是获得集集地震断层最大位移处的物理、化学样本,测量断层区上、下部岩石的
物理特性和机械行为,以全面了解
图1.地震发生过程中的摩擦力和断层位移速度的关系
在这样一个大的滑动事件后这些岩石内的应力状况。断层表面的物理测量以及在实验室对断层岩石和流体的实验分析将可能给出重要的推断,比如断层的动摩擦特性等。大的断层滑动发生在地表或者接近地表,这就为深入研究大地震时断层作用的物理机理提供了一个独一无二的机会。
2.1地震预测方法
可分为：统计预测、经验预测、物理预测、数值预测四种
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2.1.1.各种预测的优势和劣势
1).经验预测：困境和出路
目前国内对“经验预测”的评价普遍不高，问题的本质不在“经验预测“不够严谨和难以重复。
在经验预测中，相关的物理概念不一定特别清晰，物理模型也大都比较简单，没有什么统计上的根据。
但是，在地震预测预报目前还找不到一个特别好的方法的时候，从大量的观测资料中摸索经验规律，也是一个现实可行的技术路线。
“经验“的价值就是：在于统计学方法相比不够系统，与物理学方法相比不够严谨的图像中，找到通向进一步研究的线索。
因此经验是“警探”不是“法官”。
国内对经验预测评价不高的本质是：经验必须是鲜活的，而不能是僵化的。
2).统计预测：统计要和物理图像结合起来才是有意义的
3).物理预测：地震的物理预测，永远也做不到从头计算，在“物理预测”中说不清的问题，恰恰需要“统计”来阐明。但是同时，统计要和物理图像结合起来才是有意义的。
2.1.2几种预测之间的关系
“经验方法”与“统计方法”之间的联系是：所得到的的异常信息是否与地震之间有必然联系，还需要统计学的论证。
现代的统计学里，数据挖掘技术，数据分析技术、数据可视化技术为建立新的经验提供了有效工具。
“经典方法“与”物理方法“之间的联系是：如果在物理上有一些线索，那么搜索经验关系的视野就可以有意识的聚焦于那些”有希望“的领域。
反过来经验上的一些东西可以对建立物理模型提供启示。
物理本身就是一门经验科学，经验没有统计基础又是靠不住的。在具体的个案研究中，实际上也很难清晰地指出某项研究究竟是“统计的”，还是“经
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验的”，还是“物理的”。事实上，每项研究都是一个混合体，只不过对某一
方面有所侧重。而从非线性物理的角度说，已经很难在概念上将“统计预测”，“经验预测”，“物理预测”清晰地分开。但是，在现在的情况下，似乎无法说服我们接受这样一个几乎被普遍承认的“研究纲领”。相反的，从上面的分析我们看到，“统计预测”，“经验预测”，“物理预测”，这三个方向各有优缺点，很难有“先进”与“落后”之分。
因此，也许可以得到一个结论是，将来地震预测预报问题的突破并不是
“物理预测”取代“经验预测”或“统计预测”，而恰恰是在这三者的“结合部”出现一些新的东西。
事实上，无论是“统计预测”，还是“经验预测”还是“物理预测”，似乎都离不开数值方法作为工具。
2.2.地震预测预报研究目前的发展阶段
这是目前地震预测预报领域语焉不详的问题
2.2.1地震预测与现代科技联系
现代科技的结构包括基础研究，应用基础研究，应用研究和实际应用四个方面。
地震预测现代科技中我们要区别“科技”与“技术”的概念。“技术”的历史远比“科技”要悠久的多，“科技”是在科学发展之后才发展起来的科学技术，而“技术”在人类历史上一直伴随存在。同时又很多的古代技术是用现代的科学技术也不能解释的。
2.2.2我国地震预测预报工作的现状评估
1）.以重点监视防御区为代表性结果的中长期预测，对7级左右及以上地
震，人员伤亡和灾害损失的预测效果较好。重防灾区预测预报意见，
能够作为科学参考依据，在以有限的人力物力，围绕重点区域，有重
点的加强监测预报，抗震设防，应急应对能力建设，以提升全国防震
减灾综合能力的应对能力建设，以提升全国防震减灾综合能力的对策
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实施中，发挥了重要的指导作用。但是目前值得注意的问题是，针对重防灾区的强化监测措施，其科学性和正规性都有待加强。
2）.年度危险区对于6级地震的预测效果较好。R值统计表明年度会商的
预测结果显著高于随机预测结果，因而具有值得重视的科学价值。同时，显著高于随机预测的结果，很大程度上是根据对地震活动性的认识得到的。年度会商在防震减灾工作中的实际应用价值和在地震预测预报研究中长期坚持不懈的向前预测检验，都是中国地震研究的“亮点”。但是目前年度会商的机制有待健全和完善。年度会商的评审，目前作用不大。
3）.基于周，月会商工作机制，通过密切跟踪地震活动与前兆异常变化，
在部分5.6级地震发生前做出一定程度，较为准确的短期预测预报，得到政府的社会认可，短期预报总体水平不高。6级地震预测成功率约40%，5级地震预测成功率仅为3%。因此目前的科学认识和工作机制，对6级地震的短期预测预报有一定的实际效果，但对7级以上强震经验不多。7级以上强震的成功的短临跟踪和预测预报，只有孟连地震等少数震例。
4）.基于地震研究的国际进展和对地震前兆，地震活动的认识，目前已具
有对给定的地震预测预报方法和地震预测预报意见进行科学评估的能
力。这种评估和检验可以排除很多在科学上站不住脚的“预测预报”，从而为安定社会做出贡献。但是，目前这方面的公众科学理解有待加强。同时来自媒体的干扰过大，是中国的一个特殊的社会问题。
5）.基于对地震过程的认识和对地震的快速分析，已经有能力对地震类型
和余震趋势做出比较好的总体判断。从而帮助进行震后的救援，回复，重建。但是目前余震的准确预报还不过关。汶川地震的抗震救灾中，根据多学科综合研究的成果，对地震类型和余震趋势做出了较好的判断。同时汶川的实践也表明，勉强进行的余震的预报和警报，实际上并不能带来正面的减灾效果和社会效果。
2.2.3.目前我国地震预测预报为社会提供服务的主要形式
1）.长期地震危险性和地震区划图；
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2）.地震重点监视防御区；
3）.年度地震会商；
4）.震情趋势跟踪；
5）.地震预报规范和地震预报意见评审；
6）.地震预报试验场和地震预报方法检验；
7）.余震趋势判定。
2.2.4.中国年度地震趋势会商
我国年度会商要解决的科学问题主要有三个方面：①.有7无7；②.哪里危险；③.活跃期还是平静期。
年度会商结果的表示方法很好，无论是内行还是外行都可以一看明白。主要都是利用现有的技术来分析得到一个最好的结果。
作为年度会商基础的科学问题，其实也十分明确。我们的年度地震趋势会商尽管无可回避地还有诸多问题，在科学上却是有价值的。就防震减灾的实际来说，年度地震趋势会商的意义也是很明显的。
2.2.5.地震减灾怪圈
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图2.地震减灾怪圈
打破这个怪圈的关键是正确地平衡短期效益和长期效益。要靠政府的力量来打破这个怪圈。
关于“经验性”的预报，我们要处理好其中的度，因为不定量的，粗糙的经验就要进行加工才能让其他国家的同行接受。比如，什么都有，那么就是不准确，准确是准确，就是什么都没有，所以要很好的把握好其中的度才能更好的做好地震预测和预报。
3.地震预测相关的成果转化问题。
（一个我们完全不熟悉的领域）
现代地震科技已经发展成为一个“高科技”领域。赵九章先生早就针对地球物理科技的发展，提出“数理化，工程化，高技术化”的发展方向。在“数理化，工程化，高技术化”的现代地震科技中，一项成果的应用，涉及从基础到应用的一系列环节。“成果转化”既涉及原始性创新，也涉及集成创新和引进吸收再创新。“成果转化”既不可能自动完成，也不可能单独由一个单位或
少数专家独立完成。与地震预测预报科技产品的设计，认真，维护，质量监控，风险管理，更新换代相关的科技成果转化，涉及基础研究，应用基础研究或“发展研究”，应用研究，实验测试，应用和更新换代等诸多环节。需要一个与现代科技，市场经济，法制社会，信息时代相适应的转化链条。
近年来，中国地震局领导借鉴国防系统的经验，倡导“应用一代，试验一带，研发一代，研发一代，探索一代”的发展方式。这一思路的实现，可以进一步落实为“技术成熟度”或“技术就绪水平”的概念。
技术就绪水平（TRL）作为一种比较系统的技术成熟度评价标准，有美国航空航天局（NASA）于19xx年提出并应用于航天领域。20xx年美国国防部开始采纳TRL，英国国防部随之在国防采办中应用了TRL。
TRL提出后，引起我国相关科技管理部门的重视。科技部于20xx年以国标形式引入了TRL的概念，规范科研项目的评估。TRL最初是针对武器研制，航空航天工程等工程性较强的工作提出的，不一定完全适用于地震科技产品。但是，借鉴TRL的概念和思路。或可给我们的成果转化为一定的启发。
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从系统工程的角度看，TRL无非是这样一个概念，基础研究，应用基础研究，应用研究，实际应用的各个环节中的任一个特定的阶段性问题。每个环节有每个环节的特有的评估方式。
越偏向性基础，就越强调探索和国际学术规范，越偏向应用，就越强调计划和执行。我们的成果转化率不高，主要是各个环节之间的连接不到位。
因此评价专家的水平，要用他们做的最好的工作去评价，同时管理的任务是形成正规的，可持续的“转化型”。要抓好各个环节之间的连接。用系统工程的语言，研发活动主要是解决E的问题，而管理则主要是解决好R的问题。
TRL强调技术成熟度水平，更强调研究成果的TRL增益。这就从技术转化的基本思路上，避免了“急功近利”的问题。以TRL的角度反思我国地震预测预报研究张的一些说法和做法，特别是汶川地震后关于地震可预测性的一些基本问题的争论和误导，可以明显的看到TRL1到TRL9的“短路”是带有共性的问题。
体制性急功近利是中国地震预测预报研究与国际先进的最大差距。
TRL分为三个层次，分别是监测TRL，预测TRL，应对TRL。
4.监测系统的可规划性。
我们要考虑的问题有地震台网设计有没有理论，市场经济有没有规划。 地震监测的科技产品有：
Physical：国家台，国家台网，区域台网，地方和专业台网，流动监测台网，科学探测台阵，境外台和全球台网，数据服务中心，维护维修中心，技术研发中心，管理和质量保证机制。
Functional（science）：地震速报，地震目录，地震波形，地震参数产品。 Functional（service）：监测能力和速报能力，大震震后快速产出能力，应急流动观测能力，中国大陆背景场及重点地震监视区高精度三维介质结构反演成像能力，连续波形自处理能力。
Operational：计划，建设，运行，维护，更新，服务。
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5.地震预测试验场的经验教训。
在以往的计划中出现一些问题，包括有简单的强调观测系统更新换代，简单的强调“加密观测”，简单的强调学习国外，在很大程度上将不同单位，不同学科的现有工作用项目进行“拼盘式”的包装。
对中长期地震预测能力限度估计不足，导致对“目标地震”的危险性估计的不确定性估计不足，从而使试验场的设计缺乏“与地震博弈”的通盘考虑和长远规划。
从一定意义上说，最初原本是面向短临预报的地震预报实验场的失败，根本的原因是中长期地震预测预报的问题。而在这一个问题上得到科学的根本的解决之前，地震预报试验场不得不进行统筹考虑，以达到其最大限度的科学目标。
迄今距第一个地震预报实验的建立已经有半个多世纪，到目前为止，还没有一个地震预报试验场在其工作时段和工作地区内按照“预定计划”完美地“捕捉”到目标地震。于此相应，很多地震预报实验场在进行的过程中逐渐偏离了原来的科学目标，在预期的中强地震不发生的情况下，关注重点转向小地震。在地震预测预报研究不成功的情况下，研究重点从地震预测预报转向地震
构造，地震强地面运动等方面的研究。这些研究在科学上固然也是非常重要的。但是却不是地震预报实验场项目最初的科学目标，这一科学目标的“游移”使一些实验场从建立之后不久就已经不再是真正意义上的地震预报实验场了。
由于地震预报研究需要较长的时间观测材料积累，而地震预测预报问题的难度和复杂性又大大超出了地震预报实验场建立之初的科学界的估计，所以在资源有限的情况下，地震预报实验场常常面临得不到长期支持的困境。造成这种情况的原因，一方面是科学发展的社会环境，但另一方面更为重要的，则是很多地震预报实验场预报实验场建立之初就缺乏清晰的可持续发展规划。
这是需要我们进行反思的。
6.地震前兆的检验
地震预报实验场的基本科学问题：地震前兆的检验。
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地震前兆机制最初的基本物理图像：地震前兆观测到一些物理量的“异常变化”是地震前的应力场变化，或者等效地说是导致地震的地壳形变的过程所引起的。地震前的异常的变化应该和地震之间有比较好的“对应”关系，而且这种“对应”关系应该能够经得起统计检验。
D.Jackson给出地震前兆必须满足的四个必要条件分别是：
1）.地震前兆应该在地震到来之前（应力变化最为急剧的时候）表现最明
显。
2）.距离地震越近，前兆应该越明显。
3）.地震前兆应该能用观测到的地壳变形的一些过程来解释。
4）.关于前兆的成因，应该能够排除地震以外的其他的可能性。
导致地震的应力的变化或者地壳形变过程是一个“场”的概念。同一地震之前，不同地点，不同局部地区的观测应给出不同的前兆变化，有些店或者有些局部地区本来就应该没有反映，同一观测点对不同的地震，也应该有不同的反映，这取决于观测点与地震之间的相对位置。
实验室实验的启示：国际方面表明，同一地震之前不同地点，不同局部地区的观测，应给出具有不同性质的“预期”的前兆变化。国内方面表明断层和构造单元的不同部位具有不同的“预期”前兆表现和“前兆敏感性”。
从地球动力学的角度看，把观测曲线和一定范围内发生的地震的时间序列进行“对应”，并用这种“对应”关系来回溯性的检验地震前兆的预测效能的方法，与人为地震前兆现象反映了地震前的应力变化过程或者地壳变化过程的
基本假定是不能相互协调的。或者换句话说，地震预报研究目前的一个问题是，我们目前对地震前兆的科学认识事实上还没有被彻底的检验，同时也没有被最大限度的应用，这既是这一领域中有如此多的争论的一个重要原因，也是地震预报研究包括地震预报实验场目前具有现实可行性的科学基础。
试验场的工作目标有三个方面：有效约束，有效检测，有效监测。
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7．地震预测工作者所面临的问题
7.1.地震预测科学的“不公正”待遇
很难的科学问题、很大的科学水平认识差距，很大的观测系统要求，这并不是地震预报问题所特有的，类似的科研项目还有哈勃望远镜，大型粒子加速器，海洋探测项目以及航天计划等。这些重大的科学研究项目都和地震预测一样有着共同的产业转化不明显的特征，而且耗资巨大。但是似乎只有地震预测预报研究多遭非议。
针对这种现象我认为，前几项工作都和人类自然灾难没有直接联系，而高烈度地震往往造成人的伤亡。在悲剧面前，人往往容易失去理智，我们无法埋怨天灾，只能是责怪我们自己，这样地震预测工作部门就首当其冲，一个假设就是：如果能准确预测，就可以减少甚至避免伤亡，可是这完全忽略了地震预测的多解性与艰难性。所以地震预测是悲剧和无辜的。
7.2.管理部门的“不讲理”问题
1).布台是对的，但布到什么程度才能满足你们的要求？
2).布台就能解决地震预测预报的问题吗？
3).第二个问题的加强版：a.如果能说清楚所建议监测对地震预报到底
什么用处，那要给多少钱就给多少钱，b.你们要把预测预报成功率从
XX%提高到YY%，哪个百分点是落实到哪项监测手段基础上的？c.不是说“地震预测是世界科学难题”吗？那么所建议的观测项目对解决地震预报问题有什么用处？
以上管理部门不可理喻，一个说明国内相关体制还存在不合理之处，科研领域政治化现象明显，也反应地震预测是一个及其棘手的科学难题。
7.3.地震预测部门的自我定位与调整
1).在与科研院所、高校、国土资源部门、地方和企业的战略合作中，明确中国地
震局的自身定位，使相关的战略合作全面协调持续发展。
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2).和其他部门或单位的战略合作，既不能简单成为联合申请国家项目的平台，更
不能成为资源争夺的竞技场。
3).作为防震减灾的行业主管部门，应该在借力推进地震系统自身科技发展的同时，
发挥全国范围的地震科技相关的总体设计、技术协调、成果集成、质量评估、标准定制的作用。
小结
20课时马上就要结束了，这样一周内连续上课的方式略感疲惫，不过从学习知识方面来说，因为上课间隔较短，后一天的课是前一天的继续，能很好的温故和知新，效率较高。
感谢吴老师带来的知识渊博的课堂，这几天里，我对地震预测有了一个整体的了解，知道了地震预测要做什么，目前什么能做好，哪里还存在不足，将来发展的方向以及地震预测部门所处的尴尬处境等。还有，老师真的很辛苦，每天一整个下午，我们坐着，而且偶尔可以打盹休息，老师则是站着，还要精力集中的给我们讲课，这里真心感谢。
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