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在上节课，我们讲过全球每年要发生500多万次地震(点此复习~)。
以下是最近几天发生的地震
图片来源：中国地震台网
这节课我们来讨论大家更关心的问题：地震发生这么频繁，可以预测吗？
汉代已有的验震器——候风地动仪
人类很早开始尝试进行地震预测，其中最著名的可能要数东汉时期张衡制作的候风地动仪——当某个方向发生地震后，由于受到地震波的扰动，该方向悬挂的龙口中所含铜珠就会掉落，告诉大家这个方向发生地震了。
现代人根据文字记录复原的地动仪模型
图片来源：Wikipedia
严格地说，候风地动仪并不能预测地震，它只能在震后告诉人们地震发生的方向，算是一种验震器，但它仍然意义重大。因为人类本身很难感受到遥远地区的地震，而有了它之后，一旦某个地区发生大地震，中央王朝就可以立即获知大概方向，从而能在当时落后的通信条件下提前准备好救灾事宜。
地震预测依然遥遥无期
现代地震预测直到20世纪60年代才正式登上舞台。一方面是因为地震研究十分复杂，到这时才具备比较成熟的技术基础；另一方面也得益于美苏之间的核竞赛。
当时美苏进行了大量地下核试验并对相关资料严格保密，但双方又千方百计地想获知对方虚实。这时就有人想到，虽然政府可以三缄其口，但地下爆破产生的地震波是不会说谎的，可以通过监测地震波来推测爆炸数据。为此美国耗费巨资建立了全球标准地震台网(WWSSN)，为地震学家提供了以前想都不敢想的庞大资源，客观上大大推动了地震研究。
全球地震台网让科学家得以定量分析地震数据
图片来源：自制
现代地震预测强调三个要素，即时间、地点和震级。在上世纪70年代早期，或许是因为资源和经费的充足，科学界对地震预测普遍比较乐观。
1975年，中国成功预测了辽宁海城7.3级大地震，在地震来临前及时将人员财产转移到空旷地带，避免了大量的人员伤亡和财产损失。这似乎无可辩驳地证实了地震预测的可行性，也进一步增强了科学界的乐观情绪。
海城地震前的告示
图片来源：网易新闻
但好景不长，1976年，中国未能预测出唐山地震，未能挽回重大伤亡。也是从这一时期开始，多种地震预测的方法接连被推翻。直到今天，海城地震的预测也是联合国唯一承认的地震预测成功的案例。
地震预测分为长期、中期、短期和临震预测，对老百姓防灾避险而言，一般短期和临震预测才比较有价值。毕竟，如果你跟大家说未来十年内很可能发生地震，那大家听了也很难做出什么反应。
然而，想要实现短期以及临震预测非常难。在前一节课的学习中，我们已经知晓地震的产生往往与板块碰撞相关。但实际情况要复杂很多，由于板块的尺度太大，边界线太漫长，运动又太慢，即便我们知道两个板块之间“积怨已久”，我们也很难知道地下断裂带以及周边岩层的具体性质——它们受到的力有多大、它们是否到达临界值、是否有其它因素导致岩层中出现薄弱带（这里更容易活动）等。我们只能根据研究，确定断裂带的范围，从而框定出地震风险性大的区域，但是它们什么时候、具体在哪里、会发生多大震级地震就一概不知了。
地球板块构造
图片来源：Wikipedia
那些年人们试过的地震预测方法
在几十年的研究中，研究者们做过多个方面的尝试。
有从统计方法入手的：
一是统计地震频率。比如有研究者统计某一个区域平均每150年发生一次7级以上的地震，而上次类似的地震已经是145年前的事情了，于是预测5年后可能会发生大地震。先不论“区域”涵盖的范围有多广，全部都做预防工作是多么困难；也不管“5年之后”是多么模糊，意味着那一整年每天都要提心吊胆。仅就预测本身而言，也存在相当大的不确定性。比如虽然平均间隔是150年，但是如果160年后才发生过不过分呢？
结论可能是毫不过分。因为板块运动的速度极慢，其时间单位以十万年甚至百万年计，所以在板块看来10年大概还不到1秒钟，晚“1秒钟”怎么能算迟到呢？就像公司要求每天早上9:00上班，而你9:00:01抵达办公室，你会觉得自己迟到了吗？
但是板块迟到的“1秒钟”是人类难以接受的。20世纪80年代，美国地质调查局预测帕克菲尔德将在1988年以后的4年内发生一场6级左右的地震，当地政府和居民随即投入大量资源准备应对地震。结果到2004年这场地震才发生，公众也因此对地震预测一片唏嘘。
帕克菲尔德咖啡厅标语：“当地震发生时来这里坐坐！”
图片来源：参考文献3
二是统计地震规律。有研究者经过对地震的多年观测，总结出了一些简单规律，比如大震前有小震，大震后无大震。这些规律似乎很有道理，在不少情况下也是正确的，比如海城地震的主震前就有很多规模较小的地震，好像在不断警示大家“大的要来了”；大部分地区发生一次规模很大的地震后，要消停很多年才能孕育出下一次地震。
但例外的情况也不少，比如汶川地震前没有明显密集的小震；又比如海城刚发生7.3级的地震，一年后附近的唐山就发生了7.8级地震。当初唐山地震前专家们展开了激烈争论，分为“无大震”和“有大震”两派，“无大震”派的重要依据之一就是一个区域不会连续两年发生两场大地震。最后“无大震”派胜出，错失预测良机。不过这也不能怪专家，主要是我们对地震的了解太少了。
海城地震前的地震记录，上面一幅图显示地震震级，下面一幅图显示每小时记录到的地震次数
图片来源：参考文献3
除了统计方法，还有从地震前兆入手的：
一是动物异常。大家可能也听说过类似的故事：如果在寒冬腊月里几十条蛇群聚出洞，几百只青蛙集体搬迁，鸡鸭焦躁不安，可能就要发生地震了。这种说法有一定道理，因为有一些动物确实对震动等非常敏感，它们可以更敏锐地感知地球深部的运动。
该方法在历史上有成功先例，比如在海城地震前人们就观察到了动物异常现象。不过令人遗憾的是，不是每次地震都会引发动物异常，毕竟动物也不是万能的。另外也不是每次动物异常都预示着地震。因此这个方法仅供参考。随着现代科技的发展，我们制造出的许多设备的监测精度已经大大超越动物的灵敏度，动物异常的观测在地震研究中越来越小众化。
二是地下水位异常。因为大地震发生前可能会发生小地震，导致地下岩层产生小规模的错动，而错动后就可能会改变地下水的流动通道，比如打通或者堵塞了某些地下通道，致使井水位在短时间内出现剧烈变化。但是该方法也存在局限性，因为大地震前不一定会有小地震，所以地下水位也不一定变化；另外地下水位变化不一定是地震所致，也可能是附近建筑基坑施工时截堵了地下水，或者有人私自抽取地下水，甚至是向地下排泄废水。
除了上面两个，还有根据氡含量、地震波速比、电磁信号、地震光等进行预测的方法。氡含量法是说地层内储存了少量惰性气体氡，地层破裂后这些气体会被释放出来。理论上地层破裂越多氡含量应该越高，有人就想到可以通过监测氡含量揭示地层破裂进而预测地震；地震波速比是说地震波有横波和纵波两种，当地层破裂时它们的波速比理论上会发生变化，有人认为可以根据这个来预测地震；电磁信号可以简单理解为岩层相互摩擦生电，就像我们用手摩擦头发会生电一样，然后电又可以生磁，产生电磁信号，有人认为可以通过监测电磁信号揭示地层摩擦进而预测地震；而地震光可以理解岩层在摩擦放电过程中产生的火花，就像闪电是云层间的放电现象一样。如果产生了地震光，说明地层摩擦很厉害，很可能会发生地震，不过更多的时候是已经地震了。
总的来说，虽然有各种五花八门的猜想，甚至在民间也产生了不少预测理论，不过迄今还没有一种方法能够有效预测地震。
地震时疑似出现地震光现象
图片来源：资料来自douyin.com，作者根据资料自制
不能预测，不代表无法预警
虽然人类在地震预测方面屡屡碰壁，但在地震预警方面还是可圈可点的。预测和预警虽然只有一字之差，但含义全然不同。预测是说在地震发生之前就能准确获知地震发生的时间、地点和震级，提前疏散群众让地震扑个空；而预警是指在地震发生之后，横波还没有到达某一个地方之前（什么是横波？下面会介绍），临时通知当地群众紧急避险。
预警的原理和地震波的性质有关。地震波有两种，分别是P波（Primary，即首先到达的波）和S波（Secondary，即后来到达的波）。P波的传播速度大约为5.5-7 km/s，而S波大约为3.2-4 km/s。因为P波的传播速度更快，所以可以更早地到达地表。
地震示意图
图片来源：作者自制
按物理上波动的分类，因为P波质点运动的方向与传播方向平行，靠质点纵向推搡挤压传播，所以称为纵波，类似的还有声波等；因为S波质点运动的方向与传播方向垂直，靠质点横向摩擦剪切传播，所以称为横波，类似的还有水波等。横波的特点是质点没有离开原地，但波却持续向前，就像风吹麦浪，麦子并没有离开原地，但波浪滚滚向前。
波动示意图（上面为横波，下面为纵波。横波的质点运动是上下方向，波传播却是左右方向，二者相互垂直；纵波的质点运动和波传播都是左右方向，二者相互平行）
图片来源：tenor.com
对于建筑物而言，比起P波带来的上下挤压，它更害怕S波的左右剪切。我们可以简单做一个实验：把几本书摞在一起当作多层建筑，先上下晃动，再左右晃动，会明显发现左右晃动对“建筑物”的破坏性更大，表明S波造成的破坏往往更严重。
堆积的书籍
图片来源：pixabay.com
发现地震波的性质后，有人就想到，既然P波来得早而且破坏性较低，那我们能不能把P波当成信使，一旦接收到了P波，就赶紧通知要地震了，让大家在S波到来之前紧急避险。顺着这个思路，地震预警就诞生了。
地震预警示意图
图片来源：作者自制
如图所示，当A地收到P波后，可以立即向居民发布地震预警，同时通过电磁信号（电视、广播、短信、微信等方式）立即告知B地。由于电磁波的传播速度接近300,000km/s，远高于地震波，所以可以让B地在地震波到来之前就收到消息发布预警。部分手机支持的地震预警服务，依据的也是该原理。
部分手机支持地震预警服务
图片来源：作者自制
虽然预警听起来好像不如预测那么厉害，但发挥的作用不容小觑。有研究表明，地震预警时间为3秒时，可减少14％的人员伤亡；10秒时，可减少39％的人员伤亡；20秒时，可减少63％的人员伤亡。
我国在地震预警方面也已经布局。2022年9月5日四川省泸定县发生6.8级地震，中国地震预警网震后6.2秒产出了预警信息，向康定市提前9秒、雅安市提前21秒、成都市提前56秒发布地震预警信息，避免了大量人员伤亡和财产损失。
结语
虽然直到今天我们仍旧无法预测地震，但相信科学家在地震方面所做的大量研究不会白费，比如根据现有成果科学家已经研发出了地震预警系统。
与此同时，我国在建筑抗震、地震科普等方面也做了大量工作，已经让更多人认识地震、了解地震。如果大家关注地震新闻，也能发现近年来我国因地震伤亡的人数在逐渐减少。
相信地震的秘密终究会被揭开，我们终究可以实现地震预测，也期待那一天早日到来。
小知识
除了地震预测外，大家可能还听说过“地震预报”这个词。根据四川省地震局的解释，地震预测是科学意义上的研究行为，比如中国地震局有“地震预测研究所”；而地震预报是政府行政行为，是指政府向社会发布的可能要发生地震的公告。所以二者使用的情景不同，不过在实际生活中确实有混淆，大家理解概念就好。
参考文献：
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[9] 四川省地震局办公室. 地震预报和地震预测是一个意思吗？[EB/OL],http://www.scdzj.gov.cn/jlhd/hygq/202202/t20220209_51403.html
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作者：肖易东
作者单位：中国科学院地质与地球物理研究所
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