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NORTHEASTERN UNIVERSITY 关于雅安地震的相关研究
灾害地质学读书报告
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关于雅安地震的相关研究
雅安地震后，我带着以下问题到图书馆、互联网上查阅了相关资料，并作出此读书报告：
1、雅安地震是汶川地震的强余震？
2、对于雅安地震，为什么中外报道的震级数值不同？
3、地震预警系统到底是不是我们的一棵救命稻草？能够发挥多少的功力？
4、为什么地震不能完全准确预测？
一、雅安地震是汶川地震的强余震？
从汶川地震的破裂过程——断裂带从震央向东北反复破碎——来看，可以预计汶川震后在西南方向可能出现一个强震。
青藏高原的推挤积攒了大量应力需要释放，汶川地震把龙门山断裂带东北端的应力进行了有效释放。但龙门山一线是作为一个整体进行应力累计，一端得到释放，另一端呢？
这是08年汶川地震的余震统计图。可以发现破碎是往东北方向去的 地表破碎270km。整个破碎带非常长 而反向上基本没动。
2013年4月20日，四川省芦山地震发生后，中国科学院青藏高原研究所和地质与地球物理研究所相关科研人员联合发布了4.20芦山地震震源破裂过程反演初步结果。
地震发生后，科研人员从IRIS数据中心下载了地震数据资料用于研究地震震源机制和震源破裂过程。选取其中信噪比较高并且沿方位角分布比较均匀的31个远场P波波形（震中距位于30°＜△＜90°范围之内）数据进行点源模型的震源机制解反演；根据反演结果再利用31个远场P波波形并增加14个SH波波形资料用于震源过程反演。初始破裂点取USGS给出的震中位置。计算得到的地震矩为1.54×10**19Nm，Mw=6.7。最大滑动159cm。
结果表明：芦山地震为震级Mw6.7，震源深度10.2km的逆冲断层，破裂在断层面上的分布比较集中，震中区的地震烈度（中国地震烈度表，2008）约为9度。主震和余震分布于龙门山断层带西南端的彭县—灌县断裂带上，位于2008年5月12日汶川地震后的库伦应力增加区域内（单斌等，中国科学D，2009年39卷5期），且两者震源性质相近均为逆冲断裂为主，表明该地震与汶川地震有密切关系，可视为汶川地震的强余震。
采用下半球投影，同时给出了点源模型的P波垂向位移理论图（红线）与资料（黑线）的拟合情况。图形下方给出了两组节面解（左下，λ，δ，θ，h分别表示错动倾伏角、断层倾角、断层走向、震源深度）和点源模型的震源时间函数（右下）。
二、对于雅安地震，为什么中外报道的震级数值不同？
雅安地震，中国国家地震局先速报5.9级，后改为7.0级，美国地质调查局（USGS）则报为6.6级。这种差异是由地震震级计算标度不同造成的，USGS使用的是国际公认的矩震级，而中国还在采用被公认过时的面波震级，存在大震震级饱和，小震振幅记录受限等问题。
4月20日雅安地震，中国国家地震局先速报5.9级，后改为7.0级，美国地质调查局（USGS）则报为6.6级。此后几次的余震震级报道中，中美所报数值也各有高低。同次地震，震级数值为何会如此的中外有别？其实，差异是由地震震级计算标度不同造成的，USGS使用的是国际公认的矩震级，而中国还在采用被公认过时的面波震级，存在大震震级饱和，小震振幅记录受限等问题。
地震的震级标度有多种换算方法，中国一般采用面波震级标度
1935年，美国加州理工学院的地震学家查尔斯·弗朗西斯·里克特（Charles Francis Richter）和宾诺·古腾堡（Beno Gutenberg）借鉴天文学中表示天体亮度的星等，共同提出震级划分法，用以区分当时加州地区发生的大量小规模地震和少量大规模地震。此标度原先用伍德-安德森扭力式地震仪测量，后来成为通用的里氏地震规模。这种地震规模度量方法是根据地震仪对地震波所作的记录计算出来的。地震愈大，震级的数字也愈大，震级每差一级，通过地震被释放的能量约差32倍。
虽然里氏地震规模并没有规定上限或下限，但是现代精密的地震仪则经常会记录到规模为负数的地震。加之，受当初设计里氏地震规模时所使用的伍德-安德森扭力式地震仪的限制，近震规模（ML）若大于约6.8级或观测点距离震中超过约600千米便不适用。后来研究人员提议了一些改进，其中面波震级（Ms）和体波震级（Mb）最为常用。在中国，各省地震局在地震震级标度中一般都采用国家标准GB17740-1999规定的面波震级（Ms），对震源浅且距离远的地震进行测定。
面波震级存在大震震级饱和，小震振幅记录受限等问题
但是，里氏地震规模存在缺陷，主要在于它与地震发生的物物理过程没有直接联系，并且由于“地震强度频谱的比例定律”的限制，里氏地震规模存在震级饱和现象。20世纪60~70年代，有科学家在研究全球地震年频度与Ms的关系时发现，缺失Ms超过8.6级的地震。他们认为，当Ms超过8.6级后，尽管地表出现更长的破裂，显示出地震有更大的规模，但测定的Ms值却很难再增上去，使得一些强度明显不同的地震在用传统方法计算后得出里氏地震规模的数值却一样。
此外，传统的地震仪对于周期为20秒的面波灵敏，计算面波震级的时候就是用20秒的面波。原则上说，面波震级不适用震级小于5级的地震。这是因为震级小于6级的地震，面波震级能记录到的振幅是受到限制的，那么，由它所计算得到的震级也就比实际值小。这就导致以往报道中，震级小于6级的地震，中国地震局所报的震级往往比USGS所报的要低零点几级。例如，2008年6月18日的四川省石棉地震，USGS报的是 Mb4.6级或Mw 4.7级，而中国报的是面波震级4.2级。
21世纪初，地震学者认为传统震级标度法已经过时，公认采用矩震级
1977年，同属加州理工学院的金森博雄教授提出一种物理含义更为丰富，更能直接反应地震过程物理实质的表示方法，即矩震级（Mw）。该标度能更好的描述地震的物理特性，如地层错动的大小和地震的能量等。传统的震级标度法与之对比，只是抓住某一种地震波的最大振幅来标征地震的大小，它们与地震波能量大小的关系只是一种统计关系，而地震波能量也只是地震释放总能量的一部分。到了21世纪初，地震学者普遍认为传统的地震规模表示方法已经过时。
地震的矩震级，既可由地震波记录反演计算获得，也可从野外测量断层的平均位错、破裂长度、实验室内测量的岩石剪切模量以及从等震线的衰减或余震推断的震源深度计算出来，不存在震级饱和问题，适用于地震规模大于3.5级到无限制的震级标度。例如，1960年智利大地震为Mw9.5级，2004年印尼苏门答腊海域发生Mw9.0级大地震。
2008年四川汶川地震，USGS报的是Mw7.9级，而中国国家地震台网最早报的是Ms7.6级，之后又将其修订为Ms7.8级，最后又改为Ms8.0级。但之后的国际科学研究中则统一采用Mw7.9级，可以说，中国采用的面波震级不但不与国际接轨，还容易让人产生误解。
三、地震预警系统到底是不是我们的一棵救命稻草？能够发挥多少的功力？
首先我们需要明确一个概念，地震预警（earthquake early warning），不是地震预测或预报。地震预警是指在地震发生以后，抢在地震波传播到设防地区前，向设防地区提前几秒至数十秒发出警报，以减小当地的损失。
地震预警系统是指实现地震预警的配套设施。按照系统响应的顺序可包括：地震监测台网、地震参数快速判测系统、警报信息快速发布系统和预警信息接受终端。整套系统的特点是高度集成、实时监控、飞速响应，尤其是飞速响应这一点至关重要。因为地震预警系统其实就是在和地震波赛跑，多跑赢一秒，就能多获得一秒的应对时间，用分秒必争来形容最为恰当不过。
预警系统面临一个尴尬的规律：越是地面运动强烈的极震区，能提供预警的时间就越短；对预警系统依赖越弱的地区，能提供的预警时间反而越长。拿汶川地震举两个极端的例子：离震中不到20公里的映秀镇，处于预警系统的响应盲区，基本没有可能获得提前预警；而距离震中约1500公里的北京，可获得大约3分钟的提前预警，但又几乎没有意义。日本也在其预警系统的宣传手册中提到，如果您距离震中太近，预警信息和地震波可能同时到达。在2008年6月14日，日本发生的里氏7.2级地震中，距离震中30公里的鸥州，在3.5秒后收到了预警信息，但此时破坏性的S波已经到达。在遭受严重冲击的栗原，地震预警信息只提供了0.3秒的应急时间。对应于距离震中50公里和80公里的居民，则分别获得了5秒和15秒的应急时间。
除去这些天生的缺陷，预警系统在关键技术上还没能做到十全十美，尤其是地震参数的快速判定。作为5个部署了地震预警系统的国家地区之一，日本的投入最大，性能也是最好的。然而2008年1月27日，日本时报（The Japan Times）一则标题为“地震预警系统再次失效”的新闻，从一个侧面反映出了地震预警系统的现状。
部署地震预警系统，是一个整体的社会工程，并不是一个简单的技术问题，需要综合考虑科技因素、经济因素和社会因素。
一般来说，开发地震预警系统的地区，有如下特点：
1.地震发生频繁。如日本、台湾、墨西哥和美国加州都位于环太平洋地震带上，地震活动频繁。只有频繁的地震活动才需要频繁的地震预警，来减轻地震造成的损失。如果不能减少一定的损失，那么部署这套昂贵的系统本身就是一笔损失。
2.有较强的经济实力。地震预警系统由于整合度高，对地震台站密度有要求且需要长期不间断运作。地震预警系统的警报终端还需要与相关行业和部门合作开发，如电视台、铁道部门、工厂、医院等等，都需要装备相应的警报终端才能发挥预警系统的功效。因此预警系统的部署成本并不算是低廉，对当地可能有一个长期的经济压力。
3.设防区域小，预警价值高。日本，台湾均为整体设防，因为他们需要防御的总面积偏小，美国的地震预警系统主要也是针对旧金山周边区域。同时，这些防御区域经济相对发达，高科技产业密集，人口密度大，长期预警的经济社会价值可观。
综合上述的情况，对于是否需要地震预警系统，科学界内仍未能形成一致的看法。支持的学者认为这是一个很棒的想法，可以减少地震灾害的损伤；不支持的学者认为这套系统成本高昂、功能有限，前途并不光明。2004年《科学》杂志有文章标题用“打赌”来形容各个国家对于地震预警系统的态度。迄今，我们仍无法看到这个赌局的结果。不过有一件事很确定，日本等国将继续在这个赌局上不断下注。
值得注意的是，到目前为止这里面只有墨西哥城的SAS系统是直接面向公众的一个地震预警系统。简单点说，就是说当地震来临的时候，只有这个系统是直接在最短的时间内直接通过电台、电视、手机等手段让民众第一时间得知。而其他的大部分预警系统主要是面对政府相关部门或者大型公众设备，水坝、核电站、高速铁路等，而从政府部门反应到发布到公众需要一定的时间，这个反应很容易就耽搁掉好不容易赢得的几秒救命的时间。为什么大部分的地震预警系统不直接面向公众？这是因为到目前为止，地震预警系统仍然处于摇篮阶段，虽然它很有效，但是毕竟它处于还研究阶段，还需要提高它的准确性和速度。
由于对数据的分析时间太短，获得的数据不完整等等很多问题，导致误报的可能性很大。日本的EEW系统和墨西哥的SAS都证明存在误报现象。要知道，作为社会影响重大的地震，一次误报会造成巨大社会恐慌和损失；更严重的是，误报会严重伤害地震局、政府的公信力，就像小时候听过的那个“狼来了”的故事一样，地震局误报几次，将来即便是预报正确，民众也不相信了，这才是最可怕的。
地震预警系统的基础是庞大而密集的地震台网，其数目越大，获得的资料越丰富，震中和震级的计算越准确，预警也越迅速。而我国的这项基础工作还有待完善，与国际水平相比，我国的数字台网建设不足。以强震台为例，日本的覆盖密度为1323台/万平方公里，美国为53台/万平方公里，而我国为0.3台/万平方公里。而只有打好了基础才能建立有效的预警机制。
四、为什么地震不能完全准确预测？
从网友评论和科学网上其它有关地震的讨论文章看，大部分网友尽管没有什么科学根据，却依然一厢情愿地相信地震一定能预报，而把主张不能预报的观点当做是官方科学家们推卸责任的说法。一些所谓的非主流科学家们，特别是某些号称预报了此次地震的人，则趁此机会呼吁政府和社会重视自己的研究。而即使是那些“官方科学家”，在解释为什么不能预报的时候，也往往只是泛泛地说，我们现在对大地内部了解太少，因此现在全世界都还不能预报，似乎以后还是有希望预报的。
地震的发生，是由于岩石受力。当力大到一定程度，造成岩石发生断裂。断裂是突然的，这时能量被释放出来形成地震波。这种断裂发生有一定的随机性，正是由于存在这种随机性，注定了地震本身是不可能完全准确地预测的。地震的随机性，在一定程度上类似于现在非常著名的气象上的所谓蝴蝶效应。
蝴蝶效应是指动力系统在某些情况下对于初始条件非常敏感，微小的改变就足以使整个系统的演化完全不同（蝴蝶扇一下翅膀就可能引起飓风）。不过，实际上在气象上，并不是在所有情况下系统都处在这种对初始条件都很敏感的状态，在某些参数条件下系统是稳定的。例如，洛伦兹(Lorenz)当年发现蝴蝶效应时提出的 洛伦兹方程，在雷诺数较低时，存在稳定的动力学吸引子，因此这时蝴蝶扇不扇翅膀都没什么影响。只有当雷诺数较高时，才会出现奇异吸引子，这时才会出现蝴蝶效应。这也是为什么数值天气预报在较短的时间内是可能的。
不过，地震比气象更难预测，这不仅仅是因为我们看不到地下的情况，而是与地震本身的特点有关。导致地震的岩石断裂其实是经常发生的，但很多时候这种断裂只导致少量能量释放，引起小地震，对我们没有影响。然而有时，一块岩石断裂造成其它岩石受到更大的力，这又导致其它岩石断裂，这种多米诺骨牌效应的放大导致大地震。地震过后，在重新取得平衡的过程中会发生一些余震。但是，最终这导致地壳能量的释放，这时地震暂时停止，地壳再次开始蓄积能量，直到蓄积的能量再次导致地震。这一动力学过程导致地震形成所谓自组织临界系统(self-organized criticality system), 这种系统里动力学的吸引子正在临界点上，因此它具有高度的不稳定性和随机性。任何微小的变化都可能导致完全不同的后果。地震的次数和震级服从幂率分布（古滕堡－里克特定律），这正是自组织临界系统的特点之一。
对于自组织临界系统，也不能说完全无法预测。比如，一个沙堆可以作为自组织临界系统的例子。我们知道，如果往沙堆上不断注入沙子，沙堆坡度高到一定程度以后会发生崩塌。但是，由于沙堆不是完全规则的，到底何时发生这种崩塌，是发生大崩塌还是小崩塌，这有一定随机性，只能作出概率性预测。类似的，对于地震，根据一些异常现象和前兆，可以给出一些预测，也有些预测可能正确，但这些预测绝不可能是完全准确的，这是由自组织临界系统本身的随机性决定的，无论科学家再怎么努力，也不可能准确预言本身是随机的事物。当然，也有可能可以得到一些概率性预测。但是，由于概率性预测无法对地震发生的时间、地点和震级给出短期的、完全准确的预测，这样一来，政府就很难据此作出决策。我在上一篇博文“如果真有关于地震的预测该怎么办”里指出，在存在较多误报的情况下，政府即使收到了地震预报，恐怕都很难决定该不该实行疏散。该文自发表以来，虽然已被不少人浏览，但迄今我没看到谁提出任何可行的办法能够解决这个问题。
我国在邢台地震以后，就提倡走群众路线，搞地震预测，这收到了一定成效，成功预报了一些地震，我并不想完全否定这一点。但是，经过多年的研究，进展并不大，我认为这不完全是地震研究受不受重视的问题，而是由于地震本身的随机特性，注定了它难以被完全准确预测。因此，我们不应该再象过去那样，每次大震之后就大举上马地震预测研究，指望能临震预报出下次地震来－－最终很可能是下次大震仍未被预报出来。应该转变思路，在地震长期预报的基础上，加强对建筑抗震能力的要求。实际上，象日本、美国等，尽管同样无法准确预报地震，但每次地震死亡的人数很少，这些经验是中国应该学习的。
