震撼中国科技篇:看不见的战线

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震撼中国·科技篇:看不见的战线
《财经》记者 王以超 王和岩 李虎军 /总第212期 出版日期:2008-05-26  共有 11 条点评

中国是惟一致力于地震预报的国家,但短期或者临震预报仍是未能克服的难题,如何在抗震减灾方面未雨绸缪,决策者不可不慎思
2008年5月12日14时28分,里氏8.0级的特大地震袭击四川省汶川县南部。短短20多秒钟的剧震,最终超过5万人永远地沉入了黑夜。
这是自1976年唐山大地震以来,中国伤亡最为惨重的自然灾害;在中国的地震灾难史上,也可以排在第五位。根据美国地质勘探局(USGS)的统计,除了唐山大地震,也只有1556年的陕西华县地震、1920年的宁夏海原地震和1290年的内蒙古赤城大地震的死亡人数超过这次汶川地震。
千百年来,地震的威胁埋伏在地壳深处,对地震的恐惧则深藏于人类的文明深处。每当我们略微有些淡忘的时候,地震就会以无比残酷的方式来展示它的存在。
地震的威胁,在可以预见的未来将与地球同在。如何更好地与这种威胁相处,就成了我们无法回避的必修课。
在这本动辄流血的“教科书”面前,我们能学到什么?
地震机理
不同板块、构造之间的持续碰撞挤压形成的断层,成为孕育地震最好的温床
地震带来的天摇地动、山川河流改变以及生命浩劫,从古到今无疑给人类留下了不可磨灭的印象。几乎在所有的古代文明中,都能找到和地震相关的记载。
早在商代,中国就有了关于地震的记录。东汉时期,公元132年张衡发明地动仪,更成为人类探测地震的起点。
对于地震是怎样造成的,从传说到历史,都有着不同的解读。在古希腊神话中,地震曾被认为是由海神波塞冬引起的。古希腊哲学家亚里士多德则认为,地震是由于有风冲出地下洞穴引起的。
直到19世纪80年代,随着现代地震仪的问世,人类才真正踏上了揭示地震奥秘之路。1906年美国旧金山大地震之后,受到圣安德列斯断层(San Andreas Fault)出现了超过200公里长“伤口”撕裂的启发,美国地质学家里德(H. F. Reid)首次提出了断层突然断裂引发地震的猜想。这个猜想随后得到了证实,并成为现代地震学一个崭新的起点。
到了今天,虽然地震具体机理的很多细节仍然存在着太多的未解之谜,但在现代科学技术的帮助下,已经可以勾勒出一个粗略的图景:
已存在30多亿年、半径约6400公里的地球,其最核心的部分为地核。地核的半径略小于3500公里,温度高达4000摄氏度至6000摄氏度。地核又可细分为内地核和外地核。内地核在地球巨大的压力下,为固体状态;而压力略小的外地核,在高温下表现为液态。
再外一层,则是同样体积巨大的地幔。主要由致密的造岩物质组成的地幔,通常为固态;但在地幔的顶部,却存在着一个岩石高温融化之后形成的软流层,这里被认为是岩浆的发源地。
整个人类文明,乃至所有的动植物,都被承载在最外部平均厚度仅为70多公里的岩石层上。至于土壤,则往往是岩石经亿万年风化剥蚀之后的产物。岩石层也就是地壳的厚度,仅仅相当于整个地球半径的百分之一多一些。如果把地球看成鸡蛋的话,把地壳比喻为蛋壳实在是个非常形象的比喻。
在地幔顶部的软流层中热对流不断推动下,由六大板块构成的地壳也处于不断的移动中。不同板块之间的持续碰撞形成的断层,成为孕育地震最好的温床。
目前,环太平洋地震带和地中海-喜马拉雅地震带,这两个全世界最为活跃的地震带,就是最典型的板间地震带。
这两大地震带分别从中国的东南部以及西南部穿过,在其策动下,中国也成为地震多发国家。不过,与日本、中国台湾等不同,中国的地震带大多属于板内地震,即由同一板块内部的不同构造相互运动形成的。板内地震绝大多数属于浅源地震,即距离地面在70公里之内,所释放的能量经过很短的距离就可以抵达地面,因此对于地面上的物体更为致命。
此次汶川大地震所在的龙门山断裂带,就处于绵延于宁夏到云南之间的一条重要板内地震带——中国南北地震带的中段,是由青藏高原向东滑动挤压四川盆地形成的。
在历史上,长达2000余公里的南北地震带,正是中国最为致命的强地震策源地。有超过半数的8级以上特大地震都发生在这条构造带上,造成20多万人死亡的宁夏海原大地震就是其中之一。
当然,除了构造运动,火山爆发、人为活动以及天体撞击等,也会诱发地震。但无论从数量上还是从破坏性上而言,这些都不是人类面临的最主要威胁。以水利工程为例,迄今为止诱发的最大规模的地震也只有5级左右,释放的能量也仅仅相当于此次汶川大地震的万分之一量级。
入地难于上天
人类地震预测的水平,还大体停留在“看云识天气”的阶段
在宏大的地震构图背后,很多魔鬼样的细节却仍然隐藏在迷雾之中。
比如,位于断层的地层错动导致了地震的发生。但实际上,这种错动包含着多种形式:有些是一个地层相对于另外一个地层突然上抬(逆冲断层),有些是相对于另一个地层下降(正断层),还有些是两个地层之间发生了水平横向滑动(走滑断层)。不同的断层表现形式,包括错动的方向,不仅很大程度上决定了地震对于地面的破坏程度,也影响着余震的走向。
中国地震台网中心首席预报员孙士研究员接受《财经》采访时表示,此次汶川地震,就是因为断层上部突然上移形成的,属于典型的逆冲断层。由于上部结构源于从西南方向滑动而来的青藏高原,因此错动的方向是朝向东北的。这就使得沿震中向东北方向,形成了一个长达200多公里的地震带。位于这个地震带正上方的地区,受害最为惨烈。
同时,他对《财经》记者表示,由于这种类型的地震很难一下子移动到位,还需要一段时间的微调才能彻底释放能量;预计在未来一到两个月内,仍有可能陆续发生多起最高可达6级左右的强余震。
中国对于地震的记录,有着数千年的历史,这对我们确定断层的位置是一笔宝贵的遗产。然而,或许还有更多的未知断层结构,等待着我们去发现。
2005年11月26日,江西九江瑞昌曾发生了5.7级地震。该地区地处郯庐大断裂带的南段,长期以来被认为是一个相对稳定的地区。鉴于这一地区发生地震的可能性微乎其微,有专家甚至建议不必对该地区进行地震监测。这次地震的发生,让中国地震局的专家深感意外,不得不重新去研究当地是否存在新的断层结构。
今年4月,随着投资超过22亿元的中国数字地震观测网络项目正式通过竣工验收,包括北京、天津、西安等在内的20个城市已经初步完成了活断层探测。然而,这也许仍然仅仅是一个起步,因为即使不在大城市周边的活断层,也同样是个巨大的威胁。
同时,鉴于中国已经探明的断裂带众多,即使要对所有仍在活跃的断层进行充分了解,也不是一项容易的工作。
地震对于整个科学界所提出的挑战,远远超越了断层本身。虽然人类早有地震的记录,但真正能够对地震的孕育、发生机理进行比较精细的研究,比如通过卫星定位技术来观测地壳形变程度,还是近20多年的事情。
中国自20世纪50年代中期,才开始建立现代意义上的地震监测网络,至今台网密度仍然大大低于日本、美国以及中国台湾。这就使迄今为止获得的有效观测数据,远不足以揭示在不同环境下、不同时间段以及不同震级下地震具体的孕育机理,遑论具体预测地震爆发的时点。
在悲观者看来,作为一个无比复杂的系统,地震具有典型的不可预测性。任何微小的细节差异,都可能极大地影响最后的结果;而决定细节的,却往往是那些我们不可控或者说不可知的因素。
中国地震局地球物理所研究员陈学忠在接受《财经》记者采访时坦言,最起码就目前而言,虽然有诸多探测仪器的帮助,人类地震预测的水平,还大体停留在“看云识天气”的阶段。
回顾历史,人类对于天气预报的渴望也曾和地震一样强烈。蜀国丞相诸葛亮“借东风”的故事被广为演绎,就最为真切地反映了这种诉求。然而,必须承认的是,人类天气预报水平的大幅度提高,一直到探空火箭、气象卫星等问世之后,才初步得以实现。
遗憾的是,入地比上天要困难得多。包括中国在内,一些国家都在进行地壳钻探试验,不过,中国科学技术大学地球和空间科学学院倪四道教授对《财经》记者表示,这或许有助于我们了解地壳的结构和组成,但距离真正揭开地震的秘密,仍十分遥远。
残酷的错过
南北地震带这条危险的走廊,近些年来一直是中国地震工作者关注的重点
早在1966年,邢台地震之后,时任国务院总理周恩来交给地震工作者一个艰巨的使命:在一代人的时间内解决地震预报问题。或许当时连他本人也没有意识到,这个使命竟然会如此艰难。
1975年2月,辽宁海城大地震预报成功,为中国地震工作者带来了巨大的荣誉。尽管在国际上看来,这次惟一的地震预报成功,是如此地缺乏完善而系统的理论体系支撑,但成功者是不应该被苛责的。
但随后,1976年7月28日,唐山大地震造成24万多人罹难,却使得中国地震预报工作瞬间坠入黑暗。此次汶川特大地震再次被错过之后,网络上不少人甚至愤怒地建议把中国地震局迁建到北川县城的废墟上。
“这次地震之后,搞预报的人很难受,很多人都没了信心。”中国地震局一位不愿透露姓名的专家告诉《财经》记者。
的确,这种宿命式的悲剧,实在是让人难以承受之重。
其实,南北地震带这条危险的走廊,近些年来一直是中国地震工作者关注的重点。业内普遍的看法是,川滇地区的地震危险程度要高于华北地区。
中国地震台网中心首席预报员孙士在接受《财经》记者采访时表示,过去几年中,他们已经注意到未来南北地震带震情的严峻性,并成立了专门的震情跟踪组。据悉,中国地震局对此也进行了长期预测。
2006年第6期的《中国地震》杂志上,成都理工大学的易桂喜等人通过对该地区过去28年的台网资料研究后指出,龙门山断裂带的绵竹-茂县段,由于处于高应力积累背景,从中长期来看属于最容易发现强震的地区;处于该断裂带最北缘的江油-平武段,未来也有发生中强震的可能。不过,该文也给出一个错误的判断,即认为北川段、汶川段仍处于低应力水平下的小震状态,因此中长期发生强震的可能性并不大。
在2007年12月的《四川地震》上,易桂喜再次对于四川以及临近地区发生强震的危险性提出了警告。他提醒说,自2003年大姚地震后, 在四川及邻区强震平静近四年的背景下, 最近两年相继出现的四川地区中等地震活动增强现象,或许预示着四川及邻区在未来不太长时间内,“发生六级以上强震的可能性较大。”
2007年7月17日,《构造》(TECTONICS)杂志上一篇名为“青藏高原东部边缘北川和彭灌断裂带的活动构造”的文章,也明确指出了龙门山断裂带存在的风险。
该论文作者之一、成都理工大学沉积地质研究院教授李勇在接受《财经》记者采访时称,结合现场考察和影像资料分析,他们认为组成龙门山断裂带的三个断裂带——无论是前山断裂带(即茂县-汶川断裂带)、中央断裂带(北川-映秀断裂带)、还是后山断裂带(彭灌断裂带,灌县即现在的都江堰),均已经具备发生大地震的能力,可能给人口稠密的四川盆地造成威胁。
他对《财经》记者解释说,在过去300多年中,龙门山断裂带几乎没发生过大地震,受到关注比较少;但他们的研究却发现,过去几十年这条断裂带已经逐渐进入活跃期,足以形成严重的地震灾害。
也有地震学者根据经验的周期规律,尝试着对该地区地震的可能性进行探索。2002年12月出版的《国际地震动态杂志》上,中国地震局地球物理所研究员陈学忠指出,从2003年开始,就应该警惕四川地区发生7级以上地震的可能性。
他在接受《财经》记者采访时指出,从2001年,他就开始关注四川大地震的周期问题。从1800年至今,四川7级以上地震发生的时间间隔平均为16年,最长也没有超过34年。但自1976年之后,四川省就再也没有发生过7级以上地震;如果这个规律存在,那就意味着爆发时间已经进入了倒计时,即不会迟于2010年。
最终事实证明,在松潘大地震32年之后,四川再遭强震之劫。
不过,陈学忠也向《财经》记者强调,自己的研究,仅仅是一份中长期预测。并不能以此来指责地震局存在漏报,毕竟,临震预报比中长期预测要难上加难。
临震难断
在现有技术条件下,能够准确地做好临震预报,既不虚报又不漏报,几乎是一个不可能的任务
地震发生后,尽管互联网上、社会上有众多传言,但据《财经》记者了解,目前仍没有确凿的证据显示:任何机构和个人在汶川特大地震发生前,明确地向中国地震局传递过临震预报的信息。
中国地震局监测预报司副司长车时在接受中国地震信息网专访时,也强调了这一点。
作家钱钢在《唐山大地震》一书中,描述了原北京地震队耿庆国曾经成功地预测了唐山大地震的细节。有消息称,目前作为中国地球物理学会天灾预测专业委员会研究员的耿庆国,在汶川地震发生之前的4月30日,曾正式给中国地震局发“密件”,并预测四川阿坝地区发生7级以上地震的危险点,在5月8日前后的十天内。
就此,中国地震局有关人士告诉《财经》记者,4月30日的“密件”确有其事,但中间只提到“在一年内(2008.5-2009.4),仍应注意兰州以南,川、甘、青交界附近可能发生6级-7级地震”这一中长期预测。至于5月8日这个临震预报内容,并不包含在“密件”中;这一临震预报是否在天灾预测专业委员会之前的会议上讨论过,他本人也并不知晓。
《财经》记者试图联系耿庆国本人以确认此事,但其电话始终无人接听。
中国地震台网中心首席预报员孙士在接受《财经》记者采访时表示,目前地震短期或者临震预报,仍然属于不得已的经验预报。在既缺乏大量的丰富的地震前兆信息,又缺乏宏观异常的情况下,是不可能做出的。
由于地震孕育过程中存在应力变化,科学家普遍认为,这种变化肯定会通过电磁、水氡含量等微观数据表现出来,即有地震必有前兆。通过设立前兆台网,观测并记录这些异常数据,就可以帮助判断是否应做出临震预报。
目前,中国建立了近300个数字前兆地震台站,可对重力、形变、电磁以及流体等前兆信号进行监测。但孙士告诉《财经》记者,大地震之前应该有大量的前兆观测数据,但此次地震前兆观测信息量非常少,这也给做出判断带来了极大的困难。
实际上,宏观异常也是另外一种前兆,包括地下水、动植物乃至天气的异常变化等。很久以来,人们就注意到大地震发生之前,动物普遍存在异常行为。比如地震出版社1979年出版的《唐山地震》一书,记录了地震工作者对唐山地区及周边48个县进行的调查,共搜集到地下水宏观前兆异常868例,动物宏观前兆异常2093例。在大家熟悉的鸡、猪、鼠、猫、狗、羊、鱼、黄鼠狼等动物异常反应中,鱼的反应最明显,占100%;猪最迟钝,占34%。
《财经》记者在汶川大地震现场,也多次听幸存者提到动物的反常行为。在此次受灾严重的绵竹汉旺镇,一位名叫王华的卡车司机对《财经》记者证实,地震前,当地确实如媒体所报道的那样,发生过大量癞蛤蟆(蟾蜍)涌上公路的情况;地震前一天,他还亲眼目睹了不仅许多癞蛤蟆、连蛇也往公路上窜的场景。
汉旺镇大北岭村村民王张全也对《财经》记者表示,5月12日中午,在地震发生前不久,本来在庄稼地里嬉戏的狗突然围着他们狂吠起来,然后就狂奔而逃。
在青川县关庄镇、广元市元坝区等多个地方,均有幸存者声称,在地震之前数天,许多狗就彻夜长嚎如哭。而就在地震发生前的当天中午,不少原来报晓的公鸡也加入了莫名啼叫的行列。
但迄今为止,由于仍然无法在动物异常行为和地震之间建立持续的、可以信赖的联系。因此,在接受《财经》记者采访时,大部分专家都对仅仅依据这种行为进行预报持谨慎态度。
这或许就意味着,只有具有典型的前兆,甚至前震的地震,才有可能进入临震预报行列。但不幸的是,起码从目前披露的信息来看,汶川大地震并不在此列。
很多专家在接受《财经》记者采访时均表示,在现有技术条件下,能够准确地做好临震预报,既不虚报又不漏报,几乎是一个不可能的任务。
预防重于预测
在整个减灾战略中,最重要的一块,就是确保建筑安全
在上述情况下,强调预报和减灾两条腿走路,就更显必要性。
以美国为例,其地质勘探局(USGS)从未将地震预报纳入自己的工作范畴。除了基础性研究,推动和统筹整个预防性的抗震减灾工作,是其最主要职责。
早在1977年,美国地质勘探局就和美国联邦应急委员会(FEMA)、美国自然基金会(NSF)以及国家标准与技术研究所(NIST)一起,启动了国家地震减灾项目(NEHRP),以确保各个联邦政府部门都能认识到地震灾害的重要性,并在全社会推动抗震减灾意识。所有联邦机构,都必须在两个方面为地震做好准备:第一,如何确保地震发生时自己的机构和员工安全;第二,如何确保地震时仍正常行使其职能。
在整个减灾战略中,最重要的一块,就是确保建筑安全。因为建筑物倒塌,往往是地震致死的最主要因素之一。
为此,从1990年至今,美国地质勘探局每六年都会更新一次全国地震灾害图。在今年最新公布的版本中,就集成了过去六年在地震、地质以及断层、地面震动等领域的最新进展和研究成果。这些信息,不仅供联邦、州政府在进行开发规划、建筑抗震标准执行时参考,也免费向公众提供,以便让公众知晓自己所在地区的地震风险状况。
早在1994年,美国就在《地震活断层划定法案》中,规定建筑物必须远离活断层。同时,美国也会根据建筑物在新的地震中暴露出来的问题,以及日本等国家的经验,及时对现有的建筑抗震规范进行修正,并确保执行。
然而,在中国,虽然早在1957年,中国地震局就制作出了第一份全国地震烈度区划图,2001年发行了第四版(更名为中国地震动峰值加速度区划图),但据《财经》记者了解,普通公众却无法从其官方网站上或者通过其他方式,免费获得这一图表,并方便地了解自己所处地方的地震风险。
按照建设部规定,目前无论何种建筑结构,都必须达到2001年颁布的抗震设计规范。如北京地区的普通民用建筑,必须达到能抗烈度为8度的地震的水平。但是,其执行程度如何是一个未知数。
此次汶川大地震,在一些靠近震中的地方,烈度甚至达到了10度、11度,远远超出了当地6度或者7度的设防标准,因此很难简单地在房屋倒塌和建筑质量低劣之间画等号。然而,一些学校教学楼的垮塌,并导致大量的人身伤亡,仍引起了人们广泛的关注。
迄今为止,中国地震局仍未公布此次地震发生后周边地区详细的烈度分布。目前,对于四川省都江堰市聚源中学所遭遇到的地震烈度,还不得而知。该中学两栋教学楼在地震瞬间的垮塌,已经夺去278名学生的生命,并有11人失踪。
然而,《财经》记者在现场看到,由于距离震中较远,聚源镇的房屋基本没有被震垮;即使在校园外数百米处,一个水厂用红砖砌成的高约十几米的水塔,虽然出现了裂缝,却仍然耸立着。按照常理,同样一个地方,地质条件和遭遇到的地震烈度,应该是基本类似的;出现如此截然不同的结果,不能不让人们既悲且怒。
或许,震区众多中小学校舍垮塌真相如何,仍有待建设部最终的调查结论。但在确保学校公共设施的安全立法方面尽快采取行动,已经时不我待。
1933年3月10日,美国加州长滩曾遭遇6.3级地震,造成230栋学校建筑被毁、损坏或者变成危房。地震发生时因为是凌晨,未有孩子因此伤亡。尽管如此,短短30天后,加州就出台了影响深远的《菲尔德法案》(Field Act),以确保学校建筑的抗震性能。
茫茫前路
采用类似天气预报的做法,对地震预测信息采用“几率为百分之多少”的方式进行公示,这或许可以大大化解政府过分控制信息所导致的责任风险
在地震预报这条漫漫长路上,中国已经跋涉了40多年,现在或许到了一个十字路口。毕竟,就全世界而言,地震预报真正的长期实践者,只有中国一家。日本曾经一度在东京都地区进行过地震预报,后来也停止了。
在这场灾难面前,很多地震工作者内心五味杂陈。但在接受《财经》记者采访时,大部分人都坚持认为,中国仍应把地震预报工作进行到底。
中国地震台网中心首席预报员孙士对《财经》记者强调,中国和美国国情不同,地震高发地区大多分布在农村;仅仅依靠提高设防标准来应对地震灾害,从经济上也很难承担。
中国地震局地球物理所研究员陈学忠也持类似的观点。中国经济实力仍很薄弱,加上人口基数大,仅仅采取被动设防的方式,或许仍难以避免较大的伤亡发生。
而要实现预报上的突破,在他看来,仍然需要依赖于技术上的突破。“在地震发生之前,肯定会有异常。只是我们现在的监测技术还不行,或者说我们的监测思路存在问题。”他对《财经》解释说。
地震预报在走向真正的曙光之前,或许首先要突破一个制度上的死结:如何化解具有科学探索性质的地震预报与行政性质的信息发布之间的内在矛盾。
根据1997年通过的《中华人民共和国防震减灾法》,地震短期预报和临震预报,均应由省、自治区、直辖市人民政府按照国务院规定的程序发布。任何单位或者从事地震工作的专业人员,关于短期地震预测或者临震预测的意见,应当报国务院地震行政主管部门或者县级以上地方人民政府负责管理地震工作的部门或者机构,不得擅自向社会扩散。
在实际操作中,这就意味着“学术正确”与“政治正确”被牢牢捆绑在一起,误报可能产生的成本也被人为放大了。
一位不愿透露姓名的业内资深专家对《财经》记者表示,毕竟地震预报不是一个工程问题或者技术问题,存在着很大的不确定性,有时还要随时间进行调整。
“既然地震预报本质上是个科研工作,就应该以科研的态度去对待。你不可能超越其能力,在准确性上过于苛求,这样反而有些畏手畏脚。”他强调。
清华大学公共管理学院应急管理基地在针对此次汶川地震的政策建议中指出,既然临震预报仍存在相当大的难度,或许可以更加重视发布一定区域的中长期地震预报,以便让社会各方对所在区域未来可能的地震风险及早认知,并自发采取相应的准备举措。
当然,如果能比较准确地做临震预报,也可以考虑采用类似天气预报的做法,对地震预测信息采用“几率为百分之多少”的方式进行公示。这样既可以大大减少防震减灾方面的脆弱性,也可以大大化解政府过分控制信息所导致的责任风险。
毕竟,现有的地震具体机理仍不完全,应允许研究者在适当的范围内大胆试错,甚至在公共媒体上阐述自己的学术观点。比如气候异常和地震之间的关系,比如地震到底是否存在严格的周期性等。或许,这些联系也还是非常肤浅和表面的,但时间终究会还原一切。
除了地震预报和减灾预防,从技术上而言,需要做的还有很多很多。中国科学技术大学地球与空间科学学院倪四道教授对《财经》记者提醒说,对于可能造成巨大破坏的大的地震带,我们仍然还了解得太少,应该集中力量加以研究。
“我们仅仅知道它们的潜在危害,却不知道其规律,这是非常危险的。”他强调。
汶川大地震最终将远去,但没有人知道,中国是否又在进入一个地震活跃期。
从1966年到1976年间,中国曾先后发生过14次7级以上大地震,其中收尾的就是唐山大地震。从2001年11月的新疆昆仑山8.1级大地震之后接近七年的时间内,中国大陆未发生一起7级以上地震。但进入2008年之后,先是3月21日在新疆和田发生了7.3级地震;仅仅两个月之后,汶川8.0级大地震突然爆发。
包括华北在内,到目前仍相对平静,但有识者仍然提醒说,不要忘记当年唐山和今天汶川的教训。或许,“平地里起惊雷”也是强震生态的一种。
倘若如此,在悲痛之后,留给我们真正去反思、去准备的时间,或许并没有想像得那样长久。■