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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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我们离“预测地震”还有多远?   

2013-11-13 11:07:09|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:PanSci

作者:潘昌志

从高中一年级开始就热衷于地球科学,当时正逢九二一地震,最初的梦想是像电影中的科学家有拯救地球的力量。但认识了大自然的威力与奥秘,才知道人类的渺小,进而爱好自然。喜爱自然、爱地球,用科学角度来看关心台湾,用文字推动梦想,因而从事科普文字传播。

10/31花莲一起规模6.3强震,震憾全台,至今仍余震四起,所幸并未造成严重伤亡。人们对于地震灾害,一直总是处于被动的应对,想必不禁会有个疑问:对于地震的预测,我们仍然无能为力吗?在花莲地震过后,有部分媒体报导,在大陆湖北宜昌的民间预测单位,在10月29在微博提出警告,正好提及了"在10月30至11月7日间,在花莲、台东或宜兰其中一个地区,将会发生5.8级至6.5级的地震。",真的是很准的令人"讶异"?(注:大陆方面表示的地震规模以"级"为单位,实际上,芮氏规模为一无单位实数,而在台湾,将"级"仅用于震度分级上,也不会有小数点,为免混淆,在此说明)

这个民间单位在微博上的帐号为"预报中心小号",与一般我们常见的民间预测地震方式不同的地方是,非以人体感应、生物或FM讯号等方式来预测。仔细的看了该中心在微博上的发文,仍经常提到许多地球科学名词,如板块边界、地震带等等,而在地震的预测发文,也经常提及"群震"、"动物异常"、"电离层异常",的确现在在进行地震前兆的研究,这些方式经常拿来被探讨,此外还包括了地下水、地壳变形等监测,因此看起来该中心的方式"很科学"。

【微博帐号:预报中心小号。微博截图于20130103】

不过,再多往前回顾一下其在微博发布的文章,而其预报的频率约为每日一则,然而就USGS美国地质调查所统计资料,全世界每周动辄发生20~ 30甚至更多起规模4.5以上的地震,也就是说,多数的地震都没被"预报"到,而在地震的震源深度,也并未在任何一次的预报中提及,而震源深度的重要性,在于它的致灾程度,若是10/31的地震发生的深度在10公里以内,那么灾害程度与范围势必会大幅增加。

实际上所谓的"实用地震预测",应该包括了时间、地点、规模、深度,以及使用理论的可重覆验证性。以目前的科技与科学发展,要完全做到上述的5点,实在是强人所难。尤其是可重覆验证的理论,等同于我们要理解,从能量的累积到释放,地底下断层面上不同深度位置的岩石性质、摩擦力行为等等,才能够精准的针对短时间尺度提出预测。以下简单的介绍一些目前科学家认为可以作为预测的工具与前兆分析的研究:

大地测量地壳变形

根据野外地质调查与大地测量的纪录,在大地震发生时,地壳会产生变动,而由全球的GPS定位测量结果,知道了世界各地的陆地正不断的移动着。而台湾正处于我们熟知的欧亚板块和菲律宾海板块的边界上,两板块以每年8公分的速率相互靠近,而这些移动累积的地壳变形,就累积在台湾岛与邻近的区域中。然而目前为止,地壳变形仅能作为能量估计。

【大地测量地壳变形_维基共享资源_NASA】

井水含氡量变化

前苏联的科学家,在加尔姆地区发现到水井中的含氡(Radon) 于地震前会增加,亦用以预测地震。而在许多次的大地震前亦有观察到此种现象,而其理论依据,科学家认为是岩石受到强大压力时,岩石内部产生许多小裂隙,而使得岩石更容易接触到地下水,同时吸收了岩石中含有放射性的氡,直到地震发生后,氡的含量才会逐渐下降。

电离层出现异常

近年来科学家也开始注意到,电离层的电子含量会有异常的变化,而要观测这样的变化,由GPS地面接收端记录卫星发射的电波讯号,进一步去反演电离层的电子含量。对于GPS而言,电离层的电子变化会影响定位的精确度,因此必须要先求得电子含量的变化来作修正。以目前的理论来尝试解释,可以说是地壳的变形间接影响到了350公里的高空电离层,但实际上的机制仍未明朗,台湾主要研究此项的学者为中央大学的刘正彦教授,近年来也持续的进行相关研究。

大地震前的异常地震分布

在2011年的311地震发生后,东京大学地震研究所助理教授加藤爱太郎(Aitaro Kato)等人,主震之前的地震活动,发现了一些蜘丝马迹,在主震的破裂区域发现了微震(规模2左右的无感地震)的"迁徒"活动,从2月份时缓慢移动了一次,接着在两天前规模7.9的前震发生之后,又发现了一次迁徒现象,加藤的研究团队认为这有可能是一种前兆讯息,并发表于2012年1月的《科学》期刊。与上述地下水含氡量的机制变化一样,微小的地震代很的是岩石慢速、小规模的破裂,科学家认为可能这就是大的断层破裂之前,累积到极限的变形行为。

【日本311地震震前的"慢滑移"事件,分别在2月份与3月9日之后,微震的分布传播分别以每日5公里与每日20公里的速度向南传播。修改自Kato, et. al., 2012,此图原发布于"小地震,大灾难"文章。】

大地震的再现周期

说到地震的"再现周期",其实有两种定义研究方式,第一种方式较为直觉,就是用地质的方式,以车笼埔断层为例,从对车笼埔的断层开挖研究,地质学家找到了五次的古地震事件记录。分别为西元1999年、西元1650-1520年、西元1270-1160年、西元1060-1030年、西元570-400年、西元240-50年。这些错动的规模都不输921地震产生的错动量,也就是说,我们可以推演未来车笼埔发生大地震可能约在西元2340±90年。(注:因此只能作为长期预测参考)

【二千年以来车笼埔断层古地震发生的时间,以及推估下次大地震发生的时间可能在西元2340±90年。图片来源:地震再现周期分析:简介台湾的古地震研究案例。】

另一种方式则是以数学和物理的模型来解释,经由上述提到的大地测量、地震随时间、另空间上的变化,来估算断层累积了多少能量,甚至可以结合地质上的纪录来进行估算,然而地下构造的复杂,有如大气的混沌性,我们仅能推估概率,还未能完美的验证,以下图为例,日本在311前并未估算到最大会发生到9.0等级的地震,而在中国大陆的汶川地震亦是如此,最直接的原因,就是我们目前累积的地震资料与对地底下的认知还是太少。

【本未来30年内震度概率分布,请注意等值图非线性分布,概率大于30%的部分皆为红色(修改自地震调查推进本部网页公开资料)。原图发布于"小地震,大灾难"】

今天我们该如何看待"地震预报?"

虽然以科学的角度来看,地震预报目前还尚未有突破性的发展,但我们也永远不会放弃地震预测的希望。坊间有许多努力预测地震的民众,以防灾的观点,这是个立意良善的态度,但实际上即使真的有任何可以预测的方式,我们将会面临到与气象预报一模一样,甚至更棘手的问题。

首先是预报与防灾应该怎么结合。即使数值气象预报已应用了数十年,现今的防灾或地方单位还是难以直接利用气象预报的结果,来进行决策;经常听到:"台风放假(不放假)是根据中央气象局提到的资料决定。"但有时天气状况出现误差时,气象局就会受到责难。而就目前能预测地震的手段,误差往往比台风登陆路径或侵袭时间还要大许多;当然我们一定也没办法接受,连续好几天撒离家园附近,结果地震没来的情况,万一发布地区在旅游名胜附近,要是出现误差,当地的商家也会气的跳脚。

另一个例子,就是在2009年L'Aquila附近发生大地震前,当时有一位科学家Giampaolo Giuliani发现地下水氡气含量变化异常的现象(非直接测量氡,而是氡释放出的放射线),提出了大地震的警告。而后,当地也发生了前震,然而官员与国家委托研究的科学家并不认为这是个前兆,并召开了记者会告诉大家不要惊慌,不过在记者会中,官员随着媒体起舞的轻浮的态度,让民众忽视了地震威胁。也因而在2012年底被处6年的徒刑(原求刑4年),虽然地震无法预测,但这个判决其实并非针对无法预测的地震的缺失,而是轻忽灾害威胁的官员,加上与大众和媒体粗劣的发言让民众更加误解导致。

【意大利L'Aquila市政厅,在2009年震灾之后。维基共享资源,用户Insilvis创用Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0授权】

所以,或许我们该思考的,是对这些我们视为"天然灾害"的"自然现象",该用什么态度与灾共生才更加实在。

延伸阅读和参考资料

中时电子报:地震警告大陆民间预测神准!?

台湾西部可能发生多大的地震?郑世楠,科学月刊212期

地震再现周期分析:简介台湾的古地震研究案例

小地震,大灾难

中央气象局地震百问

地震专家因没有看出地震前兆而被求处4年徒刑

地震预测能成真吗?

文中提及311地震前兆研究文献:A. Kato, K. Obara, T. Igarashi, H. Tsuruoka, S. Nakagawa, N. Hirata, Propagation of Slow Slip Leading Up to the 2011 Mw 9.0 Tohoku-Oki Earthquake, Science, vol335, 705(2012)

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本篇文章同时发布在作者部落格"地球故事书"。欢迎大家来看看各种关于地球的故事。

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