地震預測

地震預測（earthquake prediction）是指對地震發生的時間、地點及規模的預測。地震學家目前仍無法可靠地預測地震的確切發生時間，雖然長期Q1632490評估仍具科學參考價值。

## 預測的困難與理論限制

地震預測的困難不僅在於統計驗證上的不足，更深植於對地震破裂過程本身的認識局限。1970年代，地震學界曾樂觀地認為常規地震預測「指日可待」。到了1990年代，這一樂觀情緒已基本消退。1997年蓋勒（Geller）等人在《科學》期刊上發表論文，明確提出「地震不可預測」的論斷，將地震預測形容為「極端困難」。這一論斷引發了1999年《自然》期刊組織的關於「個別地震的可靠預測是否為現實的科學目標」的辯論。

斷層行為的複雜性是預測困難的首要原因。1978年即有研究指出，地震破裂因「斷層面上力學性質的非均質分布」而複雜化。1986年的研究進一步發現，斷層面上的幾何不規則性「對破裂的起始和終止起著主要控制作用」。而斷層的成熟度也顯著影響其行為方式：更成熟的斷層因長期研磨而更光滑平坦，滑動特性有別於新斷層，這些均未在預測方法中體現。

彈性回跳理論作為地震學的基礎概念同樣面臨挑戰（詳見趨勢分析法一節）。一項對滑動分布的模擬發現，其結果「與經典彈性回跳理論的觀點不一致」，這一差異被歸因於理論未能充分考慮斷層的非均勻性。

在更深層次上，一些學者認為地震預測本質上無法實現。基於自組織臨界性（詳見趨勢分析法一節）的觀點認為，地球處於一種臨界狀態，任何小地震都有可能級聯發展為大地震，因此大地震的發生不具備可識別的前兆特徵。基於決策理論的分析也認為「大地震預測在任何實際意義上都不可能」。然而，2021年由多所大學與研究機構組成的團隊在研究張衡一號電磁監測試驗衛星數據後報告稱，在自然時間分析（natural time analysis）的結果面前，基於自組織臨界性認為任何小地震都可能隨時級聯為大地震的論斷並不成立。

### 爭議

人們試圖以各種自然現象預測地震，例如電磁場、天氣狀況、地震雲、土壤或地下水的氡氣或氫氣含量、井水水位及動物行為等。

地震預測迄今仍深具爭議性；一方面是因為資料不足，另一方面則缺乏能證實上述因果聯繫的科學理論。此外，只要做出大量預測，便容易碰巧言中。大部分的預測方法都基於機率模型；由於大地震鮮少發生，其地點與時間又相當集中，目前我們很難鑑定一次「成功」的預測是否只是僥倖而已。

2009年拉奎拉地震發生後，幾位科學家因未能提出足夠警告，依過失殺人罪被判6年徒刑，在歐美科學界引發一片驚慌和撻伐之聲，學者警告這恐造成寒蟬效應。厄爾斯特大學（University of Ulster）地震物理學教授史迪西（Sandy Steacy）認為：「若維持原判，這項判決將對義大利和全歐洲的地震科學造成寒蟬效應。」科學工作者關懷聯盟（UCS）學者郝普恩（Michael Halpern）認為：「這項決定荒謬又危險，美國官員應該非難它，義大利總統喬治奧·納波利塔諾（Giorgio Napolitano）應該推翻這個決定。」英國地質調查所（BGS）的穆森（Roger Musson）說：「這6名科學家說的是正確的，任何地震學家都會支持他們的說法。他們盡力提供科學的建議卻被判刑，這是錯的。」

在科學評估層面，地震預測面臨嚴格的統計考驗。國際地震學與地球內部物理學協會（IASPEI）在1990年代對前兆方法進行系統評估，收到40項被提名為重要前兆的報告，最終僅選出5項，其中2項僅依據單一觀測事件。2011年，國際地震預測民防委員會（ICEF）在對現有前兆方法進行全面審查後得出結論，認為「現有方法的改進空間仍相當大」，且目前尚無任何前兆方法通過驗證可供業務性應用。自1966年以來已有125份報告記錄到86次地震前的水氡濃度變化，但ICEF並未發現顯著的相關性。沃伊特（Woith）等學者於2018年對逾130個物種的動物行為研究進行系統性回顧，結論認為現有證據「不足以支持動物能在地震前數小時、數天或數週作出預測」的說法。

<image>

## 基於前兆的預測方法

### 電磁波異常

#### 電離層密度異常

地球上空50公里到數千公里間，有天然生成的游離電子離子聚集籠罩，被稱為「電離層」。板塊擠壓、碰撞等過程會改變地底結構和電磁環境，並於斷層帶和震央附近以聲、光、化、電等不同能量形式在震前釋放。可經由電離層探測儀發射一系列掃頻高頻電波，探測電離層下半層電子濃度隨高度分布的數據。

1999年，臺灣首次意外記錄到9 月17、18、20 日，也就是921大地震的前四、三、一天，下午時段的電離層F2層峰電子濃度顯著異常減少。在福爾摩沙三號的觀測與研究中發現，在地震發生前一到五天，震央上空的電離層密度常會突然變得稀薄，汶川大地震前一至五天，電離層平均密度突然明顯下降了一半。比對過去人造衛星福爾摩沙三號觀測到的資料，發現至少有超過七成，規模五以上的地震在發生前，震央上空的電離層都曾經發生突然變稀薄的情形。

#### Demeter微型衛星

Demeter（希臘神話的女神得墨忒耳）為地震區電磁放射偵測（英文："Detection of Electro-Magnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions"）的縮寫。Demeter衛星由法國國家太空研究中心建造，目前已觀察到某類低頻電磁活動與地震活躍帶的關係，並在2004年9月5日日本東海地方發生面波震級7.1地震前一週觀察到明顯的電離層活動及溫度變化。

#### VAN方法

VAN方法是由希臘學者瓦洛佐斯（Panayiotis Varotsos）、阿列克索普洛斯（Kessar Alexopoulos）和諾米科斯（Konstantine Nomicos）於1980年代提出的一套地震預測技術，名稱取自三人姓氏首字母。該方法使用埋於地下的金屬棒探測地震電信號（Seismic Electric Signals，SES），支持者聲稱能預測規模5以上地震，震央誤差在100公里以內，規模誤差在0.7以內，預測時窗為2至11天。詹姆士·萊特希爾爵士（Sir James Lighthill）曾對此方法進行嚴格評審，日本地震學界亦對其產生了一定關注。

ICEF於2011年對VAN方法進行全面評估，認定其存在地球物理上的合理性疑問、易受人工電磁信號干擾，以及方法論本身的缺陷，未通過科學驗證。此外，1989年洛馬普列塔地震前，科雷利托斯站（Corralitos，加州）記錄到的超低頻磁場異常曾被部分研究者視為地震前兆，但後來的調查顯示，該異常可能源於儀器故障或與地震無關的干擾源。

### 膨脹擴散假說

1973年，肖爾茲（Scholz）、賽克斯（Sykes）和阿加瓦爾（Aggarwal）提出膨脹擴散假說（dilatancy-diffusion hypothesis），是1970年代最受重視的地震前兆理論之一。該假說認為，岩石在臨近破裂前會因應力增大而略微膨脹，孔隙體積擴大，隨後地下水（孔隙流體）滲入填充，由此引發一系列可觀測的前驅現象：縱波（P波）與橫波（S波）速度比（Vp/Vs）先下降後恢復、氡氣釋放量增加、地表輕微隆起，以及地震活動性的週期性變化。

1973年，阿加瓦爾等人在紐約藍山湖（Blue Mountain Lake）附近的地震序列中，觀測到與假說預測吻合的Vp/Vs比值異常，並對後續地震作出非正式預測；1974年加州里弗賽德（Riverside）地震前也有類似記錄，使該假說在當時頗受矚目。然而，麥克維利（McEvilly）和強森（Johnson）以採石場爆破為基準的研究發現，地震波速度並無一致性變化，指出早期「成功」可能源於對資料的回顧性篩選偏誤。1976年，依據此假說對洛杉磯附近規模5.5至6.5地震所作的預測宣告落空。大約自1980年起，有關顯著Vp/Vs速度異常的報告幾乎銷聲匿跡；膨脹擴散假說作為業務性地震預測工具的可行性，基本上已被學界放棄。

### Freund物理學

美國NASA科學家弗里德曼·弗洛因德（Friedemann Freund）提出，當岩石承受強大應力時，其中嵌入的水分子會發生解離，釋放攜帶正電荷的「正孔」（p-hole，即正電荷載子）。這些正孔沿斷層以約200公尺/秒的速度傳播，並在地表及電離層引發一系列可觀測現象，包括：電磁輻射與地震光（earthquake lights）、電離層D層和F層的電漿擾動（可能在淺源地震前數天出現），以及衛星觀測到的地表紅外熱異常（面積可達500×500平方公里）。弗洛因德引用2001年印度古吉拉特邦（Gujarat）地震前衛星熱影像為例，並指出此類異常並非真正的溫度升高，而是正孔「量子激發」的效應。

然而，主流地震學界對此假說持保留態度，主要基於三點理由：第一，大地震前應力的積累並不如假說所設想的那般急遽集中；第二，儘管廣泛搜尋，迄今尚未發現統計上可靠的電性前兆；第三，地殼中的孔隙水分會在電流抵達地表前將其耗散吸收。2017年，《地球物理研究期刊》（Journal of Geophysical Research）刊載的一項研究表明，一旦從統計分析中移除太陽天氣數據，電離層異常與地震之間的相關性便告消失，說明先前觀測到的相關性可能源於太陽活動的干擾，而非地震前兆。

### 水氡異常

指地下水中氡氣含量的突然大幅度增加或減少。在多次大地震前已觀測到這種現象，其原因可能是地應力的變化使岩石釋放出一定量的氡氣，從而導致地下水中氡氣含量的變化。

### 地震活動型態的改變

#### 前震

發生在相近時間或空間上的一連串地震，依照發生次序可分為前震、主震和餘震，難以判別主震的地震序列稱之為群震。不同型態的地震序列是由於地殼非均質所引起許多大地震在來臨前，斷層破裂區域的地震活動會明顯的增加，最著名的案例為1975年的海城地震。

### 動物行為

根據民間傳說，一些動物能預知地震來臨，特別是貓、狗、雞、馬及其他小型動物；大型動物對此則較不敏感。

也有人主張動物的異常行為源於低頻電磁輻射信號。科羅拉多大學的學者證實石英岩斷裂時能藉壓電效應產生電磁活動。這類活動可於震前在斷層線上發生。根據最近的研究，電磁感應器能在統計學的意義上有效預測地震

中國曾有系統地研究了動物的異常表現，並在1974年12月預測隔年二月發生的海城地震；然而該次預測主要是依靠一系列的強烈前震。關於動物行為的報導通常模稜兩可；目前還無法證明動物能預知地震，即使動物能感知P波，但地震儀對此更敏感。

## 趨勢分析法

### 彈性回跳與特徵地震

1910年，里德（Harry Fielding Reid）根據1906年舊金山大地震的地質觀測提出彈性回跳理論（elastic rebound theory）：構造應力在斷層兩側岩石中緩慢積累，直至超過岩石承受極限，斷層發生錯動（即地震），岩石隨即向應力較低的方向彈回，以地震波的形式釋放積累的能量。各次地震的位移量從不足1公尺（小震）到約10公尺（規模8的大震）不等。這一理論為地震週期性重複的概念提供了基本框架。

在此基礎上，施瓦茨（Schwartz）和科珀史密斯（Coppersmith）於1984年提出特徵地震模型（characteristic earthquake model）：特定斷層段落只發生規模相近、重現週期大致固定的「特徵地震」，由此為長期地震預測提供了理論依據。帕克菲爾德地震預測實驗即以此模型為基礎（詳見下文）。然而，2004年帕克菲爾德M6.0地震的實際發生時間比預測晚了逾十年，有力地動搖了準週期性假設。傑克遜（Jackson）和卡岡（Kagan）亦對特徵地震模型提出嚴厲的統計批評，指出震級與重現週期在現實中存在過大的變異性。1997年後，物理學家提出的自組織臨界性（self-organized criticality，SOC）模型正逐漸取代彈性回跳理論，成為描述地震系統行為的主流框架。

### 地震空區

地震空區模型（seismic gap model）由麥肯（McCann）等學者於1979年提出，基本思想為：板塊邊界中長期缺乏大震活動的「空缺」段落，因應變能積累尚未釋放而具有較高的大震潛力，理應是「下一次大地震」的優先候選區。這一模型在1980至1990年代廣泛應用於環太平洋地區的長期地震危害評估。

然而，後續統計學評估令人失望。卡岡和傑克遜（Kagan & Jackson）1991年的研究表明，地震空區模型的預測表現並不優於基於歷史地震率的隨機基準；對環太平洋地震空區的系統性前瞻檢驗顯示，該模型「未能有效預測大地震」，部分被識別為高風險的空區隨後並未如期發生大震，而大地震卻常在「非空區」位置出現。

### M8演算法與加速矩釋放

俄裔美國地球物理學家弗拉迪米爾·凱利斯-波洛克（Vladimir Keilis-Borok，加州大學洛杉磯分校）開發了M8演算法，以歷史地震目錄中的統計模式識別未來大震的潛在區域。與此相關的加速矩釋放（Accelerating Moment Release，AMR）模型（鮑曼等，Bowman et al., 1998）認為，主震前的前震活動呈指數級增加，可藉此識別出系統正趨近「臨界狀態」，進而對大震作出預測。

M8演算法在實際檢驗中表現不佳：在約20次預測警報中，僅有2次勉強符合「命中」標準，其中一次在統計上的隨機命中機率高達60%，效能「與按歷史地震率隨機猜測的方法無顯著差別」。哈德貝克（Hardebeck）等學者於2008年的嚴格統計測試表明，AMR所呈現的加速趨勢很可能是資料擬合方法和地震叢集效應造成的統計假象，而非真實的物理前兆信號。

### 機器學習

近年來，機器學習方法被引入地震預測研究。盧埃特-萊杜克（Rouet-Leduc）等人於2019年以隨機森林回歸模型分析斷層帶的聲學時間序列，識別出「能量在突然釋放前持續累積的排放信號」，並提出此方法或可在不依賴歷史大地震資料的情況下應用於未知斷層。德弗里斯（DeVries）等人於2018年採用神經網路（TensorFlow/Theano）預測餘震的空間分布，其精度超越了傳統的庫侖破壞應力方法。米尼昂（Mignan）和布羅卡爾多（Broccardo）於2019年系統性回顧機器學習在地震預測中的應用後指出，較為簡單的模型可達到與複雜神經網路相當的效果，建議採用可解釋性較高的透明模型。這一領域面臨的根本挑戰在於：破壞性大地震極為罕見，可用於訓練和驗證模型的樣本量十分有限。

## 案例

### 中國

中國地震預測主要是基於震前的異常事件，例如地下水位、動物行為或前震等等。有報導與學者統計自1975年2月4日中國地震學家曾成功預報了遼寧省海城大地震起，中國地震學家根據統計學與臨震異常共預測成功並發布了短期、臨震預報的地震共有28次。包括了1990年9月22日北京小湯山4級地震、1994年2月16日青海共和5.8級地震、1995年7月12日雲南孟連7.3級地震、1997年4月6日新疆伽師6.3級、6.4級地震、2003年雲南大姚7月21日6.2級地震、10月16日6.1級地震、2003年10月25日甘肅民樂6.1級地震等。

但是1976年7月28日唐山大地震事前雖有中長期趨勢判斷，但並無短期、臨震預報。造成當次地震242,769到655,237人死亡以及164,851人重傷；2008年5月12日的汶川大地震，同樣也無短震、臨震預報，最終造成69,227到300,000人死亡，374,643人受傷，17,923人失蹤。

### 布雷迪-史賓斯秘魯預測

美國礦業局（U.S. Bureau of Mines）物理學家布萊恩·布雷迪（Brian Brady）與地震學家史賓斯（W. Spence）預測秘魯利馬附近將發生規模9.2±0.2的巨大地震，並在數年間反復修改預測日期，最終將時窗定於1981年。美國國家地震預測評估委員會（NEPEC）對此進行評審後，正式否定該預測，認為其科學依據不充分。布雷迪在1981年7月主動撤回預測，此後秘魯海岸並無大震發生。布雷迪-史賓斯案是科學史上最受矚目的早期失敗預測之一，成為後來評估地震預測科學性的重要參照案例。

### 帕克菲爾德實驗

加州Q7138466段落在歷史上有記錄的地震為：1857年、1881年、1901年、1922年、1934年和1966年，推算平均重現週期約為21.9年（標準差±3.1年）。1985年，巴昆（W. H. Bakun）和林德（A. G. Lindh）據此預測：帕克菲爾德段落最可能在1988年前後（以95%置信度估計最遲在1993年以前）發生規模6.0的特徵地震。美國地質調查局（USGS）與加州當局隨即在該段落布設了「世界上最精密稠密的地震監測網路之一」，期待捕捉預測中的前兆信號並驗證特徵地震模型。

然而，預測中的地震直到2004年9月28日才發生——比最晚預期時間晚了逾十年。這次M6.0地震的大幅延遲，有力地動搖了準週期性假設與特徵地震模型。儘管預測本身宣告失敗，帕克菲爾德積累的長期密集觀測資料在地震學研究中仍具重要價值。

### 布朗寧新馬德里預測

氣候顧問伊本·布朗寧（Iben Browning）並無地質學背景，卻於1990年預言美國Q3575947（Missouri及周邊地區）將在1990年12月3日前後發生大地震。美國地質調查局特設工作組（AHWG）對此進行評估，正式認定布朗寧的預測缺乏科學依據。儘管如此，相關報道在媒體廣泛傳播後引發了當地民眾的高度恐慌，大批學校停課、商家停業。12月3日如期而至，卻未發生任何顯著地震活動。此案常被引用為研究地震預測資訊傳播與媒體放大效應的典型案例。

### 凱利斯-波洛克預測

除上述案例外，凱利斯-波洛克（Keilis-Borok）團隊利用M8演算法對美國南加州作出多次預測：2003年預測南加州將在2004年9月5日前發生規模6.4以上地震，加州地震預報評估委員會（CEPEC）向州政府報告指出，「預測並不可靠，而且涉及的地域廣大（12,400平方哩），所以這些結果不能作為加州採取特殊手段的正當理由」。預測時窗內並無符合條件的地震發生。2004年同一團隊又預測在2005年8月14日前發生大震，結果同樣落空。

### 美國

2004年初，洛杉磯加利福尼亞大學由弗拉迪米爾·波洛克帶領的一群科學家預言南加州九月將有一場與2003年San Simeo地震規模相當的地震，機率是百分之五十。

到了2004年4月，加州地震預報評估委員會（CEPEC）向州政府報告「預測並不可靠，而且涉及的地域廣大（12,400平方哩），所以這些結果不能作為加州採取特殊手段的正當理由。」結果在預報的時間窗口內並無明顯地震。

### 義大利

2009年拉奎拉地震發生前一個月，一位名叫賈寶洛的實驗室技術人員，根據地面增加的放射性氡氣排放量，研判會有大地震發生。結果他被Q206936指控危言聳聽，還被移送警方偵辦，罪名是製造民眾恐慌。而就在賈寶洛被移送的同時，官方的專家在拉奎拉召開會議，大量接受媒體訪問，保證說不會發生地震。官方的地震測報中心官員後來遭到民眾指控提供不正確的資訊，7名科學家被依過失殺人罪名、求處4年徒刑。

## 地震預警

地震預警比地震預測更為可靠，其原理是偵測傳播速度較快的初波（P波）。P波在地殼中的傳播速度快於破壞性的次波（S波）和Q2351144等，可在主要破壞性震動到達前提供數秒至數十秒（遠距離或深層大地震時間更長）的預警。QuakeGuard™系統即利用此技術自動作出反應，以減少人員傷亡和財產損失。加州大學柏克萊分校的理察·艾倫（Richard Allen）在《自然》期刊發表研究，聲稱可在地震發生後的最初數秒內，利用地震儀記錄預測地震規模，但此結果尚未獲其他學者驗證；若獲確認，將大幅提升地震預警的效能。