地震预测

地震预测（earthquake prediction）是指对地震发生的时间、地点及规模的预测。地震学家目前仍无法可靠地预测地震的确切发生时间，虽然长期Q1632490评估仍具科学参考价值。

## 预测的困难与理论限制

地震预测的困难不仅在于统计验证上的不足，更深植于对地震破裂过程本身的认识局限。1970年代，地震学界曾乐观地认为常规地震预测“指日可待”。到了1990年代，这一乐观情绪已基本消退。1997年盖勒（Geller）等人在《科学》期刊上发表论文，明确提出“地震不可预测”的论断，将地震预测形容为“极端困难”。这一论断引发了1999年《自然》期刊组织的关于“个别地震的可靠预测是否为现实的科学目标”的辩论。

断层行为的复杂性是预测困难的首要原因。1978年即有研究指出，地震破裂因“断层面上力学性质的非均质分布”而复杂化。1986年的研究进一步发现，断层面上的几何不规则性“对破裂的起始和终止起著主要控制作用”。而断层的成熟度也显著影响其行为方式：更成熟的断层因长期研磨而更光滑平坦，滑动特性有别于新断层，这些均未在预测方法中体现。

弹性回跳理论作为地震学的基础概念同样面临挑战（详见趋势分析法一节）。一项对滑动分布的模拟发现，其结果“与经典弹性回跳理论的观点不一致”，这一差异被归因于理论未能充分考虑断层的非均匀性。

在更深层次上，一些学者认为地震预测本质上无法实现。基于自组织临界性（详见趋势分析法一节）的观点认为，地球处于一种临界状态，任何小地震都有可能级联发展为大地震，因此大地震的发生不具备可识别的前兆特征。基于决策理论的分析也认为“大地震预测在任何实际意义上都不可能”。然而，2021年由多所大学与研究机构组成的团队在研究张衡一号电磁监测试验卫星数据后报告称，在自然时间分析（natural time analysis）的结果面前，基于自组织临界性认为任何小地震都可能随时级联为大地震的论断并不成立。

### 争议

人们试图以各种自然现象预测地震，例如电磁场、天气状况、地震云、土壤或地下水的氡气或氢气含量、井水水位及动物行为等。

地震预测迄今仍深具争议性；一方面是因为资料不足，另一方面则缺乏能证实上述因果联系的科学理论。此外，只要做出大量预测，便容易碰巧言中。大部分的预测方法都基于几率模型；由于大地震鲜少发生，其地点与时间又相当集中，目前我们很难鉴定一次“成功”的预测是否只是侥幸而已。

2009年拉奎拉地震发生后，几位科学家因未能提出足够警告，依过失杀人罪被判6年徒刑，在欧美科学界引发一片惊慌和挞伐之声，学者警告这恐造成寒蝉效应。厄尔斯特大学（University of Ulster）地震物理学教授史迪西（Sandy Steacy）认为：“若维持原判，这项判决将对意大利和全欧洲的地震科学造成寒蝉效应。”科学工作者关怀联盟（UCS）学者郝普恩（Michael Halpern）认为：“这项决定荒谬又危险，美国官员应该非难它，意大利总统乔治奥·纳波利塔诺（Giorgio Napolitano）应该推翻这个决定。”英国地质调查所（BGS）的穆森（Roger Musson）说：“这6名科学家说的是正确的，任何地震学家都会支持他们的说法。他们尽力提供科学的建议却被判刑，这是错的。”

在科学评估层面，地震预测面临严格的统计考验。国际地震学与地球内部物理学协会（IASPEI）在1990年代对前兆方法进行系统评估，收到40项被提名为重要前兆的报告，最终仅选出5项，其中2项仅依据单一观测事件。2011年，国际地震预测民防委员会（ICEF）在对现有前兆方法进行全面审查后得出结论，认为“现有方法的改进空间仍相当大”，且目前尚无任何前兆方法通过验证可供业务性应用。自1966年以来已有125份报告记录到86次地震前的水氡浓度变化，但ICEF并未发现显著的相关性。沃伊特（Woith）等学者于2018年对逾130个物种的动物行为研究进行系统性回顾，结论认为现有证据“不足以支持动物能在地震前数小时、数天或数周作出预测”的说法。

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## 基于前兆的预测方法

### 电磁波异常

#### 电离层密度异常

地球上空50公里到数千公里间，有天然生成的游离电子离子聚集笼罩，被称为“电离层”。板块挤压、碰撞等过程会改变地底结构和电磁环境，并于断层带和震央附近以声、光、化、电等不同能量形式在震前释放。可经由电离层探测仪发射一系列扫频高频电波，探测电离层下半层电子浓度随高度分布的数据。

1999年，台湾首次意外记录到9 月17、18、20 日，也就是921大地震的前四、三、一天，下午时段的电离层F2层峰电子浓度显著异常减少。在福尔摩沙三号的观测与研究中发现，在地震发生前一到五天，震央上空的电离层密度常会突然变得稀薄，汶川大地震前一至五天，电离层平均密度突然明显下降了一半。比对过去人造卫星福尔摩沙三号观测到的资料，发现至少有超过七成，规模五以上的地震在发生前，震央上空的电离层都曾经发生突然变稀薄的情形。

#### Demeter微型卫星

Demeter（希腊神话的女神得墨忒耳）为地震区电磁放射侦测（英文："Detection of Electro-Magnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions"）的缩写。Demeter卫星由法国国家太空研究中心建造，目前已观察到某类低频电磁活动与地震活跃带的关系，并在2004年9月5日日本东海地方发生面波震级7.1地震前一周观察到明显的电离层活动及温度变化。

#### VAN方法

VAN方法是由希腊学者瓦洛佐斯（Panayiotis Varotsos）、阿列克索普洛斯（Kessar Alexopoulos）和诺米科斯（Konstantine Nomicos）于1980年代提出的一套地震预测技术，名称取自三人姓氏首字母。该方法使用埋于地下的金属棒探测地震电信号（Seismic Electric Signals，SES），支持者声称能预测规模5以上地震，震央误差在100公里以内，规模误差在0.7以内，预测时窗为2至11天。詹姆士·莱特希尔爵士（Sir James Lighthill）曾对此方法进行严格评审，日本地震学界亦对其产生了一定关注。

ICEF于2011年对VAN方法进行全面评估，认定其存在地球物理上的合理性疑问、易受人工电磁信号干扰，以及方法论本身的缺陷，未通过科学验证。此外，1989年洛马普列塔地震前，科雷利托斯站（Corralitos，加州）记录到的超低频磁场异常曾被部分研究者视为地震前兆，但后来的调查显示，该异常可能源于仪器故障或与地震无关的干扰源。

### 膨胀扩散假说

1973年，肖尔兹（Scholz）、赛克斯（Sykes）和阿加瓦尔（Aggarwal）提出膨胀扩散假说（dilatancy-diffusion hypothesis），是1970年代最受重视的地震前兆理论之一。该假说认为，岩石在临近破裂前会因应力增大而略微膨胀，孔隙体积扩大，随后地下水（孔隙流体）渗入填充，由此引发一系列可观测的前驱现象：纵波（P波）与横波（S波）速度比（Vp/Vs）先下降后恢复、氡气释放量增加、地表轻微隆起，以及地震活动性的周期性变化。

1973年，阿加瓦尔等人在纽约蓝山湖（Blue Mountain Lake）附近的地震序列中，观测到与假说预测吻合的Vp/Vs比值异常，并对后续地震作出非正式预测；1974年加州里弗赛德（Riverside）地震前也有类似记录，使该假说在当时颇受瞩目。然而，麦克维利（McEvilly）和强森（Johnson）以采石场爆破为基准的研究发现，地震波速度并无一致性变化，指出早期“成功”可能源于对资料的回顾性筛选偏误。1976年，依据此假说对洛杉矶附近规模5.5至6.5地震所作的预测宣告落空。大约自1980年起，有关显著Vp/Vs速度异常的报告几乎销声匿迹；膨胀扩散假说作为业务性地震预测工具的可行性，基本上已被学界放弃。

### Freund物理学

美国NASA科学家弗里德曼·弗洛因德（Friedemann Freund）提出，当岩石承受强大应力时，其中嵌入的水分子会发生解离，释放携带正电荷的“正孔”（p-hole，即正电荷载子）。这些正孔沿断层以约200米/秒的速度传播，并在地表及电离层引发一系列可观测现象，包括：电磁辐射与地震光（earthquake lights）、电离层D层和F层的电浆扰动（可能在浅源地震前数天出现），以及卫星观测到的地表红外热异常（面积可达500×500平方公里）。弗洛因德引用2001年印度古吉拉特邦（Gujarat）地震前卫星热影像为例，并指出此类异常并非真正的温度升高，而是正孔“量子激发”的效应。

然而，主流地震学界对此假说持保留态度，主要基于三点理由：第一，大地震前应力的积累并不如假说所设想的那般急遽集中；第二，尽管广泛搜寻，迄今尚未发现统计上可靠的电性前兆；第三，地壳中的孔隙水分会在电流抵达地表前将其耗散吸收。2017年，《地球物理研究期刊》（Journal of Geophysical Research）刊载的一项研究表明，一旦从统计分析中移除太阳天气数据，电离层异常与地震之间的相关性便告消失，说明先前观测到的相关性可能源于太阳活动的干扰，而非地震前兆。

### 水氡异常

指地下水中氡气含量的突然大幅度增加或减少。在多次大地震前已观测到这种现象，其原因可能是地应力的变化使岩石释放出一定量的氡气，从而导致地下水中氡气含量的变化。

### 地震活动型态的改变

#### 前震

发生在相近时间或空间上的一连串地震，依照发生次序可分为前震、主震和余震，难以判别主震的地震序列称之为群震。不同型态的地震序列是由于地壳非均质所引起许多大地震在来临前，断层破裂区域的地震活动会明显的增加，最著名的案例为1975年的海城地震。

### 动物行为

根据民间传说，一些动物能预知地震来临，特别是猫、狗、鸡、马及其他小型动物；大型动物对此则较不敏感。

也有人主张动物的异常行为源于低频电磁辐射信号。科罗拉多大学的学者证实石英岩断裂时能藉压电效应产生电磁活动。这类活动可于震前在断层线上发生。根据最近的研究，电磁感应器能在统计学的意义上有效预测地震

中国曾有系统地研究了动物的异常表现，并在1974年12月预测隔年二月发生的海城地震；然而该次预测主要是依靠一系列的强烈前震。关于动物行为的报导通常模棱两可；目前还无法证明动物能预知地震，即使动物能感知P波，但地震仪对此更敏感。

## 趋势分析法

### 弹性回跳与特征地震

1910年，里德（Harry Fielding Reid）根据1906年旧金山大地震的地质观测提出弹性回跳理论（elastic rebound theory）：构造应力在断层两侧岩石中缓慢积累，直至超过岩石承受极限，断层发生错动（即地震），岩石随即向应力较低的方向弹回，以地震波的形式释放积累的能量。各次地震的位移量从不足1米（小震）到约10米（规模8的大震）不等。这一理论为地震周期性重复的概念提供了基本框架。

在此基础上，施瓦茨（Schwartz）和科珀史密斯（Coppersmith）于1984年提出特征地震模型（characteristic earthquake model）：特定断层段落只发生规模相近、重现周期大致固定的“特征地震”，由此为长期地震预测提供了理论依据。帕克菲尔德地震预测实验即以此模型为基础（详见下文）。然而，2004年帕克菲尔德M6.0地震的实际发生时间比预测晚了逾十年，有力地动摇了准周期性假设。杰克逊（Jackson）和卡冈（Kagan）亦对特征地震模型提出严厉的统计批评，指出震级与重现周期在现实中存在过大的变异性。1997年后，物理学家提出的自组织临界性（self-organized criticality，SOC）模型正逐渐取代弹性回跳理论，成为描述地震系统行为的主流框架。

### 地震空区

地震空区模型（seismic gap model）由麦肯（McCann）等学者于1979年提出，基本思想为：板块边界中长期缺乏大震活动的“空缺”段落，因应变能积累尚未释放而具有较高的大震潜力，理应是“下一次大地震”的优先候选区。这一模型在1980至1990年代广泛应用于环太平洋地区的长期地震危害评估。

然而，后续统计学评估令人失望。卡冈和杰克逊（Kagan & Jackson）1991年的研究表明，地震空区模型的预测表现并不优于基于历史地震率的随机基准；对环太平洋地震空区的系统性前瞻检验显示，该模型“未能有效预测大地震”，部分被识别为高风险的空区随后并未如期发生大震，而大地震却常在“非空区”位置出现。

### M8算法与加速矩释放

俄裔美国地球物理学家弗拉迪米尔·凯利斯-波洛克（Vladimir Keilis-Borok，加州大学洛杉矶分校）开发了M8算法，以历史地震目录中的统计模式识别未来大震的潜在区域。与此相关的加速矩释放（Accelerating Moment Release，AMR）模型（鲍曼等，Bowman et al., 1998）认为，主震前的前震活动呈指数级增加，可借此识别出系统正趋近“临界状态”，进而对大震作出预测。

M8算法在实际检验中表现不佳：在约20次预测警报中，仅有2次勉强符合“命中”标准，其中一次在统计上的随机命中概率高达60%，效能“与按历史地震率随机猜测的方法无显著差别”。哈德贝克（Hardebeck）等学者于2008年的严格统计测试表明，AMR所呈现的加速趋势很可能是资料拟合方法和地震丛集效应造成的统计假象，而非真实的物理前兆信号。

### 机器学习

近年来，机器学习方法被引入地震预测研究。卢埃特-莱杜克（Rouet-Leduc）等人于2019年以随机森林回归模型分析断层带的声学时间序列，识别出“能量在突然释放前持续累积的排放信号”，并提出此方法或可在不依赖历史大地震资料的情况下应用于未知断层。德弗里斯（DeVries）等人于2018年采用神经网络（TensorFlow/Theano）预测余震的空间分布，其精度超越了传统的库仑破坏应力方法。米尼昂（Mignan）和布罗卡尔多（Broccardo）于2019年系统性回顾机器学习在地震预测中的应用后指出，较为简单的模型可达到与复杂神经网络相当的效果，建议采用可解释性较高的透明模型。这一领域面临的根本挑战在于：破坏性大地震极为罕见，可用于训练和验证模型的样本量十分有限。

## 案例

### 中国

中国地震预测主要是基于震前的异常事件，例如地下水位、动物行为或前震等等。有报道与学者统计自1975年2月4日中国地震学家曾成功预报了辽宁省海城大地震起，中国地震学家根据统计学与临震异常共预测成功并发布了短期、临震预报的地震共有28次。包括了1990年9月22日北京小汤山4级地震、1994年2月16日青海共和5.8级地震、1995年7月12日云南孟连7.3级地震、1997年4月6日新疆伽师6.3级、6.4级地震、2003年云南大姚7月21日6.2级地震、10月16日6.1级地震、2003年10月25日甘肃民乐6.1级地震等。

但是1976年7月28日唐山大地震事前虽有中长期趋势判断，但并无短期、临震预报。造成当次地震242,769到655,237人死亡以及164,851人重伤；2008年5月12日的汶川大地震，同样也无短震、临震预报，最终造成69,227到300,000人死亡，374,643人受伤，17,923人失踪。

### 布雷迪-史宾斯秘鲁预测

美国矿业局（U.S. Bureau of Mines）物理学家布莱恩·布雷迪（Brian Brady）与地震学家史宾斯（W. Spence）预测秘鲁利马附近将发生规模9.2±0.2的巨大地震，并在数年间反复修改预测日期，最终将时窗定于1981年。美国国家地震预测评估委员会（NEPEC）对此进行评审后，正式否定该预测，认为其科学依据不充分。布雷迪在1981年7月主动撤回预测，此后秘鲁海岸并无大震发生。布雷迪-史宾斯案是科学史上最受瞩目的早期失败预测之一，成为后来评估地震预测科学性的重要参照案例。

### 帕克菲尔德实验

加州Q7138466段落在历史上有记录的地震为：1857年、1881年、1901年、1922年、1934年和1966年，推算平均重现周期约为21.9年（标准差±3.1年）。1985年，巴昆（W. H. Bakun）和林德（A. G. Lindh）据此预测：帕克菲尔德段落最可能在1988年前后（以95%置信度估计最迟在1993年以前）发生规模6.0的特征地震。美国地质调查局（USGS）与加州当局随即在该段落布设了“世界上最精密稠密的地震监测网络之一”，期待捕捉预测中的前兆信号并验证特征地震模型。

然而，预测中的地震直到2004年9月28日才发生——比最晚预期时间晚了逾十年。这次M6.0地震的大幅延迟，有力地动摇了准周期性假设与特征地震模型。尽管预测本身宣告失败，帕克菲尔德积累的长期密集观测资料在地震学研究中仍具重要价值。

### 布朗宁新马德里预测

气候顾问伊本·布朗宁（Iben Browning）并无地质学背景，却于1990年预言美国Q3575947（Missouri及周边地区）将在1990年12月3日前后发生大地震。美国地质调查局特设工作组（AHWG）对此进行评估，正式认定布朗宁的预测缺乏科学依据。尽管如此，相关报道在媒体广泛传播后引发了当地民众的高度恐慌，大批学校停课、商家停业。12月3日如期而至，却未发生任何显著地震活动。此案常被引用为研究地震预测信息传播与媒体放大效应的典型案例。

### 凯利斯-波洛克预测

除上述案例外，凯利斯-波洛克（Keilis-Borok）团队利用M8算法对美国南加州作出多次预测：2003年预测南加州将在2004年9月5日前发生规模6.4以上地震，加州地震预报评估委员会（CEPEC）向州政府报告指出，“预测并不可靠，而且涉及的地域广大（12,400平方哩），所以这些结果不能作为加州采取特殊手段的正当理由”。预测时窗内并无符合条件的地震发生。2004年同一团队又预测在2005年8月14日前发生大震，结果同样落空。

### 美国

2004年初，洛杉矶加利福尼亚大学由弗拉迪米尔·波洛克带领的一群科学家预言南加州九月将有一场与2003年San Simeo地震规模相当的地震，几率是百分之五十。

到了2004年4月，加州地震预报评估委员会（CEPEC）向州政府报告“预测并不可靠，而且涉及的地域广大（12,400平方哩），所以这些结果不能作为加州采取特殊手段的正当理由。”结果在预报的时间窗口内并无明显地震。

### 意大利

2009年拉奎拉地震发生前一个月，一位名叫贾宝洛的实验室技术人员，根据地面增加的放射性氡气排放量，研判会有大地震发生。结果他被Q206936指控危言耸听，还被移送警方侦办，罪名是制造民众恐慌。而就在贾宝洛被移送的同时，官方的专家在拉奎拉召开会议，大量接受媒体访问，保证说不会发生地震。官方的地震测报中心官员后来遭到民众指控提供不正确的资讯，7名科学家被依过失杀人罪名、求处4年徒刑。

## 地震预警

地震预警比地震预测更为可靠，其原理是侦测传播速度较快的初波（P波）。P波在地壳中的传播速度快于破坏性的次波（S波）和Q2351144等，可在主要破坏性震动到达前提供数秒至数十秒（远距离或深层大地震时间更长）的预警。QuakeGuard™系统即利用此技术自动作出反应，以减少人员伤亡和财产损失。加州大学柏克莱分校的理察·艾伦（Richard Allen）在《自然》期刊发表研究，声称可在地震发生后的最初数秒内，利用地震仪记录预测地震规模，但此结果尚未获其他学者验证；若获确认，将大幅提升地震预警的效能。