扫盲帖：为什么能够从理论上严格证明地震不可预测

几年前与许多人争论过这个问题，发现大家对于地震预测和预报，普遍抱有一种理想主义情绪。今天抽点时间，用通俗的方法向大家介绍一下其中的理论基础，可能不太准确，但是大意如此。

首先需要明确什么叫“地震预测”。由于本文为的是扫盲，“地震预测”的定义取公众的直观认识：短临预测。简单而言，是指能够指明破坏性地震的三要素（震级、震中位置、发震时间），且发震时间为短期或临震，至少具有数天到最多几十天以内精度的地震预测。中长期地震的预测已经取得很多进展，比如说100年以内西昌附近有7.5级以上地震，几乎肯定100%“准确”，因此不在本文讨论范围之内。

目前关于地震不可预测，在某些理论方向上已经得到了严格证明。常见的理论依据见于Geller R,J等在1997-2004年间发表在《自然》（Nature）和《科学》（Sciense）杂志上的一系列文章，例如shake up for earthquake prediction,earthquake cannot be predicted等。

在地震学中，表示地震数目多少与震级大小之间关系的古登堡-克里特定律，表明地震频度与破裂尺度遵从幂律关系，这就意味着地震在空间上的分布是分形的。表示余震频度与时间关系的大森房吉定律，意味着地震在时域上的分布也是分形的。多数专家据此认为，地震是一个自组织临界性系统，具有本质的不可预测性（陈运泰：地震预测-进展、困难与前景）。事实上，“混沌”是指长期演变对初始扰动的不确定性，换句话说，无法长期预测。预测天气就是这样一种情况，越久越不准。“分形”与常常听到的“混沌”正好相反，代表着短期不可预测。

我们用通俗的实验来说明问题。众所周知，浅源地震（造成大规模破坏的地震都是浅源地震）是地下岩石的破裂过程。我们把地下岩石等效为一根竹片或者筷子，把这根筷子的一端固定住，在另一端施加压力（如图）。

施加压力的过程相当于“应力集聚”，是孕育地震的过程。当压力持续的增加，达到“某一值”时，竹片发生断裂，于是地震爆发。

我们显然知道，压力持续增加下去，竹片一定会断裂（假设竹片不会完全塑性变形）。并且知道假如添加100N的压力，竹片就会灰飞烟灭，而添加1N的压力，竹片只会发生轻微的弹性形变。

于是我们可以预测，竹片在1N到100N之间会发生断裂。 

另一方面，我们也可以预估，当竹片的形变（受压端的位移）只有1cm时，竹片不会断裂；当形变达到20cm，竹片必定断裂。

于是我们可以预测，竹片在形变量为1cm到20cm之间会发生断裂。

这些指标，恰好对应于地震预测所采用的应力、位移、形变等参数。它们确实能够提供一定的预测，但是包围圈很大，换句话说：可以长期预测。

但是我们最需要知道的数据：竹片在哪个时刻断裂，在几点几分几秒断裂，却无法预测。能够使竹片刚好断裂的“某一值”压力，只是一个可能，它既可能大一些，也可能小一些；我们也只有一根竹片，只有当它断了才能确定大概的应力范围，此时已经是马后炮了。当加压的规律不能用函数精确表达时，达到“某一值”的时刻，也是不确定的。加压的速度不同，“某一值”也可能不同……

各位可以自己拿出一只筷子来做实验，可以肯定，筷子一定会断，但是啥时候断，谁也说不清楚。

理论上可以严格证明，筷子断掉的准确时刻，不可预测。

当然，在竹片断裂之前，还是会有一些现象。例如，噼噼啪啪的声音显著增多；能够观察到先发生了一些小断裂；位移和压力的关系发生了局部的微小波动，等等。这就是地震前兆。但是即使有一些前兆，仍然不能预测断裂的准确时刻，并且许多时候会发生一些似乎是前兆的现象，比如在刚刚加压的时候，就能听到噼噼啪啪的声音。可能观察到一个地方发生了小断裂，但最终却在另一个地方突然折断。

地震是一个相当复杂的过程，“竹片模型”只是最为理想化的模型。在实际情况中，导致不可短期预测的因素更多、更广。实际上地震预测主要关心的是大震，而大震必然来源于极大空间尺度的能量释放，并不是某一处岩石破裂的问题，难度更大。且不说从理论上严格证明不可短期预测，即使理论证明可以预测，实践中也很难准确。

同时，地震的复杂性又为预测提供了一些机遇，因此对于某些比较特殊的情况，又有可能发布相对准确的预报，海城地震的成功预报就有很大的特殊性。但是在没有物理学机理支撑的情况下，这样的预报运气的成分极大，很难重现。

将来是否可能发现地震孕育和发生的更为直接的，且可以预测的规律，还是未知数。总之，在现有的理论和技术条件下，不可能进行可靠的临震预测，但是我们可以尽量详细的了解地下岩石的性质和运动规律，从而做出准确的有震、无震判断，并把发震时间范围缩小到几年甚至几个月量级，这就已经能为抗震设防提供科学依据，显著降低灾害损失了。