扫盲帖:为什么能够从理论上严格证明地震不可预测
刘虎
科创仪表局,成都
虎哥 2013-6-29原创 正能量研究

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)。


地震不可预测.png

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。

[修改于 1 年前 - 2020-07-13 01:43:44]

来自:地球科学 / 地理与地质
1
宅人
8年2个月前
1楼
嘿嘿,其实民间所谓地震预报根本就是扯淡,把地震带密集的地方圈一个大圈【这要圈在欧洲得十几个国家】然后预报说未来多少小时有明显震感。。。。那种地方地震频发,明显震感的小震对于那里的居民都习以为常了。。。。。
我现在也预报一下哈[s:219]未来72小时,地图上红圈内将发生里氏三级以上地震,部分地区震感明显,当地居民请做好心理准备。。。。
get .jpg
+1
科创币
量子隧道
2013-06-29
我看到了红圈西边令人触目惊心的一片苍黄。
+1
科创币
相对论万岁
2013-06-29
好黄啊。。。
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20!Dopaminor
8年2个月前
2楼
https://www.kechuang.org/t/58078
对   暂时想到的只有引发这种地震
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kevin
8年2个月前
3楼
找只机器猫坐时光机到100年后问一下哪里地震过然后再回来,就可以预测了[s:274]
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※♂土豆♀※
8年2个月前
4楼
回 1楼(宅人) 的帖子
[s:219] 怎么说也得45678910级才对得起观众啊
+1
科创币
宅人
2013-06-29
也是可能的,圈圈里的鬼地方地震频发,天天有,我这个预告准确率99.99%
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的卢宝马
8年2个月前
5楼
雅安地震那时候去了所谓地震论坛看了一圈,浓浓的民科风扑面而来,其中有个版主和他人讨论时更是污言秽语不忍直视。
我呵呵着点击了右上角。
+1
科创币
相对论万岁
2013-06-29
记住,以后要按ctrl+w!
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四次
8年2个月前
6楼
虎哥的帖子里的“幂律“,(挺有趣的,跟“马太效应,二八原则”都有关系)

幂律分布是自组织临界系统
(地震?
)在混沌边缘,即从稳态过渡到混沌态的一个标志,利用它可以预测这类系统的相位及相变。它认为,由大量相互作用的成分组成的系统会自然地向自组织临界态发展;当系统达到这种状态时,即使是很小的干扰事件也可能引起系统发生一系列灾变。著名的“沙堆模型”形象地说明了自组织临界态的形成和特点(如图)

设想在一平台上缓缓地添加沙粒,一个沙堆逐渐形成。开始时,由于沙堆平矮,新添加的沙粒落下后不会滑得很远。但是,随着沙堆高度的增加,其坡度也不断增加,沙崩的规模也相应增大,但这些沙崩仍然是局部性的。到一定时候,沙堆的坡度会达到一个临界值,这时,新添加一粒沙子(代表来自外界的微小干扰)就可能引起小到一粒或数粒沙子,大到涉及整个沙堆表面所有沙粒的沙崩。(对竹片施加的压力
)这时的沙堆系统处于“自组织临界态”,有趣的是,临界态时沙崩的大小与其出现的频率呈幂律关系。
   所谓的“自组织”是指该状态的形成主要是由系统内部各组成部分间的相互作用产生,而不是由任何外界因素控制或主导所致,这是一个减熵有序化
的过程;“临界态”是指系统处于一种特殊的敏感状态,微小的局部变化可以不断被放大、进而扩延至整个系统。自组织临界理论可以解释诸如火山爆发、山体滑坡、岩层形成、日辉耀斑、物种灭绝、交通阻塞、以及金融市场中泡沫崩溃的现象。”

新浪博客中的有趣解释 冥率定律.gif
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pl_014
8年2个月前
7楼
现在不是有混沌控制和混沌同步理论吗?
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robbie
8年2个月前
8楼
那些地震的先兆难道是假的?地光也是假的?动物逃窜也是假的?
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科创币
cdefgabzym
2013-07-22
看贴不仔细
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相对论万岁
8年2个月前
9楼
地震无法准确预测和蝴蝶效应有关系
比如有a,b两市在同一地震带上,a市1000年后会发生地震
但b市去年建了一栋高楼,使地质结构发生变化,使得最终地震在b市产生。
任何微小变化都会引起结果差异巨大!
或许你今天跳一下,引起日本发生地震,你往长江里摔三把汗,导至第二年洪水泛滥...
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我说要有光
8年2个月前
10楼
我对地质学不太了解,所以只能从外行的角度提出些观点

以竹片为例的话,其最终断裂的时间是由竹片本身的结构、纤维强度等参数决定,用这些参数对竹片进行建模并加以仿真最终就可以知道竹片在被施加多大力后会发生断裂,以及断裂时释放多少能量

如果在地震预测的应用当中也能够采用类似的办法,比如设法探知承压地层的地质结构、检测其具体的承压力度并观察是否为线性等等,如果我们知道了某个地区下面的地层承受压力将在1年内达到某个特定的值,并且得知当地类型地层在仿真环境中承受压力达到此值时绝大多数会发生断裂,那么此时是否应该针对该地区采取必要的措施?
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.........
8年2个月前
11楼
回 14楼(我说要有光) 的帖子
问题是有你不知道的扰动,而且这个扰动会对结果产生很大的影响.所以建模是不靠谱的.参考三体问题.
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tyomm
8年2个月前
12楼
当年唐山地震已经预测出来了    怎么说地震是不可一预测的呢
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kechuanger
8年2个月前
13楼
预测不可能 预报可能了吧 据说成都高新防灾科研所已经开始研发地震预报系统了 震前几十秒预报 不过这条路还要走很久测试很久才敢普及
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大庆发射区
8年2个月前
14楼
加利富尼亚大地震就被电脑提前模拟出来了嘛,不过也不知道是不是真的…
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黑客
8年2个月前
15楼
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/p/907541584 有人可以证明这贴之前就有,而且用从概率的角度来考虑蒙对的可能性非常非常小,后来那人说自己会观星象 ,这个是观星象发现的
在百度地震吧看到有人做过地震监测仪,而且有视频证明来着能够提前检测出来地震
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无语·回忆
8年1个月前
16楼
我想到了电影回到未来的情景,,,,,
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2SC1970
1年0个月前
17楼
引用kechuanger发表于13楼的内容
预测不可能 预报可能了吧 据说成都高新防灾科研所已经开始研发地震预报系统了 震前几十秒预报 不过这条...

现在确实有类似的系统了,某地发生地震后按地震波的速度对附近地区进行报警

但是仅限于震中已经地震的情况,跟一般意义的“预报”(像天气预报一样)还差得远。

去年宜宾地震就有类似系统投入使用,震中地震后某中学喇叭广播读秒


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9zhmke
1年0个月前
18楼

就是个雪崩吧,刚检测到就为时已晚来不及了.... 作为预测起码要超过2小时以上才有意义。

没了解过具体行业内部信息,放胆幻想一下:

1、个别地震有大断层产生时会有次声波,这种情况是可以预测的

2、可以通过多地的传感器阵列慢慢积累大数据,为今后的预测更接近准确推算提供依据

3、在接近地震产生之前,可以人为通过大型共振设施提前触发部分地震


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BSP
1年0个月前
19楼
引用9zhmke发表于18楼的内容
就是个雪崩吧,刚检测到就为时已晚来不及了.... 作为预测起码要超过2小时以上才有意义。没了解过具体...

预测的话,不一定要超过两小时吧,提前两分钟或是几十秒都是有很大效果的,不过这个时候对精确度的要求就极高了。

之前看了一篇科幻,叫:《爱在地裂天崩时》杨晚晴写的,讲的是类似的故事。

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滑稽大法好
7个月4天前
20楼

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。

我认为按这种原理进行预测是最可能实现的,但是位置精度不能保证,时间也不能保证,但是至少可以给人一个准备的时间。更大的问题是如何抑制人群恐慌。

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刘 虎

创新工程局主席

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