第 8 章地 震 预 报
加利福尼亚州帕克菲尔德地震预报实验场的一台大地测量仪测量地面形变时的激光光束
实现预报的能力经常被作为某一科学学科是否充分发展了的一个标志。例如，牛顿发展了万有引力理论，使天文学家们能作出行星运行轨道和宇宙飞船轨道的高精度定量预报。而根据大气的温度、压力和水分含量测量，气象学家们能够应用大气运动的理论公式作出虽然仅是短期的，但具有一定精度的大气环流预报和天气预报。
一般来讲，科学的预报往往需要给出现象的规模、地点及其发生的时间。在地震学中也一样，人们总是期望能应用对地球内部作用力的认识预报未来地震的大小、地点和发震的时间。如果能作出非常准确的预报，就可以严格地和充分地实施预防措施，从而大大减少生命危害和财产损失。如果我们知道作出的预报是非常不精确的，那就只能发出警告并作出有限的安排。
自古以来人们一直在试图预报地震。例如，一种常见的观念是在地震之前会出现一种特定类型的天气；另一种看法是地震之前动物会表现出异常的行为。即使今天，在多地震国家中也常能听到当地居民说，某人多次宣称从对自然环境变化的观测中具有预报地震的能力。在评论这类说法的可靠性时必须记住，即使一个预报是完全随机地挑选了一个日期，它也总是有机会对应未来发生的某次地震。
一般认为，一个严肃的预报必须详细说明地点、时间和震级，并对它们给出特定的窄的区间限制，例如，预报一个震级大约7.0左右的地震将要发生在今后7天内，地点为城市A的50千米范围内。然而这种确定性的叙述往往不可能是完全正确的，因为一个预报总是建立在有限的测量和观测上，它们往往不是很精确的，地点、时间和震级大小也仅仅是在某种最大似然程度基础之上给出的。因此除了给出地点、时间和震级外，地震预报应该给出发震概率。
另外，在地震预报中存在着一个根本性的固有困难。假定地震学测量表明在一个时间段内，一定震级的地震可能在某个地震区中发生，那么在该时间段内完全偶然地恰好发震的可能性不是没有的。因此，如果一个地震发生，并不可能确切证明所使用的预报方法是正确的，它们在将来某次预报时很可能失败。当然，如果作出一个严格的预报但又什么也没发生，那可以证明这个方法不是可靠的，至少不是普遍有效的。正因为如此，预报时也必须说明，即使不考虑特定预报的依据，仅仅作为一种随机现象，发生地震的可能性有多大。
最流行的关于地震预报的一个看法可能是，认为动物在地震发生之前能预先感知。早在公元前373年的古希腊，有一只老鼠和蜈蚣在破坏性地震发生之前为安全而搬家的故事。在中国，20多年前有很多关于动物异常行为前兆的报道。最近，旧金山湾区南部的一个地质学家提出一个异乎寻常的理论：在当地报纸的“丢失和寻找”专栏中出现特别大量的丢失猫、狗的消息时，地震要袭击该地区的概率就明显地增加了。丢失动物被看成在圣何塞城110千米范围内和指定的时期内将要发生3.5～5.5级地震的信号。这个地质学家自称在过去的12年内该方法有80%的成功率，但没有提出什么理论去解释这个奇怪的相关性，并且以此方法在大约15年之前对地震进行预测是不奏效的。
这个奇怪的特例说明，对这种根据动物的异常行为预报地震活动的方法进行可靠性评估存在一定困难。尽管已经有地声、温度、电压等的精密测量仪器，但这些被宣称的动物反应到底是受什么因素刺激而产生的，迄今仍无答案。动物不时地表现出许多古怪行为，常常是由地震以外各种自然因素所引起的。所以地震学家认为，仅仅根据动物异常行为预报地震几乎是不可能的。
把科学杂志中发布的地震预报与全部实际地震数据作个比较可以发现，没有一种提出的方法已经被真正证明是可行的。尤其是近20年来，地震预报的进一步深入研究对是否能实现在严格的时间和地点范围内预报地震提出了怀疑，特别是对巨大的破坏性地震。以下3个符合一定标准的由受过科学训练的人完成的地震预报实例，或许可以帮助读者理解这个问题。
在地震预报探索中，通常是努力寻找会触发地震断裂的力源，不管它是来自地球外部或是内部，就如同最后加上一根稻草也有可能压垮一头骆驼的脊梁一样。人们常想到的触发力有：恶劣的天气、火山活动、太阳和月亮对地球产生的潮汐引力等。本世纪50年代后期，著名的科学杂志《自然》中刊登了一位地震学家的论断，他说来自天王星的引力会引起地震的周期性发生。这一理论听起来十分奇怪，因为天王星是离地球最远的行星之一，它施加给地球的引力与月亮相比简直微不足道，但据他的统计结果，从表面上看确与地震发生的周期性似乎有些相关。
科学方法中存在这种实际困难，尽管这类表面的相关性有时会有助于揭示力源和地震之间的相互关系，但是看来相关的事件不一定真有物理因果关系，甚至究竟是否真正相关也有待于仔细考察。因为，即使我们不根据物理因果关系而是完全从现象上寻找有相关性的两个现象，那么也早晚总能找到，不过其相关可能只是偶然的而已。例如，或许纽约的出生率和喜马拉雅的暴雨降雨量之间存在着很强的相关性，但这并不意味着二者之间有因果关系。有关天王星的例子也是这样，人们从较近的行星开始寻找行星引力和巨大地震之间的相关性，但一直找不到，直到尝试到天王星与地震的关系时才发现它们的相关关系。
第二个例子来自1974年一本由两个宇航员写的畅销书中。作者在书中提出了一个十分特殊的逻辑链，说明行星的排列成一线与巨大地震的发生存在联系。作者首先指出这种特定的行星排列每隔179年会发生一次，此时太阳受到的引力会增加，这些增加的引力会诱发太阳黑子活动。接下来，较强的太阳活动导致更强的太阳风，即不断从太阳向外流出的带电原子核，巨大的太阳风又改变了地球表面的天气状况，天气状况中包含了不规则的大气干扰，增加了地表的压力，例如增加了对于山脉的挤压，这些额外压力十分巨大，或许会引起构造运动，甚至灾难性地震。
当时已知这种行星特定排列在1982年将再度发生，这一理论的提出人预测1982年圣安德烈斯断层是大地震的一个可能发生地点。他们的理由是，圣安德烈斯断层南段自1857年、北段自1906年以来，都未发生过断裂，岩石应变积累已经很大，行星特定排列诱发大地震的条件已经成熟。
加利福尼亚还算走运，预报的地震没有发生，因为该理论存在一系列缺陷。首先，全球地震目录表明，行星发生一线排列的1803年、1642年和1445年——这些间隔为179年的年份，没有发生特殊的破坏性地震周期活动。加利福尼亚历史上1803年没有发生大地震，1445年全世界只有日本偶然发生一次大地震，1642年也只有一次发生在西印度的大地震。相反在1448年发生了4次、1604年发生了5次巨大地震，尽管这些年份并不符合预测的间隔周期。
事实上，科学事实也强有力地反对这种基于简单的一系列逻辑推理的预报方法。根据牛顿万有引力理论计算，来自遥远行星对太阳的额外引力远不如来自地球以及金星的引力大。按上述作者的思考方式，我们不仅要考虑179年的行星排列间隔期，还要考虑邻近太阳的行星之间的各种排列。
第三个误导的地震预报事件发生在秘鲁，几乎给城市造成混乱，因而引起了公众对巨大地震预报真实性的争论。1976年，欧洲的科学杂志上发表一些文章，研究岩石裂隙如何在压力下产生地震波。这一理论工作被认为不仅仅适用于小规模的矿床岩石断裂，而且适用于大规模的地质断层滑动。进而它被认为能预测即将发生的大规模断层断裂及其伴生的地震发生的精确时间、地点和强度。
就在这篇文章发表不久，两位科学家应用这一岩石破裂理论研究了1974年在秘鲁利马附近发生的两次大地震。结果他们认为在城市附近已经酝酿形成大震发生的条件，该地区已经进入大震“孕震期”，并且计算出大约6年之后将会发生一次8.4级的主震。由于这两位科学家是为美国政府工作的，因此他们的结论马上被认为是可靠的，他们的预报很快引起了秘鲁公众和政府的关注。
这一预报的评价被提交给美国地质调查局下属的国家地震预报评估委员会，它专门负责对重大预报进行分析评估。委员会的报告否定了该预报，事实上以后也并没有巨大地震袭击秘鲁。从1980年到本书出版一直没有发生大地震，对这个许多建筑不具抗震能力的国家真是一件幸事。由于秘鲁处于纳斯卡板块俯冲边界的地震活动带，毫无疑问，板块俯冲断裂迟早会产生大地震，但我们尚无从知道它将于何时发生。
一种广义的、但重要的预报是，通过对有关历史地震活动的研究，特别是对构造板块边缘地带的研究，将有可能确定发生破坏性地震的可能地点。然而这些历史记录不能使我们精确地预报地震发生的时间，除非对特定地质环境有更多认识。地震的发生并不遵循有规律的时间表。即使是在中国，那里记录下了近2 700年间的500～1 000次破坏性地震，统计研究也仍无法揭示主要地震存在周期性。它们仅提示在发生一系列大地震的活动期之间，可能会经历一段长时间的平静期，各次平静期长短不一，不存在严格周期性。
图8.11989年绘制的环太平洋地区的地震空区图
这种空区内的断层近期没有破裂，因此存在更大的地震危险
20世纪70年代，中国的地震预报工作因为得到了广泛宣传而为全世界所注目。特别是1975年2月4日的事件被详细报道之后，1975年2月4日，中国东北辽宁省官方发布了一个紧急警告，他们根据这个地区许多小地震的发生，预测在24小时内要有一次强烈地震发生。那天晚上，海城附近发生了强烈地震，但幸运的是大多数人已经睡在了室外，所以没有受到伤害。
中国人宣称已经准确地预报了几次地震发生的时间：不仅有1975年的海城地震，还有靠近中国—缅甸边境(云南西部)1976年5月29日发生的两次相隔97分钟的6.9级地震。然而，在评价中国地震预报工作的历史时，只有不仅引证其成功，还要引证其失败才算公平。一方面，有些临震预报被证明是虚报，例如，在广东省1976年8月发出了一次地震警报(广东不是地震活跃区)，许多人被说服睡在室外，但是并没有地震发生；另一方面，有的灾害性地震发生时没有提前警告。1976年7月28日，悲剧性地震几乎夷平了位于北京东部150千米有1百万人口的唐山市（图8.2和图8.3）。官方报道，极震区约有24万人死亡，在北京也有大约100人由于有些泥墙和老砖房倒塌而丧生。而且，据估计还有50万人受伤。除了人员伤亡再加上巨大的工业损失，对整个国家来讲，造成严重的经济后果是必然的。唐山地震对一些迷信的中国人还有哲学含义：中国人的传统观点认为自然灾难是来自上天的旨意。
图8.21976年唐山地震破坏了的大桥
在日本也有几个世纪的地震统计，自从1962年以来一直在进行以地震预报为目标的大力研究，然而至今仍未取得明显的成功。检验日本地震预报方法的障碍是日本岛近年来没有遭受到破坏性地震的袭击，尽管发生了许多中等地震。
日本已实施了5个地震预报五年计划，并为计划提供了十分充足的资金，数以百计的在大学或政府研究所工作的地震学家、地球物理学家和大地测量家参与该研究并已经取得进步。这个方案的开始是观测潜在震源区的地质特征的短期变化；绘制活断层地质图；用改进了的大地测量设备和潮汐仪连续监测地壳变形；布设了简单地震仪的密集台网以全面了解即使极小地震的空间分布。此外，在部分选定的地震观测台上设置专门仪器，不间断地测量地球磁场的变化和岩石中电流的变化；在地热区取样测量水化学和温度的变化，记录地下水位。最近，科学家们在进行区域地壳形变和地震活动性测量的同时，研究了东京附近历史地震的周期性。结果表明，尽管东京附近地区尚不存在发生1923年关东大地震那样大震的迫在眉睫的危险，但在邻近地区发生破坏性地震的危险不能排除，特别是本州海岸的东海重要工业区，15年来已经观察到了不规则的地质变化。
图8.3唐山地震中地面巨大变形造成了铁轨的弯曲
在日本的五年计划和类似的观测计划得到执行的同时，棘手的问题也随之而产生了，究竟哪些测量到的变化真正与地震预报相关呢？如果有了关于地震孕育和发生物理变化过程的成熟理论，人们就可以知道地震前应该去测量哪些量，才能寻找到异常。可惜现在所缺乏的正是这种理论，日本以及其他地方的地震预报研究，主要通过发现有待论证的依据而进行的。1982年，日本著名地震学家铃木曾这样评论日本本土以及国外地震预报情况：“地震预报的现状是非常混乱的，到目前为止，报道过的地震前兆真是形形色色，其中一些看来就很奇怪，令人怀疑。很清楚，即使排除这些模棱两可的记录，也仍无法找到一条确定的成功预报地震的道路。”这一公正的评论在10年后的今天依然是正确的。激烈的争论引起了有关什么是世界范围地震预报最佳计划的再思考。一个修改计划提出，应该加强震前短期物理变化过程的基础研究，因为这些物理变化过程正是了解大断层滑动前兆的关键，而前兆现象的产生目前对我们仍是个谜。
尽管我们还没有一个实用的系统阐述的理论能为地震起源提供一个可靠预测的指导，然而一个有关断层起源的弹性回跳理论，为我们提供了粗略预测已知活断层的下一次大破裂时间的依据。实际上，1906年加利福尼亚地震之后，里德运用回跳理论得出，旧金山附近的再一次巨大震动将发生在一个世纪之后。他的论证过程十分简单，通过对旧金山断层在地震发生前50年内的断裂状况的测量，得知50年间断层东、西两侧山顶间相对位移已经达到3.2米（图8.4）。在1906年4月18日地震断层回跳破裂后，最大相对错动距离为6.5米，或者是原来相对位移的2倍。因此，大约100年之后，可产生6米错距的地壳岩石应变才能再次累积起来，形成再一次大地震的条件。这一推论是否可靠有赖于推理中隐含的有关变形的细节的一系列假设是否真正成立，例如，区域应变积累应随时间均匀地增加；1906年大地震本身并没有改变断层的力学性质；中等大小地震不会对积累的应变释放发生重大影响等。
图8.41906年地震后测得的圣安德烈斯断层两侧地壳岩石的相对位移
箭头表示1906年地震断层断裂之后，穿过洛杉矶的地壳岩石的相对位移的大小和方向
本书前面已经讨论了几种比较可靠的临震前兆现象，如通过测地学测量地壳岩石的变形（第4章），以及在一些平时地震发生比较规则的地区，识别出时间和空间上的地震空区（第5章）。
近几年来，地震预测的重点主要集中在对大陆地震活跃区地壳岩石物理参数变化的高精度测量上。人们布设了特殊的精密仪器来观测记录这些参数的长期变化。但是测量点的总数仍是十分有限的，并且测量结果存在相互矛盾的地方。有时，在当地地震之前的确观测到异常情况，但也有时观测到参数变化后却没有发生任何地震。图8.5中列出了5种被认为是最有希望的参量：P波速度、地面升降和倾斜、水井中氡气含量、岩石中的电阻率以及地震发生频度。
图8.5大震前一些物理参数的可能变化
这些变化可以作为地震前兆，用于地震预报
就像台风前天气产生变化一样，在主要断裂产生之前几小时到几个月，弹性岩石的性质也会发生变化。岩石破坏的实验室研究表明，水饱和岩石在压力之下，它的充满水的细小裂缝以及孔洞会扩散延伸到整个岩石中，使岩石弱化。在野外实际观测中会看到如下情况：大面积的岩石隆起，水溶性气体被析出并经通路达到地表，地震P波和S波速度发生不同的变化，以及水的扩散改变了岩石电阻率等。
如何在地震预报中利用这些参数呢？首先，P波速度所显示的前兆变化是值得特别注意的，利用现代地震仪和精密仪器可以很容易地测得P波和S波走时的1%秒间的变化。这些P波和S波可以是大震震源区内的小震发出的，可以是震源区外的大震发出的，也可以是人工爆炸或机械重锤敲击产生的。这一方案被在许多国家试验，但效果各不相同。例如，在美国，沿圣安德烈斯断层发生的中小地震前测量到的波速变化似乎与地震没什么明显联系。
第二个参数是地面高程的变化，例如在活动断层附近的地面倾斜。在美国观测到的不多几次大区域地面抬升，同样不能证明这种测量方法的可靠有效性。
第三个参数是指沿活动断裂带氡气以及其他一些气体的释放，特别是从深井中的释放。据称在前苏联的一些地区，地震前氡气的浓度会有大幅度的增加，一般在一段平静时段内沿活动断裂带发现多种气体浓度升高，特别是在断层弯曲带或交叉带等构造薄弱部位。实际上，在距震中几千米或几百千米地区的这种构造薄弱部位的地面、空气中、地下水中均观测到了氡气浓度的变化，类似的起伏在震前、震后，甚至某些未发生地震的情况下都观测到过。因为地质环境的复杂，人们很难确定气体浓度的变化是与地震有关还是由于其他自然因素变化而引起的。
第四个参数是地震带内岩石的电阻率，这一参数得到一些研究者的特别注意。对于岩石试件的实验得出，渗水性岩石，例如花岗岩的电阻，在高压碎裂时会产生巨大变化。为验证实验室结果是否能应用于实际，在野外实际断裂带进行了观测。结果发现某些地震前会出现电阻减小的特性，但另一些观测则不然。因此，在这一方法得以应用之前，还需要作进一步的研究。
地震频率的变化是第5个参数，从这一参数比从前4个参数更容易获得较多信息，但最近的研究表明，其效果并非是完全肯定的。概括地说，某一地区正常背景下的地震活动有时会出现一个显著的改变——通常是小震频率的增加，有时，这些微震预示着一系列破坏性地震即将发生。利用这种方法进行预报，意大利地震学家曾获得成功。1976年5月6日意大利北部弗留利威尼斯朱利亚地区的悲剧性地震之后，观测到了许多不同震级的余震。1976年9月初地震学家注意到，这一地区的余震日频率明显增大，因此，专家们警告那些居住在强度不高的房屋中的人们最好睡到其他地方甚至帐篷中。9月15日下午5点15分果真发生了一次6级余震，但只毁坏了一些不坚固的建筑，人员伤亡很少。
目前，上述5个参数尚未成为预报地震的可靠依据，然而还存在另一些更有发展前途的预报方法，有可能成为某些地区长期地震预报的可靠依据。古地震学的最新研究发现了所谓“化石地震”，“化石地震”发生的时空特征提示了未来地震的可能活动情况。这种新方法侧重研究长期地壳形变的地质依据，板块构造的一般理论是这种预报方法的理论基础。
对1906年沿圣安德烈斯断层带的旧金山地震，目击者描述说：“树木突然断裂，连根拔起，60米宽的树林仿佛被整齐地切割过。”在地震的震动中，树木严重倾斜，树枝甚至树干被折断。根据修正的麦卡利地震烈度表估计，表现出轻度树木震动的强度为Ⅴ度，重度震动的强度为Ⅶ度，折断树枝树干的强度为Ⅷ＋度。震动常使树木的树冠受损，因为震动在树木上部会被放大。同样的道理，1985年墨西哥城地震时，许多12层以上高层建筑的高处各层在震动中受损。
这一观察的启示是，通过分析树的年轮，我们有可能确定在遥远的过去发生的地震的地点、时间和强度。地震通常会损坏树木的生长形态，破坏其根系，折断其树枝甚至树冠，这些受损改变了树木年轮的宽度和形状（图8.6）。利用这种方法，从生长的或已死去的树木上取样，便可确定这一地区曾经历过的地震情况。根据树木的破坏程度，可以得知各地区最高地震强度。
图8.6南加利福尼亚州圣安德烈斯断层附近一株生长了370多年的松树
图中的松树名为池木，位于1812年地震震中附近，地震时其顶部折断，
根系也被破坏，其年轮表明地震之后许多年内它的生长都十分缓慢
另外一些情况，例如干旱，也可能影响树木的年轮。因此，只有排除这些干扰，断层附近树木生长中的间断才能被认为是地震破坏的结果。举例来说，1857年南加利福尼亚州德洪堡地震之后，树木的年轮宽度发生变化，但是气象数据表明同年此地也曾发生过特大干旱。因此，需要识别狭窄条纹的年轮究竟是干旱造成的呢，还是树木被地震破坏后多年恢复而产生的。
从活动断层附近的树木取样特别重要，因为当断层类型已知时，这些样本将提供是地震而非其他原因造成损害的证据。倾滑断层通常会引起较宽地带的土地裂缝，而走滑断层一般只影响离断裂较近几米内的树木。可靠地应用此方法的关键是统计树木一定半径内距圆心的年轮数时，必须对该地区至少两棵树进行比较，特别要将估计曾受地震影响的树木年轮记录与远离断层地区的树木进行比较。因为干旱可能影响整个区域的树木年轮记录，而地震则不能。
一些地震年代学家曾发表了有关年轮研究的成果。图8.7给出的树的年轮图案像一种“罗塞达石”的花纹。这棵古老松木生长在加利福尼亚州怀特伍德的圣安德烈斯断层附近，它记录了这一带较大断层各次滑动时所引起的效应。图中所示的树木年轮是1986年从此树的树桩上取来的，此树在1957年已经死去并且随后被砍伐了。树干的年轮在1857年圣安德烈斯断层的巨大断裂中明显受到干扰，呈现狭窄的形态。规则生长的年轮在1812年也曾受到扰动。该年在南加利福尼亚发生过另外一次地震。此次地震并不像1857年地震那样广泛有感及有详细报道，它只有少量地质证据。另一个可确信的年轮实例发生在1964年耶稣受难日的阿拉斯加地震，萨克林角海岸的地壳在逆掩断裂的推动下抬高了4米，岸边的云杉在震动下倾斜，根系暴露于地面。其年轮样本再次证明，在1964年8.6级地震之后，树木年轮宽度要比震前平均年轮宽度窄得多。
图8.7取自加利福尼亚州怀特伍德附近圣安德烈斯断层上的白皮松树树桩的部分年轮
它是1812年和1857年地震的证据
现在再看看另一种被更广泛应用且更可靠的历史地震活动性研究方法，即对沿活动断层地层的地质研究。它利用土壤层位受到的扰动来确定历史上曾发生的某些大地震。在适当的条件下，科学家们可追溯到距今1万年前全新世初期发生的大地震。举例来说，在距洛杉矶以北50千米处，圣安德烈斯断层横切一地势较低地区，这一地区在雨季时由于帕勒河水的泛滥，变成了一片沼泽地。经过地质学家在这一地区挖掘跨断层探槽，得到一个依次由淤泥、砂土、褐色泥炭土组成的清晰剖面（彩图8.8，见插图）。地质学家确信，由于大地震造成的位移和液化效应都保留在这个由砂土、泥炭等组成的成层剖面中。
图8.8 加利福尼亚帕勒河畔一个探槽东南壁上显示的圣安德烈斯断层剖面
泥炭层(深棕色)垂直错断距离随深度增加而变大,这是反复地震错动变形累积的结果.最上面没有被错断的地层是1857年地震后沉积的,最下面断层西南测的泥炭层是公元800年左右沉积的
地震摇动土层时，一些水饱和的砂土层会液化，这种较轻而易浮的水饱和砂在其上部的岩石和泥土的过大压力下上升到地表，形成一层喷砂。随着干、湿季的交替，砂土上生长了草木以及其他植物，帕勒河及附近其他河流冲来了砾石和淤泥，覆盖在砂土之上，于是淤泥层内一些死去的植物转化为泥炭。经过一段时间之后，巨大地震再次发生，液化生成的砂土再次覆盖于地表，并再次被覆盖。新的砂土层、淤泥层和泥炭层不断产生，覆盖于老层之上。存在于每层中的植物或有机物质的年代可以用放射碳方法测定。
帕勒河的样本证明，自公元545年至今大约1 400年间发生过至少9次地震，它们的年代大致为：1857、1745、1470、1245、1190、965、860、665、545。其中1857年1月9日发生在德洪堡大地震是有历史记载的，此次地震是附近圣安德烈斯断层断裂所引发的最新一次地震。对帕勒河地区研究的主要结论是，该区大约每隔160年发生一次大地震，但是这间隔会发生相当大变化，最大间隔时间将近200年，最小间隔则只有55年。
类似于这样的跨断层液化研究在其他国家，如中国和日本也已经开始了（图8.9）。应该指出，破坏性地震在干旱季节也可能曾经发生过，但由于土地缺乏足够水分，不一定能产生大量液化。
图8.9中国安徽省郯庐断层带上挖掘的探槽
探槽中暴露的固化的“管子”是地震时向上喷砂冒水时形成的
地震学的“侦探”们是如何揭示过去大地震记录的？这些古地震证据又是如何进一步被用于预报未来地震灾害的？卡斯凯迪亚俯冲带的历史事例可以说明现代地质学研究是怎样回答这些问题的。
在北美洲西北太平洋海岸，有一条名为卡斯凯迪亚山脉的火山带，它从加利福尼亚经过俄勒冈和华盛顿州，延伸到加拿大的不列颠哥伦比亚地区。这些火山是由于胡安德富卡板块及其邻近的哥尔达板块俯冲到北美板块之下而造成的。这一地区被称为卡斯凯迪亚俯冲带（图8.10），它南起圣安德烈斯断层，向西拐入大西洋的门多西诺角，向北延伸到加拿大的温哥华岛的北部。过去的几百万年里，这两个太平洋内的板块正以不同的速度滑移到北美大陆板块西部边缘地带之下。对其他俯冲带的观测表明，有时这种滑动是平稳的，有时这种滑动会被锁住，直到应力超过岩石本身的强度时才会失稳突然错动。这种应变的突然释放将会引发巨大地震。1964年阿拉斯加大地震就是太平洋板块沿阿留申海沟向阿拉斯加之下俯冲而形成的。
图8.10在卡斯凯迪亚俯冲带胡安德富卡板块俯冲到北美板块之下
对于太平洋板块和北美板块活动的最近观测表明，两板块仍然在以平均4厘米/年的速度相向运动着，当胡安德富卡板块俯冲到北美板块之下时，其边缘地带沉入北美板块下面而在深处熔融。熔融的岩石以岩浆的形式正在不断地涌出地面，形成了如圣海伦火山一样的活动火山。经测量发现，沿大陆边缘地带的卡斯凯迪亚山脉被压缩，华盛顿州的海岸在抬升。尽管存在着这种地质活动，但是卡斯凯迪亚俯冲带的俄勒冈部分在历史上基本没有地震的记载。
美国西北部是否存在大地震灾害的危险将取决于俯冲作用的强度是否足够在有限的年代中造成破坏性震动。几年之前，鉴于卡斯凯迪亚俯冲带在历史上并无重大地震，地质学家们还认为此带为非地震带。然而最近一些新的证据对于这一“非地震带”观点提出了疑问。第一，与其他俯冲带类似，北美板块与海岸外的太平洋板块碰撞必然引起海洋地壳俯冲到卡斯凯迪亚之下，碰撞时这些岩石没有其他地方可去。第二，证据表明海底距今约1万年的全新世时期的水饱和海底沉积物发生了形变，它由一系列巨大重叠的褶皱-逆冲断层组成。在陆地上卡斯凯迪亚带的南端，也发现了一些相对年轻的褶皱。海底和陆上这种水平的挤压缩短表明两个板块在持续相向运动。第三，观测表明，沿海岸线的地表曾经历过抬升和下沉运动的循环。在一些沿海湾地带，金属圆管被挤入水饱和的淤泥中达数十米，取出的长长的泥圆柱岩心表明，由树木残余物、浮木以及泥炭组成的薄层穿插在厚层的斑点状软泥灰层中。泥炭层一定是当地面高于最高潮位并被耐盐植物覆盖时沉积的，今天的太平洋沿岸到处可见这种景观。每一泥炭层的形成都是淤泥突然沉入海平面之下，并迅速被砂土和细粒的沉积物覆盖的结果。利用放射性碳技术分析这些泥炭层的原始物质，可以大致确定这一运动发生的时间。华盛顿州海岸的泥灰层在过去的7 000年间下沉过至少6次，已经下沉了0.5～2米，最近一次下沉发生在约300年前（图8.11）。
图8.11探槽揭示了位于加利福尼亚德洪堡湾的麦德河的海岸
交替上升和下沉运动形成的泥炭与淤泥的交互层
上升运动后形成泥炭，下沉运动后产生淤泥。图中A表示现代淤泥，
B表示现代泥炭层的底部，C表示距今300年的泥炭层的顶部
海岸抬升现象在阿拉斯加和智利俯冲带的大地震中是十分普通的。在1964年阿拉斯加地震中，海岸抬升和下沉达数米，许多地方由于海岸的下沉，肥沃的低地被水淹没。数万年间，肥沃的海岸泥土反复地下沉然后又缓慢抬升，形成新的土地（图8.12）。海岸沃土的下沉，起码部分地与俯冲地震有关。
随着争论的不断明了，卡斯凯迪亚俯冲带的地震危险性被重新评价。一种极端的观点是，整个卡斯凯迪亚板片会在一期活动中滑入大陆下部，形成特大地震；另一种不那么极端的观点是，由于俯冲速度缓慢，并考虑到俄勒冈和华盛顿南部地区目前没有地震，因此认为突然的滑动只能发生在板块的某些特定的段落，沿卡斯凯迪亚带中强地震会间断地发生，尤其是在胡安德富卡板块地区。
邻近的哥尔达板块在北加州的段落与卡斯凯迪亚带不同，这里大地震频频发生，包括一次7.5级的地震。小小的哥尔达板块的海洋地壳一定有许多活动断层来释放其弹性应变。哥尔达板块的地壳岩石形变带随着海岸线延伸到门多西诺角附近某地区，在那里被西北走向的圣安德烈斯断层的走滑断层切断。在这一地区3个构造特征十分不同的单元相遇，它们是圣安德烈斯断层、海底的门多西诺角断层以及卡斯凯迪亚褶皱—逆冲断带。在这个“三连点”周围的应力调整对于3个系统中的大地震的发生一定有影响。
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图8.121964年阿拉斯加地震之后海岸下沉引起洪水的景象(a)和海岸回升后此地区今日风貌(b)
事实上，最近的发现证实了有关现今哥尔达俯冲板块的地震滑动方向的推测。1992年4月25日，彼得罗利亚附近门多西诺角下俯冲板片逆掩断裂导致了一次6.9级浅源地震，第二天又发生了两次破坏性余震。特别是在费恩达尔城中，许多古老的木制结构房屋被震离了地基。门多西诺角附近基岩上的加速度计记录到超过1.8g的高脉冲水平加速度，这一加速度或许是目前世界上记录到的最高值。但是，这一地区的其他一些加速度检测器记录下的地震波振幅只达到一般大小。
地震之后，立即对门多西诺角附近沿岸潮汐带进行了巡测，但几乎没有发现什么高程变化。在这次事件中，关键性的地质证据在几天后经历了几次潮汐涨落后才逐渐变得明了。主要震动大约1周之后，地质学家收到当地居民的抱怨，说沿岸海草以及其他潮汐带生物发出恶臭。经过对海岸的再次调查，发现沿岸大约100千米的地区相对海面抬升了1米多。这种抬升使原来生活在潮汐带内的海洋生物因无水而死亡，在沿岸岩石上留下了看上去很明显的一带褪色的贝壳（图8.13）。
图8.131992年门多西诺角俯冲板片的逆掩使海岸抬升1.2米
地形抬升造成一些潮汐植物死亡；此照片摄于地震6周之后的德弗尔斯
有关沿卡斯凯迪亚俯冲带的最新研究说明了如何利用地质学和地球物理学的各种证据，来评估一个构造带的地震灾害，而这个构造带不像加利福尼亚州圣安德烈斯断层带那样，历史上并没有重大地震的记载。目前，地质学家还不能确切地预报在未来的几百年间，卡斯凯迪亚带大地震是否会发生及何时发生。但是，研究的确表明，在美国西北部和加拿大的温哥华岛地区发生地震的可能性是无法排除的。
对许多自然灾害如洪水或暴风雨，最好的对策是找出这类事件发生的统计概率。在一些地震危险区，地震学家现在采用了同样的方法，向公众发布破坏性地震可能发生的概率。特别是在1989年洛马普瑞特地震之后，美国地质调查局的一个工作组估计了北加州未来发生破坏性地震的概率。他们确定在未来30年间旧金山海湾地区发生7.0级以上地震的可能性为67%。这一结论是在对过去地震的分析以及应变积累的统计的基础上得出的。
所谓概率，是指某种事件发生的机会。概率值限于从0到1，0表示某事完全没有发生的可能性，而1则表示某事一定会发生。在这两个数值之间表示事情发生的相对可能性。例如一枚抛起的硬币落地后正面朝上的可能性为50%，而从一叠扑克牌中抽到红桃的可能性为25%。当然，如果硬币本身不均匀或纸牌不是整套的，那么这些数值会有所不同。
大多数人通过日常生活经验对概率都有大致合理的认识，例如对于比赛的胜负，以及许多其他生活中的事例。几乎没人会怀疑驾车行驶于拥挤的高速公路上的事故率要比散步于人行道上高。同样地，大多数人也会同意，一般来说在洛杉矶受地震伤害的概率要比得克萨斯高。大多数人还会同意，这一受害概率还要取决于一个人是居住在不坚固的砖房还是居住在牢固拴接在地基上的木构架建筑中。确定抛硬币获得人头一面的概率值并不难，困难问题的关键是，如何能确切得到地震破坏概率的数值。
一种有用的方式是确定某一地区一定时间段内预期发生一定震级的地震的机会。如果我们已知某一地区过去100年间已经发生的地震的数量和大小，就有可能估算出未来10～20年内该区发生地震的平均大小及发生某一震级地震的概率。例如，旧金山海湾地区自1936年到1991年55年间，共发生过5次6.75级以上的大地震。如果这些地震完全是随机发生的话，我们便可预测在未来的55/5=11年间，发生类似大小地震的可能性是十分大的。
但是这种简单的概率计算遇到了一个严重的问题，那就是处于某一特定构造带的地震并非严格地随机发生，一般存在系统的趋势，地震有时是成组发生，有时会出现平静和空区。在第5章中我们曾提供了有关长期空区的实例。这些地震发生的时空变化使得上述简单概率估计在短期抗震规划中无法应用。
一种建立在弹性回跳理论基础上的、改进的确定概率的方法产生了。地震是一种断层突然滑动的结果，这种滑动是由于断层无法承受其附近岩石的弹性应变而发生的。应变积累越大，发生地震的可能性也就越大。通过地质调查或大地测量，科学家们可以确定断层的哪一段落在未来最有可能发生滑动。
第一步是通过勘测断层的转折点、分叉点或与其他断层的交点，来划分某一断层段落的起始位置。往往假定，如果该断层段落从头到尾全部断裂而造成地震，那它就是该断层段落上能发生的最大地震。断裂长度较小产生的地震也较小，断裂长度较大产生的地震也较大。发生在1989年的洛马普瑞特地震，就是圣安德烈斯断层长达40千米的段落突然断裂，这一地震大约为7级。
估计地震发生可能性的第二步是：确定整条活断层上哪些段落过去已经滑动，测量此活动带在过去应变积累的速率。作为例子，可以分析1989年圣塔克鲁斯山脉的圣安德烈斯断层发生的洛马普瑞特地震提供的信息。长期大地测量表明，位于加利福尼亚中部的圣安德烈斯断层每年平均相对位移1.5厘米。1906年的旧金山地震时，旧金山北部的段落错动了大约5米，而南部的圣塔克鲁斯段落只错动了1.6米。这样，如果两部分断层长期应变积累速率是一样的话，而圣塔克鲁斯山脉段落每次错距较小，那么地震的发生率比北部段落就要高，起码到1989年地震回跳前是这样。
每一时期沿断层段落滑动所发生的地震大小确定之后，我们便可以计算各次大地震之间的之间隔时间。然后确定在一定时间间隔内，如50年、60年或更长时间内，将要发生的地震的大小。这些数字绘制在柱状图中，我们就可以知道给定震级地震发生的频率。根据该柱状图，将其分为左右相等的两部分，就可计算出地震再次发生的最大可能间隔时间（图8.14）。
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(a)
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图8.14根据地层研究所获得的特定断层的位错量（a）和
不同复发时间震级大于M的地震数量（b）
每次滑动产生相应大小的地震，以两次地震间的复发时间制成柱状图(b）
图8.15今后30年间圣安德烈斯断层不同段落上地震发生概率的粗略估计
概率的大小由图中的柱高表示
这种概率计算方法是建立在对断层滑动的统计之上的，只适用于那些从地表可以观察到活动断层的地震区。因此，此种方法的应用是十分有限的。加利福尼亚州圣安德烈斯断层地震带是世界上能从地表详细测量活断层活动量的不多地区之一，运用此方法绘出该区的地震概率图（图8.15），但估算中隐含了许多假定，因此结果存在很大不确定性。无论如何，随着地质和大地测量的进一步发展，这种估算应该会变得更可靠。
本书的特例生动地说明了现代大地震预报的期望和烦恼。这一特例发生在位于中加利福尼亚州沿圣安德烈斯断层两侧的帕克菲尔德地区。在此远离人口稠密地区的广阔牧场地带，圣安德烈斯断层的轨迹清晰可见。这一长达25千米的地带是世界地震学中研究得最详尽的区域之一。
加利福尼亚大学从1887年起布设的地震台站记录了帕克菲尔德附近圣安德烈斯断层发生的中强地震，记录表明，一些震级在5.5～6.0之间的地震，分别发生于1901年、1922年、1934年和1966年。根据19世纪当地居民的反映得知，类似的地震在1857年和1881年也曾发生过。这些地震时间直接显示了一个几乎每隔22年发生一次地震的周期特性。只有1934年的断层滑动是一次例外。地震波记录（图8.16）进一步反映了发生于1922年3月10日、1934年6月8日和1966年6月28日的3次地震波形十分类似，说明这3次地震中圣安德烈斯断层的断裂方式也十分类似。于是得出一个似乎有道理的结论，圣安德烈斯断层的帕克菲尔德段落具备一种能使其一而再反弹的机制，像发动机，一般是一种有规律的循环。
发现了帕克菲尔德地震的周期规律之后，在美国地质研究所的带领下大量设备及研究人员投入了“帕克菲尔德地震预报实验”。根据循环模式预期帕克菲尔德地区的下次地震将发生在1988年，统计误差可能导致4年的偏差。由于科学家确信地震很快将在该地区发生，这一地区便成了寻找地震前兆的最佳地点。利用最先进技术，地震学家们设置了高分辨率监测仪器测量种种特征量，例如当地小震图像的细微变化，地倾斜等地形变的变化，以及电磁性质等。
当此书于1992年12月完成时，1966年帕克菲尔德地震后预期再次发生类似地震的时间段已经过去，科学家们所预测的地震并没有发生。在旧金山召开的美国地球物理学会年会上，进行了有关帕克菲尔德实验的总结。科学家们承认这次实验失败了，失败的原因也许是由于有关特征地震机制的假设不正确；也许是最近发生在加利福尼亚中部的其他大地震改变了地震复发的形式；也许是计算地震概率的统计方法有问题。
图8.16荷兰德比尔特同一台地震仪记录到的1922年、1934年和1966年帕克菲尔德地震的面波
1984年，据其相似的波型和振幅，贝肯（Bakun）和麦克埃维利（McErvlly）
确定1988年是具有帕克菲尔德地震类似机制的沿圣安德烈斯断层再次断裂的时间
从积极的方面来看，会上发言者们也肯定了此次实验在特殊地球物理监测仪器的设计、布设及野外操作方面取得了成功的经验。向公众发出了几次地震警报，尽管是虚报，但起到了向公众普及地震知识、提高防震意识的作用。尽管帕克菲尔德地震预报实验已经成为地震学研究的历史，但是仍可以肯定在未来的某一天帕克菲尔德会发生大地震。太平洋板块和北美板块仍在不断相向运动，圣安德烈斯断层的应变也会继续增加。
随着地震研究的不断深入，各国可能会发布许多确有可靠依据的地震警报。在西方社会，科学家们的研究进行的并不顺利，无法做出准确的地震预报。例如，如果能够精确地提前一年左右预报加利福尼亚的破坏性大地震，并不断更新和补充预报，那么人员死伤以及财产损失会大大减少，然而，投资会下降，居民和企业可能搬迁，因此该社区的人们必须忍受经济萧条和社会变动。临震预报可使人们作好紧急措施的准备以便减小地震危害，另外，医疗、警察、消防及其他救护服务也能够严阵以待。但一旦地震警报拖得太长，公共事务的重新安排、工厂停工、学校关门等一些措施不可避免地会引起社会疲软。
目前，现实的态度是接受这种事实：要进行最严格意义上的地震预报现在是不可能的。但是在世界上某些地区，尤其是板块边缘地区，其未来最大地震震级及未来几十年发震概率已经被估计出来。只要这种含有不确定性的估计不对公众信心产生误导，它们将有助于制定合理的社会政策，采取必要的措施减少地震危害。
