中央研究院週報 第0551期 1995年11月03日

可以長期預測地震嗎?

王錦華

自古以來,預測或預言未來事件的發生,一直是很多人的所愛。 對於生存在地震活動頻繁以及曾有大震災記錄的地區(譬如台灣地 區),地震預測就十分引人注意。這可由在今年三、四月間,媒體 連續報導花蓮地震預報事件(一次錯誤的預報)可見一斑。過去幾 十年間,中國大陸、日本、美國都曾投入大筆經費和人力從事地震 預測的研究,但很不幸效果都不理想。除了一九七五年發生於中國 大陸東北之海城地震可算是預測成功的例子外,其他所曾經預報的 地震都失敗。同時許多引起大震災的地震,事前都未引起注意,而 且有些還發生在事前被列為次要危險或不危險的地區。總之,地震 預測的研究是在瓶頸的階段,地震學家仍有許多工作要做,還有很 長的路要走。

與我們日常生活息息相關的預測就是氣象預報。氣象學家比較幸 運,在某種程度上天氣變化是可以直接目視。除了傳統的觀測儀器 外,他們還可應用二十四小時掃描大氣層的人造衛星監測系統,這 樣不僅可以目視,而且有很好的「視力」(立體及大範圍)。然而, 地震卻發生在地下較深處,而且震源區的範圍往往在數十公里以內 ,同時地下構造又不能完全的了解,再加上缺乏「透地雷達」以二 十四小時掃描地下,地震學家就無法正確地掌握未來地震的位置, 以便進行密集觀測,尋找中期及短期前兆。此外,以目前的狀況而 言,所預測之地震的發生時間僅可以有正負三天的誤差,而位置則 需在三十公里以內,這樣才能將誤報所造成的社會不安降到最低程 度,但這不是很容易的事。

雖然有上述的種種困難,地震學家仍然努力嘗試,推測未來可能 發生大地震的位置和可能時間。這種推測通常是利用過去的地震資 料,以及依據地震學和統計學的學理來進行。在進行這類研究前, 必會面臨到至少兩個問題:(1)地震活動是否有週期性?答案若否, 則無法利用已有的地震記錄,以準確推測未來的地震活動;(2)已有 的地震資料是否足夠和可靠?答案若否,則很難進行長期預測。第 (2) 項因素基本上受限於研究地區的背景條件(譬如是否有長期地 震觀測資料和歷史文獻),而可能無法進行。但是第(1)項則可一方 面在具有長期地震資料的地區,進行資料分析;另一方面則可從事 理論的探討或實驗室模型的研究,以瞭解問題。

筆者自一九八二年八月到本院地球科學所工作,在前七年間主要 從事地震活動之觀測和研究。在這期間,也曾利用台灣地區的地震 資料,探討地震預測的可能性。筆者自己及國內外學者的研究成果 ,基本上均顯示一項不受歡迎的結論:地震活動沒有顯著之週期性 。此外,自從一八九四年日本地震學家大森(Omori)教授提出隨冪 函數方式減小之地震餘震個數之公式後,其他的地震學者(包括筆 者本人)又找出多個有關地震之大小、時間、空間和波譜分佈之冪 函數關係式。這些觀測結果均顯示:地震源之力學作用或斷層之物 性分佈應具非線性或複雜性。因此,傳統之簡單的錯位( Dislocation)和裂隙( Crack)模型無法完全說明這些觀測結果, 發展新的理論模型是必要的。 在

一九六七年,美國洛杉磯加州大學的納伯夫(Knopoff)教授和 他的博士後研究人員巴芮吉(Burridge)博士,就提出一個一維的 動力格點模型,以描述地震斷層作用。但由於計算機之記憶空間和 計算速度的限制,以及大部分震源力學者著重於錯位和裂隙模型的 研究,這個模型在一九八七年以前並沒有受到重視;但在一九八七 年後,此模型被廣泛地引用於研究地震和統計物理學上的若干問題 。此模型不具顯著的特性長度,十分適用於探討自組臨界化( Self-organization Criticality)的問題。因此,本模型除了用於 動力模擬外,也應用於胞元自制化的模擬。但必須說明,仍然有許 多學者還是利用準靜態力學來模擬地震。

這個一維動力模型其實十分簡單,基本上包含介於兩塊相對運動 之板塊間的一連串格點,而兩格點間及每一格點與板塊間以彈簧相 連接,同時格點與板塊間存有一隨速度和狀態參數變化的摩擦力。 摩擦作用是本模型中主要的非線性項;而靜摩擦力的分佈亦可考慮 為非線性函數。只要計算機的能力允許,格點的個數可以非常的大 ,因此本模型具有模擬非線性和複雜性現象之雙重功能。

筆者於一九九○年九月,在國科會資助下,問學於納伯夫教授, 以研究地震源的動力過程。數年來,筆者在這課題上發表九篇有審 論文及四篇會議論文,相當程度地探討該模型本身之特性,以及模 擬數個地震的冪函數關係式。在筆者所得到的多項結論中,一項與 本標題有關的結論為:在一般接受的震源參數值範圍內,地震活動 並沒有週期性;當然對於某些數值的而言,模擬結果可以出現週期 性。前者與觀測的結果十分一致。同時,另外一些從事動力學模擬 和準靜力學模擬的學者也得到相同的結論。

雖然上述的地震觀測和理論分析較不利於長期地震預測,但筆者 仍然認為長期地震活動之研究是有正面意義。從長期的地震活動之 研究,我們雖然不能宣告某地區之地震週期為若干年,但至少可以 提供用於判斷未來發生地震的可能性之依據。對於較淺層的地震而 言,中、短期的地震預測仍然是可能的,值得進一步探討。