連地震都預測不到，地球科學到底在研究什麼？

合肥又雙叒叕地震了！10月1日16時34分在安徽合肥市肥東縣又發生了3.3級地震。接連不斷的地震讓不少人不禁感嘆：在我們所處的這個高度科技化的時代，幾乎每個領域都在突飛猛進。我們有衛星可以實時追蹤全球氣候變化，有超級計算機模擬各種複雜的自然現象，甚至可以在納米尺度上操控物質。然而，地震，這種古老而常見的自然災害，依然是一個無法準確預報的謎團。

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圖：合肥市地震局消息截圖

目前，人類掌握的地震預警技術，利用的是地震波傳播速度的差異。每當地震發生，大地都會釋放兩位“信使”——縱波（P波）和橫波（S波）。縱波是個急性子，速度達到每秒5至8千米，穿透固體迅速到達目的地，即使在液體中也能以每秒1至5千米的速度前行。儘管它來得快，破壞力卻較小。而橫波則像是沉穩的“力量派”，雖然移動較慢（每秒3至4千米），但破壞力顯著增強。不過，橫波的致命弱點是無法在液體和氣體中傳播，只能在堅硬的岩石中肆虐。

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圖：9月18日地震預警截圖

地震預警系統正是基於這個原理，通過捕捉縱波，在橫波到達前搶先發出警報，爲人們爭取寶貴的避險時間。至於預警時長，則取決於你離震源的遠近——越近，警報越短促；越遠，準備時間越充裕。而這幾秒到幾十秒的預警，可能就是生死攸關的轉折點。

然而，這也引出了一個更深的疑問：有沒有更有效的方式，能夠在地震發生前幾天、幾周，甚至幾個月準確預測？我們能否提前洞察到災難的徵兆？許多人不禁開始質疑：既然連地震都無法預測，那地球科學究竟在研究什麼？在投入瞭如此多的資源和精力後，爲什麼仍然無法解決這一關乎人類安全的難題？

地震預測的科學歷程

在2005年，美國《科學》雜誌提出了125個重大科學問題，其中第55個問題是：“是否存在有助於預報地震的先兆？”到2021年，《科學》再次提出了125個科學難題，其中包括：“我們能否更準確地預測災害性事件，如海嘯、颶風和地震？”這些問題至今懸而未決，反映出地震預測的巨大挑戰。

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圖：雜誌封面

儘管如此，科學家們從未停止探索這一難題，並提出了多種不同的預測方法。

早在1994年，King、Stein和Lin通過研究靜態應力變化與地震觸發的關係，揭示了地殼應力積累與地震發生的潛在聯繫，爲預測地震的觸發機制提供了理論框架。衆所周知，地震是地殼在快速釋放能量的過程中造成的振動，地殼就像一根被不斷拉緊的橡皮筋，壓力積累到一定程度後突然斷裂，這一瞬間就是地震的發生。

除了計算應力變化，King等人於1996年在《Science》上發表文章，通過觀測1995年阪神（大阪和神戶地區）地震前地下土壤中的氡濃度變化，發現氡氣濃度在震前一週顯著升高，似乎是大地發出的“預警信號”。這爲利用化學變化預測地震提供了一個實例，但這樣的變化並非每次地震前都會出現，使地震預測變得格外困難。Toutain和Baubron（1999）的研究進一步證實了氡氣等氣體在地震前兆現象中的重要作用，拓展了氣體地球化學的研究方向。

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圖：展示地下氡氣逸散的示意圖 大氣中的氡濃度是，在地震前後，通過發生的岩石裂縫（裂口），含有氡（222Rn）的氣體向地面逸散，並在輻射管理（RI）設施中進行測量。

不過，這些化學信號可能只是地球活動的表象，科學家們也在嘗試利用物理變化來預測地震。

在物理現象方面，Freund（2007）研究了地震前的物理信號，特別是電磁和化學前兆現象，並認爲地震發生前的電磁波變化可能是一個重要的預測依據。此外，Parsons（2005）則通過分析地震應力轉移，構建了地震概率預測的數學框架，使科學家們能夠更加準確地估算未來地震的發生概率。

不僅如此，科學家們還將目光投向了高空的電離層。地球上空的這一層充滿了帶電粒子，彷彿是一片隱形的海洋。當地震即將發生時，這片海洋的波動或許會提前透露出大地的變化。Pulinets和Boyarchuk（2004）的研究表明，電離層的擾動可能是地震前兆的表現形式，這爲利用空間科學手段預測地震開闢了新方向，似乎可以通過“天象”來洞察大地的變化。

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圖：希臘地區的電離層地震前兆掩模：橫座標標記地震前一天和地震後一天，零標記地震當天

在地表監測方面，Avouac等人（2015）利用GPS技術對喜馬拉雅地區的地殼形變進行了長期監測，研究了地震循環與應力積累之間的聯繫，爲通過地殼形變預測地震提供了寶貴的數據支持。全球研究中，Bouchon等人（2013）發現，大地震前通常伴隨着顯著的前震活動，這爲通過前震預測大地震提供了新的研究基礎。而在統計模型領域，Rundle等人（2000）應用統計物理學模型結合臨界點理論，進一步探討了地震活動的前兆現象，爲地震預測提供了理論支持。

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圖：利用空間大地測量觀測研究岩石圈變形、地震、海嘯、火山爆發及其對大氣的影響

隨着科技的進步，機器學習和人工智能也在地震預測中展現出潛力。Mousavi等人（2020）開發了一種基於深度學習的模型，用於識別微弱的地震信號；而Lauer和Weiss（2018）則探索了大數據和人工智能在預測地震中的應用前景，揭示了現代技術爲解決這一長期難題帶來的希望。

爲什麼地震預測依舊困難

儘管科學家們在地震預測方面進行了大量探索，提出了多種方法和模型，但要精確預測地震的“時間、地點和強度”仍是一個巨大的挑戰。

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首先，地殼的複雜性是地震預測面臨的核心難題之一。地震的發生通常涉及大規模構造運動和長期應力積累，而這一過程並非線性進行。地殼中的岩石層、斷裂帶、壓力狀態等多種因素都會影響應力的釋放模式，這使得預測地震的時機和地點極爲困難。即使在相似的地殼應力條件下，不同地區的地震表現也可能千差萬別。雖然科學家能夠通過監測斷層滑移速度和地殼形變來大致估算某些區域的地震風險，但準確預報具體的時間、地點和震級仍然遙不可及。

其次，地震源頭深藏於地表之下，直接觀測這些深層過程幾乎是不可能的。與此同時，地震前兆現象的不確定性進一步增加了預測難度。儘管科學家們已觀測到氡氣濃度變化、地震前的電磁波異常和地殼形變等潛在的預警信號，但這些現象並非每次地震前都會出現，而且它們的強度、出現時間和持續時間也沒有固定的規律。因此，這些前兆現象並不能作爲可靠的地震預測依據。例如，氡氣濃度的升高或電磁波的異常，有時會在地震發生前幾天顯現，有時卻僅在震前幾分鐘出現，甚至有些前兆現象可能根本與地震無關。這種高度的不確定性極大地削弱了前兆信息的可靠性。

此外，地震的發生是多個因素共同作用的結果，屬於高度非線性系統，類似於混沌現象。極小的變化可能導致完全不同的結果。地震涉及應力積累、板塊運動及局部構造環境等多種複雜因素。應力的積累可能持續幾百年，最後幾秒鐘突然釋放。這樣一種複雜的動力學過程，使科學家很難找到明確的臨界點來預測地震的發生。正如Parsons（2005）所指出的，雖然通過應力轉移分析可以估算未來地震的概率，但並不能精確預測其發生時間。

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圖：混沌系統-蝴蝶效應

最後，現有的技術手段也存在侷限。儘管機器學習和大數據技術已經應用於地震預測，但這些技術高度依賴歷史數據，特別是那些極爲稀缺的高精度前兆數據。由於地震本身是一種低頻、高破壞的自然現象，積累足夠的有效數據非常困難，導致預測模型的優化受到限制。即便深度學習模型能夠從歷史數據中捕捉一些規律，自然界的複雜性與多變性仍然遠遠超出了現有模型的預測能力。

因此，地震的預測是非常困難的，想僅從這幾次合肥地震就預測未來會有大地震的觀點，基本沒有太多的科學依據。

那麼，地球科學真的就無用嗎？

那麼，是否因此就認爲地球科學毫無用處呢？這樣的結論顯然過於片面。事實上，當前唯一能夠利用縱波與橫波速度差實現地震預警的技術，本身就源自地球科學的一個重要分支——固體地球物理學。

總的來說，地球科學是一門研究地球結構、形成與演化的基礎學科，涵蓋了地理學、地質學、地球化學、地球物理學、空間物理學、大氣科學、海洋科學以及環境科學等多個分支。它所研究的對象是一個複雜而龐大的系統，跨越數萬裡，時間跨度達數億年。

實際上，地球科學在衆多領域對人類社會產生了深遠的影響。正如中國科學院學部第九屆學術年會上，徐義剛院士所提到的，地球科學爲人類帶來了以下幾方面的重要貢獻：

1. 認知層面的貢獻

推動進化論的發展：19世紀初，英國地質學家查爾斯·萊爾在《地質學原理》中提出了地球演化是一個漸進的過程，這爲達爾文的進化論提供了堅實的基礎。地球科學家通過精確測定地球年齡（約45億年）以及研究化石記錄，揭示了生命形式的漸進演化過程。這些發現幫助人類在更廣闊的時間和空間尺度上，解答了“我們是誰？從哪裡來？要到哪裡去？”這一根本性問題。

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圖：地質學原理

改變人類的世界觀：20世紀中葉，板塊構造理論的提出，徹底革新了人們對大陸和海洋的認識。大陸分裂與漂移、海底擴張等現象的發現，不僅改變了地理認知，還爲人類開闢了探索未知領域的可能性，推動了全球範圍內社會和生活方式的深刻變革。

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圖：板塊運動

2. 財富創造層面

助力工業革命：能源是工業發展的基石，地球科學在能源的發現和開發中發揮了關鍵作用。煤炭引發了第一次工業革命，石油推動了第二次工業革命，第三次工業革命依賴於鈾、鍺、硅、鋰和稀土等關鍵元素，而第四次工業革命則依靠新型能源和能源金屬。中國科學家提出的陸相生油理論，打破了“中國貧油”的觀念，發現了大慶和勝利油田，爲我國現代工業體系的建立奠定了堅實基礎。

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圖：第二次工業革命

促進礦產資源開發：地質學中的成礦理論爲大規模礦產資源的發現提供了理論支持。在新中國成立初期，地質勘探爲國家經濟發展提供了重要保障。在“一五”時期，國家重點建設項目中，有一半的投資用於資源型城市的建設，這些城市因礦產而興起，爲建立我國獨立完整的工業體系做出了巨大貢獻。

3. 規則制定層面

應對氣候變化，推動可持續發展：地球科學家對氣候變化的研究，如愛德華·洛倫茨提出的“蝴蝶效應”和華萊士·布洛克對全球變暖的預測，爲應對氣候變化提供了科學依據。這些研究推動了全球範圍內低碳、綠色生活方式的倡導，成爲各國制定環保政策和協議的基礎，促進了全球可持續發展。

指導人類活動的合理規劃：地質學家通過對資源分佈規律的認知，爲工業化進程中的基礎設施建設提供了參考。例如，他們可以根據地質構造和地層條件，預測大型礦牀的分佈，爲工廠和交通網絡的合理佈局提供科學支持，極大地推動了工業化發展。

地球科學的前沿

地震預測的難題不僅源於地殼的複雜性和前兆現象的不可預見性，還與地震系統的非線性特徵密切相關。儘管科學家們在地震預測方面提出了多種理論和方法，並不斷探索新技術，但要在具體的時間、地點和震級上做出精確預測仍然十分困難。然而，這並不意味着地球科學毫無用處。實際上，地球科學不僅在地震預警、氣候變化、資源開發等方面作出了重大貢獻，還幫助人類加深了對地球演化、生命起源等根本問題的認識。

根據中國科學院與科睿唯安公司面向全球發佈的年度《2023研究前沿》報告和《2023研究前沿熱度指數》，當前全球關注的十大熱點前沿主題包括：

地理學（6個主題）：包括集成衛星激光測高數據的海洋及森林測繪；氣候變化對美國西部野火後森林恢復力的影響；高亞洲冰川質量變化的水文響應；南極洲和格陵蘭島冰量損失對海平面變化的影響；全球海風和海浪測量與評估；利用重力勘測和氣候試驗及其後繼任務研究陸地水儲量變化。

大氣科學（3個主題）：包括CMIP6模式高氣候敏感性成因及影響研究；基於衛星遙感數據的城市熱島效應研究；多種地球系統模型的配置優化與進展研究

行星地質學（1個主題）：小行星地表特徵和樣本成分分析

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圖：《2023研究前沿》

除了報告中提到的氣候變化與環境變化領域，地球科學的前沿研究還涉及地球深部過程、極端環境生命與生物圈-地圈相互作用、地球與行星的比較科學、水圈-大氣圈相互作用等領域。

由於地震、火山噴發、海嘯和滑坡等自然災害對人類社會構成巨大威脅，如何更好地預測和監測這些災害，成爲地球科學的重要研究方向之一，這也包括自然災害的監測與預測。地球科學是一門高度依賴觀測技術的學科。隨着技術的不斷進步，未來預測地震的日子或許不會太遠。科學家們正通過融合多學科的方法，利用先進的儀器和大數據分析，逐步揭開地震預測的神秘面紗，爲人類社會的安全與可持續發展提供更加可靠的保障。