《地震數(shù)值預(yù)測(cè)總體設(shè)計(jì)導(dǎo)論》序跋＊

張 懷 張曉東 徐錫偉 吳忠良 邵志剛 張永仙

1) 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 101408

2) 中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036

3) 應(yīng)急管理部國(guó)家自然災(zāi)害防治研究院，北京 100085

4) 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100081

地震數(shù)值預(yù)測(cè)一直是我們追求的目標(biāo)，由中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所學(xué)者編著的《地震數(shù)值預(yù)測(cè)總體設(shè)計(jì)導(dǎo)論》（圖1）要與大家見(jiàn)面了，為了讓大家提前了解該書(shū)內(nèi)容，特刊出張懷教授（序一）、張曉東研究員（序二）、徐錫偉研究員（序三）應(yīng)邀為該書(shū)所作的3 個(gè)序和吳忠良研究員、邵志剛研究員、張永仙研究員應(yīng)邀為該書(shū)所作的跋。

《地震數(shù)值預(yù)測(cè)總體設(shè)計(jì)導(dǎo)論》試圖在前人工作的基礎(chǔ)上，參照其他領(lǐng)域的總體設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，面向更大范圍的讀者，討論地震數(shù)值預(yù)測(cè)的總體設(shè)計(jì)問(wèn)題，或者說(shuō)從總體設(shè)計(jì)的角度討論地震數(shù)值預(yù)測(cè)問(wèn)題。

全書(shū)分為7 章。除引言和第7 章（結(jié)論和討論）外，第2 章側(cè)重地震數(shù)值預(yù)測(cè)作為一個(gè)系統(tǒng)的“輸入”和“輸出”，介紹國(guó)內(nèi)外地震數(shù)值預(yù)測(cè)的幾個(gè)典型案例。第4 章從地震數(shù)值預(yù)測(cè)如何與統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)、經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)、物理預(yù)測(cè)等結(jié)合的角度，介紹地震數(shù)值預(yù)測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景的若干典型案例。第3 章集中討論地震數(shù)值預(yù)測(cè)概念設(shè)計(jì)中的一些關(guān)鍵問(wèn)題。第5 章針對(duì)如何使目標(biāo)時(shí)間尺度較長(zhǎng)的地震數(shù)值預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)時(shí)間相依（time-dependent），并在現(xiàn)有的地震預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)中發(fā)揮作用的問(wèn)題，以年度地震趨勢(shì)會(huì)商為例，討論一種“混合預(yù)測(cè)”的策略，這也是在中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心所開(kāi)展的實(shí)踐的一個(gè)小結(jié)。第6 章結(jié)合中國(guó)地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，給出一個(gè)地震數(shù)值預(yù)測(cè)總體設(shè)計(jì)的應(yīng)用實(shí)例，該實(shí)例與實(shí)驗(yàn)場(chǎng)國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施的項(xiàng)目建議和可行性研究工作以及實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃工作有關(guān)，但更多地反映了某種“理想狀態(tài)”下的地震數(shù)值預(yù)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)的思路。

圖1 《地震數(shù)值預(yù)測(cè)總體設(shè)計(jì)導(dǎo)論》封面Fig.1 Cover of Overall Design of Numerical Earthquake Forecasting

該書(shū)由地震科學(xué)聯(lián)合基金（項(xiàng)目號(hào)U2039207）、科技部重點(diǎn)研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)（項(xiàng)目號(hào)2021YFC3000605）資助出版。

序一

國(guó)際上關(guān)于地震預(yù)報(bào)的討論可以追溯到1909年，G.K.Gilbert 在Science上發(fā)文稱(chēng)，基于對(duì)地震發(fā)生最基本的認(rèn)識(shí)，即地震是剪切應(yīng)變條件下巖石的突然斷裂或滑動(dòng)引起的，我們能夠?qū)Φ卣疬M(jìn)行預(yù)測(cè)。此后，科學(xué)家一直致力于尋求科學(xué)地進(jìn)行地震預(yù)測(cè)的方法。囿于人們對(duì)地震的認(rèn)識(shí)有限，地震預(yù)測(cè)相關(guān)的工作研究很長(zhǎng)時(shí)間都停留在經(jīng)驗(yàn)性、不確定性、不穩(wěn)定性的思維和方法中，既與地震的孕震背景相關(guān)性小，也缺乏物理依據(jù)。

近年來(lái)，數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)與人工智能驅(qū)動(dòng)、大規(guī)模數(shù)值模擬等新概念、新技術(shù)、新模型層出不窮，越來(lái)越多的行業(yè)開(kāi)始了數(shù)值預(yù)測(cè)的探索和應(yīng)用。大量的實(shí)例都證明了數(shù)值預(yù)測(cè)的可行性，有效性和穩(wěn)定性。因此，地震數(shù)值預(yù)測(cè)逐漸成為近些年來(lái)進(jìn)展最大，最有可能獲得成效的預(yù)測(cè)方法之一。

美國(guó)的南加州地震中心（Southern California Earthquake Center，SCEC）自1988年以來(lái)，針對(duì)美國(guó)加州地區(qū)，構(gòu)建了統(tǒng)一的加州地震破裂預(yù)測(cè)系統(tǒng)（Uniform California Earthquake Rupture Forecast，UCERF），并發(fā)布該地區(qū)地震發(fā)生的概率，以及可能會(huì)產(chǎn)生的相關(guān)災(zāi)害。2009年意大利拉奎拉6.3 級(jí)地震后，歐洲大力發(fā)展可操作的地震預(yù)測(cè)（Operational Earthquake Forecast，OEF），提供不斷更新的概率預(yù)報(bào)，并發(fā)展基于應(yīng)力觸發(fā)的地震預(yù)測(cè)、基于地震概率模型的預(yù)測(cè)，以及兩者的結(jié)合等。

中國(guó)科學(xué)家也一直在尋求對(duì)地震進(jìn)行科學(xué)的、具有物理意義的、可重復(fù)可再現(xiàn)的預(yù)報(bào)方法。1956年，傅承義率先在“科技長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃”中提出開(kāi)展地震預(yù)報(bào)研究工作的規(guī)劃、科學(xué)途徑和實(shí)施方法，和中國(guó)地震活動(dòng)性及其災(zāi)害防御研究。1963年，傅承義先生在《科學(xué)通報(bào)》上發(fā)表《有關(guān)地震預(yù)報(bào)的幾個(gè)問(wèn)題》，這是我國(guó)在科學(xué)刊物上提出地震預(yù)報(bào)的第一篇文章。王仁院士在1980年將數(shù)值計(jì)算方法應(yīng)用到華北地區(qū)強(qiáng)震的時(shí)空演化研究中。地震數(shù)值預(yù)報(bào)的思想在我國(guó)最早由劉啟元和吳建春在2005年的論文《論地震數(shù)值預(yù)報(bào)—關(guān)于我國(guó)地震預(yù)報(bào)研究發(fā)展戰(zhàn)略的思考》中提出。而后，石耀霖院士等提出了地震數(shù)值預(yù)測(cè)路線(xiàn)的初步設(shè)想。張培震院士、陳颙院士、張國(guó)民研究員等都先后提出了地震數(shù)值預(yù)測(cè)的設(shè)想和展望。

數(shù)值地震預(yù)報(bào)，即在充分繼承經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，引入物理約束，采用數(shù)據(jù)與模型雙驅(qū)動(dòng)可計(jì)算性建模，對(duì)復(fù)雜斷層系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的地震進(jìn)行時(shí)空與震級(jí)的定量性概率估計(jì)的地震預(yù)測(cè)與預(yù)報(bào)方法。數(shù)值地震預(yù)報(bào)是地震預(yù)報(bào)理論、方法、技術(shù)、專(zhuān)家智庫(kù)的集大成者，是地震預(yù)報(bào)這一領(lǐng)域難題應(yīng)對(duì)大數(shù)據(jù)、人工智能和高性能數(shù)值模擬飛速發(fā)展的必由之路。

數(shù)值地震預(yù)報(bào)基于地震孕育和發(fā)生的物理規(guī)律，利用現(xiàn)代多種技術(shù)手段觀(guān)測(cè)和大規(guī)模數(shù)字化記錄積累的海量數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮現(xiàn)代高性能計(jì)算技術(shù)能力，集成模型驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的大規(guī)模數(shù)值計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)大地震長(zhǎng)中短臨漸進(jìn)式的實(shí)用化預(yù)報(bào)。

對(duì)地震孕育發(fā)生物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)是地震數(shù)值預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)。物理預(yù)報(bào)不能停留在定性的一般性討論，必須能夠定量化地體現(xiàn)于數(shù)值預(yù)報(bào)之中。地震數(shù)值預(yù)報(bào)依賴(lài)于創(chuàng)新的技術(shù)方法，依據(jù)累積的海量科學(xué)數(shù)據(jù)，挖掘認(rèn)識(shí)地震孕育發(fā)生的規(guī)律及其物理機(jī)制。

從可操作實(shí)現(xiàn)上，地震數(shù)值預(yù)報(bào)的研究既要重視基礎(chǔ)研究、規(guī)劃長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，也要急地震工作之所急，只爭(zhēng)朝夕，開(kāi)展?jié)u進(jìn)式長(zhǎng)中短臨預(yù)報(bào)實(shí)用化探索。地震數(shù)值預(yù)報(bào)的研究將對(duì)地震科研起先導(dǎo)作用，帶動(dòng)地震科學(xué)和地震預(yù)報(bào)研究的發(fā)展。地震數(shù)值預(yù)報(bào)研究，對(duì)地震孕育發(fā)生的物理過(guò)程研究有更直接和迫切的要求，對(duì)了解巖石圈的結(jié)構(gòu)、狀態(tài)和物理力學(xué)性質(zhì)以及巖石圈動(dòng)力學(xué)相關(guān)的各種動(dòng)態(tài)觀(guān)測(cè)有更具體的需求，反之也使這些基礎(chǔ)性研究和資料能更直接地發(fā)揮實(shí)際作用，而不是基礎(chǔ)研究與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)兩層皮。

《地震數(shù)值預(yù)測(cè)總體設(shè)計(jì)導(dǎo)論》一書(shū)從總體設(shè)計(jì)的角度，闡述了地震數(shù)值預(yù)測(cè)的概念、發(fā)展歷程、典型案例、基本問(wèn)題和應(yīng)用場(chǎng)景，并介紹了針對(duì)地震預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)的一些相關(guān)數(shù)值預(yù)測(cè)嘗試，討論了中國(guó)地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)關(guān)于地震數(shù)值預(yù)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，是這一領(lǐng)域的一項(xiàng)有重要意義的工作。

地震數(shù)值預(yù)報(bào)研究必將引起巨大的新思考和新變化，對(duì)地震科研和地震工作發(fā)揮促進(jìn)和先導(dǎo)引領(lǐng)作用。地震數(shù)值預(yù)測(cè)研究自身短期內(nèi)雖然不會(huì)成為主要地震預(yù)測(cè)手段，但它促進(jìn)的高性能計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析，會(huì)促進(jìn)從簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)向統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)化，并逐步增加預(yù)報(bào)中對(duì)物理機(jī)制的考慮，有助于把我國(guó)目前的經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)提高到新水平。

序二

用了三天時(shí)間一口氣詳細(xì)讀完了《地震數(shù)值預(yù)測(cè)總體設(shè)計(jì)導(dǎo)論》，思緒久久不能平靜，為能夠在地震預(yù)測(cè)科技發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期出版這一具有重要意義的書(shū)籍感到欣慰和激動(dòng)，也為年輕的地震預(yù)測(cè)研究專(zhuān)家能夠編寫(xiě)出這本書(shū)感到自豪。

全書(shū)中闡述了地震數(shù)值預(yù)測(cè)的概念、內(nèi)容、原則和國(guó)內(nèi)外進(jìn)展情況，對(duì)地震數(shù)值預(yù)測(cè)的典型案例、基本問(wèn)題和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了論述，介紹了近期國(guó)內(nèi)相關(guān)數(shù)值預(yù)測(cè)的進(jìn)展情況，討論了中國(guó)地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)關(guān)于地震數(shù)值預(yù)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，是這一領(lǐng)域的最具基礎(chǔ)性的工作成果。

通過(guò)長(zhǎng)期的地震科學(xué)探索實(shí)現(xiàn)地震預(yù)報(bào)，是人類(lèi)的夢(mèng)想，也是當(dāng)今世界科學(xué)難題。人類(lèi)以往對(duì)地震孕育發(fā)生機(jī)理的研究，主要是經(jīng)驗(yàn)性的研究方法（利用以往的震例進(jìn)行現(xiàn)象的總結(jié)、歸納和推理），其間也有極少部分地震在有利的條件下實(shí)現(xiàn)過(guò)成功的預(yù)測(cè)，但是這些成功的預(yù)測(cè)主要是經(jīng)驗(yàn)性的。

隨著全球與地震相關(guān)的觀(guān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，尤其是地震、GNSS、重力等學(xué)科高密度、高精度觀(guān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)，觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)得到了極大的豐富。地下斷層和介質(zhì)結(jié)構(gòu)分辨率大幅度提高，不僅可以獲得高分辨的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)也具備相當(dāng)?shù)目尚哦?。同時(shí)，慢地震、地震成核、Tremor 等一些新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，為地震數(shù)值預(yù)測(cè)初期的開(kāi)展奠定了基礎(chǔ)。

美國(guó)的南加州地震中心（SCEC）構(gòu)建了統(tǒng)一的加州地震破裂預(yù)測(cè)系統(tǒng)，并發(fā)布了該地區(qū)地震發(fā)生的概率和災(zāi)害預(yù)測(cè)結(jié)果。2009年意大利拉奎拉6.3 級(jí)地震后，可操作的地震預(yù)測(cè)引起了國(guó)際上足夠的重視，開(kāi)始提供不斷更新的概率預(yù)報(bào)，并發(fā)展了基于應(yīng)力觸發(fā)的地震預(yù)測(cè)、基于地震概率模型的預(yù)測(cè)結(jié)果等。

我國(guó)已經(jīng)在中國(guó)地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的川滇實(shí)驗(yàn)區(qū)建立了相關(guān)的1.0 版的數(shù)值預(yù)測(cè)公共模型，包括斷層模型、速度結(jié)構(gòu)模型、形變模型、流變模型等，初步建立了30年尺度強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)概率預(yù)測(cè)模型。在發(fā)布的《中國(guó)地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)科學(xué)設(shè)計(jì)》中將發(fā)展地震數(shù)值預(yù)測(cè)作為重要的研究方向。

地震數(shù)值預(yù)報(bào)研究必將開(kāi)辟地震預(yù)測(cè)的新領(lǐng)域，引起地震預(yù)測(cè)科學(xué)的新變化。地震數(shù)值預(yù)測(cè)短期內(nèi)雖然不會(huì)成為主要地震預(yù)報(bào)手段，但它會(huì)促進(jìn)從經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)向物理預(yù)報(bào)轉(zhuǎn)變，有助于把我國(guó)目前的經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)提高到新的水平，實(shí)現(xiàn)地震數(shù)值預(yù)測(cè)從無(wú)到有的轉(zhuǎn)變。

近年來(lái)由于大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)的推動(dòng)，數(shù)值預(yù)測(cè)的探索和應(yīng)用開(kāi)始加速發(fā)展，初步顯現(xiàn)出地震數(shù)值預(yù)測(cè)的可行性。中國(guó)地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目已經(jīng)開(kāi)始考慮建立地震數(shù)值預(yù)測(cè)技術(shù)的軟件系統(tǒng)。因此，地震數(shù)值預(yù)測(cè)將逐漸成為地震預(yù)測(cè)方法新的探索途徑，將對(duì)地震預(yù)報(bào)科學(xué)發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用。

序三

隨著高分辨率觀(guān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)步和超級(jí)計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的提升，孕育發(fā)生強(qiáng)震、大地震或特大地震的三維地質(zhì)構(gòu)造和地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)預(yù)警相關(guān)的科研活動(dòng)、業(yè)務(wù)運(yùn)行等工作逐步實(shí)現(xiàn)了數(shù)值化和定量化。例如，在與地震災(zāi)害成因密切相關(guān)的活動(dòng)構(gòu)造研究中，活動(dòng)斷層地表幾何結(jié)構(gòu)、地表破裂型地震復(fù)發(fā)間隔、地震事件離逝率等成果不僅實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化和定量化表達(dá)，還利用三維活動(dòng)斷層模型模擬推演技術(shù)將這些參數(shù)化、定量化成果嘗試性地用于地震預(yù)測(cè)中，已然成為地震預(yù)報(bào)領(lǐng)域需要重點(diǎn)發(fā)展、從經(jīng)驗(yàn)性預(yù)報(bào)向具有物理意義地震預(yù)測(cè)過(guò)渡不可或缺的前瞻性議題，地震數(shù)值預(yù)測(cè)正是其中一個(gè)值得關(guān)注的熱點(diǎn)。

迄今為止，我們對(duì)震源所在地殼的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、物性參數(shù)、應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)等知之甚少，有限的地表儀器觀(guān)測(cè)、歷史文獻(xiàn)記錄、空天對(duì)地遙感等數(shù)據(jù)、資料很難準(zhǔn)確地描述出活動(dòng)斷層上破壞性地震孕育—斷層破裂滑動(dòng)—斷層面愈合這一遠(yuǎn)超人類(lèi)個(gè)體生命周期的復(fù)雜過(guò)程，已有發(fā)震斷層應(yīng)變積累方式、滑動(dòng)習(xí)性等力學(xué)模型與客觀(guān)現(xiàn)實(shí)之間的偏差，嚴(yán)重制約了數(shù)值地震預(yù)測(cè)的發(fā)展。從萬(wàn)年尺度活動(dòng)斷層滑動(dòng)習(xí)性和地表破裂型地震復(fù)發(fā)模型研究可知，地表破裂型強(qiáng)震、大地震或特大地震震級(jí)大小與活動(dòng)斷層地震破裂分段長(zhǎng)度、破裂面積、凹凸體形態(tài)特征及其在一定條件下多個(gè)段落的級(jí)聯(lián)破裂行為密切相關(guān)。已有研究表明，特定地區(qū)強(qiáng)震、大地震或特大地震孕育、發(fā)生取決于活動(dòng)斷層三維結(jié)構(gòu)特征、破裂滑動(dòng)強(qiáng)度、應(yīng)力—應(yīng)變狀態(tài)等，復(fù)發(fā)模型包括單條活動(dòng)斷層上位移可變模型（variable slip model）、均勻位移模型（uniform slip model）、特征地震模型（characteristic earthquake model）或特征位移模型（characteristic slip model）等，還包括巨型活動(dòng)斷層段落之間或活動(dòng)斷層系之間相互作用下復(fù)發(fā)間隔逐漸縮短的叢狀群集模型、復(fù)發(fā)間隔相對(duì)較短的活躍期與復(fù)發(fā)間隔相對(duì)較長(zhǎng)平靜期相間臺(tái)階狀復(fù)發(fā)模型等。在過(guò)去的近20年間，以鄧起東院士為代表的地震地質(zhì)科學(xué)家們，基于活動(dòng)斷層長(zhǎng)期滑動(dòng)習(xí)性和構(gòu)造力學(xué)機(jī)制，結(jié)合地球物理探查結(jié)果、近斷層形變觀(guān)測(cè)和地震活動(dòng)性監(jiān)測(cè)，通過(guò)構(gòu)建地震構(gòu)造模型和數(shù)值模擬，已經(jīng)能夠更準(zhǔn)確地識(shí)別或判定高震級(jí)地震危險(xiǎn)區(qū)，為高震級(jí)地震（M≥7）監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)和防震減災(zāi)提供可靠的標(biāo)靶。

本專(zhuān)著從我國(guó)發(fā)展具有物理意義地震數(shù)值預(yù)測(cè)需求出發(fā)，不僅回顧了地震數(shù)值預(yù)測(cè)的發(fā)展歷程、基本概念、內(nèi)涵和外延，還展示了國(guó)家和行業(yè)科技規(guī)劃和部署，以及科學(xué)家個(gè)人的推動(dòng)作用；在國(guó)內(nèi)外地震數(shù)值預(yù)測(cè)典型案例解剖、現(xiàn)有地震成因力學(xué)模型和斷層摩擦滑動(dòng)行為分析基礎(chǔ)上，深入淺出地討論了地震數(shù)值預(yù)測(cè)的可行性、存在的基本物理問(wèn)題與應(yīng)用場(chǎng)景，明確了地震數(shù)值預(yù)測(cè)的前提是利用三維建模技術(shù)構(gòu)建反映客觀(guān)、真實(shí)地殼物性參數(shù)和斷層幾何結(jié)構(gòu)形態(tài)特征的地震構(gòu)造模型，詳盡展示了從地震構(gòu)造背景、活動(dòng)斷裂孕震特征、塊體變形特征中分析并提取區(qū)域構(gòu)造變形基本特征，建立三維地震構(gòu)造模型，并結(jié)合地震活動(dòng)性和地殼應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行地震數(shù)值預(yù)測(cè)的全過(guò)程。值得關(guān)注的是，在有關(guān)章節(jié)還重點(diǎn)介紹了對(duì)川滇交界東南緣鮮水河—小江斷裂系及其周緣地區(qū)的相關(guān)建模和結(jié)果分析的全過(guò)程：在把握川滇交界東南緣的地震構(gòu)造背景、活動(dòng)斷裂運(yùn)動(dòng)學(xué)特征和強(qiáng)震孕震動(dòng)力學(xué)機(jī)制基礎(chǔ)上，選擇鮮水河—小江斷裂系及其周緣斷裂作為研究目標(biāo)，蘊(yùn)含著高速走滑斷層運(yùn)動(dòng)特征、活動(dòng)斷層構(gòu)造變形分配機(jī)制、強(qiáng)震孕育機(jī)理等諸多熱點(diǎn)研究問(wèn)題，體現(xiàn)了地震數(shù)值預(yù)測(cè)中幾大重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，是構(gòu)造力學(xué)思維在地質(zhì)分析、構(gòu)造建模、數(shù)值計(jì)算與分析以及地震危險(xiǎn)性判定上的集中應(yīng)用。

本專(zhuān)著不僅有助于相關(guān)從業(yè)人員了解地震數(shù)值預(yù)測(cè)學(xué)科的發(fā)展主線(xiàn)，也為非專(zhuān)業(yè)人士了解這個(gè)正在蓬勃發(fā)展中的熱點(diǎn)研究方向提供了很好的參考資料。

跋

1 復(fù)雜性物理視野中預(yù)測(cè)的可行性問(wèn)題

地震數(shù)值預(yù)測(cè)初看起來(lái)似乎是一種拉普拉斯決定論的產(chǎn)物。近年來(lái)非線(xiàn)性物理系統(tǒng)中各種復(fù)雜性的發(fā)現(xiàn)，仿佛從根本上動(dòng)搖了地震數(shù)值預(yù)測(cè)的可行性。然而從物理上看，正是地球巖石圈系統(tǒng)的非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，使地震數(shù)值預(yù)測(cè)具有了可操作的性質(zhì)。與數(shù)值氣候預(yù)測(cè)模型相比，目前地震數(shù)值預(yù)測(cè)還處于“初級(jí)階段”。但參照非線(xiàn)性物理的研究成果及其在數(shù)值氣候預(yù)測(cè)等方面的應(yīng)用，地震數(shù)值預(yù)測(cè)的可行性，道理是相通的。

地震的孕育和發(fā)生離不開(kāi)巖石圈及其層次性結(jié)構(gòu)。在巖石圈動(dòng)力系統(tǒng)這一具有不同層次的開(kāi)放系統(tǒng)中，導(dǎo)致地震孕育和發(fā)生的各層次的相互作用，表現(xiàn)為諸多相互依賴(lài)的物理機(jī)制，每種機(jī)制都會(huì)導(dǎo)致失穩(wěn)。即使“拉普拉斯妖”可以給我們提供巖石圈的所有細(xì)節(jié)（其結(jié)構(gòu)、其本構(gòu)關(guān)系，等等），在這一系統(tǒng)中也存在種種可以導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)性的現(xiàn)象，如確定性混沌（deterministic chaos）、自組織臨界性（selforganized criticality），等等。在這一系統(tǒng)中進(jìn)行地震的定量預(yù)測(cè)，仿佛因此成為一個(gè)物理上不可能的目標(biāo)。

然而非線(xiàn)性物理所揭示的一個(gè)重要現(xiàn)象是，隨著所考慮的物理問(wèn)題的尺度的不同，在具有復(fù)雜性的物理體系中，往往會(huì)“涌現(xiàn)”出一些可以導(dǎo)致可預(yù)測(cè)性的規(guī)律性。傳統(tǒng)的“還原論”（reductionism）性質(zhì)的分析，此時(shí)為“總體性”（holism）的分析所取代。重要的是，其中的一些通過(guò)“涌現(xiàn)”（emergence）而顯示出的可用來(lái)描述系統(tǒng)的狀態(tài)、預(yù)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)的規(guī)律性，具有一些與模型細(xì)節(jié)無(wú)關(guān)的“普適性”（universality）的性質(zhì)。這就使得在對(duì)巖石圈結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)并不是十分了解、在大地震的“樣本數(shù)”比較稀少、在地震的孕育和發(fā)生過(guò)程具有多種復(fù)雜性的情況下，地震數(shù)值預(yù)測(cè)不僅可以有所作為，而且可以為克服這些固有的困難作出獨(dú)特的貢獻(xiàn)。

世紀(jì)之交關(guān)于地震預(yù)測(cè)的可能性的爭(zhēng)論，在科學(xué)思想的發(fā)展中具有重要意義。因?yàn)檫@畢竟是人類(lèi)從理論上思考地震的“物理可預(yù)測(cè)性”的一個(gè)重要嘗試，其所導(dǎo)致的“研究范式轉(zhuǎn)變”，表現(xiàn)為改變了原來(lái)的“游戲規(guī)則”。“規(guī)則”變化之一是，理論上，以前人們一直力圖寫(xiě)出地震的動(dòng)力學(xué)方程。在相當(dāng)多的情況下，這種要求并不現(xiàn)實(shí)。地震預(yù)測(cè)的非線(xiàn)性物理研究使人們開(kāi)始注意另一種可能性：既然非線(xiàn)性復(fù)雜系統(tǒng)的一些行為，可以與系統(tǒng)的一些細(xì)節(jié)無(wú)關(guān)，那么，是否可以用較為簡(jiǎn)單的模型闡明地震的一些規(guī)律，并將其應(yīng)用于地震的預(yù)測(cè)。“規(guī)則”變化之二是，經(jīng)驗(yàn)上，以前人們一直試圖找到地震發(fā)生的規(guī)律（例如周期性）。在相當(dāng)多的情況下，這種嘗試并不成功?，F(xiàn)在人們開(kāi)始注意到，是否有這樣的可能：從理論上先看看可能會(huì)存在，或者不存在哪些“規(guī)律性”。地震數(shù)值預(yù)測(cè)為這兩個(gè)方向的研究范式轉(zhuǎn)變提供了一個(gè)不可多得的工具。

不過(guò)歷史地看，這次世紀(jì)爭(zhēng)論的局限性也是明顯的。實(shí)際上，本應(yīng)該是：

因?yàn)閹r石圈動(dòng)力學(xué)是非線(xiàn)性的，所以一些地震的預(yù)測(cè)，或者地震的一些性質(zhì)的預(yù)測(cè)是可能的。

因?yàn)閹r石圈動(dòng)力學(xué)是非線(xiàn)性的，所以一些地震的預(yù)測(cè)，或者地震的一些性質(zhì)的預(yù)測(cè)是不可能的。

這兩個(gè)結(jié)論都是對(duì)的，并沒(méi)有矛盾。但問(wèn)題是，爭(zhēng)論雙方都把結(jié)論表述為：

因?yàn)閹r石圈動(dòng)力學(xué)是非線(xiàn)性的，所以地震預(yù)測(cè)是可能的。

因?yàn)閹r石圈動(dòng)力學(xué)是非線(xiàn)性的，所以地震預(yù)測(cè)是不可能的。

2 不確定性及其應(yīng)對(duì)策略

地震數(shù)值預(yù)測(cè)中涉及若干帶有很大不確定性的參數(shù)。應(yīng)對(duì)這種不確定性的深層次的思路，就是由巖石圈動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜性所導(dǎo)致的“總體性”分析。“粗?；碧幚砉倘徊豢杀苊獾貙?dǎo)致空間—時(shí)間分辨率的下降，但“粗?；钡奶幚沓３？梢园盐找恍Q定系統(tǒng)演化趨勢(shì)，特別是系統(tǒng)中的突變的特征。對(duì)于一個(gè)由很多基本單元組成的系統(tǒng)，在可以給出各基本單元的物理參數(shù)的不確定性范圍的情況下，類(lèi)似于“各態(tài)歷經(jīng)”的所有可能情況的總合，或者說(shuō)類(lèi)似于“蒙特卡羅”的處理，不一定確切地、卻比較方便地給出了“概率分布”的概念。

應(yīng)對(duì)初始條件不清楚的困難，一個(gè)普遍采用的思路是把地震的動(dòng)力學(xué)過(guò)程處理成一個(gè)“馬爾科夫鏈”，即系統(tǒng)現(xiàn)在的情況由系統(tǒng)的“最近的過(guò)去”的情況所決定— 在離散時(shí)間的情況下，由系統(tǒng)的“前一步”的情況所決定。對(duì)于地震問(wèn)題而言，由于與連續(xù)彈性介質(zhì)中的“圣維南原理”有關(guān)的機(jī)制，也許“馬爾科夫鏈”的概念可以擴(kuò)展為“時(shí)空馬爾科夫鏈”，即一個(gè)地點(diǎn)的情況決定于離該點(diǎn)較近的周邊在其“最近的過(guò)去”的情況—在離散的情況下，一個(gè)結(jié)點(diǎn)的現(xiàn)在的情況由其“最近鄰”結(jié)點(diǎn)的“前一步”的情況所決定。

應(yīng)該說(shuō)，無(wú)論是類(lèi)似于“馬爾科夫鏈”的處理，還是類(lèi)似于“蒙特卡羅”的處理，一定程度上都是“沒(méi)有辦法的辦法”。需要提出的問(wèn)題，也許不在這些辦法是有限度的，而是為什么這些辦法在一些情況下是有效的，而由此所導(dǎo)致的可預(yù)測(cè)性，其邊界究竟在什么地方，是需要通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究的問(wèn)題。

地震數(shù)值預(yù)測(cè)問(wèn)題，就其物理實(shí)質(zhì)而言涉及與其他類(lèi)似的物理問(wèn)題相同的基本問(wèn)題：“微觀(guān)”與“宏觀(guān)”的關(guān)系，“不確定性”與“可預(yù)測(cè)性”的關(guān)系，“量變”與“質(zhì)變”的關(guān)系，或者“漸變”與“突變”的關(guān)系。

3 地震預(yù)測(cè)研究的核心困難與地震數(shù)值預(yù)測(cè)的重要性

目前，地震預(yù)測(cè)基本上沿著三個(gè)方向發(fā)展。一是統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)，主要包括基于地震本身的統(tǒng)計(jì)規(guī)律（如“地震空區(qū)”、地震“周期性”等）的預(yù)測(cè)，和基于地震的“標(biāo)度關(guān)系”（典型地表現(xiàn)為“用小地震預(yù)測(cè)大地震”）的預(yù)測(cè)；二是經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)，主要包括基于地震前兆異常的預(yù)測(cè)，和基于不同前兆異常的“綜合性的”預(yù)測(cè)，其中專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)從物理上說(shuō)相當(dāng)于在地震分析中引入了“附加自由度”；三是物理預(yù)測(cè)，主要包括基于沖擊-響應(yīng)過(guò)程（如利用日月引潮力對(duì)地球的一些部位形成“加載、卸載”，再通過(guò)“加載-卸載響應(yīng)比”來(lái)推測(cè)其不穩(wěn)定性）的預(yù)測(cè)（一次地震發(fā)生之后，通過(guò)其所造成的應(yīng)力擾動(dòng)影響另一個(gè)潛在地震區(qū)的不穩(wěn)定性，也屬于這種預(yù)測(cè)），二是基于模擬的預(yù)測(cè)（大致上相當(dāng)于本書(shū)所討論的“狹義的”地震數(shù)值預(yù)測(cè)）。從目前地震預(yù)測(cè)領(lǐng)域發(fā)展的實(shí)際情況看，“用物理預(yù)測(cè)取代統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)和經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)”作為一個(gè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展目標(biāo)或是合理的，但作為一個(gè)近期目標(biāo)還不現(xiàn)實(shí)?，F(xiàn)階段的現(xiàn)實(shí)主義的發(fā)展戰(zhàn)略，應(yīng)是三種預(yù)測(cè)“取長(zhǎng)補(bǔ)短”，“協(xié)同作戰(zhàn)”。

地震預(yù)測(cè)的研究，面臨三方面的核心困難，即“地球內(nèi)部的不可入性、大地震的非頻發(fā)性、地震孕育發(fā)生過(guò)程的復(fù)雜性”。地震數(shù)值預(yù)測(cè)對(duì)于克服這些困難具有獨(dú)特的作用。

大地震的非頻發(fā)性作為制約統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)發(fā)展的最重要的困難之一，在地震數(shù)值預(yù)測(cè)的框架中有望得到較好的解決。地震數(shù)值預(yù)測(cè)帶來(lái)了一種前所未有的可能：我們可以利用有限的機(jī)時(shí)，“重現(xiàn)”人類(lèi)歷史乃至地質(zhì)歷史上時(shí)間尺度達(dá)千年甚至更長(zhǎng)的地震活動(dòng)，再將對(duì)這些“合成的”地震的預(yù)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用到現(xiàn)實(shí)世界的地震預(yù)測(cè)中去。

地震孕育和發(fā)生過(guò)程的復(fù)雜性目前有兩個(gè)方面。一是物理上的“本征的”（intrinsic）復(fù)雜性和不可預(yù)測(cè)性，例如類(lèi)似于“級(jí)聯(lián)”（cascading）過(guò)程的地震破裂的不可預(yù)測(cè)性等；另一類(lèi)是“表觀(guān)的”或“現(xiàn)象學(xué)的”（phenomenological）復(fù)雜性，例如目前的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)是，不同的地震前、不同的觀(guān)測(cè)點(diǎn)上，往往會(huì)出現(xiàn)很不相同的前兆現(xiàn)象，單純看“曲線(xiàn)”、找“對(duì)應(yīng)”，往往會(huì)非常迷惑，但在一個(gè)地震的孕育過(guò)程中應(yīng)力場(chǎng)的演化的整體圖像中，所有這些不一致的前兆表現(xiàn)，往往是同一個(gè)應(yīng)力場(chǎng)演化過(guò)程的反映。地震數(shù)值預(yù)測(cè)對(duì)經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)的直接的幫助就在于，可以通過(guò)應(yīng)力場(chǎng)演化的圖像，來(lái)細(xì)化、深化對(duì)所觀(guān)測(cè)到的前兆現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，特別是，在一個(gè)統(tǒng)一的物理背景下，定量化地解釋不同學(xué)科、不同手段的觀(guān)測(cè)。應(yīng)該說(shuō)，目前在地震發(fā)生之后的回溯性研究中，已有很多很好的工作。但針對(duì)未來(lái)地震的前瞻性的觀(guān)測(cè)部署，即把“為預(yù)測(cè)的監(jiān)測(cè)和模擬”（monitoring and modeling for prediction）的思路落實(shí)到實(shí)際震情監(jiān)測(cè)的工作，還有較大的發(fā)展空間。

地球內(nèi)部的不可入性（據(jù)說(shuō)這是古希臘人的說(shuō)法）是物理預(yù)測(cè)，特別是基于模擬的預(yù)測(cè)的一個(gè)重要困難。然而在復(fù)雜性物理的視野中，通過(guò)較為簡(jiǎn)單的模型（從原胞自動(dòng)機(jī)模型、彈簧—滑塊模型、剛性塊體模型，到彈性模型、彈塑性模型、彈塑性流變模型等），探索那些在實(shí)際地震預(yù)測(cè)的層次上“涌現(xiàn)”出來(lái)的可預(yù)測(cè)性，成為克服這一困難的有效工具。從這個(gè)意義上說(shuō)，復(fù)雜性物理背景下的地震數(shù)值預(yù)測(cè)，提供了一個(gè)不一定正確、但從未如此清晰的“路線(xiàn)圖”。而此前的地震預(yù)測(cè)研究的“路線(xiàn)圖”，或者開(kāi)放性有余而清晰性不足（例如，經(jīng)驗(yàn)性地搜尋“地震前兆”），或者幾乎不可操作（例如，先徹底搞清楚地震的物理再考慮地震的預(yù)測(cè)）。

以對(duì)地球的有限的觀(guān)測(cè)，究竟能在地震預(yù)測(cè)中走多遠(yuǎn)，這是任何一個(gè)負(fù)責(zé)任的地震理論都無(wú)法回避的問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題之基本、之深刻，已在很大程度上超越了地震研究本身。重要的是，現(xiàn)在對(duì)這個(gè)問(wèn)題的回答，已不僅僅是抽象的哲學(xué)思辨（雖然物理學(xué)也曾被稱(chēng)為“自然哲學(xué)”），而是可以落實(shí)到具體的理論建模、模擬計(jì)算、觀(guān)測(cè)檢驗(yàn)的“實(shí)證性的”科學(xué)研究議程。地震數(shù)值預(yù)測(cè)一方面要充分利用計(jì)算能力的歷史性進(jìn)步，不斷嘗試新的東西，另一方面也應(yīng)該“站在巨人的肩上”，在理論上做更為深入的思考。