陈？    李丽 

    摘要  综合介绍了地震科学的几个发展趋势，包括：从板块理论向板块边界带研究的过渡，从深部结构研究向浅层地壳结构研究过渡，从观测向模拟研究过渡，从地震危险性向地震危害性研究的过渡。
    关键字 地震科学；地震学研究；发展趋势
    地震学作为一门以观测和测量资料为基础的学科，随着社会需求的变化和学科的发展，随着地震信号的捕获、采集、记录、传输、解析逐一实现数字化，传统地震学的研究领域正在发生着变化。观其近期发展，以下几个发展趋势值得注意。
    l 从板块理论向板块边界带研究的过渡
    在1915年魏格纳（Alfred Lothar Wegener，1880~1930）正式发表著名的《大陆和海洋的形成》（the Origins Of Continents and Oceans）之后，以地槽学说为代表的垂直论，与以大陆漂移学说为代表的水平论就构造运动方式进行了长达40年的争论。1962年赫斯（Harry Hess，1906~1969）发表《海洋盆地历史》（History of Ocean Basins），用地幔对流机制来解释海底的地形标志，他舍弃了早期大陆漂移模型中大陆排开洋底物质进行运动的方式，而认为大陆是被动地受到地壳下部对流作用的推动，好像被放置在一条活动传送带上运动。1963年，瓦因（F.Vine）和马修斯（D.Matthews）发表了一篇关于磁异常成因的论文，把海底扩张的思想与海底地磁的新资料圆满地结合在一起，奠定了板块构造学说的基础。
    板块学说较好地解释了板块边缘地震，依据板块学说所提出的地震空区、特征地震和重复周期等概念为板缘地震的预测提供了指导，也成为国际上现有地震预测理论的基础。在寻求对大陆内部地震成因的合适理论时，将板块理论移植到大陆上来是很自然的事情，于是，在解释大陆内部地震活动时提出了活动地块的假说，这一假说已成为国家重点基础研究科技发展规划项目"大陆强震机理和预测"的核心思想，它实际上是板块理论在研究大陆地震机理方面的应用。
    然而，简单地将板块理论应用于大陆却遇到了困难。近年来，板块学说在大陆的发展主要表现在2个科学问题的争论上：①地球表面的运动是不是都集中发生在板块的边界？②板块的边界是不是狭窄的？地震活动的分布、大规模的地表形变观测，尤其是GPS观测结果表明，板块边界变形带是相当宽的，向大陆内部延深可达数千公里，如阿尔卑斯-喜马拉雅带和南北美洲西部的雁行山脉。这些板块边界变形带占据了整个地球面积的15％，覆盖了几乎全部的构造运动和非气象灾害，如地震和火山活动。
    从刚性板块简单地沿断面错动，狭窄的变形带上容易发生地震，到板块边界具有宽大的变形带，区域构造应力场复杂作用下发生地震，是地震学中在地震机理认识方面的一纪初计划进行多个大型观测工程，其中以计划实施15年的"地球透镜计划"（EarthScope，www.earthscope.org）最具代表性。该计划以"发展地震科学，促进地震科学在减轻地震灾害、能源资源勘探和保证国家安全等方面的应用，确保美国在地震科学方面的领先地位"为宗旨，计划实施了4个大型观测计划，即以利用流动地震台阵勾画美国大陆高精度地下结构为主要目标的"美国台阵"项目（USArry），以利用GPS和应变仪台阵勾画美国西海岸形变场为主要目标的"板块边界观测"项目（PBO），以利用遥感技术获取大尺度区域分米至厘米级连续应变为主要目标的"远红外多孔径雷达"项目（InSAR）及以利用钻孔数据获取圣安德烈斯断层构造变形资料为主要目标的"圣安德烈斯断层深部观测"项目（SAFOD）。其中，PBO计划是EarthScope的重要组成部分，主要目的是观测宽大板块边界带的变形特征，以探索在区域构造应力场背景上断层带如何运动并可能产生地震的机理。同样，在研究大陆地震分布时，除了活动地块外，还提出了活动边界带的概念。在世界大陆的许多地方，是活动地块大，还是活动边界带大？活动地块和活动边界带的概念的提出，不仅将地震分布中规律性和随机性结合在一起，而且是从板块理论向板块边界带研究过渡的体现。
    2 从深部结构研究向浅层地壳结构研究过渡
    近年来，一些建设在沉积层上的地震台站观测显示，来自不同方向的地震波具有不同的接收函数。这引起了地震学界对浅层，尤其是沉积层波速特征的重新认识。1993年澳大利亚开始进行的"袋鼠计划"（The SKIPPY Project，wwwres.anu.edu.au）经过几年野外工作后，肯尼特（B.L.N.Kennett）等发现，不同方位角的接收函数显示的S波速度具有明显的离散性。这还仅仅是一个位于沉积层较薄地区的地震台站的例子。
    实验室测量得到的极浅层沉积物的P波速度仅为0.6~1.8km/s，S波速度为0.3~0.6km/s，波速比为2~3，甚至达到6，与一般岩石中波速比1.7左右相差甚远。尽管沉积层厚度在波传播路径中比例不大，但是波在沉积层的走时对波的整体走时影响却很大。现已发现，国际上早期著名的深部探测结果，如PANDA等计划的结果，由于没有考虑浅部沉积层的影响，其结果都需要重新考虑。这一事实震动了整个学术界。在美国沉积层较厚的洛杉矶盆地中进行的"洛杉矶区域地震试验"（LARSE）也观测到1.75km/s的地震波[1-2]，而通常用以处理地震定位和反演地壳速度结构的波速为6.0km/s左右。
    对浅层地震波速变化特征的描述需要详细了解沉积层厚度、横向变化，甚至季节性变化特征。利用浅层沉积层速度对已有地壳速度模型进行修正，也逐步成为地壳三维速度模型研究方面的重要领域。浅层速度结构，即1km深度范围内地壳速度模型的细化日益成为提高三维地壳速度反演精度的瓶颈。
    在我国的华北和美国的中部，一些地震台站下方的沉积层厚度接近1km。例如，在"首都圈防震减灾示范区"工程新建成并已经正式投入运行的107个数字地震台中，有58个台站使用井下短周期摆，基本上认为是布设在基岩上；另外还有49个台站使用宽频和甚宽频摆，布设在有沉积层的地表。浅层速度的大幅衰减可能直接影响到地震观测台站记录资料的解释结果。如果在1km左右浅层沉积结构方面的研究有所突破，那么以往一些利用建立在沉积层上的地震台站记录得到的速度结构都有可能被重新计算和分析，浅层沉积结构的研究正日益成为地震学研究的亮点。
    3 从观测（observation）向模拟（modeling）研究过渡
    在地震预报研究方面，中国地震学家曾经有过辉煌。1975年，因成功的地震预报，发生在人口密集地区的海城7.3级地震造成的人员伤亡仅占人口总数的0.32％，这次成功的预报震动了整个世界。经联合国教科文组织评审，中国作为唯一对地震做出过成功短临预报的国家，被载入史册。海城地震预报的成功，主要根源于对观测的重视。
    通过对大量观测资料及其与以往地震相关关系的经验性分析，判断未来地震的时间、地点和震级，这种经验性地震预报的思路，在全世界也产生了重要的影响。但是，经验的局限性、震例数量的有限性以及对地震物理机理认识的不足等，使得经验性地震预报在过去的30多年中基本上滞留在一个水平上，成功的预测案例与不断发生的重大地震灾害相比，微乎其微。
    美国在地震预报方面则采取了另外的做法。他们在深入研究圣安德烈斯断层的基础上，发展了产生地震的理论断层模型，提出了特征地震和地震重复周期的概念，并企图将这种加州的模型推广到全世界。20多年来，洛马普列塔地震、兰德斯地震和北岭地震等都是这种做法受到挫折的例子。拥有全球最先进数字化设备、最密集形变和地震监测台网以及最丰富断层钻探资料的帕克菲尔德地震预报实验的失败，不啻为对经验性地震预测的沉重打击。
    尽管1997年10月之后，因《科学》（Science）杂志专门刊载了关于地震能不能预报的十几篇文章[3]，引发了国际地震学家在地震预测方面的激烈争论，但各国对地震预测领域的探索并没有因此而停滞，反而由于灾害性地震接连不断地袭击全球多个人口密集地区，加速发展的社会突显出薄弱的地震抵御能力，使得地震学家对地震预报领域比任何时期都更加关注。在这个方面，中国地震学家需要改变从观测到观测的做法，在进行常规的经验性地震预测的同时，大力探索从观测向理论模拟的过渡。但是，这种模拟和美国学者的做法不尽相同，除了继续增强监测力度并吸取其他国家在地震预测方面的教训之外，要发展对地震发生环境物理特征的模拟，利用有限的测点资料获取全方位的模拟结果。
    不仅仅是地震预报，地震学在其他许多方面，也面临从观测到模拟的过渡。例如，为了深入认识大陆动力学特征，推进地震减灾定量化进程，国际岩石圈计划（ILP）于1998年开始了一项新的工作，即综合利用来自不同观测渠道和模拟技术的大量数据，编制全球应变速率图。这项工作由美国纽约州立大学石溪分校（SUNY Stony Brook）的W.Holt博士和英国剑桥大学的海恩斯（J.Hames）博士负责。目前用于估算应变速率的全球模型中使用了1600多个GPS、SLR、VLBI、DORIS速度数据。模型中尚未加入第四纪断层数据，而是利用哈佛CMT目录给出应变速率的方向。目前这个工作小组正准备将断层方向、断层活动观测数据、洋底扩张速率和海洋转换方位角等资料加入到全球模型中。
    所有这些利用现有观测数据进行数值模拟的工作，一方面通过各种实验室分析或海量的计算印证或否定了以往的一些地震学推测，另一方面也为地震学研究从点的观测、场的推测、三维的反演，逐步走向物理内涵丰富的数值模拟阶段提供了契机。
    4 从地震危险性（hazard）向地震危害性（risk）研究的过渡
    减轻地震灾害一直是地震科学发展的重要推动力。早期时认为，地震灾害主要是由于房屋建筑倒塌引起的，因此，地震学和工程学相结合，发展了地震工程学，其主要目的是进行地震危险性分析，提供采取合理的、经济的工程措施的基础依据。
    近年来，两个事实改变了这种研究的趋势。
    第一，近年来在许多国家，地震灾害造成的损失记录不断被刷新。例如：1994年美国北岭地震突破了美国历史自然灾害损失的记录；1999年台湾的集集地震造成的损失也创下了台湾地区地震损失的新纪录；2001年印度古吉拉特邦7.7级地震是迄今为止记录到的最大的板内地震之一，也是印度历史上伤亡最惨重的地震之一，造成的经济损失也使印度经济受到了沉重的打击。地震灾害总是伴随着巨大的生命和财产损失，全球经济的发展，创造了大量的社会财富，使得地震灾害袭击的对象发生了巨大的变化，尤其是现代社会遭受地震灾害的易损性方面，变得越来越脆弱。在20世纪，随着时间的推移，地震灾害造成的损失有越来越大的趋势。残酷的现实要求地震学家更多地研究地震灾害本身，研究地震风险（risk）。
    第二，随着世界人口城市化进程的不断加快和世界经济的持续发展，破坏性地震造成的社会灾害损失不仅越来越严重，而且开始打破长期以来形成的以建筑物破坏为代表的工程损失占主导的地震灾害格局，尤其对于人口密集、经济发达的大城市，工程灾害在未来的地震中很可能只占一小部分。替代地震造成的"工程灾害"，出现了地震造成的"社会灾害损失"这一概念。长期以来，房屋、建筑物破坏等造成的工程损失一直是地震灾害损失中最主要的部分，也是地震学中研究较多的一个重点，但随着城市化的发展，地震损失越来越不限于工程损失，商业中断、社会功能瘫痪。信息丢失等非工程损失所占比例越来越大。1995年1月17日日本阪神地震，造成了6000多人死亡和超过1000亿美元的损失，其中建筑物和设施破坏等工程损失造成了480多亿美元的损失。由于处于震中区的大阪是日本的重要大港口，因此由震后交通中断、经济瘫痪、进出口贸易中断等因素造成的经济损失达600亿美元之多，而且造成了严重的社会心理动荡、失业及人民对政府救灾不力引起对政府信任度下降。由此可见，在经济发达、城市化水平高的地区，一旦发生破坏性地震将会造成巨大的社会综合损失，损失也不再局限于简单的工程损失。1995年RMS（Risk Management Solution Inc，RMS）曾经对1923年日本关东地震在原地以同样大小重复发生将会产生的后果进行了模拟，分析结果惊人地显示，地震综合损失会达到21000亿美元，而建筑物及内部设施的损失仅为10000亿美元，不足50％。对于大多数地区而言，工程灾害损失仍是地震灾害中最主要的部分，但在城市化程度较高、经济发达的地区或毗邻区域发生破坏性地震，工程灾害所占比例就会明显下降，所造成的社会灾害损失将越来越严重。而随着人口向城市大量集中和社会经济迅速发展，这种以社会损失为主体的灾害必将打破长期以来形成的以建筑物破坏为代表的工程灾害占主导的震灾损失格局。因此，有必要提出地震造成的"社会灾害"这一概念，它应当是指一次地震对人类社会的综合影响，既包括建筑物破坏等工程灾害，也包括商业、交通中断等非工程灾害和后续对经济、社会、民众心理等长期影响。
    目前，减轻地震灾害的研究工作正在从面对工程灾害向面对社会灾害方面的转变。这方面的研究分化为两个突出的发展方向，一个是日本、中国等地震多发国家大规模地在重要经济区、人口密集区开展城市地震危险性评价工作，例如，地震活动断层探测、地表形变分析、场地响应分析等；另外一个发展方向则是政府与地震学家密切配合，制订大地震应急响应方案，建设震后响应系统与救助系统。
    结束语
    随着监测技术的不断进步，数字化资料的迅速积累，地震学正向着关注板块边界带、深浅部速度结构的结合、理论数值模拟和地震危害性研究的方面发展。