第五章
地震预测：一个困惑了人类 1 000 年的难题

2009 年 4 月一个寒冷的星期天晚上，意大利拉奎拉的居民们正准备入睡，突然感觉到一阵阵晃动，感觉不是太强烈，每一次震动都像是一列货运火车从远处经过，其实是发生了地震。第一次地震发生在当地时间夜里 11 点，震级为 3.9 级。第二次地震的震级更低些，矩震级为 3.5 级（下文省略矩震级），都不足以震醒熟睡的人。

坐落在亚平宁山脉上的拉奎拉的确处于地震带，这个以滑雪胜地和中世纪城墙闻名的旅游小镇最近经历了一系列的地震，数量多得不正常，星期天晚上发生的两次地震是那一周里发生的第 7 次和第 8 次 3 级以上的地震。在这个地区，小级别的地震不算稀奇，但频率没有这样高，通常两三个月才发生一次，这次的频率几乎是平时的 100 倍。

与此同时，在亚平宁山脉的尽头，苏尔莫纳镇的居民刚刚从地震的恐慌中缓过来。意大利国家原子物理研究所的詹保罗·朱利安尼称，他测量出该地区的氡气含量异常的高，由此推断这是地震的先兆，马上跑去告诉苏尔莫纳的镇长，2009 年 3 月 29 日下午苏尔莫纳镇会发生地震。镇长被说服了，派了几辆货车带着扩音器绕着小镇到处广播，警告居民要发生地震了。

可是，3 月 29 日那天苏尔莫纳镇并没有发生地震，詹保罗·朱利安尼的预测失败了。有人向相关部门控告他，说他是在制造恐慌。当地政府勒令他撤下公布在网站上的预测，以免造成更大的骚乱。

在发生了地震的拉奎拉，当地政府却告诉民众不必担心地震群。意大利民事保护部副部长伯纳多·德博纳迪尼斯解释说，地质断层带活跃有助于释放能量，减少大地震的威胁。德博纳迪尼斯同意某位记者的观点，认为民众们可以放松警惕，喝杯小酒，他还向大家推荐当地一款名为蒙特普恰诺的特色酒。

然而，星期一凌晨，当地时间 3 点 32 分，一场 6.3 级的大地震袭击了拉奎拉。房子倾斜，屋顶塌陷，家具散架，300 多人丧生，65 000 人无家可归，经济损失超过 160 亿美元。

地震可以预测吗？

拉奎拉本应更好地应对这场地震。这座城市靠近一个十分活跃的地质断层带，也称潜没带（指地壳的板块沉到另一板块之下），此断层带是由覆盖在地球表面的八大板块之一的非洲板块缓慢、持久地挤向亚欧板块下方形成的。在拉奎拉，第一次有记载的地震发生在 1315 年，随后在 1349 年、1452 年、1461 年、1501 年、1646 年、1703 年和 1706 年都发生过地震，其中最严重的一次地震发生在 1783 年，当时超过 5 000 人丧生。但每次地震后，教皇都会下令重建小镇，人口再度繁衍。

此后两个多世纪，拉奎拉这个小镇仍冒险地留在原地，备受地震威胁。1958 年拉奎拉发生了一场 5.0 级的地震，震级不算太高，镇里上了年纪的人对此还有些印象。但 2009 年这场地震的强度要大得多。我们知道，震级与释放的能量呈对数关系，震级每增加一个点，释放的能量会增强 32 倍。所以，2009 年那场 6.3 级的地震释放的能量几乎比 1958 年的那场地震多出 75 倍，比强震前那个晚上居民感受到的小震颤——强震的震前波——多出 3 000 多倍。

在意大利，6.3 级地震已是震级非常强的地震了，但从全球范围来看，这只不过是地球打了个嗝而已。2011 年摧毁日本的那场大地震高达 9.0 级甚至 9.1 级，释放的能量是 6.3 级地震的 11 000 倍。自有可靠的地震测量开始，所记载的震级最高的地震为 1960 年发生在智利的 9.5 级地震，释放的能量约是 6.3 级地震的 60 000 倍。

既然 6.3 级的震级并不算高，为什么在意大利这样一个高度工业化的富裕国家，富有的拉奎拉小镇却会遭受如此大的损失呢？原因之一是这座城市的地质环境。拉奎拉坐落在一个古老的湖床上，这就决定了它很容易受到地震的影响。墨西哥城同样建立在古老的湖床上，1985 年的一场地震夺去了 10 000 人的生命，而震源距地面超过 322 公里，由此可见湖床的脆弱。

主要原因还是由于拉奎拉小镇的麻痹、疏忽，对来自地下 15 公里处的地震危险毫不在意，也没有任何应对准备，比如建筑物标准的规范，应急物资的准备以及社区抗震演习等。结果，不仅那些有着几百年历史的古老建筑在地震中受损，许多现代建筑，包括某家医院在 2000 年刚盖的侧楼也未能幸免。当初哪怕只是稍稍提醒一下市民，都有可能挽救那些逝去的生命。

詹保罗·朱利安尼是否预测到拉奎拉的地震了呢？在意大利，许多小报将朱利安尼描绘成圣人或殉道者，他的声音轻柔、头发蓬松，经常穿着和当地足球队队服颜色一样的衣服，他扮演的角色也许是一个谦虚的公务员，也许是一个看上去心不在焉、观点常被科研机构忽略的教授。朱利安尼称已经警告过家人和朋友拉奎拉镇会发生地震，但是警方禁止他向其他人发出这个警告。他要求拉奎拉政府就此事道歉，不是向他道歉，而是向拉奎拉的民众道歉。

暂且不论朱利安尼是否真的预测到拉奎拉的地震，他发布的地震预测非常明确：苏尔莫纳镇（而非拉奎拉）面临较大风险，另外，他还认为地震会在 2009 年 3 月发生，并非 4 月。事实上，朱利安尼曾对当地的一家报纸说危险已经过去了。在开始长篇大论地解释潮汐的影响之前，朱利安尼说：“这些概念，简单地说就是地月系统自转到了近日点……在距离地球最近的位置，和金星排成一行……总之，我可以向我的同胞保证，地震群将在 3 月底逐渐减少。”

近日点、金星、氡气含量，这些和预测地震有关系吗？与朱利安尼错误地预测苏尔莫纳地震，又有什么关系？这些都不重要。当灾难来袭时，我们会从噪声中寻找信号，寻找有助于解释周围混乱状态的所有信息，使世界恢复秩序。朱利安尼杂乱无章的解释就是这一现象最生动的阐释。

在各类灾难中，地震对我们的秩序感干扰最为严重，它简直可以撼动我们的根基。同样是自然灾害，飓风从天而降，常和“上帝的眷顾”联系在一起，但从地球深处爆发的地震却常被视为“上帝的盛怒”，无情而虚幻。（1755 年的里斯本地震推动了现世哲学的发展。）另外，飓风及随之而来的洪水、龙卷风，还有火山喷发通常都能提前预测，唯有地震例外，人们努力了几个世纪，却还是很难对其进行预测。

“圣杯”根本就不存在

很长一段时间以来，加利福尼亚州的帕萨迪纳市都是全球地震研究的中心，美国加州理工学院就坐落在这里，1935 年，查尔斯·里克特在这里创立了著名的震级对数函数。美国地质调查局在此也设有办事处，其大部分地震专家都常驻此地。2009 年 9 月，我前往帕萨迪纳市拜访苏珊·休博士，休是美国地质调查局的一名地质专家，写过很多本关于地震预测的书。她曾经看过朱利安尼的电视采访，对他的说法很是怀疑，并在《纽约时报》上写了一篇言辞激烈的社论，对朱利安尼本人和那些关注朱利安尼的人都提出了批评。

休的这篇社论认为朱利安尼的成功不过是个偶然。休说：“民众之所以听说了朱利安尼先生的预测，是因为这个预测貌似经过了证实。但是，还有很多民众没有听说过的‘不正确的’预测。”

如果你让上百人设法做出地震预测，而每年又有数百场地震发生，那必然有人会预测对一次。资深的地质学家已经多次证实，朱利安尼的氡气和月运周期理论对地震预测的作用不大，或者根本一点儿用处都没有。朱利安尼的运气一直不错，就好比一只能用键盘敲出莎士比亚作品的猴子，或者一只会预测世界杯比赛结果的章鱼。

休在美国地质调查局的办公室位于加州理工学院一个安静的角落附近，周围桉树环绕，少有学生经过。我们见面时，她刚结束一项在土耳其研究地质断层系统的工作，看上去风尘仆仆。慈眉善目的休，一头卷发，黑色的眼睛，疲惫中带着怀疑。打过招呼后不久她就向我发问：“你的日常工作是什么？”

交谈中，休不时地拿起办公桌上放置的一个口袋形状大小的地球仪，像是从机场的礼品店里买的，然后用食指在上面画出一条线，从日本海向东和东南方向延伸。

提及全球破坏力最大的地震时，休向我讲解道：“这些地震真的都集中发生在这一地带——从中国南部一直延伸到希腊。这个地震带十分复杂，该地区的许多建筑物又都不够结实，如果德黑兰发生一场特大地震，估计会有上百万人丧生。”

的确，在现代史上，几乎所有最致命的地震都发生在休划定的这一地带，穿越中东文明的摇篮和地球上人口最稠密的地区，包括中国和印度。这些地区通常贫穷而拥挤，缺乏足够的物资应对 300 年一遇的灾难，地震发生时，死亡人数常会达到几十万。

实际上，尽管地震看似比飓风罕见，但造成的死亡人数却比飓风多得多。也许这是因为地震很难准确预测到，而飓风却不同。目前，飓风登陆地点的预测准确率已是 25 年前的 3 倍，自从公元 9 世纪日本第一个宣称通过观察鲶鱼的行为能预测地震以来，这么长久的时间过去了，地震预测仍没有什么大的科技方面的进展。（据多次报道称，奶牛、猪、鳗鱼、老鼠、长尾小鹦鹉、海鸥、乌龟、金鱼、蛇等动物在震前都出现过反常行为。）

不仅意大利的小报会关注像朱利安尼这类古怪的人的观点，很多普通人也都把他们的话当真了。美国加州地震预测委员会每年都会收到数百份未经证实的地震预测，该委员会称，其中大多数预测无非是在“讨论家里宠物的奇怪行为，或是个人直觉，或是家中亲属关节的疼痛症状，还有一些神秘的信号或预兆是科学家根本无法理解的。”同时，就连学术期刊上的一些预测都与日本古老的民间传说没什么两样。比如，2010 年发表在颇有声望的期刊《动物学杂志》上的一篇论文，观察到在拉奎拉地震前 5 天里，距地震点约 80 公里的池塘里，蟾蜍全部都停止产卵。让人瞠目的是，文章称这就是作者预测到地震的证据。

图 5–1 自 1900 年以来最致命的地震

资料来源：美国地质调查局

就是诸如此类的研究让休精疲力竭。休告诉我：“如果时光可以倒流，你肯定愿意回到 20 世纪 70 年代，那时人们会有一些想法——他们总是踌躇满志的——但 10 年后，该方法会暴露出缺点，又一个 10 年过去了，你又有了新的方法，可再过 10 年，这个方法的弊端又显露出来。听到这里，你大概明白了，多数优秀的地震科学家都很清楚这一点，他们不会去追寻那个可能根本就不存在的‘圣杯’。”

但是，真的没有办法预测地震了吗？朱利安尼的金星理论和蟾蜍预兆可以很容易被排除，那在拉奎拉大地震发生之前，周围地区的小震群可以用来进行预测吗，还是这些只是巧合？众所周知，地震学界是出了名的保守，例如地震学界花了很长时间才接受板块构造理论，现在大家都同意大陆板块的碰撞是引发地震的首要原因，而早在 1912 年这一理论已被提出，但直到 20 世纪 60 年代才被采纳。那么，休表现出的怀疑精神是否有些过头，变成了愤世嫉俗的态度？

美国地质调查局的官方立场更加明确：地震就是不可预测的。该机构在其官网上声称，“无论是美国地质调查局，还是美国加州理工学院，或是任何一个科学家都没有预测出大地震。因为大家都不知道该如何预测，也不想知道要过多久才能实现？”

地震真的不能预测吗？本书是关于预测的，而不是关于如何进行预测的，但我愿铤而走险，作个预测：2013 年日本发生的地震次数要比新泽西多；22 世纪的某个时刻，会有一场大地震袭击加利福尼亚州。

其实，我和美国地质调查局都是在玩文字游戏。不同的领域，“预测”和“预言”所指也有所不同；在一些学科中，它们可以相互替换，但在其他学科领域，它们则存在着区别。这二者区分最明显的当属地质学，地质学家认为：

1. 预言是对何时何地会发生地震的明确、具体的陈述，比如，6 月 28 日，日本京都将发生一场大地震。

2. 预测针对的时限较长，是对地震发生的可能性的表述，比如，未来 30 年，南加利福尼亚州有 60%的概率会发生地震。

美国地质调查局的官方观点是，地震不能被预言，但是，地震可以被预测。

我们对于地震的了解

访问美国地质调查局的网站时，你会发现该网站提供了很多帮助你预测地震的工具，其中有一个特别简便的应用程序，只要输入美国任意一个地方的经纬度，这个应用程序就会预测出一段时间内该地发生地震的概率。根据这项应用，我在表 5–1 中列出了美国地质调查局网站提供的美国不同地区主要城市发生地震的可能性。

众所周知，美国加州属于地震频发区，美国地质调查局推算出旧金山每 35 年就会发生一次震级为 6.8 级或更大级别的地震。另外，阿拉斯加州的地震也很频繁，历史记载的第二大地震，就是 1964 年发生在安克雷奇的 9.4 级地震。

知道南加州的查尔斯顿市吗？这座城市的地震活动也很频繁，1886 年该市就经历了一场震级为 7.3 级的大地震。美国地质调查局预计，该市发生大地震的频率约为 600 年一次。在西雅图，估计人们得时刻准备应对地震，这里的地震频率比加州其他城市都高。但是，在丹佛的居民就不必担心地震，这里离任何一个大陆板块交界处都有好长一段距离。

表 5–1 美国部分城市方圆 80 公里范围大地震（＞ =6.75 级）发生频率

对于一个认为地震是无法预测的机构而言，这些具体而又容易获取的信息似乎太多了。美国地质调查局使用的是广为流传的古登堡–里克特法则，这一法则是由查尔斯·里克特和他在加州理工学院的同事贝诺·古登堡仔细研究过地震数据后，于 1944 年创立的。该法则认为，地震级别和发生频率之间的关系是相对简单的。

如果将地震的频率和震级进行比对，你会发现震级升高时，地震发生频率则会大大降低。世界上发生的灾难性地震屈指可数，但是小地震却多达数百万次——2.0~2.9 级的地震每年都约发生为 130 万次，当然，对其中大多数的地震，人们并未察觉到，有时连地震仪也检测不到。然而，今天的地震无论发生在哪里，只要震级大于或等于 4.5 级，几乎都会记录在案。图 5–2A 依据 1964 年 1 月~2012 年 3 月的实际地震记录而来，显示出地震发生频率的急速下降趋势。

图 5–2A 世界范围内地震发生频率（1964 年 1 月 ~2012 年 3 月）

对地震曲线图稍加改变，这些地震就会呈现出惊人的规律性。在图 5–2B 中，我把显示“不同级别地震发生频率”的纵轴换成对数函数数轴，此时图中呈现的地震频率完全成了一条直线，这个图形具有幂律分布的特征，幂次法则也是里克特和古登堡发现的。

遵循幂律分布的事物具有较高的使用价值：你可以根据小级别地震发生的次数预测大地震发生的频率，反之亦然。事实证明，震级每提高一个点，地震发生的频率就会降低 10 倍，所以，6 级地震发生的频率是 7 级地震发生频率的 10 倍，是 8 级地震发生频率的 100 倍。

在全世界，或者说在地球范围内，古登堡–里克特法则都是适用的。例如，假设我们要为伊朗首都德黑兰进行地震预测。当地自有地震测量开始就没有发生过灾难性地震，但德黑兰周围经常发生中等级别的地震，1960~2009 年的近 50 年时间里，该地区共发生了 15 次震级达 5.0~5.9 级的地震，大概每 3 年发生一次。根据古登堡和里克特发现的幂次法则，这就意味着，德黑兰发生震级为 6.0~6.9 级地震的频率为每 30 年一次，7.0 级或更高级别地震的发生频率是每 300 年一次。苏珊·休担忧的正是这样的大地震。

图 5–2B 世界范围内地震发生频率（1964 年 1 月 ~2012 年 3 月）

2010 年海地发生 7.0 级大地震，死亡人数达 316 000 人，表明地震可能对发展中国家造成灭顶之灾。海地的很多问题在伊朗同样存在，国家贫困、政治腐败、建筑物抗震标准宽松，只是伊朗的人口比海地稠密得多。依据伊朗以往震级较低就会造成高伤亡的情况看，美国地质调查局预计，一旦发生灾难性地震，德黑兰的人口会减少 15%~30%，也就是一个人口为 1 300 万的城市会有 200 万~400 万人丧生。

然而，古登堡–里克特法则并没有告诉我们，地震会在什么时候发生（这一法则也没有指明，如果德黑兰近期没有发生地震，未来必定会发生）。像伊朗和海地这样的国家，根本就没有物质能力来应对 300 年一遇的灾难。确实，依据古登堡–里克特法则做出的地震预测，可以为一个地区提供周全的总体指导。但是，就像气象预报一样，单纯依靠数据记录做出的预测无法直接转换成我们的行动指南（比如，预报说 3 月份伦敦有 35%的时间在下雨，但这条信息无法告诉我们出门是否应该带伞）。此外，地质活动的时间范围长达几百年乃至一千年，但人类的寿命却只有数十年。

究竟是信号还是噪声？

地震学家真正感兴趣的是含时预测，苏珊·休称之为地震学的“圣杯”。在含时预测中，地震发生的概率在一段时间内总会出现波动。

然而，即便是那些根本就不相信可以进行含时预测的地震学家也承认，地震的分布是有模式可循的，最明显的一点就是余震的存在。几乎所有大地震之后都会发生几十次甚至几千次余震（2011 年日本大地震后就发生至少 1 200 次余震），这些余震通常遵循一个可预测的模式，一场地震发生后，余震更有可能会随即发生，而不是几天之后才发生，几周之后发生的概率就更低了。

然而，这种预测模式对于挽救生命并没有实质性帮助，因为根据定义，余震总是比最初的主震威力小。如果一个地震带发生了一场威力足够大的地震，通常会伴随许多小余震，然后地震会暂且告一段落。然而，实际情况往往不是这样。比如，1811 年 12 月 16 日在密苏里州和田纳西州交界处的新马德里地震带发生了一场大地震，据地震学家评估，此次地震的震级为 8.2 级，6 个小时之后，竟然又发生了一场震级为 8.2 级的地震。而该地震带仍然没有平静下来，继 12 月 16 日的两次大地震之后，1812 年 1 月 23 日又发生了一场震级为 8.1 级的大地震，2 月 7 日的地震的震级更是达到了 8.3 级。这几次地震中究竟哪些是前震？哪些又是余震？所有的解释似乎都说不通。

当然，问题的关键在于，我们能否在地震发生之前就预测到，能否提前分清前震和余震。当我们跨越时间和空间观察地震分布数据时，这些数据似乎在诱使我们相信，在噪声中可能会找到信号。

比如，图 5–3A 显示了拉奎拉周边的地震统计数据，从 2006 年起到 2009 年发生那次 6.3 级地震为止。图中除了一个代表主震的黑色大圆圈外，剩下的数据点都代表主震之前的每次小地震。在拉奎拉的例子中，似乎确有一个可辨识的模式。2009 年大地震前发生了一连串的地震，总的震级约为 4 级，比该地区以往的地震活动都频繁。

图 5–3A 意大利拉奎拉周边地区地震统计（2006 年 1 月 1 日 ~2009 年 4 月 6 日）

另一个更有争议的例子是 2011 年发生在日本的大地震。在为日本东北部地区绘制地震分布图时（图 5–3B），我们的第一印象是，这一地区的地震活动比意大利活跃很多。该地区地震发生的时间是否有模式可循呢？答案似乎是肯定的。例如，2008 年中期，该地区发生了一系列震级为 5.5~7.0 级的地震，此后并没有发生更大的地震。但我们的确看到，2011 年 3 月 9 日发生了一场格外剧烈的前震，震级为 7.5 级，55 个小时后日本东北部发生了 9.1 级的大地震。

图 5–3B 日本东北部地区地震统计（2006 年 1 月 1 日 ~2011 年 3 月 11 日）

然而，只有一半地震有可辨识的前震，海地那次地震就没有前震（见图 5–3C）。在加勒比海的大部分地区，测量地震的仪器都相对落后，所以没有发生震级为 2~3 级地震的记录，但是美国或是其他地区的地震仪应该能够测量到所有记录在案的 4 级及以上级别的地震。该地区的最近一次 4 级地震发生在 2005 年，震级为 7.0 级的海地地震发生在 5 年后。也就说，这次记录并无预警作用。

图 5–3C 海地莱奥甘周边地区地震统计（2000 年 1 月 1 日 ~2010 年 1 月 12 日）

更复杂的情况是错误的预警，误认为地震活动高发期是大地震的预警，结果却往往没有发生大地震。地震学家熟知的一个例子就是，2008 年年初发生在内华达州里诺市的一系列小地震。里诺的地震群和 2009 年拉奎拉附近的地震群很相似，但结果却不一样。里诺的地震群中，最大的一次仅为 5.0 级，之后就没有更大的地震发生了。

图 5–3D 内华达州里诺周边地区地震统计（2006 年 1 月 1 日 ~2011 年 12 月 31 日）

以上的数据让地震学家们感觉很难处理，但这只是冰山一角。数据似乎总处于一种让人陷入炼狱的状态，不是那么无规律，也不是那么可预测的。但这至少表明我们已经在探索的路上，并在地震预测方面取得了一些进步。但是，史上记载的关于地震预测的尝试，几乎全都是失败的。

那些以失败收场的地震预测

2009 年，休出版了一本书，名为《预测不可预测之物：地震预测科学的混乱现状》，这是一本记载地震预测历程的书，它对预测行业的批判就像菲尔·特罗克对政治评论家的批判。因为在地震预测行业中，进步似乎太少，而错误警告却太多。

秘鲁，利马

在比较知名的案例中，有一例与地球物理学家布莱恩·布雷迪有关，这位地球物理学家拥有麻省理工学院博士学位，现任职于科罗拉多州矿业大学。布雷迪断言，1981 年秘鲁首都利马会发生一场震级为 9.2 级地震，堪称有史记载的最高震级的地震之一。布雷迪的预测最初得到了地震学界的强力支持，他和一位美国地质调查局的科学家共同完成了这一预测的早期版本。但后来，他的理论变得太过复杂，最终这一理论可谓无所不包，从在研究中观察到的岩层突裂跨越到爱因斯坦相对论，认为相对论可以支持岩爆现象。同事们告诉布雷迪，这一理论已经超出了他们的理解能力，其实同事们是在委婉地告诉布雷迪，“你是个怪人”。1981 年 8 月，布雷迪最后预测说，秘鲁会发生一连串地震，9.2 级地震只是其中一次，最强震级会达到史上最大的 9.9 级。

结果，有人将这一预测结果泄露给秘鲁媒体，引起了民众的恐慌，而这个看上去严肃认真的美国科学家似乎十分肯定秘鲁的首都将会变成一片废墟。秘鲁红十字会准备了 100 000 个运尸袋，这一消息更是加剧了民众的恐慌，秘鲁首都的旅游收入和房价大幅下降。美国政府最终紧急派遣一个由科学家和外交官组成的小组前往秘鲁，以缓解当地的紧张气氛。然而，1981 年并没有发生秘鲁大地震，甚至连小地震都没有，这一消息当时占据了各大报纸的头版。

加利福尼亚州，帕克费尔德

利马地震的错误预警给当地人在心理上和经济上都造成了巨大打击，却仍然没有阻挡地震学家继续追求“圣杯”的脚步。在利马的例子中，预测者布雷迪有点像一只孤独的狼，他独自做出预测，还有很多其他预测则得到了美国地质调查局和地震学界坚定不移的支持，只是这些支持多半徒劳无功。

加利福尼亚的帕克菲尔德是被研究得最多的地震带之一，位于弗雷斯诺市和贝克斯菲尔德市之间的圣安地列斯断层上。帕克菲尔德似乎每隔 22 年就会发生一次地震：1857 年发生一次，1881 年发生一次，接下来就是 1901 年、1922 年、1934 年和 1966 年。一篇由美国地质调查局资助的论文设想这个趋势会继续下去，便大胆地预测在 1983~1993 年间会发生一次地震，最可能发生地震的时间是 1988 年。事实上，下一次大地震直到 2004 年才降临帕克菲尔德，与此前预测的时间相去甚远。

帕克菲尔德的地震预测不仅是一个错误，似乎它还强化了一种关于地震的错误观点。这一观点认为地震的发生是有规律的，若某个地区一个时期内没有经历过地震，那迟早要“中招”。板块断层带受到挤压，导致地震发生，压力得到释放，随后又会持续累加直到再次得到释放，就像喷着废水的间歇喷泉，释放压力，恢复平静，如此往复循环。

但断层系统其实相当复杂，像加利福尼亚这样的地区，处于多个断层上，每一个断层都有各自的分区和附属断层区。当板块某处发生地震时，该板块受到的压力得到释放，但压力却转移到相邻的断层上或是相同板块的其他区域。另外，除非发生地震，否则很难直接测量出板块所受的压力。

也就是说，如果预测旧金山每 35 年会发生一次大地震，这并不意味着这些地震发生的间隔时间是均等的（类似 1900 年、1935 年、1970 年）。更加保险的做法是，假设旧金山地区每年发生地震的概率为 1/35，不论前一次地震是何时发生的，这一概率都不会随着时间推移而发生太大的变化。

加利福尼亚州，莫哈韦沙漠

布雷迪和帕克菲尔德预测失败的案例，似乎让人们在一段时期内不愿再付出努力对地震进行预测，但在 21 世纪初，预测热情又强势回归，新发明的数据导向法在地震预测中颇为流行。

其中一个方法是由弗拉迪米尔·克里斯–布鲁克提出的。这位出生在苏联的地球物理学者年近 90 岁，现任加利福尼亚大学洛杉矶分校教授。克里斯–布鲁克作了很多努力推动地震成因理论的发展。1986 年克里斯–布鲁克第一次招来恶名。那是在雷克雅未克的峰会上，里根总统和米哈伊尔·戈尔巴乔夫会面时，克里斯–布鲁克递交给里根一厚摞报告，报告中预测未来 5 年美国将会发生一次大地震，这一事件随后被人们解读为 1989 年撼动旧金山的洛马·普雷塔大地震。

2004 年，克里斯–布鲁克和他的团队宣称已经在地震预测领域取得重大突破，通过辨识某一区域小地震发生的模式，可以预测到大地震。克里斯–布鲁克识别这些模式的方法复杂繁琐，晦涩难懂，用 8 个方程式代表已发生的地震，在可观测到的时空间隔里，几个方程式又彼此结合应用。该团队称，用这个方法，他们成功地预测到了 2003 年加州圣西蒙地震和日本北海道地震。

这只是克里斯–布鲁克和他的团队的一家之言，圣西蒙和北海道的地震预测究竟是不是在地震前就公布的，还不得而知。查阅学术大全数据库中与报纸相关的部分会发现，2003 年的报纸对这两次大地震只字未提。评价一种预测方法是否成功，关键是要把“预测过去”和“预测未来”区分开，前者可以说是一个逆喻，很显然不能算作成功预测。

而 2004 年 1 月，克里斯–布鲁克则毫不掩饰地向公众公布了自己的又一项预测：在接下来的 9 个月内，加州南部的莫哈韦沙漠地区会发生一场震级至少为 6.4 级的地震。这个预测得到了广泛关注，《发现》杂志、《洛杉矶时报》以及其他很多主流出版物都为克里斯–布鲁克设置了专栏。施瓦辛格州长办公室也打来了电话，还召开了一次紧急会议。甚至连一向持怀疑态度的美国地质调查局当时都欣然对克里斯–布鲁克表示出一定的赞许，在其官网上肯定克里斯–布鲁克团队的工作是采取合理的方法所进行的地震预测研究。

但是，莫哈韦沙漠地区那一年并没有发生大地震，甚至将近 10 年过去了，该地区也没有发生过一次地震。克里斯–布鲁克团队仍在从事地震预测工作，对加州、意大利和日本的地震进行预测，但鲜有准确的时候。2010 年一项调查发现，该团队提前公布的地震预测中只有 3 次准确，其他 23 次皆以失败收场。

印度尼西亚，苏门答腊岛

地震预测中的另一种错误是，认为某一地区绝对不可能发生某一级别的地震，但后来却发生了。戴维·鲍曼是克里斯–布鲁克以前的学生，现为加州州立大学富勒顿分校地质学系主任。2004 年苏门答腊岛发生 9.2 级大地震，引发的海啸致使 23 万人丧生，此后，戴维·鲍曼将更多的精力投入地震预测。与克里斯–布鲁克的预测方法相同，鲍曼采取的也是数据导向法，利用中等级别的地震预测高级别的地震。然而，鲍曼的方法更加简捷巧妙，更加雄心勃勃，提出了“加速力矩释放”理论，试图测定某一个断层体系中不同点所受压力的大小。另外，和克里斯–布鲁克的方法不同的是，这一系统能预测断层中任意一点发生地震的可能性，不仅能预测到哪里会发生地震，还能预测到哪里不会发生地震。

起初，鲍曼和他的团队确实取得了一些成功：2005 年 3 月，一场震级为 8.6 级的大余震袭击苏门答腊岛，震中就在鲍曼测出的高风险区域。然而，2006 年鲍曼发表的一篇论文表明，在这一个断层中的另一个区域发生地震的可能性较低，这片区域位于印度洋，邻近印度尼西亚的明古鲁省。然而就在一年后的 2007 年 9 月，一系列地震就发生在这片区域，最高震级达到 8.5 级。幸运的是，这些地震离近海很远，伤亡较少，但却推翻了鲍曼的理论。

2007 年“加速力矩释放”模型失败，鲍曼并没有像其他预测者那样责怪运气不好（其实，他的模型也考虑过明古鲁市附近可能会发生地震，只是认为可能性不大），而是重新检查了自己的模型，认定用这种方法预测地震是完全错误的，于是决定弃用。

“我是一个失败的预测者，”2010 年鲍曼告诉我说：“我做了一件大胆却愚蠢的事。我进行了一个可试验的预测，我们应该这么做，可一旦出错，就要自食其果。”

鲍曼一直有一个想法，通过识别地震的成因——地质断层上累积的压力——对地震做出预测。实际上，鲍曼想要了解的是，在整个断层体系中，压力是如何变化和蔓延的。他的这一观点是受混沌理论的启发得来的。

混沌理论是一个可以制服的恶魔，气象预报员就成功地做到了这一点，至少在一定程度上做到了这一点。气象预报员对大气的理论认识要比地震学家对地壳的了解深刻得多，他们或多或少地知道天气是如何变化的，这种认识甚至深入到分子层面，但地震学家却没有这样的优势。

鲍曼评论道：“对气象系统的研究来说，想要了解大气变化是一件很简单的事，只要抬头看看天就好。而我们观察的是岩石，大多数研究对象都在地下 15 000 米的地方，我们不能期望钻个洞探下去，说实话，那只是科幻电影中才有的情节。这是一个根本性的问题，我们没有办法直接测量地壳的压力。”

因为缺乏这样的理论认识，地震学家只能采取纯统计方法预测地震。你可以像鲍曼一样，在自己的模型中创设一个名为“压力”的数据变量。由于无法直接对其进行测量，“压力”这一变量只能表达为过去发生的地震的一个数学函数。而鲍曼认为这样的纯统计方法根本不可能奏效，“数据集里满是噪声干扰，光有统计学意义的数据并不足以验证假说”。

在地震预测和部分的经济学、政治学领域中，有很多干扰数据，理论也不发达。这些领域的知识预测常会按照两步法进行：第一步，将干扰噪声误认为有用信号；第二步，噪声信息流毒于学术期刊、博客媒体、新闻报道，并发出错误的警示，破坏科学，阻碍我们理解这些系统的真实情况。

过度拟合模型：将噪声误认为信号

在统计学中，将噪声误认为信号的行为被称为过度拟合。

假设你是一个小偷小摸的惯犯，而我是你的老板，我要求你想出一个撬密码锁的办法，就是中学学校里常见的那种锁——也许我们打算去偷学生的午饭钱。我期待的撬锁法是，能让我们无论何时何地都可以很有把握地撬开锁。我给了你 3 把锁进行练习，红色的、黑色的和蓝色的。

用这几把锁反复试验了几天后，你回来告诉我，你发现了一个绝对正确的办法：如果锁是红色的，密码组合就是 27–12–31；如果锁是黑色的，密码组合就是 44–14–19；如果锁是蓝色的，密码组合就是 10–3–32。

但我告诉你，你根本就没有完成任务。的确，你想出了开这 3 把锁的办法，但你并没有作更多的努力提升撬锁理论，这个理论可以指导我们撬开随意一把陌生的锁。我一直非常想知道有没有一种办法可以撬开所有的锁，或者锁本身有什么结构缺陷可被我们利用，或是有哪些破解密码的技巧，比如，某一类数字更常被用作密码，等等。但是，你却给了我一个过于具体的办法，妄图解决一般问题。这就是过度拟合，它是导致预测错误的原因。

拟合的说法源自统计模型和过去的观测结果相吻合的程度，当过于粗略地拟合时（我们称之为不充分拟合），这时我们会错过本可以捕捉到的信号。当拟合太过紧密时（我们称之为过度拟合），这意味着你在对数据中的噪声进行拟合，而不是挖掘数据的深层结构。在实践中，过度拟合的错误更为常见。

为了弄清楚这种错误的成因，我们暂且赋予自己一种在现实生活中几乎不可能拥有的优势——我们清楚地知道真实数据原本的面目。在图 5–4 中，我画了一条平缓的抛物线，顶点落在中间位置，末端逐渐减弱。这条抛物线用来代表你希望了解的所有现实数据。

然而，我们还是不能直接观察到数据的深层关系，这种关系由一系列独立的数据点体现出来，我们只能从这些点推断出这种关系模型。另外，这些数据点还会受特殊环境的影响（有信号，也有噪声）。在图 5–4 中，我画了 100 个数据点，分别用圆形和三角形标记，貌似这样就足以从噪声中捕捉到信号。尽管这些数据中存在一定的随机性，但显然它们仍遵循着这条抛物线。

然而，当我们的数据相对有限时（现实情况常常如此），情况将会怎样呢？那时，我们就更有可能陷入过度拟合的麻烦中。在图 5–5A 中，我将 100 个数据点缩减至 25 个，这时，你会如何连接这些点呢？

图 5–4 数据的真实分布情况

当然，如果你知道真实数据应该呈现的关系模型，就会很自然地将它们连接成一条抛物线。确实，用二次方程式这样的数学表达式可以很好地重建真实的关系模型（如图 5–5B）。

图 5–5A 有限数据样本

然而，在无法获知数据的理想模型时，我们有时就会变得很贪婪，图 5–5C 代表的就是这样一个例子，一个过度拟合的模型。在图中，我们设计了一个复杂的函数，可以追踪每一个边缘数据点，用这个函数将这些点连接起来，曲线的上下波动陡然增强。这使得我们离真实的关系模型越来越远，也会使预测更离谱。

图 5–5B 适度拟合模型

这个错误貌似很容易避免，如果我们无所不知，对数据的深层结构总是了如指掌的话，这个错误也确实可以轻松避免。然而，几乎在所有的现实工作中，我们都必须利用归纳法，从已知的证据中对其结构进行推断。当数据有限又充满噪声时，当我们对基本关系的理解很浅显时，就更有可能对一种模型做出过度拟合，在地震预测中，这两种情况可谓司空见惯。

图 5–5C 过度拟合模型

如果我们既不知道也不在乎数据关系的真相，就有很多理由可以解释我们为什么倾向于过度拟合的模型。其中一条就是，在预测者最常用的统计测试中，过度拟合模型更受青睐。有一项常用的测试是用来测量我们的模型可以解释多少数据的变化。根据这一测试，过度拟合的模型（图 5–5C）解释了 85%的数据变化，而适度拟合模型只解释了 56%的数据变化。但是实质上，过度拟合模型是在混淆视听，将噪声误当作信号混入模型中。事实上，在解释真实世界时，它的表现更糟。

这种解释似乎让情况一目了然，但很多预测者完全无视这个问题。研究者拥有很多统计方法，可这么多的方法却没有让他们增加一点科学态度，减少一点幻想，而是像充满幻想的孩子在天空中寻找动物形状的云一样。数学家约翰·冯·诺伊曼谈到这个问题时曾说：“我用 4 个参数就能拟合出一头大象，用 5 个参数就可以让这头大象甩动它的鼻子。”

过度拟合代表了双重霉运：过度拟合的模型表面上来看比较好，但其实际性能却很糟糕。因为后一种因素，若被用在真实的预测活动中，过度拟合模型最终会让预测者付出沉重的代价。而因为前一种因素——其表面效果不错，而且自称可以做出非常准确并且新闻价值很高的预测，比其他应用技术都先进，所以，这类模型更吸引人，更容易在学术期刊上得到推介，也更容易被推销给客户，从而将其他可靠的模型排挤出市场。但是，如果这个模型是用噪声拟合的，就很有可能会阻碍科学发展。

你也许猜到了，克里斯–布鲁克的地震模型就是很严重的过度拟合模型。这一模型将一组超级复杂的方程式应用在噪声数据中，也因此付出了代价——预测正确率只有 3/23。戴维·鲍曼意识到他的模型也有类似的问题，便果断终止使用。

应该说明的是，这些错误通常都是真实的。借用另外一本书的题目《随机漫步的傻瓜》^[1]来说就是，这些错误常影响我们，让我们更容易被“随机性愚弄”。我们也可能会越来越迷恋这种模型的特质，甚至可能会创造出一个貌似很有说服力的理论来证明这些错误的合理性，自己却没有意识到这一点，这不仅是愚弄同事、朋友，也是在愚弄自己。迈克尔·贝雅克曾就此写了大量的文章，他对这种进退维谷的情况作了如下解释：“在科学中，我们用怀疑主义平衡好奇心。”过度拟合的例子说明是好奇心左右了我们。