汶川15年:地震究竟能否预测?

汶川15年:地震究竟能否预测?

 
本文由
北京市地震局
星球研究所 联合制作
15年前的今天
汶川地震爆发
数万平方公里的大地
在几分钟的震动过后
山河变色、满目疮痍
(北川老县城曲山镇,汶川地震的重灾区之一,摄影师@朱建国)

汶川15年:地震究竟能否预测?

 
此后的15年中
中国大地依然震颤不止
2010年玉树地震2698人遇难
2013年芦山地震196人遇难
2014年鲁甸地震617人遇难
2022年泸定地震93人遇难
在全球范围内
地震也无情地展示着
巨大的破坏力
2010年海地地震16万人遇难
2011年日本地震近2万人遇难
2023年土耳其地震5万余人遇难
(海地地震后的废墟,图片来源@视觉中国)

汶川15年:地震究竟能否预测?

回首人类的历史
地震称得上是“群灾之首”
在20世纪以来的所有自然灾害中
地震夺走的生命占到一半以上
而中国
更是世界上大陆地震最多的国家
也是因地震死亡人数最多的国家
对地震的恐惧
就像悬在头顶的、不知何时落下的
达摩克利斯之剑一样
贯穿了人类的历史
(请横屏观看,全球20世纪以来主要地震灾害和遇难人数,制图@吴昕恬/星球研究所)

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然而遗憾的是
我们至今无法像预测天气一样
准确预测地震的到来
它仍是所有灾难中
最扑朔迷离的一个
预测一场地震
怎么这么难?
未来的我们
究竟如何应对地震带来的巨大灾难?

(2011年3月11日,日本东北部海岸附近发生了里氏9.0级强烈地震,气仙沼市被地震引发的海啸淹没,图片来源@视觉中国)

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要回答这些问题
我们需要回到1960年代
那时的中国正迎来
长达10年的地震活跃期
连续不断的大地震
接连重创这片土地
而中国的地震预测研究
也正是在那时艰难起步
 
 

 01 

半壁江山皆震颤

首先
我们需要了解
地震发生的基本机制
我们生活的地球表面
由大大小小的板块组成
不止不休的板块运动
造成地下岩石变形
当变形积累的力量超过岩石的弹性极限
岩石骤然破裂,并释放出巨大的能量
地震
便产生了
(地震原理示意,注:实际地震中断裂两侧的块体既有垂直错动,又有水平错动,本图仅示意水平错动,制图@汉青/星球研究所)

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而中国位于几大板块的挤压之下
世界最重要的两大地震带
环太平洋地震带、阿尔卑斯-喜马拉雅地震带
分别从中国东西两侧经过
中国由此成为
少数同时受到两大地震带影响的国家
 
雪上加霜的是
中国所在的欧亚板块内部
地质结构复杂而破碎
造成内陆同样地震频发
这些发生于板块内部的地震
被称为板内地震
新中国成立以来
伤亡最惨重的唐山、汶川地震
便位列其中
(中国地震带分布示意,注:图中用颜色深浅表示地震动峰值加速度,单位为重力加速度g,颜色越深,可能遭遇的地震就越强烈,制图@吴昕恬/星球研究所)

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于是
中国的陆地面积占全球的1/14
板内地震数量却占到全球陆地的1/3
(不含港澳台地震数据)
全国一半以上的省区
皆位于大大小小的地震带上
皆有发生7、8级地震的危险
正可谓
“半壁江山皆震颤”
 
正因为如此
中国一直是受地震伤害最重的国家
甚至超过以多震闻名的日本、智利
也正因为如此
在这样震颤不止的大地上
人们对地震预测有着极为迫切的需求
(汶川地震后,通向震中映秀镇的公路被地震摧毁,摄影师@朱建国)

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现在
让我们把时针拨回到
1966年3月
 
当时,多次强震接连袭击河北邢台
导致八千余人死亡
这是新中国成立后
第一场发生在人口稠密地区的大震
损失惨重,举国震惊
周恩来总理第二天便赶赴灾区
100多个研究机构和大学的数千名科技人员
也陆续到达
开展地震预测大会战
(1966年河北邢台地震之后,周恩来总理视察灾区,图片来源@视觉中国)

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调查中人们发现
地震前会有一些异常情况出现
这便是
地震前兆
 
正如冰冻三尺非一日之寒
地震的能量也经历了漫长的积累
临近大地震发生时
随着地下岩石弯曲、破裂
各种地球物理、地球化学指标
均可能发生相应的变化
并可能间接引起地下水、动植物等
人类易于感知的异常
(部分地震前兆示意,制图@汉青/星球研究所)

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例如
当时震中附近的一口水井
在震前一周左右翻花冒泡
 
而最明显的地震前兆
则是震前数日发生的一连串较小的地震
最高震级为5.2级
仅对建筑造成了轻微的破坏
事后人们把这种大震前的小震称为
“前震”
于是
人们很快总结出了邢台地震的规律
即先小震密集,然后转入平静,最后发生大震
这便是著名的三段式
前震密集-转入平静-主震到来
(前震-平静-主震序列,制图@汉青/星球研究所)

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这就像一根木头在彻底掰断之前
会先开始弯曲,然后裂开一个个小的裂口
直到无法承受,才突然整体崩断
大地深处的岩石断裂也往往先是一系列小破裂
最终积累成更大的破裂
利用这样简明清晰的规律
邢台地震现场的科学家们
很快成功预测了一次6.2级的强烈余震
中国的地震预测
出现了一丝曙光
(请横屏观看,如今的河北邢台,图片来源@视觉中国)

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但邢台地震之后
更多未能预测的地震
依然接二连三地发生
 
包括
1969年7.4级的渤海地震
1970年7.8级的云南通海地震
1973年7.6级的四川炉霍地震
1974年7.1级的云南永善地震
中国的华北与西南
同时动荡不休
(云南通海地震之后,灾民们在废墟前召开动员会,图片来源@云南省地震局)

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即便有了三段式的地震规律总结
但要在大震发生之前
准确分辨前震和其他的孤立小震
要在浩如烟海的前兆信息中
筛选出需要重点关注的时间和地点
都绝非易事
人们只能期待着
第一场真正成功的大震预测
尽快到来
 
 

 02 

难以复制的奇迹

1974年6月
针对严峻的形势
国家地震局召开会议
试图判断下一场地震将会发生在何方
 
相比8年前的邢台地震
此时的中国有了更加完善的前兆观测网络
一座座地震台、监测点
在全国各地建设起来
密切关注着大地发出的重要信号
(辽宁大连地震台,始建于1970年代初的地震台之一,摄影师@马天旭)

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在此前后
辽宁的地震工作者们发现
辽东半岛的金县断裂
两侧地面的高差发生突变
这被专业人员称为“水准异常”
 
还有
大连的地磁出现异常
渤海的水位突然上升
以及辽宁南部小震增加等线索
让人们开始将目光聚焦到
辽宁
(海城地震前兆分布示意,制图@吴昕恬&松楠/星球研究所)

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但辽宁的范围如此之大
如果发生地震
震中究竟会在哪里?
又会在什么时间发生?
在时间和空间上
人们都需要缩小包围圈
 
1974年年底
辽宁东南部许多地方发现了
地下水变浑、冬眠动物出洞等异常
这很可能预示着
地下深处的能量积累
已经接近极限
 
12月22日
辽阳、本溪一带发生4.8级地震
难道靴子这么快就落地了?
似乎不是
因为各种前兆仍在继续
人人都绷紧了神经
(这场4.8级地震被认为可能由水库蓄水引发,下图为辽宁抚顺大伙房水库,距离发生地震的葠[shēn]窝水库约90公里,此处仅作示意,摄影师@王宇)

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1975年2月1日
海城、营口之间密集发生小震
并且愈演愈烈
到2月3日达到高潮
缩小包围圈的信号出现了
 
2月4日
小震逐渐转为平静
地震工作者立刻判断这正是“三段式”中
大震到来之前最后的平静
 
2月4日上午起
辽宁省和地方相关部门
陆续发布临震通报
得到消息的民众穿好冬装、打开房门
随时准备着逃生
 
当天19:36分
7.3级的海城地震爆发
(辽宁营口市百货公司仓库在海城地震中倒塌,图片来源@北京市地震局)

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这场地震摧毁了
海城、营口两地9成以上的房屋
并造成千余人遇难
如果没有准确的地震预测
和果断的疏散命令
将很可能有数万人死于非命

科学家在此后的研究中写道

迄今为止,海城地震仍是
“世界上首次且唯一一次、有文档记载的
在大震前几小时的正确时刻
对正确地点发布了疏散令的事例”
(引文出自陈棋福《2008年汶川地震与中国的地震预报》;下图为如今的辽宁营口城区,当时的地震灾区之一,图片来源@视觉中国)

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由此
人们对地震预测的信心
前所未有地高涨起来
但这样的成功,真的可以复制吗?
在真正全面了解地震背后的机制之前
等待人们的将是
更大的失败
 
1976年上半年
海城地震已经过去一年
人们迫切地想要知道
华北的大震频发期是否已经结束?
地震工作者依然继续着繁忙的工作
不断监测着各地发现的前兆
包括河北、天津等地
地下水氡含量、土地电、地磁等大量异常
 
然而
4月6日内蒙古和林格尔发生6.2级地震
4月22日河北大城发生4.4级地震
这两场不大不小的地震
就像大地扔出的烟雾弹
再次干扰了人们对前兆的解读
有人认为上述地震完全可以对应之前发现的异常
(请横屏观看,唐山地震前兆和相关小震活动分布示意,制图@吴昕恬&松楠/星球研究所)

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与此同时
人们基于此前的“三段式”经验
认为大震之前会有前震给出明确的信号
然而此次前震并未出现
7月28日凌晨3点人们熟睡之时
灾难突至
 
7.8级的唐山大地震
将这座百万人口的工业重镇
夷为平地
并夺走了24万人的生命
(唐山地震后的城市废墟,图片来源@视觉中国)

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人们对地震预测的乐观情绪
瞬间跌入谷底
血泪的教训让人们意识到
“前震-平静-强震”的三段式
并不适用于每一次地震
对前兆的准确解读
远比人们想象的更加困难
 
在对地震的原理进一步了解之前
成熟可靠的地震预测
仍然只是奢望
 
 

 03 

地震居然声东击西

华北遭受重创的同时
西南也并不平静
 
1976年春季
四川龙门山断裂带沿线
井水变色、空中升起火球
或是天然气从地下涌出
各种异常现象一度此起彼伏
 
然而
在人们紧张追踪了两个月后
遥远的云南龙陵紧接着发生了较强地震
四川龙门山附近却毫无波澜
难道地震也会声东击西
(龙陵、松潘地震和龙门山断裂带位置示意,制图@吴昕恬&松楠/星球研究所)

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到了6月
龙门山一带再次密集出现前兆
种种迹象表明大震将至
人心的动荡迅速蔓延
有人在成都的街头搭起地震棚
有人从传闻要发生大震的县城集体出逃
有人询问水库是否放空、工厂是否停工
而当唐山大地震消息传来
更是让谣言四起
 
后来的研究者推算
在1976年那一年
9.3亿中国人中有4亿人
曾在临时防震棚或空地上过夜
(为了预防地震破坏房屋造成伤亡,在有地震风险的区域,一度流行用轻质材料建造防震棚,临时居住,地震之后由于房屋不再坚固,人们担心余震,也常常居住于防震棚中,下图为云南鲁甸地震后的救灾帐蓬,作用类似防震棚,仅作示意,摄影师@车应华)

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直到8月初‍‍
地下水异常、烦躁不安的动物等
依然在龙门山南北数百公里的范围内
持续不断地不断出现
这个范围实在太大
人们对地震具体时间、具体地点的判断
仍是一团迷雾
 
但唐山地震的教训
让四川省防震抗震指挥部
没有再苦等更加确切的前震信号
而是于8月12日果断发布了临震预报
龙门山断裂沿线方圆上百公里的地区
全部进入警戒
 
4天后
7.2级的强震袭来
造成41人遇难
但震中却位于此前少有前兆报告
并非重点区域的川西北松潘一带
地震再次声东击西
幸运的是
松潘地区此前也做了一定准备
救援力量第一时间进入灾区
有效减少了伤亡
(如今的四川松潘,是美丽山谷中的一座繁荣的县城,图片来源@视觉中国)

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松潘地震之后
新中国的第一个地震活跃期终于逐渐淡去
随着改革开放的到来
全国人民的关注重点
也转移到了民生、经济领域
 
时间到了1995年
再次密集出现的众多前兆表明
云南西部可能有强震的风险
 
7月12日
云南孟连发生7.3地震
造成11人遇难
由于之前发生过5.5级的明确前震
此次强震得到了比较准确的预测
(请横屏观看,如今的云南孟连,摄影师@应浩飞)

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而1996年2月的云南丽江7.0级地震
就没有那么幸运了
因为缺乏前震和明确的前兆
导致没有做出成功的预测
地震重创了美丽的丽江古城
造成三百余人遇难
(如今的云南丽江古城,已经发展成为旅游胜地,摄影师@刘珠明)

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自1966年邢台地震以来
数十场大小地震的预测
终究胜少负多
 
对人类而言
大地之下是如此混沌
如此难以捉摸
 
 

 04 

混沌的大地

除了中国
全球的地震学家
也在努力探索地震预测的方案
尤其是尝试从某一地区的历史地震中
寻找规律
但这些努力同样遭遇了滑铁卢
 
在美国加州的帕克菲尔德
科学家发现这里的地震规律性极强
每隔22年左右的间隔
就发生一次6级左右地震
 
人们曾通过这一规律预测
下一场地震将在1993年之前发生
但实际上却迟到了足足11年之久
(引发帕克菲尔德地震的美国加州圣安第列斯断层,是美国最著名的活动断层之一,图片来源@视觉中国)

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在日本
一条地震频发的海沟中
有一片很少发生地震的“空白地带”
即日本所称的东海地区
有科学家曾提出“地震空区”的理论
认为这样的空白地带有着更大地震的可能
 
于是人们一直对
只存在于预测中的“东海大地震”设防森严
但这场地震至今仍未到来
(地震频发的日本,正在展开一场防灾演练,为可能到来的地震做好准备,图片来源@视觉中国)

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1997年
知名地震学家罗伯特•盖勒
在《科学》杂志发表文章
宣称“地震无法预测”
标志着国际科学界对地震预测的信心
降到谷底
 
这其中的核心困难包括
震源深度可达数十千米
远远超过人类的探测极限
 
还包括
地震前兆对人类观测者而言
几乎是随机出现、难以捉摸
在浩如烟海的异常中找到准确信号
更是难上加难
(2023年2月6日土耳其地震,难以预测的地震仍然如不散的阴霾,图片来源@视觉中国)

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很多的前兆都难以被有效利用
前兆或是过于分散、持续时间过长
或是可以由其他原因解释
难以判断预示着何时何地的地震
如果仅凭一些异常就发布预警
将给社会运行带来巨大的成本
全球的地震学界
就在这样低迷的信心中
进入了21世纪
 
2001年
人迹罕至的昆仑山
发生了8.1级地震
但除此之外
世纪之交的中国大地还算平静
然而大地的能量
已经在更多地方悄然积累
(青海昆仑山口,这里曾发生过一场鲜为人知的8.1级地震,但因人烟稀少,损失轻微,摄影师@聂移同)

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从2006年开始
四川郫县的地电阻率出现异常下降
走势与唐山震前的前兆有类似之处
但在2008年初就又恢复了正常
与此类似
四川、甘肃还有一些地区出现过
地下水位、水温等零散异常
但都过于分散,难以引起注意
没有人知道
此时的龙门山断裂带
已经悄然积蓄了巨大的能量
走进破裂的倒计时
一场巨大的灾难即将降临
(请横屏观看,岷江流经龙门山断裂带,峡谷两侧山势陡峭、滑坡密集,是剧烈地质运动留下的痕迹,摄影师@刘少宇)

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历史上这条断裂上的强震
都发生在北段西侧
松潘地震便是如此
相比之下
中段的汶川一带
缺少超过7级的强震记录
在这里
断裂的水平运动速度不足每年1毫米
垂直运动速度也仅有每年2毫米左右
低于大部分引起地震的活动断裂
是一段极为“平静”的断裂
(四川彭州,雪后的龙门山,摄影师@墨山)

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其发生强震的间隔可达千年以上
超出人类地震观测的历史
因此,在中长期的预测中
人们并未做出
汶川附近可能发生强震的判断
就在这样的迷雾之中
我们至今难以忘却、每每想起都心有余悸的
汶川地震
猝然降临
(北川老县城地震遗址,这座城市定格在了2008年5月12日,摄影师@苏凌汉)

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震后人们意识到
孕育汶川地震的龙门山断裂中段
在震前进入了“闭锁”阶段
这意味着表面的平静之下
巨大的能量在不断累积
如一段压缩到接近极限的弹簧
 
在回顾研究中人们猜测
此前提到的地电阻率、地下水等异常现象
或许正是汶川地震的前兆
地震前动物异常活动
以及电磁场异常变化
也被认为可能与汶川地震相关
(汶川映秀镇的漩口中学,在地震中倒塌,摄影师@李贞泰)

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遗憾的是
由于对龙门山断裂带
长期地震趋势的致命误判
我们并未读懂这些大地发出的警告
在事后的分析中
人们也困惑于前兆的复杂、纷乱
即使提前捕捉到前兆
也几乎无法得出可靠的结论
人类面对地震
真的无策可施了吗?
 
 

 05 

防震的曙光

从1960年代至今
地震预测走过了半个世纪
中国和世界各国的科学家有过短暂的成功
但更多的是失败
 
人类对地震预测的信心也经历了
从高峰到低谷的巨大起伏
从邢台地震起步的地震预测工作
在海城地震的成功之后
迅速又遭到唐山地震失败的打击
并在汶川地震后陷入低谷
 
对地下世界一片未知
但在地上的世界
我们还有许多可以努力的方向
(地震预测信心与抗震设防标准变化示意,本图主要展示中国的情况,世界主要国家半世纪以来走过的历程类似,但关键时间节点不同,制图@汉青/星球研究所)

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随着社会经济的发展
和一次次大震经验的积累
我国对建筑抗震设防的标准不断提高
各种抗灾技术手段也蓬勃发展
而所有这些进步
都在给生命带来更多希望
从历次地震的经验来看
绝大多数的伤亡都来自倒塌的建筑
我们需要合理设计框架结构
采用高标准的材料和施工方式
让建筑面对地震时更加坚固
(汶川地震后的映秀中心小学,建筑的绝大部分被夷为平地,造成大量伤亡,摄影师@朱建国)

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以彭州的白鹿中学为代表的
一批严格保证了工程质量的建筑
在一众废墟中屹立不倒
拯救了成百上千师生的生命
 
汶川地震以来
我国不断提高建筑的抗震标准
也将抗震建筑的覆盖范围
扩展到越来越多的地区
从大城市推广到乡村
尤其是对学校、医院等建筑
提出最高的防震要求
 
在未来,面对地震
我们将有更大的安全空间
(四川彭州白鹿中学,教学楼前的大地被汶川地震错断,形成3米左右的高差,两侧建筑却屹立不倒,师生无一伤亡,图片来源@北京市地震局,制图@汉青/星球研究所)

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除了倒塌的建筑之外
地震中的伤亡还有相当一部分
来自地震引起的次生灾害
尤以滑坡、泥石流等为重
 
汶川地震中
单点死亡人数最多的
北川县城
几乎三分之一的城区
被两侧山脉的滑坡掩埋
 
震后的北川县城
整体搬迁到了龙门山外的平原
主动避开了地质脆弱、灾害易发的地区
(北川新县城,位于龙门山前平原的永昌镇,地势平坦开阔,是汶川震后唯一异地重建的县城,图片来源@视觉中国)

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同样位于地震带上的宁夏银川则未雨绸缪
提前确定活动断裂走向
将活动断裂两侧100米的范围
划为绿地
 
由于地震造成的地表破裂
往往沿活动断裂延伸
而只要离开断裂很小的距离
就可以避免最严重的损失
这样的城市规划
可以尽可能减小地震对道路、房屋的破坏
(宁夏银川地震公园,位于城区内的一条活动断裂上方,摄影师@刘思尧)

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我们还建成了覆盖数个省份的
地震预警系统
近几年,它在四川的地震新闻中频繁刷屏
 
与地震预测不同
地震预警的目的并非提前预知地震的到来
而是在地震发生后挽救更多的生命
 
电子信号以光速传播
比地震波快十万倍以上
依靠密集的地震台网和灵敏的算法
我们在地震发生十秒之内
就可以向波及地区发布预警
抢出数秒至数十秒的宝贵时间
供人们紧急逃生避险
或应急处置核电站、高铁等高危设施
(地震预警原理示意,制图@汉青/星球研究所)

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另外
虽然无法做出准确的短期预测
但通过研究断层活动的规律
我们可以做出长期趋势的预测
指导大型工程的规划和建设
(新修建的高速公路穿过地震多发的四川西部山区,摄影师@姜曦)

汶川15年:地震究竟能否预测?

攀登科学高峰的道路总是痛苦并漫长
而通向地震预测科学高峰的道路
也注定会铺满血泪
 
人类的强大
正是在于面对磨难拥有永不放弃的顽强
正是无数前仆后继的人们
推动着地震科学和防灾技术
不断前进
 
终有一日
地震的阴霾将散去
不再带来血泪与恐惧
(2008年5月13日, 都江堰聚源中学,一位父亲紧紧握住儿子沾满泥沙的嫩手,仿佛要从死神手中拽回儿子宝贵的生命,摄影师@朱建国)

汶川15年:地震究竟能否预测?

本文创作团队
撰文:李楚阳    图片:张钊海
设计:汉青   地图:吴昕恬&松楠
审校:王逻辑&云舞空城&陈志浩
封面图片来源:李贞泰&视觉中国
文章封面大图拍摄于5.12汶川特大地震映秀震中纪念馆
审核专家
北京市地震局研究员、副局长  刘桂萍
北京市地震局二级研究员  邢成起
特别鸣谢
北京市地震局
云南省地震局

【参考文献】可上下滑动查看
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汶川15年:地震究竟能否预测?

汶川15年:地震究竟能否预测?

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原文始发于微信公众号(星球研究所):汶川15年:地震究竟能否预测?

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