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    地震科學預測新技術!“地下云圖”,讓地震實

         在汶川地震十周年紀念時,“地下云圖”的說法屢屢出現在各大媒體上。其實,早在2009年,科技部973項目相關課題組就設立了專門的研究項目,探討了我國陸區大震預測途徑戰略和戰術。在總結國內外地震預測研究現狀和汶川地震成因缺乏觀測和探測直接數據的基礎上,提出了地震預測途徑戰略和戰術,特別提出了動態跟蹤地下狀態,實施“地下云圖工程”。

         地下云圖來源于氣象預測的衛星云圖概念。衛星云圖是利用各種氣象觀測手段,通過氣象站、氣象衛星、氣象雷達這樣的關鍵技術動態,跟蹤天氣變化的全過程。比如臺風,從臺風生成那一時刻起,衛星云圖就開始動態跟蹤它的運動路線,強度和運動速度,對它的全過程進行動態的跟蹤和預測。

    圖1 顯示了2011年第9號臺風的動態跟蹤和預測的關系,它使我們看到了跟蹤天氣變化發生、發展和結束的過程。
    圖1  2011年7月29日到8月9日第9號臺風梅花的動態跟蹤過程(圖片來源:中央氣象臺,2011)
     
         目前,中國地震預報可以說基本處于經驗和靜態預報階段,還遠遠沒有像天氣預報那樣可以動態跟蹤事件過程。

         俄國地震學家伽里津有一句名言:“可以把每個地震比作一盞燈, 它燃著的時間很短, 但照亮著地球的內部, 從而使我們能觀察到那里發生了些什么。這盞燈的光雖然目前還很暗淡, 但毋庸置疑, 隨著時間的流逝, 它將越來越明亮, 并將使我們能明了這些自然界的復雜現象……”。

           由于地震發生的地點、時間、大小都是不確定的,“并不是到處都有'燈'; 地震這盞'燈'也沒有能夠把地球內部的每個角落全照亮!”(陳運泰 ,2009)。實現像天氣預報那樣跟蹤地震事件過程,一直是地球科學家和地震學家的追求。
    從上個世紀末到本世紀初,信息技術和計算機技術的迅猛發展推動了地球科學的信息化的不斷實現。將地震學和現代信息技術相結合,使得地球科學研究獲得了重要進展,包括噪聲地球深部成像、主動震源探測地下結構、超低頻/極低頻(ULF/ELF)探地以及地震模擬技術等。它們為探測地下結構,動態跟蹤地震過程提供了新的科學思路和技術。

          因此,實施以地球內部成像、探測地球內部構造和物性、動態跟蹤監測地震孕育發展過程的“地下云圖”工程,時機已經成熟。
     
           為了探索地震預測途徑,課題組提出了動態跟蹤地震過程的戰術,發展動態深部探測技術,實施相應的動態地下結構和物態探測工程,稱之為“地下云圖”工程 。

         “地下云圖”必須是動態的,類似于氣象預報“看云識天氣”的方式,可以每天、每周、每月、每年產出,需要的話還可以產出每秒、每分每小時的地下變化形勢圖,為地震預測的實現提供有效保障。

            目前,關于“地下云圖”,具體取得了如下進展:

           一、動態噪聲成像技術工程

         近年來,地脈動噪聲地下成像技術快速發展并取得實質性突破,成為地學創新的熱點。

         地脈動噪聲作為地震觀測的背景干擾,很早就被地震學家重視,科學家們希望能夠通過地脈動記錄實時監測地殼介質變化。地球物理學家傅承義院士1971年曾提出“紅腫理論”,他認為在大震來臨之前的一段時間,地球內部的巖體破裂加劇,從而導致脈動水平的增高,通過監測脈動水平的變化,就有可能實現對大地震的預測。

       本世紀Rayleigh波群速度背景噪聲層析成像圖像技術發展很快,國際上Shapiro等(2005)和Sabra等(2005)在2005年幾乎同時發表噪聲成像的成果。國內,金星等(2007)在福建、房立華(2009)在我國華北地區和首都圈地區、劉啟元在(2010)四川、郭志(2010)在新疆天山等地區利用地脈動噪聲層析成像技術,獲得了中國大陸部分地區地脈動噪聲成像的研究成果。

        研究結果表明,地脈動噪聲瑞利波反映了地殼淺部(上地殼約6-20 Km)的速度結構特征。大多數破壞性地震發生在這一深度,發現速度變化比較強烈的地區即是應力集中的地區,又是介質相對脆弱的地區,這樣的地區更容易發生破裂從而產生地震。

         特別值得一提的是,福建地震局對這一高技術研究成果進行了工程化的轉化,他們利用福建、江西、廣東和浙江省68個實時傳輸的地震臺地脈動噪聲數據,建設了區域噪聲成像動態監測系統和超級計算機處理實驗室,實現了地脈動噪聲進行面波速度層析成像的實時動態探測。每天完成一張福建地區面波群速度相對變化圖像,準實時監測福建地區地殼介質變化情況。

    圖2  福建區域噪聲成像動態監測系統和地下層析成像圖(圖片來源:福建省地震局,2011)

    噪聲成像系統的研究結果目前已經初步應用于日常地震預測會商,圖2為福建地區瑞利面波群速度異常與3級以上地震的對應關系。圖3為2007年8月29 日福建永春4.6級地震前后瑞利波群速度分布的相對動態變化圖。

    圖3  2007年8月29日福建永春4.6級地震前地脈動噪聲層析成像動態變化圖(圖片來源:福建省地震局2011)
     
    福建省地震局的動態地脈動噪聲成像工程成果令人鼓舞,它實現了實時動態“地下云圖”的設想,開辟了地震預測探索的新途徑。 

    二、主動震源深部探測工程
     
    進入本世紀以來,探測地下構造和介質狀況的另一個引人注目的進展是人工主動震源探測(圖4)。其原理是通過人工的震源產生探測特定的振動信號,經地下介質傳播到地震臺站,最后利用反演技術實現地下動態探測和成像。主要技術包括精密控制震源,水中氣槍,人工爆破等。
    圖5  我國開發研制的精密可控震源(圖片來源:莊燦濤,2011)

       2011年4月云南省賓川縣建成了第一個人工水中氣槍地震信號發射臺(王寶善,2013)。該地區位于紅河和澄海兩個主要斷層(斷裂)交匯處,地震活動性高,臺站分布密度達到15km左右,是全球密集的地震臺網之一。利用氣槍震源的高度可重復性,可以將多次激發的信號疊加起來以提高信噪比。在疊加的氣槍信號記錄中,可以看到氣槍信號可以追蹤到240公里,對應的探測深度為40公里(圖6)。它的建成為監測該地區上百公里尺度地下介質動態變化提供了良好的機會。

    圖6.賓川可控源發射臺位置及其部分研究結果。 (a)滇西地震預報試驗場位置;(b)氣槍陣列示意圖;(c)距發射臺112公里的DLS臺記錄的原始信號及疊加結果; (d)氣槍信號追蹤地下至240公里。(圖片來源:王寶善,2013)
     
    圖7 賓川氣槍源發射狀態(圖片來源:陳會忠,2018)
     
       2013年5月新疆維吾爾族自治區呼圖壁縣又建成了一個由大容量氣槍組成的和人造水體的人工震源系統,人工水體直徑100m,深18m的圓形水池,氣槍信號已經穿透整個地殼達到上地幔頂部。 

    三、甚低頻電磁波巖石圈探測工程

       人工源極低頻電磁技術(CSELF)是用人工方法產生極低頻(ELF)及其附近頻帶大功率交變電磁場的高新技術。我國目前已經建成了自己的發射臺,成為世界上第三個擁有這一發射技術的國家,并建成了世界上第一個用于地震預測等領域的觀測網(趙國澤等,2012)。

      該系統由天線、接地體、大地和發射機構成了一個交變電流等效“環路”,在環路內變化的電流感應生成交變電磁場(圖8)。電磁場分布在地球及其周圍空間,并在地面和電離層之間的“波導”中傳播。它可傳播到數千甚至上萬公里,多地點同時觀   測極低頻電磁波的各個分量,可實時動態測量區域的地殼結構及其變化,同時還可研究巖石層、大氣層、電離層的電磁場異常。


        
    圖8  甚低頻電磁波向地下發射(圖片來源:趙國澤,2003) 
    圖9為我國地震學家利用俄羅斯發射源發現了1999年5月12日遷安4.2級地震震前電磁異常(趙國澤等,2003)。
    圖9  1999年5月12遷安4.2級地震震前人工甚低頻電磁觀測異常(圖片來源:趙國澤,2003) 

          目前我國華北、南北地震帶、天山等西北地區、東南沿海地震區和東北等省、市、自治區布設密集極低頻電磁波接收網,為開展動態監測深部變化打下良好基礎。

        上述的三種成像并不是動態深部探測技術的全部,這三種技術顯示了我們提出的“地下云圖”實現的可行性。高新技術的發展極大推動了地震學和地震觀測技術的發展,新型微機電傳感器、大數據、人工智能(AI)技術和密集及超密集地震觀測網和陣列技術的結合,必將會帶來更多新技術和新發展,使“地下云圖”技工程不斷向縱深發展。

         由于地下的不可入性,地球巖石圈結構和物性遠遠比大氣圈復雜,但是我們已經看到幾代地球科學家夢寐以求獲得實時動態探測地下變化的“地下云圖”的夢想有望實現,地震科學預測研究將迎來新的曙光! 
    (本文中標明來源的圖片均已獲得授權)

    出品:科普中國 
    制作:地球物理信息科學傳播團隊 陳會忠 蔡晉安沈萍 
    監制:中國科學院計算機網絡信息中心 

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