人造地震：給地球做“B超”

李剛

超聲，和普通聲音一樣，能向一定方向傳播，而且可以穿透物體，碰到不同的障礙物就會(huì)產(chǎn)生不同回聲。人們通過(guò)儀器將這種回聲收集并顯示在屏幕上，可以用來(lái)了解物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。利用這種原理，人們用超聲波來(lái)診斷和治療人體疾病，也就是醫(yī)學(xué)臨床上應(yīng)用廣泛的“B超”。

那么，要想探究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和過(guò)程，獲得地球內(nèi)部信息，是不是也可以利用同樣原理？王寶善告訴記者：“通俗地說(shuō)，我們的工作就是給地球做‘B超。”

地震波——研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵

對(duì)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探索，科學(xué)家們從未停止過(guò)，雖然今天的探測(cè)器可以在太空遨游，但對(duì)人類腳下的地球內(nèi)部仍鞭長(zhǎng)莫及。目前世界上最深的鉆孔也未能超過(guò)13公里，連地殼都沒(méi)有穿透。對(duì)于幾千公里下的地核，又該如何研究呢？

我們知道，地震是地球內(nèi)部介質(zhì)局部發(fā)生急劇破裂產(chǎn)生的振動(dòng)。地震可能會(huì)導(dǎo)致一定程度的災(zāi)害，但同時(shí)也給為我們提供了一些地球內(nèi)部的信息。地震學(xué)家伽利津曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“可以把每次地震比作一盞燈，它燃著的時(shí)間很短，但照亮著地球的內(nèi)部……”人們對(duì)地球內(nèi)部的認(rèn)識(shí)，大部分信息都來(lái)自地震波。到目前為止，通過(guò)研究地震、火山等產(chǎn)生的地震波依然是科學(xué)家們探索地球深部秘密的主要手段。

而王寶善和團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在的工作，就是通過(guò)地震波研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)。除此之外，他們更關(guān)心地球內(nèi)部的過(guò)程，探究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)隨時(shí)間而產(chǎn)生的變化，“因?yàn)榇蟮卣鸬陌l(fā)生通常是和過(guò)程相關(guān)的”。而要積累豐富的數(shù)據(jù)資料，就要給地球定期做體檢，王寶善說(shuō)他們目前的工作就是利用地震波給地球做“B超”。

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，地震波在傳輸過(guò)程中的速度并不是一成不變的。王寶善介紹說(shuō)：“地震波的傳波速度不是恒定的，很多天然和人為活動(dòng)都會(huì)改變地震波在地球內(nèi)部傳播的速度，比如大氣壓和固體潮的變化都會(huì)導(dǎo)致地震波傳播速度發(fā)生極其微弱的變化。”其帶來(lái)的微小變化都對(duì)數(shù)據(jù)處理方法提出了更高要求，這也是王寶善這些年一直在探索的工作。

天然地震是研究區(qū)域介質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要信號(hào)來(lái)源。在天然地震中有不少是發(fā)生在同一個(gè)地區(qū)、有類似震源機(jī)制并產(chǎn)生相似波形的地震，它們被稱為相似地震或重復(fù)地震。

利用地震波研究地球內(nèi)部介質(zhì)變化依賴于重復(fù)性震源，而重復(fù)性震源的產(chǎn)生單靠自然發(fā)生的地震則微乎其微。天然地震雖能量大，但時(shí)空分布有限。利用天然重復(fù)地震進(jìn)行介質(zhì)變化測(cè)量，其分辨率和精度都存在一定的局限性。

而人工震源，可以在某種程度上克服天然震源的不足。人工震源是主動(dòng)向地下發(fā)射地震波，進(jìn)行地下介質(zhì)變化監(jiān)測(cè)的另一種手段。王寶善和團(tuán)隊(duì)也一直嘗試?yán)萌斯ふ鹪幢O(jiān)測(cè)與地震等天然加載相關(guān)研究的地殼介質(zhì)變化。通過(guò)人造地震獲得重復(fù)震源，是給地球做B超的前提。

氣槍震源——地下介質(zhì)監(jiān)測(cè)的理想震源

十多年來(lái)，我國(guó)學(xué)者在探索人工震源監(jiān)測(cè)方面做了大量工作，從人工爆破震源、連續(xù)震源，直至氣槍震源的成功應(yīng)用，王寶善和團(tuán)隊(duì)也一直為尋找“理想震源”努力。

由于人工爆破震源和連續(xù)震源，在運(yùn)行期間會(huì)對(duì)近源場(chǎng)地產(chǎn)生一定的破壞，因而無(wú)法滿足長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)的需求。要想獲得更好的探測(cè)效果，震源必須有專用的地基。為了進(jìn)一步尋找一種能有效產(chǎn)生地震波、同時(shí)對(duì)近場(chǎng)破壞小的震源，王寶善和團(tuán)隊(duì)嘗試了海洋石油勘探用氣槍震源。

氣槍震源，是利用氣槍將高壓空氣在水下瞬間釋放，進(jìn)而激發(fā)震波。如今，它已經(jīng)成為海洋石油勘探不可或缺的震源。大量研究表明，在水中激發(fā)氣槍震源具有對(duì)近場(chǎng)破壞小和重復(fù)性高的優(yōu)點(diǎn)。因而，氣槍震源被公認(rèn)為是進(jìn)行地下介質(zhì)監(jiān)測(cè)的理想震源。

如何將海中氣槍震源引入作為陸地震源？王寶善和團(tuán)隊(duì)用了數(shù)年的時(shí)間對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了探索。2005年，他們利用海洋石油勘探氣槍震源進(jìn)行了海中激發(fā)氣槍陸地接收實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，小容量氣槍陣列具有較高的主頻，可以實(shí)現(xiàn)高分辨率儲(chǔ)層勘探，但高頻信號(hào)因衰減快，很難遠(yuǎn)距離傳播。

這又給王寶善和團(tuán)隊(duì)出了一個(gè)難題。雖然海中氣槍激發(fā)試驗(yàn)效果不理想，但他們抓住了要害——如果是大容量氣槍陣列，則會(huì)產(chǎn)生低頻信號(hào)，將有可能達(dá)到較好的記錄效果。

為了測(cè)試大容量氣槍的激發(fā)效果并探索氣槍震源在陸地水體激發(fā)的可行性，王寶善和團(tuán)隊(duì)于2006年進(jìn)行了大容量氣槍陣列在陸地水庫(kù)的激發(fā)實(shí)驗(yàn)——上關(guān)湖實(shí)驗(yàn)。為開展實(shí)驗(yàn)，他們首先進(jìn)行了水體的勘選。

王寶善介紹說(shuō)，對(duì)于水體的選擇，必須做全方位考慮：首先水深要足夠，一般要求10米以上；其次水面面積要足夠大，便于施工；第三備選點(diǎn)距離水庫(kù)大壩和居民點(diǎn)有一定距離（一般要求500米以上），以減少生產(chǎn)生活影響。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，王寶善和團(tuán)隊(duì)得到了一些認(rèn)識(shí)：大容量氣槍陣列能夠成功地在陸地水庫(kù)中激發(fā)，陸地水庫(kù)激發(fā)的氣槍震源重復(fù)性高，對(duì)近場(chǎng)影響小，氣槍激發(fā)信號(hào)的主頻在3～5Hz，非常有利于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳播和地震臺(tái)站的接收，氣槍陣列在水庫(kù)中激發(fā)的信號(hào)相當(dāng)于0.5級(jí)的小地震，氣槍信號(hào)追蹤距離可以達(dá)到上百公里，并隨著疊加次數(shù)增加而增加。

多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在較大水體中大容量氣槍震源可以得到比較理想的效果。然而大水體的分布范圍有限，這在一定程度上限制了震源的使用。為測(cè)試在大容量氣槍相對(duì)較小水體中的激發(fā)效果，他們于2009年又進(jìn)行了馬刨泉水池氣槍激發(fā)實(shí)驗(yàn)。

建設(shè)地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)是基礎(chǔ)

經(jīng)過(guò)前期多次實(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功地掌握了在陸地水體中進(jìn)行大容量氣槍震源的各項(xiàng)技術(shù)。為了將相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于地球科學(xué)研究，服務(wù)于防震減災(zāi)，他們開始考慮建設(shè)一個(gè)以大容量氣槍為核心的固定地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)。

對(duì)地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)的選址，是不是也有苛刻條件？王寶善提到：“為了研究中強(qiáng)地震發(fā)生的深部物理過(guò)程，我們將發(fā)射臺(tái)選在地震多發(fā)地帶?！苯?jīng)過(guò)多次勘選，最終選定在云南、四川、甘肅、新疆等地震多發(fā)區(qū)建設(shè)發(fā)射臺(tái)。

2011年，他們?cè)谠颇鲜〈罄碇葙e川縣大銀甸水庫(kù)，建成了第一個(gè)地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)。王寶善介紹說(shuō)：“在水位條件許可的情況下，每周激發(fā)一組（每組20次左右激發(fā)），從2014年9月開始激發(fā)加密每周3次?！?/p>

在取得初步成功之后，王寶善和團(tuán)隊(duì)希望在更多地方和更多領(lǐng)域開展應(yīng)用探索。2013年，他們選擇距離烏魯木齊70千米的呼圖壁縣建立第二個(gè)地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)，希望能開發(fā)新疆在油氣資源等方面的應(yīng)用。考慮到新疆水資源分布的特點(diǎn)，他們?cè)诮ㄔO(shè)呼圖壁地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)時(shí)采用了人工水體。

而在呼圖壁震源30千米的地方，有著當(dāng)時(shí)全國(guó)最大的地下儲(chǔ)氣庫(kù)——呼圖壁地下儲(chǔ)氣庫(kù)。為研究人類活動(dòng)對(duì)地下介質(zhì)的影響，團(tuán)隊(duì)隨后針對(duì)地下儲(chǔ)氣庫(kù)開展了深入的研究。王寶善說(shuō)：“我們將把呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)作為一個(gè)天然實(shí)驗(yàn)場(chǎng)開展多學(xué)科綜合研究，以更好地理解人類活動(dòng)對(duì)地下介質(zhì)的影響?！?/p>

經(jīng)過(guò)多次調(diào)研和實(shí)地考察，團(tuán)隊(duì)又選定在甘肅省張掖市建設(shè)了第三個(gè)地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)。

然而，人們又會(huì)有疑問(wèn)：經(jīng)常造地震，發(fā)射氣槍震源，會(huì)不會(huì)打死水庫(kù)里的魚？會(huì)不會(huì)對(duì)周圍產(chǎn)生影響？這些問(wèn)題恐怕是人們最關(guān)心的。

從選址到上千次實(shí)驗(yàn)，都充分證明了“人造地震”的氣槍震源是綠色環(huán)保震源。王寶善說(shuō)：“我們已經(jīng)有過(guò)幾千次實(shí)驗(yàn)，水庫(kù)里的魚沒(méi)有任何死亡，而且都活得很好?！笨磥?lái)，這些0.5級(jí)或稍高一點(diǎn)的小地震，最多讓魚兒受到一些驚嚇，對(duì)水體來(lái)說(shuō)并無(wú)影響。

雖然對(duì)過(guò)程的研究需要積累長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)資料，短期內(nèi)很難有明顯成績(jī)，但王寶善和團(tuán)隊(duì)希望，利用近年來(lái)發(fā)展的技術(shù)和方法不僅能研究動(dòng)力學(xué)的過(guò)程，而且通過(guò)研究地震的過(guò)程為地震預(yù)報(bào)提供物理基礎(chǔ)；同時(shí)，希望能為能源安全服務(wù)，為建筑安全服務(wù)，推動(dòng)國(guó)家的城市化建設(shè)。

專家簡(jiǎn)介：

王寶善，中國(guó)地震局地球物理研究所實(shí)驗(yàn)地球物理研究室研究員，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)系理學(xué)學(xué)士和工學(xué)學(xué)士雙學(xué)位，理學(xué)博士學(xué)位。曾赴日本愛(ài)媛大學(xué)地球動(dòng)力學(xué)研究室做訪問(wèn)學(xué)者，美國(guó)萊斯大學(xué)做博士后研究。主要研究方向是利用人工震源研究地下介質(zhì)變化。承擔(dān)課題有國(guó)家自然科學(xué)基金2項(xiàng)、優(yōu)秀青年基金1項(xiàng)、行業(yè)專項(xiàng)1項(xiàng)。