中國給地球“做CT”：尋找地震規(guī)律 讓地殼變透明

中國給地球“做CT”：尋找地震規(guī)律 讓地殼變透明

為何會發(fā)生地震？如何提高地震預(yù)測和風險防范能力？地震發(fā)生后又怎樣將損失降到最低？針對這些長期困擾地震學界的難題，不久前，我國啟動了地震科技創(chuàng)新工程，擬通過“透明地殼”“解剖地震”“韌性城鄉(xiāng)”和“智慧服務(wù)”4個計劃的實施，未來10年，我國的地震科學研究水平以及防震減災(zāi)能力將大幅度提升，達到國際先進水平。

開展對地下結(jié)構(gòu)的探察，讓地殼逐漸變透明，尋找地震規(guī)律 地表發(fā)生的一切地學現(xiàn)象幾乎都能在地球深部找到答案。以地震為例，地震是地球內(nèi)部應(yīng)力作用的結(jié)果，了解地殼結(jié)構(gòu)和地下應(yīng)力變化，有助于我們探究地震孕育發(fā)生的規(guī)律。

“我們現(xiàn)在可以上天下海，但對腳下大地的認知還不夠。人類對地殼結(jié)構(gòu)了解不夠，進而難以深入研究地震孕育發(fā)生規(guī)律，突破地震預(yù)測的科學難題，”中國地震局地震預(yù)測研究所副所長張曉東說。

張曉東介紹，“透明地殼”就是要開展對地下結(jié)構(gòu)的探察，特別是主要地震帶的深淺結(jié)構(gòu)和斷層活動習性，把地下搞清楚。“這就好比給地球深部‘做CT’，讓看不見的地殼逐漸變透明，進而從中尋找地震孕育發(fā)生的規(guī)律。”

“CT”如何做，原理如何？中國地震局地球物理研究所研究員吳建平介紹，地震被認為是瞬間照亮地球內(nèi)部的明燈。由于地球內(nèi)部物質(zhì)的物理性質(zhì)不同，其密度、磁性、電阻率以及地震波穿過時的傳播速度和衰減特性存在差異。地震波在地下介質(zhì)中傳播時會發(fā)生反射、折射和透射，儀器接收到這些帶有地球內(nèi)部信息的信號，經(jīng)過復雜的科學處理以后，就會得到地下結(jié)構(gòu)，包括地下三維介質(zhì)的物性、電性、磁性等圖像，科學家在此基礎(chǔ)上就能開展深入的地震科學研究工作?！巴ㄟ^觀測不同傳播路徑的地震波速變化，獲得地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像，其原理與醫(yī)學中的CT成像類似?！?/p>

我國在內(nèi)陸采用氣槍震源在水中激發(fā)地震波的方法獲取地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息和連續(xù)、高精度介質(zhì)變化圖像。目前，地震科研人員已經(jīng)在全國建立了4個人工氣槍震源實驗基地，未來還要建設(shè)6個人工氣槍震源實驗基地。

實施“透明地殼”計劃后，我國將建立中國大陸殼幔三維精細結(jié)構(gòu)模型，獲得地殼介質(zhì)物性隨時間變化圖像，查明約200條活動斷層空間展布和活動性參數(shù)，獲得綜合地球物理場及時間變化圖像。

張曉東說，想了解清楚地下變化情況，僅有靜態(tài)的“透明地殼”還不夠，需要有高密度的綜合地球物理場動態(tài)觀測結(jié)果。我國還將利用GPS、水準、重力、地磁觀測網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測獲取中國大陸三維地殼運動圖像和地表重力場、巖石圈磁場變化圖像，為強震中長期危險地點預(yù)測提供依據(jù)。

詳細解剖已發(fā)生地震，提升對強震孕育發(fā)生機理的科學認識 “透明地殼”是“解剖地震”的基礎(chǔ)，前者提供大的地殼構(gòu)造和結(jié)構(gòu)背景，后者主要研究地震孕育發(fā)生機理，探索地震預(yù)測方法?！澳闳メt(yī)院看病，有了檢查的‘片子’，醫(yī)生才能據(jù)此分析病情?！睆垥詵|說。

吳建平介紹，“解剖地震”計劃最終目標是對已發(fā)生的地震進行詳細解剖，對典型強震進行全面深入的綜合研究，建立典型強震的科學樣本?！笆澜缟洗蠖鄶?shù)的大地震屬于板緣地震，而我國很多是大陸內(nèi)部地震，其強震孕震機制和前兆機理存在差異?！馄实卣稹軌虬l(fā)展和提出適用于中國大陸強震發(fā)生的機制和模型，其相關(guān)研究成果，還能為中亞等大陸內(nèi)部地震多發(fā)國家提供借鑒?！睆垥詵|說。

國際上主要國家都開展了構(gòu)建區(qū)域動力學模型和地震綜合預(yù)測研究方面的工作。比如，美國通過25年的持續(xù)研究，建立了加州地區(qū)強震孕育發(fā)生的概率預(yù)測和動力學模型。我國地震預(yù)測研究始于1966年，經(jīng)過多年探索，我國發(fā)展了中國大陸地震的活動地塊理論，并在川滇地震多發(fā)區(qū)建設(shè)了地震監(jiān)測預(yù)報實驗場?！敖馄实卣稹庇媱澩瓿珊螅覈鴮⑼瓿蓪３?、唐山、汶川和玉樹等地震的深入研究，并構(gòu)建相關(guān)地震孕育發(fā)生模型，提升對強震孕育發(fā)生機理的科學認識。

我國對地球物理、大地測量、地球化學和地質(zhì)學等海量觀測資料，開展數(shù)據(jù)同化處理工作，結(jié)合以往研究成果和大震案例，提取相關(guān)參數(shù)，構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)的地震孕育發(fā)生的物理過程，研發(fā)基于超算技術(shù)的相關(guān)計算方法和軟件庫，開展地震數(shù)值模擬實驗與檢驗，同時也探索人工智能等地震預(yù)測新方法。

張曉東說，實施“透明地殼”“解剖地震”還存在一些技術(shù)難題。比如，地球結(jié)構(gòu)的探測精度與觀測站的密度密切相關(guān)，一般來說對探測目標的高精度精細探測需要更高的觀測密度。目前，我國地震臺陣探測布設(shè)的站間距在35公里左右。要開展密集觀測，獲得更高分辨率的地殼結(jié)構(gòu)，臺站觀測密度還要加大。此外，大地震樣本少，時間久遠的震例觀測資料的分辨率、精度、完備性、連續(xù)性等都難以滿足研究的需求。

建設(shè)國家地震科學大數(shù)據(jù)中心，顯著提高城鄉(xiāng)抗震能力 地震是地球演化過程中發(fā)生的自然現(xiàn)象，即使將來科技發(fā)展到能夠準確預(yù)報地震的程度，人類也無法阻止大地震的發(fā)生。保障人們生命財產(chǎn)安全，就要做好地震信息服務(wù)和提升地面建筑的抗震能力。

“以前，我們只能在地震發(fā)生后提供發(fā)震時間、地點和震級信息，俗稱地震三要素?，F(xiàn)在我們還要提供其它地震學參數(shù)，例如震源機制、地震矩、應(yīng)力降、震源破裂過程等信息，為政府和公眾提供參考?！睆垥詵|說。

地震科技創(chuàng)新工程的“智慧服務(wù)”計劃，旨在提升我國的地震信息服務(wù)水平。據(jù)介紹，我國將建設(shè)地震科學大數(shù)據(jù)中心，構(gòu)建防震減災(zāi)信息從云到端的智慧服務(wù)體系，重構(gòu)業(yè)務(wù)信息化流程，包括地震預(yù)警和速報、災(zāi)情評估和速報、地震區(qū)劃精細服務(wù)、建筑物抗震能力、地震科學知識普及、抗震救災(zāi)等信息，產(chǎn)出相關(guān)服務(wù)產(chǎn)品，提高地震數(shù)據(jù)和產(chǎn)品在線存儲、計算和服務(wù)能力，實現(xiàn)信息資源的集約化。

“國家地震科學大數(shù)據(jù)中心將匯集涵蓋地球物理、地球化學、大地測量和地質(zhì)學等學科領(lǐng)域的觀測數(shù)據(jù)，形成全國統(tǒng)一、分布管理、合作共享的地震數(shù)據(jù)資源體系，服務(wù)國防、核電、水利建設(shè)，服務(wù)城市重大基礎(chǔ)設(shè)施、高速鐵路安全?！睆垥詵|說。

地震損失降至最低，要做到地震發(fā)生時免遭破壞，或者即使造成一定程度災(zāi)害也具備高效可恢復性。這就需要了解地面建筑結(jié)構(gòu)特點，加強抗震能力設(shè)計。“韌性城鄉(xiāng)”計劃就是以“地上結(jié)實”為主要目標，確保重要建筑和生命線工程在強震襲擊后可以在短期內(nèi)恢復功能，顯著提高城鄉(xiāng)抗震能力。

據(jù)介紹，我國將率先建成10個示范韌性城鎮(zhèn)。將科學評估全國的地震災(zāi)害風險，采用并創(chuàng)新世界上最先進的抗震技術(shù)提高城鄉(xiāng)的可恢復能力。同時，開展隔震與減震技術(shù)、搖擺結(jié)構(gòu)體系、自復位結(jié)構(gòu)體系、可更換構(gòu)件結(jié)構(gòu)體系研究，為韌性城鎮(zhèn)建設(shè)提供技術(shù)支持。（人民日報）