汶川地震十年--新技术研究成果转化：“地下云图”工程_探测

原标题：汶川地震十年--新技术研究成果转化：“地下云图”工程

地震的孕育过程极其复杂，从地球物理的角度看地震的实质在于震源区介质产生破坏。大陆破坏性地震绝大多数发生在地壳内，且相当多数发生在地下10-20公里之间。实时监测地下介质，动态跟踪它的变化情况，是地球科学家探索地震预测的梦想。科学家们希望地震的监测像天气预报的云图一样，实时了解地下应力的变化状况，产出“地下云图”。

地球科学的信息化革命，带来了信息技术和地震学的相互融合，从而推动了经典地震学的现代化发展。实时地震学应运而生，发展迅速。最突出的成果之一是建立地震台阵（阵列）探测区域地下结构。

依托地脉动噪声地下成像、主动震源地下动态探测、SLF甚低频电磁波地下介质探测（可以称为“深部探测雷达”）及超级计算机可视化处理技术，实时或准实时动态探测地下物质和结构，动态跟踪地震孕育和发生的物质和结构变化过程，为地震预测提供科技创新的基础。利用这些研究成果转化为常规的动态跟踪地下变化，实现动态“地下云图”探测，将为地震预测途径探索开辟工程化的技术基础。

一、动态地脉动噪声地下成像技术工程

地脉动噪声作为地震观测的背景干扰很早就被地震学家重视。著名地球物理学家傅承义院士（1971）曾提出了“红肿理论”。他认为在大震来临之前的一段时间，地球内部的岩体破裂加剧，从而导致脉动水平的增高，通过监测脉动水平的变化，就有可能实现对大地震的预测。

近两年在我国、首都圈地区、华北地区、福建、四川和新疆天山等地区利用地脉动噪声层析成像方面做了大量的研究工作，获得了许多我国陆区地脉动噪声成像的研究成果。

福建地震局对这一高技术研究成果进行了工程化的转化。他们利用福建、江西、广东和浙江省68个实时传输的地震台地脉动噪声数据，建设了区域噪声成像动态监测系统和超级计算机处理实验室，解决了海量地脉动数据处理难题，实现了地脉动噪声进行面波速度层析成像的实时动态探测。每天计算一张福建地区面波群速度相对变化图像，准实时监测福建地区地壳介质变化情况。

图1 2007.8.29福建永春4.6级地震前

地脉动噪声层析成像动态变化图

（福建省地震局，2011）

噪声成像系统的研究结果目前已经初步应用于日常地震会商，并根据实际需求改进噪声成像系统。他们实现了实时动态“地下云图”的设想，成果令人鼓舞。

二、动态主动震源岩石圈和深部探测工程

探测地下构造和介质状况的另一个进展是主动震源探测（图2），系统包括精密控制震源，水中气枪，人工爆破等技术。它是利用人工的震源产生探测所需要的振动信号，经地下介质传播到地震台站，通过接收到的振动信号进行反演计算实现地下介质四维精确探测和成像。精密可控震源很容易实现在一个区域进行重复振动，因而可以做到实时动态主动探测。如果将地脉动噪声成像比喻为“地下云图”，那么主动震源探测像天气预报的探风探雨雷达一样，可称为“深部探测雷达”。该技术不仅可以实现实时动态探测，同时还可以在噪声成像的基础上，实施及时的主动探测。

图2 云南宾川主动源探测 (a) 宾川气枪发射台

(b)气枪构架的示意图(c) DLS台记录的信号

(d) 叠加结果（王宝善，2013）

2011年4月云南省宾川县建成了我国第一个地震信号发射台。该发射台位于红河断裂的北段，历史上曾经多次发生7级以上地震。宾川地震信号发射台的建成为监测该地区上百公里尺度地下介质变化提供了良好的机会（图2）。

2013年5月在新疆维吾尔自治区距离乌鲁木齐市80km的呼图壁县建成了一个由大容量气枪组成的人工震源系统。气枪信号已经穿透整个地壳达到上地幔顶部，记录到Pg和Pn(200km之后的初至)等震相。为北天山地区地壳介质变化及结构研究提供了一个性能良好的重复人工震源。

人工震源还包括采用机械振动的精密控制震源。该系统于上世纪九十年代在俄罗斯和日本出现。它由一个或多个人工控制的振动源组成，可持续运行，发射震动信号，配以一整套接收振动的地震计、记录设备以及分析处理单元，可采用比一般地震观测系统高得多的信噪比接收这些震源发出的微弱信号，从而动态地解析所在地区的地下四维结构（位置x，y，z和时间t）。

图3 精密可控震源在龙门山断层进行作业

(庄灿涛，2011)

我国近年来开发了实用化的精密可控震源设备，并且开展了实用化研究工作。在汶川大地震发生以后，在龙门山断裂带南段布置了跨过龙门山断层的主动可控震源探测线（图3）。采用该设备探测到龙门山断层在汶川地震后地震波走时变化，体现了实时动态观测的特点。

目前采用先进的信息网络和传感器网络技术、低成本的MEMS地震仪使国内外密集观测台网和超密集地震台阵发展极为迅速。仪器设备智能化、几乎可以做到免维护。密集地震观测技术将地震带进大数据时代，为地震观测带来了“革命性变革”，为地震研究提供了更多更丰富的探测数据和大数据云计算处理技术。

三、甚低频电磁波岩石圈探测工程

人工源极低频电磁技术（CSELF）是采用人工方法产生极低频（ELF）及其附近频带大功率交变电磁场的高新技术。它是由天线、接地体、大地和发射机构成了一个交变电流等效“环路”，在环路内变化的电流感应生成交变电磁场。可在数千、上万公里范围的许多地点（台网）同时观测极低频电磁波的各个分量，既可研究大区域的地壳结构及其变化，又可研究大气层、电离层和岩石层的电磁场异常。

在众多地震短临前兆现象中，电磁异常是对地震短临前兆反应最灵敏的物理现象之一，实时动态观测电磁场可以跟踪地震发生全过程地下介质电性和空间电磁场的变化。因此利用CSELF观测既可研究在很大范围例如包括多个潜在强震区的电磁场分布及其动态变化，也可研究台网区域包括强震震源深度的地壳范围介质电性分布及其动态变化。该技术有利于开展地下以及空间电磁异常的立体监测和动态监测，有利于确定地震异常发生的时间和地点。为我们提供了多种同时跟踪地下介质和相关电离层变化(即“源和场”的异常信息)的综合技术手段。做为探索地震预测提供了实时动态观测的高新电磁波手段和方法，极有发展前景。图4是我国地震学家利用俄国发射源发现了1999年5月12日迁安4.2级地震震前电磁异常（赵国泽等，2003）。

图4 1999.5.12河北迁安4.2级地震震前

人工甚低频电磁观测异常（赵国泽2003）

十一五国家重大科学技术设施项目《极低频探地工程》建设的我国极低频电磁波初步观测台网和发射装置，在试验基础上，进一步发展和建设覆盖更大区域的观测台网和地理分布合理的极低频电磁发射台（赵国泽等，2010）。十二五我国在华北、南北地震带、天山等西北地区、东南沿海地震区和东北深地震区等强震、火山灾害危险概率大的地区和省、市、自治区布设密集极低频电磁波接收器，为开展动态监测深部变化打下良好基础。

四、发展 “地下云图”技术

21世纪信息化推动了经典地震学向数字地震学、实时地震学、应急地震学、信息地震学方向发展，为地球科学自主创新带来了前所未有的机遇。为探索地震预测途径，陈会忠、蔡晋安、沈萍课题组提出了动态跟踪地震过程的战术，发展动态深部探测技术，实施相应的动态地下结构、介质和物理化学状态探测，这是跟踪地震孕育、发展、发生的重要手段。我们将上述工程称之为“地下云图”工程 。“地下云图”必须是动态的，可以产出日、周、月、年，需要的话还可产出秒、分和小时的地下变化形势图。长期积累，将使人类对地下的变化留有记录和历史，为地震预测的实现做出贡献。

地脉动噪声成像工程、主动精密震源地壳深部探测工程和动态人工甚低频（SLF）电磁波地下介质探测工程并不是动态深部探测技术的全部，这三个技术显示了我们提出的地下云图是可以实现的。高新技术的发展极大推动了地震学和地震观测技术的发展，新型微机电传感器、大数据、人工智能（AI）技术和密集及超密集地震观测网与阵列技术的结合，必将还有很多创新的技术以及新发展的技术不断涌现，使“地下云图”工程向纵深发展。随着高新技术和地球科学及地震科学的交叉结合，逐渐实现对地震预测的手段就像天气预报的卫星云图和气象雷达一样，跟踪地震过程就像跟踪天气过程一样。

当然由于地下的不可入性，地球岩石圈结构和物性远远比大气圈复杂，地震产生的机理也更加复杂，要做到和天气预报一样还有漫长的路要走，上述的三个工程技术还需要不断改进和完善，技术也需要创新和发展。我们已经看到了实现几代地球科学家设想的实时动态探测地下变化、进而实现地震科学预测梦想的曙光。

CGI-KP2018029