“地下云圖”，讓地震實(shí)時(shí)“看見(jiàn)”

在汶川地震十周年紀(jì)念時(shí)，“地下云圖”的說(shuō)法屢屢出現(xiàn)在各大媒體上。其實(shí)，早在2009年，科技部973項(xiàng)目相關(guān)課題組就設(shè)立了專門的研究項(xiàng)目，探討了我國(guó)陸區(qū)大震預(yù)測(cè)途徑戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)。在總結(jié)國(guó)內(nèi)外地震預(yù)測(cè)研究現(xiàn)狀和汶川地震成因缺乏觀測(cè)和探測(cè)直接數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了地震預(yù)測(cè)途徑戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)，特別提出了動(dòng)態(tài)跟蹤地下?tīng)顟B(tài)，實(shí)施“地下云圖工程”。

地下云圖來(lái)源于氣象預(yù)測(cè)的衛(wèi)星云圖概念。衛(wèi)星云圖是利用各種氣象觀測(cè)手段，通過(guò)氣象站、氣象衛(wèi)星、氣象雷達(dá)這樣的關(guān)鍵技術(shù)動(dòng)態(tài)，跟蹤天氣變化的全過(guò)程。比如臺(tái)風(fēng)，從臺(tái)風(fēng)生成那一時(shí)刻起，衛(wèi)星云圖就開始動(dòng)態(tài)跟蹤它的運(yùn)動(dòng)路線，強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)速度，對(duì)它的全過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)的跟蹤和預(yù)測(cè)。

圖1 顯示了2011年第9號(hào)臺(tái)風(fēng)的動(dòng)態(tài)跟蹤和預(yù)測(cè)的關(guān)系，它使我們看到了跟蹤天氣變化發(fā)生、發(fā)展和結(jié)束的過(guò)程。

圖1 2011年7月29日到8月9日第9號(hào)臺(tái)風(fēng)梅花的動(dòng)態(tài)跟蹤過(guò)程（圖片來(lái)源：中央氣象臺(tái)，2011）

目前，中國(guó)地震預(yù)報(bào)可以說(shuō)基本處于經(jīng)驗(yàn)和靜態(tài)預(yù)報(bào)階段，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有像天氣預(yù)報(bào)那樣可以動(dòng)態(tài)跟蹤事件過(guò)程。

俄國(guó)地震學(xué)家伽里津有一句名言：“可以把每個(gè)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, 從而使我們能觀察到那里發(fā)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(shí)間的流逝, 它將越來(lái)越明亮, 并將使我們能明了這些自然界的復(fù)雜現(xiàn)象……”。

由于地震發(fā)生的地點(diǎn)、時(shí)間、大小都是不確定的，“并不是到處都有'燈'; 地震這盞'燈'也沒(méi)有能夠把地球內(nèi)部的每個(gè)角落全照亮！”（陳運(yùn)泰 ，2009）。實(shí)現(xiàn)像天氣預(yù)報(bào)那樣跟蹤地震事件過(guò)程，一直是地球科學(xué)家和地震學(xué)家的追求。

從上個(gè)世紀(jì)末到本世紀(jì)初，信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展推動(dòng)了地球科學(xué)的信息化的不斷實(shí)現(xiàn)。將地震學(xué)和現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合，使得地球科學(xué)研究獲得了重要進(jìn)展，包括噪聲地球深部成像、主動(dòng)震源探測(cè)地下結(jié)構(gòu)、超低頻/極低頻（ULF/ELF）探地以及地震模擬技術(shù)等。它們?yōu)樘綔y(cè)地下結(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)跟蹤地震過(guò)程提供了新的科學(xué)思路和技術(shù)。

因此，實(shí)施以地球內(nèi)部成像、探測(cè)地球內(nèi)部構(gòu)造和物性、動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)測(cè)地震孕育發(fā)展過(guò)程的“地下云圖”工程，時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。

為了探索地震預(yù)測(cè)途徑，課題組提出了動(dòng)態(tài)跟蹤地震過(guò)程的戰(zhàn)術(shù)，發(fā)展動(dòng)態(tài)深部探測(cè)技術(shù)，實(shí)施相應(yīng)的動(dòng)態(tài)地下結(jié)構(gòu)和物態(tài)探測(cè)工程，稱之為“地下云圖”工程 。

“地下云圖”必須是動(dòng)態(tài)的，類似于氣象預(yù)報(bào)“看云識(shí)天氣”的方式，可以每天、每周、每月、每年產(chǎn)出，需要的話還可以產(chǎn)出每秒、每分每小時(shí)的地下變化形勢(shì)圖，為地震預(yù)測(cè)的實(shí)現(xiàn)提供有效保障。

目前，關(guān)于“地下云圖”，具體取得了如下進(jìn)展：

一、動(dòng)態(tài)噪聲成像技術(shù)工程

近年來(lái)，地脈動(dòng)噪聲地下成像技術(shù)快速發(fā)展并取得實(shí)質(zhì)性突破，成為地學(xué)創(chuàng)新的熱點(diǎn)。

地脈動(dòng)噪聲作為地震觀測(cè)的背景干擾，很早就被地震學(xué)家重視，科學(xué)家們希望能夠通過(guò)地脈動(dòng)記錄實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地殼介質(zhì)變化。地球物理學(xué)家傅承義院士1971年曾提出“紅腫理論”，他認(rèn)為在大震來(lái)臨之前的一段時(shí)間，地球內(nèi)部的巖體破裂加劇，從而導(dǎo)致脈動(dòng)水平的增高，通過(guò)監(jiān)測(cè)脈動(dòng)水平的變化，就有可能實(shí)現(xiàn)對(duì)大地震的預(yù)測(cè)。

本世紀(jì)Rayleigh波群速度背景噪聲層析成像圖像技術(shù)發(fā)展很快，國(guó)際上Shapiro等（2005）和Sabra等（2005）在2005年幾乎同時(shí)發(fā)表噪聲成像的成果。國(guó)內(nèi)，金星等（2007）在福建、房立華（2009）在我國(guó)華北地區(qū)和首都圈地區(qū)、劉啟元在（2010）四川、郭志（2010）在新疆天山等地區(qū)利用地脈動(dòng)噪聲層析成像技術(shù)，獲得了中國(guó)大陸部分地區(qū)地脈動(dòng)噪聲成像的研究成果。

研究結(jié)果表明，地脈動(dòng)噪聲瑞利波反映了地殼淺部（上地殼約6－20 Km）的速度結(jié)構(gòu)特征。大多數(shù)破壞性地震發(fā)生在這一深度，發(fā)現(xiàn)速度變化比較強(qiáng)烈的地區(qū)即是應(yīng)力集中的地區(qū)，又是介質(zhì)相對(duì)脆弱的地區(qū)，這樣的地區(qū)更容易發(fā)生破裂從而產(chǎn)生地震。

特別值得一提的是，福建地震局對(duì)這一高技術(shù)研究成果進(jìn)行了工程化的轉(zhuǎn)化，他們利用福建、江西、廣東和浙江省68個(gè)實(shí)時(shí)傳輸?shù)牡卣鹋_(tái)地脈動(dòng)噪聲數(shù)據(jù)，建設(shè)了區(qū)域噪聲成像動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和超級(jí)計(jì)算機(jī)處理實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)了地脈動(dòng)噪聲進(jìn)行面波速度層析成像的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)探測(cè)。每天完成一張福建地區(qū)面波群速度相對(duì)變化圖像，準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)福建地區(qū)地殼介質(zhì)變化情況。

圖2 福建區(qū)域噪聲成像動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和地下層析成像圖（圖片來(lái)源：福建省地震局，2011）

噪聲成像系統(tǒng)的研究結(jié)果目前已經(jīng)初步應(yīng)用于日常地震預(yù)測(cè)會(huì)商，圖2為福建地區(qū)瑞利面波群速度異常與3級(jí)以上地震的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖3為2007年8月29 日福建永春4.6級(jí)地震前后瑞利波群速度分布的相對(duì)動(dòng)態(tài)變化圖。

圖3 2007年8月29日福建永春4.6級(jí)地震前地脈動(dòng)噪聲層析成像動(dòng)態(tài)變化圖（圖片來(lái)源：福建省地震局2011）

福建省地震局的動(dòng)態(tài)地脈動(dòng)噪聲成像工程成果令人鼓舞，它實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)“地下云圖”的設(shè)想，開辟了地震預(yù)測(cè)探索的新途徑。

二、主動(dòng)震源深部探測(cè)工程

進(jìn)入本世紀(jì)以來(lái)，探測(cè)地下構(gòu)造和介質(zhì)狀況的另一個(gè)引人注目的進(jìn)展是人工主動(dòng)震源探測(cè)（圖4）。其原理是通過(guò)人工的震源產(chǎn)生探測(cè)特定的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)地下介質(zhì)傳播到地震臺(tái)站，最后利用反演技術(shù)實(shí)現(xiàn)地下動(dòng)態(tài)探測(cè)和成像。主要技術(shù)包括精密控制震源，水中氣槍，人工爆破等。

圖4 主動(dòng)震源深部探測(cè)示意圖（圖片來(lái)源：莊燦濤，2009）

精密控制震源具有時(shí)間、地點(diǎn)和震源特性確定，高度可重復(fù)，架設(shè)地點(diǎn)受限小等特點(diǎn)，在未來(lái)可能發(fā)生大地震的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)區(qū)域地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)及物性的動(dòng)態(tài)探測(cè)。

我國(guó)自主研制的實(shí)用化精密可控震源設(shè)備（圖5）已投入到實(shí)際應(yīng)用中。在背景噪聲比較低的地區(qū)，系統(tǒng)可以監(jiān)視50km內(nèi)、時(shí)間分辨率為小時(shí)的走時(shí)變化，150km內(nèi)、時(shí)間分辨率為天的走時(shí)變化，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)探測(cè)地球深部介質(zhì)的變化。

圖5 我國(guó)開發(fā)研制的精密可控震源(圖片來(lái)源：莊燦濤，2011)

2011年4月云南省賓川縣建成了第一個(gè)人工水中氣槍地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)（王寶善，2013）。該地區(qū)位于紅河和澄海兩個(gè)主要斷層（斷裂）交匯處，地震活動(dòng)性高，臺(tái)站分布密度達(dá)到15km左右，是全球密集的地震臺(tái)網(wǎng)之一。利用氣槍震源的高度可重復(fù)性，可以將多次激發(fā)的信號(hào)疊加起來(lái)以提高信噪比。在疊加的氣槍信號(hào)記錄中，可以看到氣槍信號(hào)可以追蹤到240公里，對(duì)應(yīng)的探測(cè)深度為40公里（圖6）。它的建成為監(jiān)測(cè)該地區(qū)上百公里尺度地下介質(zhì)動(dòng)態(tài)變化提供了良好的機(jī)會(huì)。

圖6.賓川可控源發(fā)射臺(tái)位置及其部分研究結(jié)果。 (a)滇西地震預(yù)報(bào)試驗(yàn)場(chǎng)位置；(b)氣槍陣列示意圖；(c)距發(fā)射臺(tái)112公里的DLS臺(tái)記錄的原始信號(hào)及疊加結(jié)果; (d)氣槍信號(hào)追蹤地下至240公里。（圖片來(lái)源：王寶善，2013）

圖7 賓川氣槍源發(fā)射狀態(tài)（圖片來(lái)源：陳會(huì)忠，2018）

2013年5月新疆維吾爾族自治區(qū)呼圖壁縣又建成了一個(gè)由大容量氣槍組成的和人造水體的人工震源系統(tǒng)，人工水體直徑100m，深18m的圓形水池，氣槍信號(hào)已經(jīng)穿透整個(gè)地殼達(dá)到上地幔頂部。

三、甚低頻電磁波巖石圈探測(cè)工程

人工源極低頻電磁技術(shù)（CSELF）是用人工方法產(chǎn)生極低頻（ELF）及其附近頻帶大功率交變電磁場(chǎng)的高新技術(shù)。我國(guó)目前已經(jīng)建成了自己的發(fā)射臺(tái)，成為世界上第三個(gè)擁有這一發(fā)射技術(shù)的國(guó)家，并建成了世界上第一個(gè)用于地震預(yù)測(cè)等領(lǐng)域的觀測(cè)網(wǎng)（趙國(guó)澤等，2012）。

該系統(tǒng)由天線、接地體、大地和發(fā)射機(jī)構(gòu)成了一個(gè)交變電流等效“環(huán)路”，在環(huán)路內(nèi)變化的電流感應(yīng)生成交變電磁場(chǎng)（圖8）。電磁場(chǎng)分布在地球及其周圍空間，并在地面和電離層之間的“波導(dǎo)”中傳播。它可傳播到數(shù)千甚至上萬(wàn)公里，多地點(diǎn)同時(shí)觀測(cè)極低頻電磁波的各個(gè)分量，可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量區(qū)域的地殼結(jié)構(gòu)及其變化，同時(shí)還可研究巖石層、大氣層、電離層的電磁場(chǎng)異常。

圖8 甚低頻電磁波向地下發(fā)射（圖片來(lái)源：趙國(guó)澤,2003）

圖9為我國(guó)地震學(xué)家利用俄羅斯發(fā)射源發(fā)現(xiàn)了1999年5月12日遷安4.2級(jí)地震震前電磁異常（趙國(guó)澤等，2003）。

圖9 1999年5月12遷安4.2級(jí)地震震前人工甚低頻電磁觀測(cè)異常（圖片來(lái)源：趙國(guó)澤，2003）

目前我國(guó)華北、南北地震帶、天山等西北地區(qū)、東南沿海地震區(qū)和東北等省、市、自治區(qū)布設(shè)密集極低頻電磁波接收網(wǎng)，為開展動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)深部變化打下良好基礎(chǔ)。

上述的三種成像并不是動(dòng)態(tài)深部探測(cè)技術(shù)的全部，這三種技術(shù)顯示了我們提出的“地下云圖”實(shí)現(xiàn)的可行性。高新技術(shù)的發(fā)展極大推動(dòng)了地震學(xué)和地震觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，新型微機(jī)電傳感器、大數(shù)據(jù)、人工智能（AI）技術(shù)和密集及超密集地震觀測(cè)網(wǎng)和陣列技術(shù)的結(jié)合，必將會(huì)帶來(lái)更多新技術(shù)和新發(fā)展，使“地下云圖”技工程不斷向縱深發(fā)展。

由于地下的不可入性，地球巖石圈結(jié)構(gòu)和物性遠(yuǎn)遠(yuǎn)比大氣圈復(fù)雜，但是我們已經(jīng)看到幾代地球科學(xué)家夢(mèng)寐以求獲得實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)探測(cè)地下變化的“地下云圖”的夢(mèng)想有望實(shí)現(xiàn)，地震科學(xué)預(yù)測(cè)研究將迎來(lái)新的曙光！

（本文中標(biāo)明來(lái)源的圖片均已獲得授權(quán)）