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中國給地球“做CT”:讓地殼逐漸變透明 尋找地震規律
2017-06-30 08:41:50 來源: 人民日報
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  原標題  給地球深部“做CT”(厲害了,中國科技)

  為何會發生地震?如何提高地震預測和風險防范能力?地震發生後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新工程,擬通過“透明地殼”“解剖地震”“韌性城鄉”和“智慧服務”4個計劃的實施,未來10年,我國的地震科學研究水準以及防震減災能力將大幅度提升,達到國際先進水準。

  開展對地下結構的探察,讓地殼逐漸變透明,尋找地震規律

  地表發生的一切地學現象幾乎都能在地球深部找到答案。以地震為例,地震是地球內部應力作用的結果,了解地殼結構和地下應力變化,有助于我們探究地震孕育發生的規律。

  “我們現在可以上天下海,但對腳下大地的認知還不夠。人類對地殼結構了解不夠,進而難以深入研究地震孕育發生規律,突破地震預測的科學難題,”中國地震局地震預測研究所副所長張曉東説。

  張曉東介紹,“透明地殼”就是要開展對地下結構的探察,特別是主要地震帶的深淺結構和斷層活動習性,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生的規律。”

  “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部的明燈。由于地球內部物質的物理性質不同,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。地震波在地下介質中傳播時會發生反射、折射和透射,儀器接收到這些帶有地球內部資訊的信號,經過復雜的科學處理以後,就會得到地下結構,包括地下三維介質的物性、電性、磁性等圖像,科學家在此基礎上就能開展深入的地震科學研究工作。“通過觀測不同傳播路徑的地震波速變化,獲得地球內部結構圖像,其原理與醫學中的CT成像類似。”

  我國在內陸採用氣槍震源在水中激發地震波的方法獲取地球內部結構資訊和連續、高精度介質變化圖像。目前,地震科研人員已經在全國建立了4個人工氣槍震源實驗基地,未來還要建設6個人工氣槍震源實驗基地。

  實施“透明地殼”計劃後,我國將建立中國大陸殼幔三維精細結構模型,獲得地殼介質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,獲得綜合地球物理場及時間變化圖像。

  張曉東説,想了解清楚地下變化情況,僅有靜態的“透明地殼”還不夠,需要有高密度的綜合地球物理場動態觀測結果。我國還將利用GPS、水準、重力、地磁觀測網絡,監測獲取中國大陸三維地殼運動圖像和地表重力場、岩石圈磁場變化圖像,為強震中長期危險地點預測提供依據。

  詳細解剖已發生地震,提升對強震孕育發生機理的科學認識

  “透明地殼”是“解剖地震”的基礎,前者提供大的地殼構造和結構背景,後者主要研究地震孕育發生機理,探索地震預測方法。“你去醫院看病,有了檢查的‘片子’,醫生才能據此分析病情。”張曉東説。

  吳建平介紹,“解剖地震”計劃最終目標是對已發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。“世界上大多數的大地震屬于板緣地震,而我國很多是大陸內部地震,其強震孕震機制和前兆機理存在差異。‘解剖地震’能夠發展和提出適用于中國大陸強震發生的機制和模型,其相關研究成果,還能為中亞等大陸內部地震多發國家提供借鑒。”張曉東説。

  國際上主要國家都開展了構建區域動力學模型和地震綜合預測研究方面的工作。比如,美國通過25年的持續研究,建立了加州地區強震孕育發生的概率預測和動力學模型。我國地震預測研究始于1966年,經過多年探索,我國發展了中國大陸地震的活動地塊理論,並在川滇地震多發區建設了地震監測預報實驗場。“解剖地震”計劃完成後,我國將完成對海城、唐山、汶川和玉樹等地震的深入研究,並構建相關地震孕育發生模型,提升對強震孕育發生機理的科學認識。

  我國對地球物理、大地測量、地球化學和地質學等海量觀測資料,開展數據同化處理工作,結合以往研究成果和大震案例,提取相關參數,構建基于大數據的地震孕育發生的物理過程,研發基于超算技術的相關計算方法和軟件庫,開展地震數值模擬實驗與檢驗,同時也探索人工智慧等地震預測新方法。

  張曉東説,實施“透明地殼”“解剖地震”還存在一些技術難題。比如,地球結構的探測精度與觀測站的密度密切相關,一般來説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構,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、連續性等都難以滿足研究的需求。

  建設國家地震科學大數據中心,顯著提高城鄉抗震能力

  地震是地球演化過程中發生的自然現象,即使將來科技發展到能夠準確預報地震的程度,人類也無法阻止大地震的發生。保障人們生命財産安全,就要做好地震資訊服務和提升地面建築的抗震能力。

  “以前,我們只能在地震發生後提供發震時間、地點和震級資訊,俗稱地震三要素。現在我們還要提供其他地震學參數,例如震源機制、地震矩、應力降、震源破裂過程等資訊,為政府和公眾提供參考。”張曉東説。

  地震科技創新工程的“智慧服務”計劃,旨在提升我國的地震資訊服務水準。據介紹,我國將建設地震科學大數據中心,構建防震減災資訊從雲到端的智慧服務體係,重構業務信息化流程,包括地震預警和速報、災情評估和速報、地震區劃精細服務、建築物抗震能力、地震科學知識普及、抗震救災等資訊,産出相關服務産品,提高地震數據和産品線上存儲、計算和服務能力,實現資訊資源的集約化。

  “國家地震科學大數據中心將匯集涵蓋地球物理、地球化學、大地測量和地質學等學科領域的觀測數據,形成全國統一、分布管理、合作共用的地震數據資源體係,服務國防、核電、水利建設,服務城市重大基礎設施、高速鐵路安全。”張曉東説。

  地震損失降至最低,要做到地震發生時免遭破壞,或者即使造成一定程度災害也具備高效可恢復性。這就需要了解地面建築結構特點,加強抗震能力設計。“韌性城鄉”計劃就是以“地上結實”為主要目標,確保重要建築和生命線工程在強震襲擊後可以在短期內恢復功能,顯著提高城鄉抗震能力。

  據介紹,我國將率先建成10個示范韌性城鎮。將科學評估全國的地震災害風險,採用並創新世界上最先進的抗震技術提高城鄉的可恢復能力。同時,開展隔震與減震技術、搖擺結構體係、自復位結構體係、可更換構件結構體係研究,為韌性城鎮建設提供技術支援。(喻思孌 楊桐彤)

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