地震科學(xué)預測新技術！“地下雲圖”，讓地震實

在汶川地震十周年紀念時(shí)，“地下雲圖”的說(shuō)法屢屢出現在各大媒體上。其實，早在2009年，科技部973項目相關課題組就(jiù)設立了專門的研究項目，探讨了我國(guó)陸區大震預測途徑戰略和戰術。在總結國(guó)内外地震預測研究現狀和汶川地震成(chéng)因缺乏觀測和探測直接數據的基礎上，提出了地震預測途徑戰略和戰術，特别提出了動态跟蹤地下狀态，實施“地下雲圖工程”。

地下雲圖來源于氣象預測的衛星雲圖概念。衛星雲圖是利用各種(zhǒng)氣象觀測手段，通過(guò)氣象站、氣象衛星、氣象雷達這(zhè)樣(yàng)的關鍵技術動态，跟蹤天氣變化的全過(guò)程。比如台風，從台風生成(chéng)那一時(shí)刻起(qǐ)，衛星雲圖就(jiù)開(kāi)始動态跟蹤它的運動路線，強度和運動速度，對(duì)它的全過(guò)程進(jìn)行動态的跟蹤和預測。

圖1 顯示了2011年第9号台風的動态跟蹤和預測的關系，它使我們看到(dào)了跟蹤天氣變化發(fā)生、發(fā)展和結束的過(guò)程。

圖1 2011年7月29日到(dào)8月9日第9号台風梅花的動态跟蹤過(guò)程（圖片來源：中央氣象台，2011）

目前，中國(guó)地震預報可以說(shuō)基本處于經(jīng)驗和靜态預報階段，還(hái)遠遠沒(méi)有像天氣預報那樣(yàng)可以動态跟蹤事(shì)件過(guò)程。

俄國(guó)地震學(xué)家伽裡(lǐ)津有一句名言：“可以把每個地震比作一盞燈, 它燃著(zhe)的時(shí)間很短, 但照亮著(zhe)地球的内部, 從而使我們能(néng)觀察到(dào)那裡(lǐ)發(fā)生了些什麼(me)。這(zhè)盞燈的光雖然目前還(hái)很暗淡, 但毋庸置疑, 随著(zhe)時(shí)間的流逝, 它將(jiāng)越來越明亮, 并將(jiāng)使我們能(néng)明了這(zhè)些自然界的複雜現象……”。

由于地震發(fā)生的地點、時(shí)間、大小都(dōu)是不确定的，“并不是到(dào)處都(dōu)有'燈'; 地震這(zhè)盞'燈'也沒(méi)有能(néng)夠把地球内部的每個角落全照亮！”（陳運泰，2009）。實現像天氣預報那樣(yàng)跟蹤地震事(shì)件過(guò)程，一直是地球科學(xué)家和地震學(xué)家的追求。
從上個世紀末到(dào)本世紀初，信息技術和計算機技術的迅猛發(fā)展推動了地球科學(xué)的信息化的不斷實現。將(jiāng)地震學(xué)和現代信息技術相結合，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(chéng)像、主動震源探測地下結構、超低頻/極低頻（ULF/ELF）探地以及地震模拟技術等。它們為探測地下結構，動态跟蹤地震過(guò)程提供了新的科學(xué)思路和技術。

因此，實施以地球内部成(chéng)像、探測地球内部構造和物性、動态跟蹤監測地震孕育發(fā)展過(guò)程的“地下雲圖”工程，時(shí)機已經(jīng)成(chéng)熟。

為了探索地震預測途徑，課題組提出了動态跟蹤地震過(guò)程的戰術，發(fā)展動态深部探測技術，實施相應的動态地下結構和物态探測工程，稱之為“地下雲圖”工程。

“地下雲圖”必須是動态的，類似于氣象預報“看雲識天氣”的方式，可以每天、每周、每月、每年産出，需要的話還(hái)可以産出每秒、每分每小時(shí)的地下變化形勢圖，為地震預測的實現提供有效保障。

目前，關于“地下雲圖”，具體取得了如下進(jìn)展：

一、動态噪聲成(chéng)像技術工程

近年來，地脈動噪聲地下成(chéng)像技術快速發(fā)展并取得實質性突破，成(chéng)為地學(xué)創新的熱點。

地脈動噪聲作為地震觀測的背景幹擾，很早就(jiù)被(bèi)地震學(xué)家重視，科學(xué)家們希望能(néng)夠通過(guò)地脈動記錄實時(shí)監測地殼介質變化。地球物理學(xué)家傅承義院士1971年曾提出“紅腫理論”，他認為在大震來臨之前的一段時(shí)間，地球内部的岩體破裂加劇，從而導緻脈動水平的增高，通過(guò)監測脈動水平的變化，就(jiù)有可能(néng)實現對(duì)大地震的預測。

本世紀Rayleigh波群速度背景噪聲層析成(chéng)像圖像技術發(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(chéng)像的成(chéng)果。國(guó)内，金星等（2007）在福建、房立華（2009）在我國(guó)華北地區和首都(dōu)圈地區、劉啟元在（2010）四川、郭志（2010）在新疆天山等地區利用地脈動噪聲層析成(chéng)像技術，獲得了中國(guó)大陸部分地區地脈動噪聲成(chéng)像的研究成(chéng)果。

研究結果表明，地脈動噪聲瑞利波反映了地殼淺部（上地殼約6－20 Km）的速度結構特征。大多數破壞性地震發(fā)生在這(zhè)一深度，發(fā)現速度變化比較強烈的地區即是應力集中的地區，又是介質相對(duì)脆弱的地區，這(zhè)樣(yàng)的地區更容易發(fā)生破裂從而産生地震。

特别值得一提的是，福建地震局對(duì)這(zhè)一高技術研究成(chéng)果進(jìn)行了工程化的轉化，他們利用福建、江西、廣東和浙江省68個實時(shí)傳輸的地震台地脈動噪聲數據，建設了區域噪聲成(chéng)像動态監測系統和超級計算機處理實驗室，實現了地脈動噪聲進(jìn)行面(miàn)波速度層析成(chéng)像的實時(shí)動态探測。每天完成(chéng)一張福建地區面(miàn)波群速度相對(duì)變化圖像，準實時(shí)監測福建地區地殼介質變化情況。

圖2 福建區域噪聲成(chéng)像動态監測系統和地下層析成(chéng)像圖（圖片來源：福建省地震局，2011）

噪聲成(chéng)像系統的研究結果目前已經(jīng)初步應用于日常地震預測會(huì)商，圖2為福建地區瑞利面(miàn)波群速度異常與3級以上地震的對(duì)應關系。圖3為2007年8月29 日福建永春4.6級地震前後(hòu)瑞利波群速度分布的相對(duì)動态變化圖。

圖3 2007年8月29日福建永春4.6級地震前地脈動噪聲層析成(chéng)像動态變化圖（圖片來源：福建省地震局2011）

福建省地震局的動态地脈動噪聲成(chéng)像工程成(chéng)果令人鼓舞，它實現了實時(shí)動态“地下雲圖”的設想，開(kāi)辟了地震預測探索的新途徑。

二、主動震源深部探測工程

進(jìn)入本世紀以來，探測地下構造和介質狀況的另一個引人注目的進(jìn)展是人工主動震源探測（圖4）。其原理是通過(guò)人工的震源産生探測特定的振動信号，經(jīng)地下介質傳播到(dào)地震台站，最後(hòu)利用反演技術實現地下動态探測和成(chéng)像。主要技術包括精密控制震源，水中氣槍，人工爆破等。

圖5 我國(guó)開(kāi)發(fā)研制的精密可控震源(圖片來源：莊燦濤，2011)

2011年4月雲南省賓川縣建成(chéng)了第一個人工水中氣槍地震信号發(fā)射台（王寶善，2013）。該地區位于紅河和澄海兩(liǎng)個主要斷層（斷裂）交彙處，地震活動性高，台站分布密度達到(dào)15km左右，是全球密集的地震台網之一。利用氣槍震源的高度可重複性，可以將(jiāng)多次激發(fā)的信号疊加起(qǐ)來以提高信噪比。在疊加的氣槍信号記錄中，可以看到(dào)氣槍信号可以追蹤到(dào)240公裡(lǐ)，對(duì)應的探測深度為40公裡(lǐ)（圖6）。它的建成(chéng)為監測該地區上百公裡(lǐ)尺度地下介質動态變化提供了良好(hǎo)的機會(huì)。

圖6.賓川可控源發(fā)射台位置及其部分研究結果。 (a)滇西地震預報試驗場位置；(b)氣槍陣列示意圖；(c)距發(fā)射台112公裡(lǐ)的DLS台記錄的原始信号及疊加結果; (d)氣槍信号追蹤地下至240公裡(lǐ)。（圖片來源：王寶善，2013）

圖7 賓川氣槍源發(fā)射狀态（圖片來源：陳會(huì)忠，2018）

2013年5月新疆維吾爾族自治區呼圖壁縣又建成(chéng)了一個由大容量氣槍組成(chéng)的和人造水體的人工震源系統，人工水體直徑100m，深18m的圓形水池，氣槍信号已經(jīng)穿透整個地殼達到(dào)上地幔頂部。

三、甚低頻電磁波岩石圈探測工程

人工源極低頻電磁技術（CSELF）是用人工方法産生極低頻（ELF）及其附近頻帶大功率交變電磁場的高新技術。我國(guó)目前已經(jīng)建成(chéng)了自己的發(fā)射台，成(chéng)為世界上第三個擁有這(zhè)一發(fā)射技術的國(guó)家，并建成(chéng)了世界上第一個用于地震預測等領域的觀測網（趙國(guó)澤等，2012）。

該系統由天線、接地體、大地和發(fā)射機構成(chéng)了一個交變電流等效“環路”，在環路内變化的電流感應生成(chéng)交變電磁場（圖8）。電磁場分布在地球及其周圍空間，并在地面(miàn)和電離層之間的“波導”中傳播。它可傳播到(dào)數千甚至上萬公裡(lǐ)，多地點同時(shí)觀測極低頻電磁波的各個分量，可實時(shí)動态測量區域的地殼結構及其變化，同時(shí)還(hái)可研究岩石層、大氣層、電離層的電磁場異常。

圖8 甚低頻電磁波向(xiàng)地下發(fā)射（圖片來源：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)現了1999年5月12日遷安4.2級地震震前電磁異常（趙國(guó)澤等，2003）。

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

目前我國(guó)華北、南北地震帶、天山等西北地區、東南沿海地震區和東北等省、市、自治區布設密集極低頻電磁波接收網，為開(kāi)展動态監測深部變化打下良好(hǎo)基礎。

上述的三種(zhǒng)成(chéng)像并不是動态深部探測技術的全部，這(zhè)三種(zhǒng)技術顯示了我們提出的“地下雲圖”實現的可行性。高新技術的發(fā)展極大推動了地震學(xué)和地震觀測技術的發(fā)展，新型微機電傳感器、大數據、人工智能(néng)（AI）技術和密集及超密集地震觀測網和陣列技術的結合，必將(jiāng)會(huì)帶來更多新技術和新發(fā)展，使“地下雲圖”技工程不斷向(xiàng)縱深發(fā)展。

由于地下的不可入性，地球岩石圈結構和物性遠遠比大氣圈複雜，但是我們已經(jīng)看到(dào)幾代地球科學(xué)家夢寐以求獲得實時(shí)動态探測地下變化的“地下雲圖”的夢想有望實現，地震科學(xué)預測研究將(jiāng)迎來新的曙光！
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出品：科普中國(guó)
制作：地球物理信息科學(xué)傳播團隊陳會(huì)忠蔡晉安沈萍
監制：中國(guó)科學(xué)院計算機網絡信息中心