人工制造地震“看透”地球內(nèi)部變化

在人們的印象中，地震總是嚇人的，與之相伴的是山崩海嘯、房倒屋塌，以及人員和財產(chǎn)的損失。但在這些“破壞力”之外，它也會帶來一個小小的“福利”——地震產(chǎn)生的地震波是目前少量可以穿透整個地球的信號，可以幫助人們認識地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

國際著名的俄國地震學家伽利津就曾將地震波比喻為短時間照亮地球內(nèi)部的一盞燈，認為這盞燈不僅可以照亮地球內(nèi)部，還有可能幫助人類明了自然界的復雜現(xiàn)象。

近日，中國地震局發(fā)布消息稱我國地震學家正在實施“地下明燈”計劃。包括中國地震局地球物理研究所、南京大學、中國科學技術(shù)大學、北京大學等多個單位的科學家們在地球物理學家陳颙院士帶領(lǐng)下，通過氣槍震源人工制造地震，“照亮”地球內(nèi)部來獲得數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過放大、記錄和分析，不僅讓我們越來越了解地球內(nèi)部的情況，更能研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化與地震、火山等災(zāi)害發(fā)生時間、過程之間的關(guān)系。這一研究目前已取得了一系列研究成果。

“地震學家通過分析地震波研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的過程類似于老百姓挑西瓜的過程。用手拍拍、耳朵聽聽就能夠判斷西瓜是不是熟了，”中國地震局主動源探測項目組研究員徐平說，“地震給地球敲一榔頭，我們就能聽聽地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)是怎樣的?！?/p>

這一榔頭怎么敲卻是一門大學問。從1995年開始，陳颙帶領(lǐng)團隊開展人工震源的探索，先后嘗試了電火花、化學爆破、重載列車、電落錘、人工震源車等多種震源，但效果均不理想。最后科學家們發(fā)現(xiàn)在水中激發(fā)的氣槍震源具有信號重復性高、綠色環(huán)保、低成本、安全高效等優(yōu)點，決定將氣槍震源應(yīng)用于科學研究和地震監(jiān)測工作。這是世界上首次提出可主動發(fā)出地震信號的地震信號發(fā)射臺的概念。

隨后，項目團隊解決了大量理論和技術(shù)問題，把氣槍震源系統(tǒng)從海洋移植到了陸地水體，2011年，他們在云南賓川建成了世界上第一個陸地固定式氣槍地震信號發(fā)射臺。后又分別于2013年和2015年建成了新疆呼圖壁和甘肅張掖兩個地震信號發(fā)射臺。此外，團隊還研制了移動式和船載式等多種氣槍震源系統(tǒng)的技術(shù)裝備，可以適用于大陸上的江河湖泊及近海、水庫等水體。

這些發(fā)射臺幾年的監(jiān)測，陳颙院士和他的團隊有了許多階段性的成果。徐平說：“我們發(fā)現(xiàn)氣槍發(fā)射地震波的走時和固體潮的變化與地震發(fā)生有密切的聯(lián)系，這是一種有希望的地震物理預(yù)報的前兆。”

船載式氣槍震源系統(tǒng)在長江安徽段激發(fā)的信號被應(yīng)用于郯廬斷裂帶南端地殼及上地幔結(jié)構(gòu)探測中，取得了良好效果。

徐平告訴科技日報記者，在新疆呼圖壁6.2級地震發(fā)生時，周邊地震臺站觀測到的地震波走時變化曲線可以看到地震波走時在地震之前一直處于較低的狀態(tài)，臨近地震發(fā)生時出現(xiàn)明顯上升，這為進一步觀測和研究地震孕育發(fā)生的物理過程提供了技術(shù)手段和研究范例。

值得一提的是，這一研究在國家能源安全中也有一定的應(yīng)用。一方面大部分油氣資源儲存在5000米以淺的地下，了解地下精細結(jié)構(gòu)對于油氣資源探查具有重要意義；另一方面，在地下能源使用過程中，了解地下情況的變化能為安全生產(chǎn)提供重要參考資料。比如，在新疆建成的固定式氣槍震源除了用于地震監(jiān)測預(yù)報工作外，就為呼圖壁地下儲氣庫的安全生產(chǎn)提供了支撐。

現(xiàn)在，氣槍震源激發(fā)信號的探測距離已經(jīng)可以達到1300千米，可探測發(fā)射點附近面積達400萬平方公里，深達60千米的地下結(jié)構(gòu)。按照科學家們的設(shè)想，如果在全國建立10個固定的氣槍發(fā)射臺，就能夠覆蓋整個中國大陸?！斑@將在城市地下空間的合理利用、城市地震安全性評價、活動斷裂調(diào)查、城市地下三維地質(zhì)圖編制、礦山中礦脈追蹤等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，實現(xiàn)‘天上有北斗，地下有明燈’?！毙炱秸f。記者 李 艷