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科技日报:天上有北斗,地下有“明灯”

时间:2017-07-10 15:11:30.0 来源:科技日报 作者:

  在人们的印象中,地震总是吓人的,与之相伴的是山崩海啸、房倒屋塌,以及人员和财产的损失。但在这些"破坏力"之外,它也会带来一个小小的"福利"--地震产生的地震波是目前少量可以穿透整个地球的信号,可以帮助人们认识地球内部结构。

  国际著名的俄国地震学家伽利津就曾将地震波比喻为短时间照亮地球内部的一盏灯,认为这盏灯不仅可以照亮地球内部,还有可能帮助人类明了自然界的复杂现象。

  近日,中国地震局发布消息称我国地震学家正在实施"地下明灯"计划。包括中国地震局地球物理研究所、南京大学、中国科学技术大学、北京大学等多个单位的科学家们在地球物理学家陈颙院士带领下,通过气枪震源人工制造地震,"照亮"地球内部来获得数据,这些数据经过放大、记录和分析,不仅让我们越来越了解地球内部的情况,更能研究地球内部结构变化与地震、火山等灾害发生时间、过程之间的关系。这一研究目前已取得了一系列研究成果。

  "地震学家通过分析地震波研究地球内部结构的过程类似于老百姓挑西瓜的过程。用手拍拍、耳朵听听就能够判断西瓜是不是熟了,"中国地震局主动源探测项目组研究员徐平说,"地震给地球敲一榔头,我们就能听听地球内部的结构是怎样的。"

  这一榔头怎么敲却是一门大学问。从1995年开始,陈颙带领团队开展人工震源的探索,先后尝试了电火花、化学爆破、重载列车、电落锤、人工震源车等多种震源,但效果均不理想。最后科学家们发现在水中激发的气枪震源具有信号重复性高、绿色环保、低成本、安全高效等优点,决定将气枪震源应用于科学研究和地震监测工作。这是世界上首次提出可主动发出地震信号的地震信号发射台的概念。

  随后,项目团队解决了大量理论和技术问题,把气枪震源系统从海洋移植到了陆地水体,2011年,他们在云南宾川建成了世界上第一个陆地固定式气枪地震信号发射台。后又分别于2013年和2015年建成了新疆呼图壁和甘肃张掖两个地震信号发射台。此外,团队还研制了移动式和船载式等多种气枪震源系统的技术装备,可以适用于大陆上的江河湖泊及近海、水库等水体。

  这些发射台几年的监测,陈颙院士和他的团队有了许多阶段性的成果。徐平说:"我们发现气枪发射地震波的走时和固体潮的变化与地震发生有密切的联系,这是一种有希望的地震物理预报的前兆。"

  船载式气枪震源系统在长江安徽段激发的信号被应用于郯庐断裂带南端地壳及上地幔结构探测中,取得了良好效果。

  徐平告诉科技日报记者,在新疆呼图壁6.2级地震发生时,周边地震台站观测到的地震波走时变化曲线可以看到地震波走时在地震之前一直处于较低的状态,临近地震发生时出现明显上升,这为进一步观测和研究地震孕育发生的物理过程提供了技术手段和研究范例。

  值得一提的是,这一研究在国家能源安全中也有一定的应用。一方面大部分油气资源储存在5000米以浅的地下,了解地下精细结构对于油气资源探查具有重要意义;另一方面,在地下能源使用过程中,了解地下情况的变化能为安全生产提供重要参考资料。比如,在新疆建成的固定式气枪震源除了用于地震监测预报工作外,就为呼图壁地下储气库的安全生产提供了支撑。

  现在,气枪震源激发信号的探测距离已经可以达到1300千米,可探测发射点附近面积达400万平方公里,深达60千米的地下结构。按照科学家们的设想,如果在全国建立10个固定的气枪发射台,就能够覆盖整个中国大陆。"这将在城市地下空间的合理利用、城市地震安全性评价、活动断裂调查、城市地下三维地质图编制、矿山中矿脉追踪等领域有广泛的应用前景,实现‘天上有北斗,地下有明灯'。"徐平说。

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