深部探測(cè)：入地解謎

2008年的汶川地震，震級(jí)達(dá)8. 0級(jí)。當(dāng)時(shí)中國(guó)已建設(shè)了超過(guò)1300個(gè)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)，但用中國(guó)科學(xué)院院士石耀霖的話說(shuō)，并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何“前兆”。

新中國(guó)成立以后50多年來(lái)地質(zhì)工作的成果，似乎也被這場(chǎng)巨震摧毀。如同災(zāi)區(qū)重建，中國(guó)的地質(zhì)科學(xué)以及地震預(yù)報(bào)，不得不在檢討的基礎(chǔ)上重新起步。

作為一個(gè)典型，耗資數(shù)以億元計(jì)的中國(guó)“深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究”專項(xiàng)（以下簡(jiǎn)稱“深部探測(cè)專項(xiàng)”）在2008年后啟動(dòng)，成為中國(guó)地學(xué)史上最大的科學(xué)項(xiàng)目，也是新中國(guó)投資最大的基礎(chǔ)科學(xué)項(xiàng)目之一。

科學(xué)家們希望，它能夠“開(kāi)啟中國(guó)地學(xué)新時(shí)代”- - -其中自然包括對(duì)地震的研究和預(yù)測(cè)。

根據(jù)對(duì)龍門山斷裂帶南部的監(jiān)測(cè)結(jié)果，“深部探測(cè)專項(xiàng)”早就對(duì)蘆山一帶進(jìn)行了異常預(yù)警。四川境內(nèi)建設(shè)的十余口深孔測(cè)量井顯示，“從2009年以后，映秀以南的區(qū)域一直處于高應(yīng)力狀態(tài)。”已經(jīng)趕到災(zāi)區(qū)的“深部探測(cè)專項(xiàng)”負(fù)責(zé)人、中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院副院長(zhǎng)董樹文告訴本刊記者。這代表著，深層地下的巖石受力持續(xù)加劇。

“此次地震不是意外。”承擔(dān)“深部探測(cè)專項(xiàng)”相關(guān)子項(xiàng)目的石耀霖說(shuō)，即使地震發(fā)生后，“似乎還沒(méi)有釋放出這100公里斷裂帶內(nèi)積蓄的能量”。

汶川地震改變了人們對(duì)科學(xué)特別是地學(xué)的認(rèn)識(shí)。

一直以來(lái)，中國(guó)人更愿意用板塊運(yùn)動(dòng)理論來(lái)描述地震成因。然而，震后籠統(tǒng)的定性總結(jié)并不能預(yù)測(cè)下一次地震。石耀霖說(shuō)，這需要更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩糠治觥?/p>

由于國(guó)家層面的支持- - -“深部探測(cè)專項(xiàng)”已在災(zāi)難多發(fā)的青藏高原東南緣建立了深孔井監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，石耀霖的設(shè)想正在強(qiáng)力推進(jìn)。

抵達(dá)地下數(shù)百米、甚至上千米的深度，并非“深部探測(cè)專項(xiàng)”的最終目標(biāo)。作為中國(guó)地殼探測(cè)工程的培育性啟動(dòng)項(xiàng)目，5年來(lái)，超過(guò)1500位科研人員在全中國(guó)推動(dòng)這項(xiàng)計(jì)劃。

對(duì)中國(guó)地下最深刻的認(rèn)識(shí)，將對(duì)中國(guó)的資源戰(zhàn)略、防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃產(chǎn)生根本影響。“這次蘆山地震以后，將會(huì)更有力地推動(dòng)地球科學(xué)的基礎(chǔ)研究。”董樹文說(shuō)。

依賴“異象”的地震預(yù)報(bào)

4月22日，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院召開(kāi)蘆山地震研討會(huì)。中國(guó)最權(quán)威的幾位地學(xué)院士分析交流了龍門山地震構(gòu)造帶東南部、寶興等地的應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

應(yīng)力是一個(gè)力學(xué)專業(yè)詞匯，通常定義為“單位面積上所承受的附加內(nèi)力”。其中，地應(yīng)力指地球體內(nèi)的應(yīng)力，它一般由地?zé)帷⒅亓Α⒌厍蜃赞D(zhuǎn)速度變化及其他因素形成。

地應(yīng)力施加于巖石將產(chǎn)生應(yīng)變- - -作用在深層巖石上的地應(yīng)力一旦超限，巖石就會(huì)破裂，發(fā)生地震。

幾位院士會(huì)商的結(jié)果是，地應(yīng)力動(dòng)態(tài)變化與地震孕育發(fā)展存在密切關(guān)系。

“深部探測(cè)專項(xiàng)”目前在青藏高原東南緣和北京周邊地區(qū)建立的觀測(cè)站，是目前中國(guó)最好的地應(yīng)力監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)之一。它的子項(xiàng)目之一，就是“地應(yīng)力測(cè)量與監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究”。

據(jù)石耀霖介紹，過(guò)去5年間，“深部探測(cè)專項(xiàng)”在青藏高原東南緣共建立了28個(gè)應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)臺(tái)站，數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖本┑牡貞?yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心，為地震預(yù)測(cè)研究提供了大量基礎(chǔ)資料。

其主要科研設(shè)施，是位于四川境內(nèi)的十余口深孔應(yīng)力測(cè)量井，“最深的測(cè)量井有800米深，主要用來(lái)測(cè)量地球應(yīng)力的調(diào)整規(guī)律。我們發(fā)現(xiàn)汶川震后，2009年開(kāi)始，映秀以南區(qū)域一直處于高應(yīng)力狀態(tài)。”董樹文說(shuō)，位于寶興縣境內(nèi)的測(cè)量站也很典型，“應(yīng)力的微小變化都反應(yīng)出來(lái)了。”

2011年，經(jīng)過(guò)持續(xù)監(jiān)測(cè)，科學(xué)家們將該區(qū)域應(yīng)力較高的數(shù)據(jù)資料報(bào)送國(guó)家地震部門。

時(shí)間回到2008年5月，汶川地震發(fā)生后，媒體對(duì)地震原因的解釋幾乎相同：印度板塊與歐亞板塊碰撞，造成青藏高原快速隆升和物質(zhì)向東緩慢流動(dòng)，在龍門山向東擠壓，遇到四川盆地剛性地塊阻擋，造成構(gòu)造應(yīng)力能量長(zhǎng)期積累，最終發(fā)生地震。

“這種說(shuō)法對(duì)不對(duì)？應(yīng)該說(shuō)沒(méi)有錯(cuò)誤，但很不夠。為什么汶川地震發(fā)生在龍門山之下，而不是更東或更西？為什么發(fā)生在十余公里深的上地殼底部，而不是更深或更淺？為什么西南段以逆沖為主、而東北段為右旋走滑？定性的說(shuō)法是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要定量的數(shù)值模擬。”石耀霖說(shuō)。

中國(guó)地質(zhì)學(xué)家一直希望對(duì)地震進(jìn)行有效預(yù)報(bào)。1953年中科院成立“地震工作委員會(huì)”，由李四光、竺可楨分任正、副主任。

而在石耀霖看來(lái)，之前的地震預(yù)報(bào)基本屬于“前兆”預(yù)報(bào)。一些被公認(rèn)的可能前兆包括地磁要素、地下水位、地電、生物、氣象等方面的變化。

它的理論前提是：有某種異常后就會(huì)有地震，沒(méi)有異常就沒(méi)有地震。

而在汶川地震發(fā)生后，很多宣稱曾成功預(yù)測(cè)這一地震的依據(jù)，就是提前觀測(cè)到某種前兆。而后來(lái)，所謂“魚鱗云”還在很多地方引起恐慌。

但是，早在1997年，西方科學(xué)家就宣布，在經(jīng)過(guò)100多年研究后，仍然未能確認(rèn)可靠的地震前兆。理論工作表明，導(dǎo)致地震的斷層運(yùn)動(dòng)是一個(gè)非線性過(guò)程，龐大地球內(nèi)部任何不可測(cè)量的微小因素，都可能引爆一場(chǎng)強(qiáng)烈地震。

直到2008年，中國(guó)仍希望建造更多的觀測(cè)站，通過(guò)及時(shí)發(fā)現(xiàn)“前兆”來(lái)預(yù)報(bào)地震。

不同的地震預(yù)報(bào)方法，其實(shí)質(zhì)就是依據(jù)不同的“前兆”。而“最權(quán)威”的是綜合預(yù)報(bào)：將各種“異常”的時(shí)間變化綜合分析，找出與地震的關(guān)聯(lián)。

這些方法雖然成功預(yù)測(cè)了海城地震，但對(duì)于汶川地震，無(wú)論中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)還是短期預(yù)報(bào)，都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何“前兆”。

從“前兆預(yù)報(bào)”到“物理預(yù)報(bào)”

在通過(guò)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)地震的同時(shí)，在地震發(fā)生后，也缺乏對(duì)其原因、過(guò)程的數(shù)字描述。

蘆山地震發(fā)生后，中國(guó)工程院院士、地震學(xué)家許紹燮表示：“主流的觀點(diǎn)都認(rèn)為是板塊碰撞。南邊的歐亞板塊、東邊的太平洋板塊等相碰撞導(dǎo)致此次地震，但這樣解釋還有很多不足。”

2008年后，龍門山斷裂帶區(qū)域成為地質(zhì)科學(xué)研究的焦點(diǎn)，“下地殼隧道流一度成為一個(gè)主流觀點(diǎn)。這個(gè)觀點(diǎn)認(rèn)為青藏高原板塊不斷向東方向擴(kuò)散時(shí)，下地殼是軟的，由于溫度高，流動(dòng)速度快，下地殼的物質(zhì)涌上來(lái)，在龍門山地區(qū)就能看到很多下地殼的巖石。”董樹文說(shuō)。

隨著研究的深入，一些新的理論陸續(xù)被提出。“深度觀測(cè)系統(tǒng)并不太支持這個(gè)觀點(diǎn)。有的研究人員提出，龍門山一帶不是以擠壓為主，而是以側(cè)向滑動(dòng)為主，擠壓是局部的，側(cè)向滑動(dòng)是主體，這就挑戰(zhàn)了原來(lái)主流的下地殼隧道流理論。”

在這些宏觀描述之外，當(dāng)時(shí)的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題是：幾乎整個(gè)龍門山斷裂帶都發(fā)生了破裂，但是西南段的約100公里沒(méi)有破裂。

這一段落會(huì)破裂嗎？破裂規(guī)模會(huì)有多大？什么時(shí)候破裂？

這已不是觀測(cè)“前兆”能夠解決的問(wèn)題，它關(guān)系著這個(gè)地區(qū)可能發(fā)生的下一次強(qiáng)烈地震。

石耀霖舉例說(shuō)：掰斷一根筷子的過(guò)程，其實(shí)可以用筷子的強(qiáng)度和彎曲的速率來(lái)解釋，也就是計(jì)算應(yīng)力超過(guò)筷子強(qiáng)度的情況。這兩個(gè)要素是破裂的關(guān)鍵。

同樣，了解深層地應(yīng)力和巖石的物理情況，也就可以計(jì)算后者破裂的時(shí)機(jī)。

據(jù)石耀霖介紹，在汶川地震后，學(xué)界的總報(bào)告中，就提到“逐步從經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)向物理預(yù)報(bào)發(fā)展”。

這就好像天氣預(yù)報(bào)，它以物理學(xué)為手段，運(yùn)用高速計(jì)算機(jī)，通過(guò)對(duì)大氣流體力學(xué)、熱力學(xué)的一系列模型計(jì)算，了解未來(lái)大氣的變化和大氣要素的分布。

但是，如何了解地應(yīng)力和巖石的基本情況？在某個(gè)時(shí)刻，地應(yīng)力是多少，是否已經(jīng)臨近巖石的強(qiáng)度？

只有進(jìn)行深部探測(cè)，抵達(dá)地下數(shù)百米、上千米乃至更深處，才可能回答這些問(wèn)題。

此前，石耀霖等科學(xué)家僅通過(guò)2003、2008 和2010 年在寶興、康定等地區(qū)的4個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)就得到結(jié)論：龍門山斷裂西南段，尤其是康定地區(qū)，汶川地震后仍然積累有較高的地應(yīng)力。

同時(shí)，龍門山斷裂帶西南段的最大應(yīng)力，已經(jīng)達(dá)到斷層活動(dòng)應(yīng)力臨界值，斷裂活動(dòng)進(jìn)入臨界狀態(tài)，已經(jīng)具有發(fā)生地震的可能性。

“結(jié)合地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果、地震地質(zhì)等資料認(rèn)為，龍門山斷裂帶西南段具有潛在大震危險(xiǎn)，值得重點(diǎn)關(guān)注和研究。”當(dāng)時(shí)他們?cè)趫?bào)告中說(shuō)。

石耀霖表示，當(dāng)時(shí)由于只有少量不深的鉆孔應(yīng)力測(cè)量資料，在數(shù)值預(yù)報(bào)探討中還無(wú)法在蘆山地震前作出確切預(yù)報(bào)。“雅安接近7級(jí)地震的發(fā)生，對(duì)于我們并不意外。但是，在沒(méi)有地殼深部基于觀測(cè)的應(yīng)力實(shí)測(cè)資料、斷層強(qiáng)度資料的情況下，我們?nèi)匀粵](méi)有充分的定量的力學(xué)根據(jù)，判斷地震發(fā)生的時(shí)間。”

他說(shuō)，就這兩天見(jiàn)到的余震目錄資料，目前蘆山地震似乎還沒(méi)有釋放出這100公里斷裂帶內(nèi)積蓄的能量，但是否有下一次接近7級(jí)的地震以及發(fā)生在何時(shí)，還缺乏資料作出評(píng)估。

也就是說(shuō)，雖然監(jiān)測(cè)已經(jīng)實(shí)施5年，但由于缺乏長(zhǎng)期積累，數(shù)據(jù)還無(wú)法支撐對(duì)地震進(jìn)行更為詳細(xì)的計(jì)算。

因地震啟動(dòng)的“大計(jì)劃”

時(shí)間再向前推，早在2002年，地質(zhì)學(xué)家曾提出預(yù)算30億元人民幣的“地殼探測(cè)工程”。但它立刻引來(lái)強(qiáng)烈反對(duì)，未能成功申報(bào)。

2007年，基于中國(guó)資源緊張的背景，中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院曾再次申報(bào)地殼探測(cè)工程，仍然未果。

第二年5月，汶川大地震發(fā)生，中國(guó)人對(duì)于腳下大地的認(rèn)識(shí)需求大大增加。當(dāng)時(shí)財(cái)政部一位官員在與董樹文通電話時(shí)偶然提到，領(lǐng)導(dǎo)們很關(guān)心為何“落地”的科學(xué)研究還沒(méi)有結(jié)果。

董樹文連忙告訴對(duì)方，自己這里就有個(gè)“大計(jì)劃”。

于是，“地殼探測(cè)工程”的培育性啟動(dòng)項(xiàng)目- - -“深部探測(cè)專項(xiàng)”得以實(shí)施。

作為一個(gè)“大科學(xué)”項(xiàng)目，“深部探測(cè)專項(xiàng)”要為“地殼探測(cè)工程”做好關(guān)鍵技術(shù)準(zhǔn)備，包括研制深部探測(cè)關(guān)鍵儀器裝備，解決關(guān)鍵探測(cè)技術(shù)難點(diǎn)與核心技術(shù)集成，形成對(duì)固體地球深部層圈立體探測(cè)的技術(shù)體系；在不同景觀、復(fù)雜礦集區(qū)、含油氣盆地深層、重大地質(zhì)災(zāi)害區(qū)等關(guān)鍵地帶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、示范，形成若干深部探測(cè)實(shí)驗(yàn)基地，等等。

地應(yīng)力監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)只是“大計(jì)劃”的一部分。在“深部探測(cè)專項(xiàng)”2012年年報(bào)中輸入“龍門山”進(jìn)行搜索，可以找到分散在數(shù)個(gè)子項(xiàng)目中的49條結(jié)果。

中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院研究員陳宣華告訴本刊，過(guò)去5年中“深部探測(cè)專項(xiàng)”完成了6000千米的深反射地震剖面，大幅度提升了中國(guó)深部探測(cè)技術(shù)能力，在資源發(fā)現(xiàn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)報(bào)、地球認(rèn)識(shí)等領(lǐng)域取得諸多成果。

深反射地震剖面是通過(guò)人造地震波，通過(guò)計(jì)算獲得深層地下的剖面數(shù)據(jù)。

在2008年之前的50年間，中國(guó)一共只獲得了5000千米的深反射地震剖面。雖然目前1. 1萬(wàn)千米的數(shù)字與美國(guó)的2. 46萬(wàn)、英國(guó)的2萬(wàn)千米尚有差距，但是已經(jīng)與意大利、德國(guó)、加拿大、澳大利亞等超過(guò)1萬(wàn)千米的國(guó)家看齊，“由此，我國(guó)也躋身世界深部探測(cè)的大國(guó)行列”。

此外，易于被大眾理解的，還包括覆蓋整個(gè)中國(guó)大陸的電磁探測(cè)陣列網(wǎng)。

總之，“深部探測(cè)專項(xiàng)”希望讓中國(guó)人真正了解自己腳下的大地，并據(jù)此制定防災(zāi)減災(zāi)、資源開(kāi)發(fā)等國(guó)家戰(zhàn)略。

董樹文告訴本刊，目前中國(guó)做的應(yīng)力監(jiān)測(cè)從200米到1000米甚至更深，“跟國(guó)際上基本處于相同水平”。

院士們對(duì)蘆山地震的研討中也談到，地應(yīng)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料還需與其他地震監(jiān)測(cè)手段密切結(jié)合，才能更好地發(fā)揮作用。

然而無(wú)論何種方法，都需要以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。石耀霖認(rèn)為，目前地應(yīng)力研究的瓶頸就是缺乏初始數(shù)值，雖然可以計(jì)算變化值，但很難了解絕對(duì)值。

這對(duì)于定量計(jì)算來(lái)說(shuō)是巨大缺憾，還須經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)才能獲知結(jié)果。而“應(yīng)力觀測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)必須有國(guó)家級(jí)的部署”，他認(rèn)為。

在《國(guó)家地震科學(xué)技術(shù)發(fā)展綱要（2007～2020年）》中，國(guó)家地震減災(zāi)科學(xué)計(jì)劃即包括地殼變形觀測(cè)與活動(dòng)構(gòu)造調(diào)查，深部結(jié)構(gòu)和孕震環(huán)境探測(cè)，地震數(shù)值預(yù)測(cè)的試驗(yàn)研究，地震成災(zāi)機(jī)理與減災(zāi)技術(shù)等，“規(guī)劃已經(jīng)過(guò)去了一半時(shí)間，希望在2020年完成地震數(shù)字預(yù)測(cè)的試驗(yàn)研究。”石耀霖說(shuō)。

他希望，“深部探測(cè)專項(xiàng)”在數(shù)據(jù)積累中承擔(dān)重要角色。當(dāng)然，還有正在籌備中的“地殼探測(cè)工程”，它也許將有助于解答中國(guó)人對(duì)大地運(yùn)動(dòng)的終極疑問(wèn)。