人造地震：給地球做“B超”

李剛

超聲，和普通聲音一樣，能向一定方向傳播，而且可以穿透物體，碰到不同的障礙物就會產生不同回聲。人們通過儀器將這種回聲收集并顯示在屏幕上，可以用來了解物體的內部結構。利用這種原理，人們用超聲波來診斷和治療人體疾病，也就是醫學臨床上應用廣泛的“B超”。

那么，要想探究地球內部結構和過程，獲得地球內部信息，是不是也可以利用同樣原理？王寶善告訴記者：“通俗地說，我們的工作就是給地球做‘B超。”

地震波——研究地球內部結構的關鍵

對地球內部結構的探索，科學家們從未停止過，雖然今天的探測器可以在太空遨游，但對人類腳下的地球內部仍鞭長莫及。目前世界上最深的鉆孔也未能超過13公里，連地殼都沒有穿透。對于幾千公里下的地核，又該如何研究呢？

我們知道，地震是地球內部介質局部發生急劇破裂產生的振動。地震可能會導致一定程度的災害，但同時也給為我們提供了一些地球內部的信息。地震學家伽利津曾經說過：“可以把每次地震比作一盞燈，它燃著的時間很短，但照亮著地球的內部……”人們對地球內部的認識，大部分信息都來自地震波。到目前為止，通過研究地震、火山等產生的地震波依然是科學家們探索地球深部秘密的主要手段。

而王寶善和團隊現在的工作，就是通過地震波研究地球內部結構。除此之外，他們更關心地球內部的過程，探究地球內部結構隨時間而產生的變化，“因為大地震的發生通常是和過程相關的”。而要積累豐富的數據資料，就要給地球定期做體檢，王寶善說他們目前的工作就是利用地震波給地球做“B超”。

當地震發生時，地震波在傳輸過程中的速度并不是一成不變的。王寶善介紹說：“地震波的傳波速度不是恒定的，很多天然和人為活動都會改變地震波在地球內部傳播的速度，比如大氣壓和固體潮的變化都會導致地震波傳播速度發生極其微弱的變化?！逼鋷淼奈⑿∽兓紝祿幚矸椒ㄌ岢隽烁咭螅@也是王寶善這些年一直在探索的工作。

天然地震是研究區域介質結構的重要信號來源。在天然地震中有不少是發生在同一個地區、有類似震源機制并產生相似波形的地震，它們被稱為相似地震或重復地震。

利用地震波研究地球內部介質變化依賴于重復性震源，而重復性震源的產生單靠自然發生的地震則微乎其微。天然地震雖能量大，但時空分布有限。利用天然重復地震進行介質變化測量，其分辨率和精度都存在一定的局限性。

而人工震源，可以在某種程度上克服天然震源的不足。人工震源是主動向地下發射地震波，進行地下介質變化監測的另一種手段。王寶善和團隊也一直嘗試利用人工震源監測與地震等天然加載相關研究的地殼介質變化。通過人造地震獲得重復震源，是給地球做B超的前提。

氣槍震源——地下介質監測的理想震源

十多年來，我國學者在探索人工震源監測方面做了大量工作，從人工爆破震源、連續震源，直至氣槍震源的成功應用，王寶善和團隊也一直為尋找“理想震源”努力。

由于人工爆破震源和連續震源，在運行期間會對近源場地產生一定的破壞，因而無法滿足長時間連續監測的需求。要想獲得更好的探測效果，震源必須有專用的地基。為了進一步尋找一種能有效產生地震波、同時對近場破壞小的震源，王寶善和團隊嘗試了海洋石油勘探用氣槍震源。

氣槍震源，是利用氣槍將高壓空氣在水下瞬間釋放，進而激發震波。如今，它已經成為海洋石油勘探不可或缺的震源。大量研究表明，在水中激發氣槍震源具有對近場破壞小和重復性高的優點。因而，氣槍震源被公認為是進行地下介質監測的理想震源。

如何將海中氣槍震源引入作為陸地震源？王寶善和團隊用了數年的時間對這一問題進行了探索。2005年，他們利用海洋石油勘探氣槍震源進行了海中激發氣槍陸地接收實驗。結果表明，小容量氣槍陣列具有較高的主頻，可以實現高分辨率儲層勘探，但高頻信號因衰減快，很難遠距離傳播。

這又給王寶善和團隊出了一個難題。雖然海中氣槍激發試驗效果不理想，但他們抓住了要害——如果是大容量氣槍陣列，則會產生低頻信號，將有可能達到較好的記錄效果。

為了測試大容量氣槍的激發效果并探索氣槍震源在陸地水體激發的可行性，王寶善和團隊于2006年進行了大容量氣槍陣列在陸地水庫的激發實驗——上關湖實驗。為開展實驗，他們首先進行了水體的勘選。

王寶善介紹說，對于水體的選擇，必須做全方位考慮：首先水深要足夠，一般要求10米以上；其次水面面積要足夠大，便于施工；第三備選點距離水庫大壩和居民點有一定距離（一般要求500米以上），以減少生產生活影響。

通過實驗，王寶善和團隊得到了一些認識：大容量氣槍陣列能夠成功地在陸地水庫中激發，陸地水庫激發的氣槍震源重復性高，對近場影響小，氣槍激發信號的主頻在3～5Hz，非常有利于信號的遠距離傳播和地震臺站的接收，氣槍陣列在水庫中激發的信號相當于0.5級的小地震，氣槍信號追蹤距離可以達到上百公里，并隨著疊加次數增加而增加。

多次實驗結果表明，在較大水體中大容量氣槍震源可以得到比較理想的效果。然而大水體的分布范圍有限，這在一定程度上限制了震源的使用。為測試在大容量氣槍相對較小水體中的激發效果，他們于2009年又進行了馬刨泉水池氣槍激發實驗。

建設地震信號發射臺是基礎

經過前期多次實驗，團隊已經成功地掌握了在陸地水體中進行大容量氣槍震源的各項技術。為了將相關技術應用于地球科學研究，服務于防震減災，他們開始考慮建設一個以大容量氣槍為核心的固定地震信號發射臺。

對地震信號發射臺的選址，是不是也有苛刻條件？王寶善提到：“為了研究中強地震發生的深部物理過程，我們將發射臺選在地震多發地帶?！苯涍^多次勘選，最終選定在云南、四川、甘肅、新疆等地震多發區建設發射臺。

2011年，他們在云南省大理州賓川縣大銀甸水庫，建成了第一個地震信號發射臺。王寶善介紹說：“在水位條件許可的情況下，每周激發一組（每組20次左右激發），從2014年9月開始激發加密每周3次。”

在取得初步成功之后，王寶善和團隊希望在更多地方和更多領域開展應用探索。2013年，他們選擇距離烏魯木齊70千米的呼圖壁縣建立第二個地震信號發射臺，希望能開發新疆在油氣資源等方面的應用?？紤]到新疆水資源分布的特點，他們在建設呼圖壁地震信號發射臺時采用了人工水體。

而在呼圖壁震源30千米的地方，有著當時全國最大的地下儲氣庫——呼圖壁地下儲氣庫。為研究人類活動對地下介質的影響，團隊隨后針對地下儲氣庫開展了深入的研究。王寶善說：“我們將把呼圖壁儲氣庫作為一個天然實驗場開展多學科綜合研究，以更好地理解人類活動對地下介質的影響。”

經過多次調研和實地考察，團隊又選定在甘肅省張掖市建設了第三個地震信號發射臺。

然而，人們又會有疑問：經常造地震，發射氣槍震源，會不會打死水庫里的魚？會不會對周圍產生影響？這些問題恐怕是人們最關心的。

從選址到上千次實驗，都充分證明了“人造地震”的氣槍震源是綠色環保震源。王寶善說：“我們已經有過幾千次實驗，水庫里的魚沒有任何死亡，而且都活得很好?！笨磥?，這些0.5級或稍高一點的小地震，最多讓魚兒受到一些驚嚇，對水體來說并無影響。

雖然對過程的研究需要積累長時間的觀測資料，短期內很難有明顯成績，但王寶善和團隊希望，利用近年來發展的技術和方法不僅能研究動力學的過程，而且通過研究地震的過程為地震預報提供物理基礎；同時，希望能為能源安全服務，為建筑安全服務，推動國家的城市化建設。

專家簡介：

王寶善，中國地震局地球物理研究所實驗地球物理研究室研究員，中國科學技術大學地球和空間科學系理學學士和工學學士雙學位，理學博士學位。曾赴日本愛媛大學地球動力學研究室做訪問學者，美國萊斯大學做博士后研究。主要研究方向是利用人工震源研究地下介質變化。承擔課題有國家自然科學基金2項、優秀青年基金1項、行業專項1項。