關(guān)于地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的一些思考
——地下云圖

陳颙 徐逸鶴 蔡輝騰 李穩(wěn)

1）南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京市仙林大道163號(hào) 210046

2）中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京市復(fù)興路63號(hào)100036

3）中國(guó)地震局地球物理研究所（地震觀測(cè)與地球物理成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），北京 100081

4）福建省地震局，福州 350003

5）中國(guó)地震局地球物理勘探中心，鄭州 450003

1 回顧

1980年1月24日，“中華人民共和國(guó)國(guó)家地震局和美利堅(jiān)合眾國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)、美利堅(jiān)合眾國(guó)內(nèi)政部地質(zhì)調(diào)查局科學(xué)技術(shù)合作議定書”在北京簽署（吳寧遠(yuǎn)等，1981）。為了深入開(kāi)展中美合作，中方開(kāi)辟了京津唐張和滇西兩個(gè)地區(qū)作為地震預(yù)報(bào)研究實(shí)驗(yàn)場(chǎng)。在合作期間，國(guó)家地震局投資1000余萬(wàn)人民幣用于兩個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的建設(shè)。美方也提供了129套儀器，價(jià)值250萬(wàn)美元。中美雙方還聯(lián)合投資建設(shè)了中國(guó)數(shù)字化地震臺(tái)網(wǎng)（共9個(gè)臺(tái)站）（《當(dāng)代中國(guó)》叢書編輯部，1993；顧平，1985）。

中美雙方在建設(shè)地震預(yù)報(bào)研究實(shí)驗(yàn)場(chǎng)方面的合作，促進(jìn)了地震儀器和觀測(cè)設(shè)備的升級(jí)改造，根據(jù)協(xié)議書的規(guī)定，合作的領(lǐng)域包括地震前兆現(xiàn)象與預(yù)報(bào)技術(shù)的交流、板內(nèi)活斷層與地震研究、地震工程與減輕災(zāi)害、地殼深部結(jié)構(gòu)、巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室、超長(zhǎng)周期地震臺(tái)站的設(shè)置及資料和地震圖的膠片交換等7個(gè)方面（顧平，1985）。在執(zhí)行議定書的過(guò)程中，中美科技人員進(jìn)行了頻繁的交流（顧平，1987）。從1980年至1984年底，雙方人員交流253次，其中，美方來(lái)華155人次，中方赴美98人次。地震預(yù)報(bào)研究實(shí)驗(yàn)場(chǎng)對(duì)中國(guó)的地震工作的發(fā)展起到了良好的推動(dòng)作用。

20世紀(jì)末期，陸續(xù)在山西、新疆開(kāi)展過(guò)地震預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的工作，地震局的許多科技骨干，如丁國(guó)瑜、梅世蓉、馬宗晉、陳鑫連、許厚澤、姚振興等都在現(xiàn)場(chǎng)工作過(guò)。這些實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的目標(biāo)主要是“監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)”，選擇多地震的地區(qū)為“地震預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)”，建設(shè)多種手段的高密度的觀測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)地震前兆的方法預(yù)報(bào)地震，并試圖評(píng)價(jià)各種經(jīng)驗(yàn)性方法的局限性（陳鑫連，1987；梅世蓉，1994；馬宗晉，2000）。在任何地區(qū)，地震（特別是大地震）的復(fù)發(fā)周期都是很長(zhǎng)的，而實(shí)驗(yàn)場(chǎng)項(xiàng)目的執(zhí)行時(shí)間是有限的，所以，開(kāi)展的預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)多數(shù)都沒(méi)有完成預(yù)先設(shè)想的目標(biāo)，其中，京津唐張實(shí)驗(yàn)場(chǎng)也很少被人們提及了。

例外的是滇西地震預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，它的牌子至今還掛在云南大理，且已經(jīng)掛在那里有35年之久了。當(dāng)初掛牌子的人，如今大多已經(jīng)退休了，幾位受人尊敬的長(zhǎng)者也已經(jīng)去世了。20世紀(jì)80年代初，為什么選擇滇西作為實(shí)驗(yàn)場(chǎng)呢？一是該地區(qū)地震多，實(shí)踐的機(jī)會(huì)多；二是紅河斷裂，紅河從北向南流經(jīng)滇西，滇西地震多發(fā)生在紅河斷裂（及其周圍的許多斷裂組成的斷裂帶）附近地區(qū)，以大理（彌渡）為界，紅河斷裂北段地震頻繁，南段卻很少有地震。同一條斷裂，南北兩段地震活動(dòng)性質(zhì)完全不一樣，正如美國(guó)著名地質(zhì)學(xué)家Clarence R Allen在議定書簽訂過(guò)程中所提出，這是研究地震機(jī)理、斷層與地震關(guān)系的絕好地區(qū)，也是全球研究地震的基礎(chǔ)前沿問(wèn)題的最好地區(qū)（吳寧遠(yuǎn)等，1981）。同時(shí)，紅河地處青藏高原東南緣，蘊(yùn)含科學(xué)問(wèn)題甚多。

20世紀(jì)90年代，滇西實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)體制、經(jīng)費(fèi)來(lái)源和管理方式發(fā)生了多次改變，影響了其發(fā)展。從2015年開(kāi)始，關(guān)于滇西地震預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的問(wèn)題又引起了大家的關(guān)注，討論的核心問(wèn)題是實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的定位和它的頂層設(shè)計(jì)。2017年，在一次討論滇西實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的咨詢會(huì)上，中國(guó)地震局科技委不同意沿用“地震預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)”的名稱，建議隨著時(shí)代的發(fā)展，應(yīng)把早期的“地震預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)”改名為“地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)”。

借此機(jī)會(huì)，本文結(jié)合地震學(xué)研究的最新進(jìn)展，對(duì)地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的未來(lái)發(fā)展提出幾點(diǎn)建議。希望借鑒氣象學(xué)的先進(jìn)思想，推動(dòng)地震學(xué)和防震減災(zāi)研究的進(jìn)一步發(fā)展。

2 3D和4D

欲從外部探測(cè)物體內(nèi)部，需要3個(gè)要素：發(fā)射能穿透物體的場(chǎng)（波）源、物體外表面不同方位的接收裝置、數(shù)據(jù)分析與成像方法。地震波是能穿透地球內(nèi)部的波動(dòng)，目前產(chǎn)生地震波通常有3種震源：天然地震、背景噪聲（Ambient Noise Tomography）和人工震源。

20世紀(jì)利用天然大地震了解了地球內(nèi)部的整體結(jié)構(gòu)，提供了全球板塊構(gòu)造重要的地震學(xué)證據(jù)，這是利用20世紀(jì)6500次全球6級(jí)以上地震數(shù)據(jù)的結(jié)果，也是3D地震學(xué)的輝煌年代（Dzienwonski et al，1981；Kennett et al，1991；Kennett et al，1995）。但如果要研究地球的淺部結(jié)構(gòu)（相比地球半徑6500km而言），天然地震數(shù)量不夠，分布不均勻，導(dǎo)致成像精度和分辨率不足。

21世紀(jì)至今地震學(xué)研究最重要的突破之一，是背景噪聲在淺層地殼的結(jié)構(gòu)探測(cè)中的應(yīng)用（Shapiro et al，2005）。背景噪聲研究開(kāi)辟了地震學(xué)研究的一個(gè)新領(lǐng)域，它不需要等待地震或使用人工源，即可獲得高分辨率的淺層結(jié)構(gòu)，這種方法的地下探測(cè)分辨率主要取決于臺(tái)站密度，背景噪聲探測(cè)所布設(shè)的地震臺(tái)站的數(shù)量和臺(tái)站密度創(chuàng)造了傳統(tǒng)地震學(xué)難以想象的新高度（Lin et al，2013）。基于短周期密集臺(tái)陣的背景噪聲成像方法可以有效獲得地殼淺層（例如城市地區(qū)、斷裂帶地區(qū)等）的精細(xì)結(jié)構(gòu)模型，為城市地震災(zāi)害評(píng)估及斷裂帶發(fā)震構(gòu)造研究提供重要模型基礎(chǔ)（Li et al，2016）。背景噪聲方法，本質(zhì)上是一種隨機(jī)性的統(tǒng)計(jì)方法，為得到結(jié)果，需要累積長(zhǎng)時(shí)間的大量數(shù)據(jù)，研究深部的上地幔結(jié)構(gòu)（上萬(wàn)千米的尺度），需要利用全球臺(tái)網(wǎng)的100～400s長(zhǎng)周期面波幾年噪聲數(shù)據(jù)積累（Nishida et al，2009）。研究川滇地殼結(jié)構(gòu)（幾百千米尺度），需要利用區(qū)域臺(tái)網(wǎng)5～50s中短周期面波至少1年的噪聲數(shù)據(jù)（Yao et al，2006、2008）。研究臺(tái)北盆地（10km尺度）的淺層地殼結(jié)構(gòu)，要用0.3～4.0s短周期面波1個(gè)月的噪聲數(shù)據(jù)（Huang et al，2010）。尺度越小，可恢復(fù)的面波頻率越高，需要的連續(xù)噪聲時(shí)間越短，對(duì)淺層結(jié)構(gòu)越敏感。背景噪聲在3D探測(cè)方面具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。

人工震源也能夠激發(fā)地震波，近10年來(lái)，我們引進(jìn)了海洋無(wú)限水體激發(fā)地震波的氣槍（Air-gun）用于陸地有限水體中，實(shí)現(xiàn)了綠色環(huán)保激發(fā)（Chen et al，2007；Wang et al，2012；Chen et al，2017），并在兩個(gè)方面取得了明顯進(jìn)展。首先，發(fā)現(xiàn)和利用了氣槍這種人工震源的震源特性——高度重復(fù)性，多次極小當(dāng)量的激發(fā)，利用疊加和相關(guān)等處理方法，可以達(dá)到極大范圍的地下探測(cè)的目的（Chen et al，2017）。其次，利用可以流動(dòng)的人工震源，多點(diǎn)激發(fā)，多點(diǎn)接收，實(shí)現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)的高精度探測(cè)（張?jiān)迄i等，2016；She et al，2018；Tian et al，2018）。相比天然地震和背景噪聲，三者都可以進(jìn)行3D探測(cè)，但人工震源，在4D探測(cè)方面有著更大的發(fā)展?jié)摿Γ▓D1）。

圖1 運(yùn)用氣槍震源研究地下結(jié)構(gòu)（3D）的例子。2015年在長(zhǎng)江安徽段用氣槍連續(xù)激發(fā)地震波，江北和江南接收，得到兩岸的淺部結(jié)構(gòu)：沿江區(qū)域呈明顯低速，而在長(zhǎng)江兩岸發(fā)現(xiàn)一些面波的高速區(qū)。探測(cè)工作結(jié)束后，地質(zhì)學(xué)家指出，這些高速區(qū)恰恰對(duì)應(yīng)兩岸的礦集區(qū)

地球內(nèi)部介質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其變化一直是地球物理學(xué)家研究的主要內(nèi)容之一。利用越來(lái)越密集的地震臺(tái)站資料，我們已經(jīng)可以獲得高分辨率的地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)。地球的很多災(zāi)害性活動(dòng)除了與地球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)狀態(tài)有關(guān)，還受制于內(nèi)部狀態(tài)的變化。如地球介質(zhì)內(nèi)部應(yīng)力積累是地震的孕育、發(fā)生過(guò)程的重要因素，監(jiān)測(cè)地球內(nèi)部微弱的變化，為我們研究地震發(fā)生過(guò)程甚至尋找地震的前兆提供了可能。

由于很難直接深入地球內(nèi)部進(jìn)行測(cè)量，我們只能通過(guò)分析地震波來(lái)研究地球內(nèi)部的變化。在地震波的眾多參數(shù)中，地震波的波速測(cè)量精度最高，同時(shí)也能直接反映地下的應(yīng)力狀態(tài)和物質(zhì)組成等物性參數(shù)。因此通過(guò)地震波波速變化研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化成為被應(yīng)用最廣泛的方法。

相對(duì)地球介質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究，目前我們對(duì)地球介質(zhì)變化的研究（4D seismology）還處于初步階段。在工業(yè)界，4D地震學(xué)在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理方面已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，并有越來(lái)越多的應(yīng)用實(shí)例。石油工業(yè)界利用4D地震方法監(jiān)測(cè)油氣運(yùn)移和開(kāi)采過(guò)程已經(jīng)取得較大成功。但是在與地震活動(dòng)相關(guān)的地下介質(zhì)變化的研究方面進(jìn)展相對(duì)緩慢，究其原因在于與油氣過(guò)程（以及二氧化碳注射等）相關(guān)的波速變化較大而與地震活動(dòng)伴隨的波速變化較小。

根據(jù)所采用的震源，研究與地震相關(guān)的地下介質(zhì)變化的4D地震學(xué)的方法又可以分成：被動(dòng)震源4D地震學(xué)（Passive 4D Seismology）和主動(dòng)震源4D地震學(xué)（Active 4D seismology）。被動(dòng)震源地震學(xué)是利用地震臺(tái)站觀測(cè)到的天然地震信號(hào)和噪聲信號(hào)，比較不同時(shí)間的地震和噪聲特征得到地下介質(zhì)性質(zhì)隨時(shí)間的變化。

地震的能量很大可能有很多臺(tái)站接收到，但是地震的分布在空間和時(shí)間上非常不均勻，同時(shí)天然地震的位置和發(fā)震時(shí)刻的確定存在較大的誤差。因此利用天然地震研究地下介質(zhì)變化的精度非常有限，這進(jìn)而限制了天然地震的使用。近些年，無(wú)時(shí)無(wú)處不在的地震噪聲逐漸被作為一種震源進(jìn)行地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)研究。最近，有研究者利用地震噪聲進(jìn)行地下介質(zhì)隨時(shí)間變化的研究。但是由于噪聲能量小，需要通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間累積才能得到足夠信噪比的信號(hào)，同時(shí)目前利用噪聲只能獲得面波信息而無(wú)法獲得介質(zhì)的完全響應(yīng)。因此噪聲可以用于深部介質(zhì)長(zhǎng)時(shí)間的平均變化或者與地震等事件相關(guān)的較大變化的研究。

為克服被動(dòng)震源存在的問(wèn)題，利用人工震源主動(dòng)向地下發(fā)射地震波，進(jìn)行地下介質(zhì)監(jiān)測(cè)，發(fā)展主動(dòng)震源4D地震學(xué)（Active 4D seismology）自然成為一個(gè)重要的發(fā)展方向。雖然利用人工震源研究地下介質(zhì)變化的思想可以追溯到20世紀(jì)70年代，甚至更早。但是由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平有限，因此相應(yīng)的研究精度有限，而且相關(guān)研究曾經(jīng)一度停滯。現(xiàn)在進(jìn)行高精度主動(dòng)震源監(jiān)測(cè)的條件已經(jīng)具備，這些都得益于以下技術(shù)的發(fā)展：①震源的發(fā)展，以氣槍震源為代表的綠色震源可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間工作，并且具有高度可重復(fù)性；②電子技術(shù)和GPS技術(shù)的發(fā)展為我們的觀測(cè)提供了高度同步的時(shí)鐘；③數(shù)據(jù)處理方法的發(fā)展，在通訊理論中相對(duì)成熟的延時(shí)估計(jì)技術(shù)應(yīng)用于地震數(shù)據(jù)處理，為獲得高精度測(cè)量提供了基礎(chǔ)。

3 天上有“風(fēng)云”，地下有“云圖”

如何發(fā)揮地震學(xué)4D探測(cè)的優(yōu)勢(shì)呢？先從氣象學(xué)的啟示談起。20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了衛(wèi)星云圖（Bristor et al，1966），此后30年，各國(guó)都廣泛應(yīng)用這種技術(shù)了，中國(guó)的“風(fēng)云”氣象衛(wèi)星就是一個(gè)杰出的例子（楊軍等，2011）。衛(wèi)星云圖不僅可以了解云層的結(jié)構(gòu)（3D），更重要的是了解云層的運(yùn)動(dòng)（4D）（Platnick et al，2003）。探測(cè)大氣運(yùn)動(dòng)對(duì)于天氣預(yù)報(bào)是至關(guān)重要的，幾十年前，眾人看好的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，離開(kāi)了衛(wèi)星云圖的觀測(cè)資料，進(jìn)展將會(huì)是有限的。同樣的道理對(duì)地震學(xué)也是一樣。地震學(xué)是數(shù)理科學(xué)應(yīng)用最廣泛的學(xué)科，數(shù)值模擬一直是地震學(xué)的強(qiáng)項(xiàng)，但沒(méi)有新型的觀測(cè)數(shù)據(jù)輸入，數(shù)值模擬的應(yīng)用也是有限的。

衛(wèi)星在地球上的空間運(yùn)行，觀測(cè)的是整個(gè)地球上方的云圖，這是一種全場(chǎng)性的觀測(cè)，而非一點(diǎn)性的觀測(cè)。這是地震學(xué)學(xué)習(xí)氣象學(xué)的核心關(guān)鍵。

設(shè)想在“地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)”建立像“風(fēng)云”衛(wèi)星一樣的人工流動(dòng)發(fā)射系統(tǒng)，配合發(fā)展相應(yīng)的接收和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，率先在技術(shù)集成方面實(shí)現(xiàn)工程創(chuàng)新（工程創(chuàng)新對(duì)于科學(xué)創(chuàng)新十分重要），則有可能做出“地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)”區(qū)域地下云圖。該云圖將反映地下介質(zhì)的波速變化、應(yīng)力變化等，開(kāi)始從地震的經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)向物理預(yù)報(bào)的探索。

4D地震學(xué)是非常前沿的科技，它的發(fā)展面臨許多挑戰(zhàn)，如在硬件方面改進(jìn)現(xiàn)有臺(tái)站的授時(shí)、守時(shí)精度，建立由多個(gè)主動(dòng)震源和多個(gè)觀測(cè)臺(tái)站組成的網(wǎng)絡(luò)，形成地下介質(zhì)連續(xù)監(jiān)測(cè)的能力；在分析處理方面，要有與地震活動(dòng)相關(guān)的監(jiān)測(cè)，特別是地震孕育過(guò)程中介質(zhì)是否存在波速變化，如果存在，其大小及空間分布如何，如何能更有效地觀測(cè)到相關(guān)的變化，同時(shí)研究觀測(cè)到的介質(zhì)變化如何與地下介質(zhì)的應(yīng)力狀態(tài)和物性等參數(shù)聯(lián)系。

在“地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)”中所有的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的傳統(tǒng)做法應(yīng)該不受影響，但是“地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)”的定位應(yīng)該十分清楚，發(fā)展、檢驗(yàn)和完善“地下云圖”技術(shù)。這種定位不用等地震的發(fā)生，這種定位將為未來(lái)全國(guó)范圍的地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)提供新的業(yè)務(wù)手段。

4 總結(jié)

3D地震學(xué)為建立地球不同尺度的物性參數(shù)模型做出了巨大的貢獻(xiàn)。隨著觀測(cè)精度的提高和震源技術(shù)（如背景噪聲、氣槍）的發(fā)展，4D地震學(xué)逐漸顯露其在災(zāi)害（如火山、地震等）監(jiān)測(cè)方面的潛力。本文建議以4D地震學(xué)為核心，建立“地下云圖”技術(shù)系統(tǒng)。該技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)有從激發(fā)、接收到實(shí)時(shí)處理的完整流程，同時(shí)針對(duì)不同探測(cè)目的（大區(qū)域和城市區(qū)域）建立兩套不同標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的建成將為地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)提供新的業(yè)務(wù)手段，并推動(dòng)地震物理預(yù)測(cè)的探索發(fā)展。