地震科學預測新技術！“地下(xià)雲圖”，讓地震實
在汶川地震十周年紀念時(shí)，“地下(xià)雲圖”的(de)說法屢屢出現在各大(dà)媒體上。其實，早在2009年，科技部973項目相關課題組就設立了(le)專門的(de)研究項目，探討(tǎo)了(le)我國陸區(qū)大(dà)震預測途徑戰略和(hé)戰術。在總結國内外地震預測研究現狀和(hé)汶川地震成因缺乏觀測和(hé)探測直接數據的(de)基礎上，提出了(le)地震預測途徑戰略和(hé)戰術，特别提出了(le)動态跟蹤地下(xià)狀态，實施“地下(xià)雲圖工程”。
地下(xià)雲圖來(lái)源于氣象預測的(de)衛星雲圖概念。衛星雲圖是利用(yòng)各種氣象觀測手段，通(tōng)過氣象站、氣象衛星、氣象雷達這(zhè)樣的(de)關鍵技術動态，跟蹤天氣變化(huà)的(de)全過程。比如台風，從台風生成那一時(shí)刻起，衛星雲圖就開始動态跟蹤它的(de)運動路線，強度和(hé)運動速度，對(duì)它的(de)全過程進行動态的(de)跟蹤和(hé)預測。
俄國地震學家伽裏津有一句名言：“可(kě)以把每個(gè)地震比作一盞燈, 它燃著(zhe)的(de)時(shí)間很短, 但照(zhào)亮著(zhe)地球的(de)内部, 從而使我們能觀察到那裏發生了(le)些什(shén)麽。這(zhè)盞燈的(de)光(guāng)雖然目前還(hái)很暗淡, 但毋庸置疑, 随著(zhe)時(shí)間的(de)流逝, 它将越來(lái)越明(míng)亮, 并将使我們能明(míng)了(le)這(zhè)些自然界的(de)複雜(zá)現象……”。
由于地震發生的(de)地點、時(shí)間、大(dà)小都是不确定的(de)，“并不是到處都有'燈'; 地震這(zhè)盞'燈'也(yě)沒有能夠把地球内部的(de)每個(gè)角落全照(zhào)亮！”（陳運泰 ，2009）。實現像天氣預報那樣跟蹤地震事件過程，一直是地球科學家和(hé)地震學家的(de)追求。
從上個(gè)世紀末到本世紀初，信息技術和(hé)計算(suàn)機技術的(de)迅猛發展推動了(le)地球科學的(de)信息化(huà)的(de)不斷實現。将地震學和(hé)現代信息技術相結合，使得(de)地球科學研究獲得(de)了(le)重要進展，包括噪聲地球深部成像、主動震源探測地下(xià)結構、超低頻(pín)/極低頻(pín)（ULF/ELF）探地以及地震模拟技術等。它們爲探測地下(xià)結構，動态跟蹤地震過程提供了(le)新的(de)科學思路和(hé)技術。
因此，實施以地球内部成像、探測地球内部構造和(hé)物(wù)性、動态跟蹤監測地震孕育發展過程的(de)“地下(xià)雲圖”工程，時(shí)機已經成熟。
爲了(le)探索地震預測途徑，課題組提出了(le)動态跟蹤地震過程的(de)戰術，發展動态深部探測技術，實施相應的(de)動态地下(xià)結構和(hé)物(wù)态探測工程，稱之爲“地下(xià)雲圖”工程 。
“地下(xià)雲圖”必須是動态的(de)，類似于氣象預報“看雲識天氣”的(de)方式，可(kě)以每天、每周、每月(yuè)、每年産出，需要的(de)話(huà)還(hái)可(kě)以産出每秒、每分(fēn)每小時(shí)的(de)地下(xià)變化(huà)形勢圖，爲地震預測的(de)實現提供有效保障。
目前，關于“地下(xià)雲圖”，具體取得(de)了(le)如下(xià)進展：
一、動态噪聲成像技術工程
近年來(lái)，地脈動噪聲地下(xià)成像技術快(kuài)速發展并取得(de)實質性突破，成爲地學創新的(de)熱(rè)點。
地脈動噪聲作爲地震觀測的(de)背景幹擾，很早就被地震學家重視，科學家們希望能夠通(tōng)過地脈動記錄實時(shí)監測地殼介質變化(huà)。地球物(wù)理(lǐ)學家傅承義院士1971年曾提出“紅腫理(lǐ)論”，他(tā)認爲在大(dà)震來(lái)臨之前的(de)一段時(shí)間，地球内部的(de)岩體破裂加劇，從而導緻脈動水(shuǐ)平的(de)增高(gāo)，通(tōng)過監測脈動水(shuǐ)平的(de)變化(huà)，就有可(kě)能實現對(duì)大(dà)地震的(de)預測。
本世紀Rayleigh波群速度背景噪聲層析成像圖像技術發展很快(kuài)，國際上Shapiro等（2005）和(hé)Sabra等（2005）在2005年幾乎同時(shí)發表噪聲成像的(de)成果。國内，金星等（2007）在福建、房(fáng)立華（2009）在我國華北(běi)地區(qū)和(hé)首都圈地區(qū)、劉啓元在（2010）四川、郭志（2010）在新疆天山等地區(qū)利用(yòng)地脈動噪聲層析成像技術，獲得(de)了(le)中國大(dà)陸部分(fēn)地區(qū)地脈動噪聲成像的(de)研究成果。
研究結果表明(míng)，地脈動噪聲瑞利波反映了(le)地殼淺部（上地殼約6－20 Km）的(de)速度結構特征。大(dà)多(duō)數破壞性地震發生在這(zhè)一深度，發現速度變化(huà)比較強烈的(de)地區(qū)即是應力集中的(de)地區(qū)，又是介質相對(duì)脆弱的(de)地區(qū)，這(zhè)樣的(de)地區(qū)更容易發生破裂從而産生地震。
特别值得(de)一提的(de)是，福建地震局對(duì)這(zhè)一高(gāo)技術研究成果進行了(le)工程化(huà)的(de)轉化(huà)，他(tā)們利用(yòng)福建、江西、廣東和(hé)浙江省68個(gè)實時(shí)傳輸的(de)地震台地脈動噪聲數據，建設了(le)區(qū)域噪聲成像動态監測系統和(hé)超級計算(suàn)機處理(lǐ)實驗室，實現了(le)地脈動噪聲進行面波速度層析成像的(de)實時(shí)動态探測。每天完成一張福建地區(qū)面波群速度相對(duì)變化(huà)圖像，準實時(shí)監測福建地區(qū)地殼介質變化(huà)情況。
噪聲成像系統的(de)研究結果目前已經初步應用(yòng)于日常地震預測會商，圖2爲福建地區(qū)瑞利面波群速度異常與3級以上地震的(de)對(duì)應關系。圖3爲2007年8月(yuè)29 日福建永春4.6級地震前後瑞利波群速度分(fēn)布的(de)相對(duì)動态變化(huà)圖。
二、主動震源深部探測工程
進入本世紀以來(lái)，探測地下(xià)構造和(hé)介質狀況的(de)另一個(gè)引人(rén)注目的(de)進展是人(rén)工主動震源探測（圖4）。其原理(lǐ)是通(tōng)過人(rén)工的(de)震源産生探測特定的(de)振動信号，經地下(xià)介質傳播到地震台站，最後利用(yòng)反演技術實現地下(xià)動态探測和(hé)成像。主要技術包括精密控制震源，水(shuǐ)中氣槍，人(rén)工爆破等。
2011年4月(yuè)雲南(nán)省賓川縣建成了(le)第一個(gè)人(rén)工水(shuǐ)中氣槍地震信号發射台（王寶善，2013）。該地區(qū)位于紅河(hé)和(hé)澄海兩個(gè)主要斷層（斷裂）交彙處，地震活動性高(gāo)，台站分(fēn)布密度達到15km左右，是全球密集的(de)地震台網之一。利用(yòng)氣槍震源的(de)高(gāo)度可(kě)重複性，可(kě)以将多(duō)次激發的(de)信号疊加起來(lái)以提高(gāo)信噪比。在疊加的(de)氣槍信号記錄中，可(kě)以看到氣槍信号可(kě)以追蹤到240公裏，對(duì)應的(de)探測深度爲40公裏（圖6）。它的(de)建成爲監測該地區(qū)上百公裏尺度地下(xià)介質動态變化(huà)提供了(le)良好的(de)機會。
三、甚低頻(pín)電磁波岩石圈探測工程
人(rén)工源極低頻(pín)電磁技術（CSELF）是用(yòng)人(rén)工方法産生極低頻(pín)（ELF）及其附近頻(pín)帶大(dà)功率交變電磁場(chǎng)的(de)高(gāo)新技術。我國目前已經建成了(le)自己的(de)發射台，成爲世界上第三個(gè)擁有這(zhè)一發射技術的(de)國家，并建成了(le)世界上第一個(gè)用(yòng)于地震預測等領域的(de)觀測網（趙國澤等，2012）。
該系統由天線、接地體、大(dà)地和(hé)發射機構成了(le)一個(gè)交變電流等效“環路”，在環路内變化(huà)的(de)電流感應生成交變電磁場(chǎng)（圖8）。電磁場(chǎng)分(fēn)布在地球及其周圍空間，并在地面和(hé)電離層之間的(de)“波導”中傳播。它可(kě)傳播到數千甚至上萬公裏，多(duō)地點同時(shí)觀 測極低頻(pín)電磁波的(de)各個(gè)分(fēn)量，可(kě)實時(shí)動态測量區(qū)域的(de)地殼結構及其變化(huà)，同時(shí)還(hái)可(kě)研究岩石層、大(dà)氣層、電離層的(de)電磁場(chǎng)異常。
目前我國華北(běi)、南(nán)北(běi)地震帶、天山等西北(běi)地區(qū)、東南(nán)沿海地震區(qū)和(hé)東北(běi)等省、市、自治區(qū)布設密集極低頻(pín)電磁波接收網，爲開展動态監測深部變化(huà)打下(xià)良好基礎。
上述的(de)三種成像并不是動态深部探測技術的(de)全部，這(zhè)三種技術顯示了(le)我們提出的(de)“地下(xià)雲圖”實現的(de)可(kě)行性。高(gāo)新技術的(de)發展極大(dà)推動了(le)地震學和(hé)地震觀測技術的(de)發展，新型微機電傳感器、大(dà)數據、人(rén)工智能（AI）技術和(hé)密集及超密集地震觀測網和(hé)陣列技術的(de)結合，必将會帶來(lái)更多(duō)新技術和(hé)新發展，使“地下(xià)雲圖”技工程不斷向縱深發展。
由于地下(xià)的(de)不可(kě)入性，地球岩石圈結構和(hé)物(wù)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)比大(dà)氣圈複雜(zá)，但是我們已經看到幾代地球科學家夢寐以求獲得(de)實時(shí)動态探測地下(xià)變化(huà)的(de)“地下(xià)雲圖”的(de)夢想有望實現，地震科學預測研究将迎來(lái)新的(de)曙光(guāng)！
（本文中标明(míng)來(lái)源的(de)圖片均已獲得(de)授權）
出品：科普中國
制作：地球物(wù)理(lǐ)信息科學傳播團隊 陳會忠 蔡晉安沈萍
監制：中國科學院計算(suàn)機網絡信息中心
地下(xià)雲圖來(lái)源于氣象預測的(de)衛星雲圖概念。衛星雲圖是利用(yòng)各種氣象觀測手段，通(tōng)過氣象站、氣象衛星、氣象雷達這(zhè)樣的(de)關鍵技術動态，跟蹤天氣變化(huà)的(de)全過程。比如台風，從台風生成那一時(shí)刻起，衛星雲圖就開始動态跟蹤它的(de)運動路線，強度和(hé)運動速度，對(duì)它的(de)全過程進行動态的(de)跟蹤和(hé)預測。
圖1 顯示了(le)2011年第9号台風的(de)動态跟蹤和(hé)預測的(de)關系，它使我們看到了(le)跟蹤天氣變化(huà)發生、發展和(hé)結束的(de)過程。
圖1 2011年7月(yuè)29日到8月(yuè)9日第9号台風梅花的(de)動态跟蹤過程（圖片來(lái)源：中央氣象台，2011）
目前，中國地震預報可(kě)以說基本處于經驗和(hé)靜态預報階段，還(hái)遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有像天氣預報那樣可(kě)以動态跟蹤事件過程。俄國地震學家伽裏津有一句名言：“可(kě)以把每個(gè)地震比作一盞燈, 它燃著(zhe)的(de)時(shí)間很短, 但照(zhào)亮著(zhe)地球的(de)内部, 從而使我們能觀察到那裏發生了(le)些什(shén)麽。這(zhè)盞燈的(de)光(guāng)雖然目前還(hái)很暗淡, 但毋庸置疑, 随著(zhe)時(shí)間的(de)流逝, 它将越來(lái)越明(míng)亮, 并将使我們能明(míng)了(le)這(zhè)些自然界的(de)複雜(zá)現象……”。
由于地震發生的(de)地點、時(shí)間、大(dà)小都是不确定的(de)，“并不是到處都有'燈'; 地震這(zhè)盞'燈'也(yě)沒有能夠把地球内部的(de)每個(gè)角落全照(zhào)亮！”（陳運泰 ，2009）。實現像天氣預報那樣跟蹤地震事件過程，一直是地球科學家和(hé)地震學家的(de)追求。
從上個(gè)世紀末到本世紀初，信息技術和(hé)計算(suàn)機技術的(de)迅猛發展推動了(le)地球科學的(de)信息化(huà)的(de)不斷實現。将地震學和(hé)現代信息技術相結合，使得(de)地球科學研究獲得(de)了(le)重要進展，包括噪聲地球深部成像、主動震源探測地下(xià)結構、超低頻(pín)/極低頻(pín)（ULF/ELF）探地以及地震模拟技術等。它們爲探測地下(xià)結構，動态跟蹤地震過程提供了(le)新的(de)科學思路和(hé)技術。
因此，實施以地球内部成像、探測地球内部構造和(hé)物(wù)性、動态跟蹤監測地震孕育發展過程的(de)“地下(xià)雲圖”工程，時(shí)機已經成熟。
爲了(le)探索地震預測途徑，課題組提出了(le)動态跟蹤地震過程的(de)戰術，發展動态深部探測技術，實施相應的(de)動态地下(xià)結構和(hé)物(wù)态探測工程，稱之爲“地下(xià)雲圖”工程 。
“地下(xià)雲圖”必須是動态的(de)，類似于氣象預報“看雲識天氣”的(de)方式，可(kě)以每天、每周、每月(yuè)、每年産出，需要的(de)話(huà)還(hái)可(kě)以産出每秒、每分(fēn)每小時(shí)的(de)地下(xià)變化(huà)形勢圖，爲地震預測的(de)實現提供有效保障。
目前，關于“地下(xià)雲圖”，具體取得(de)了(le)如下(xià)進展：
一、動态噪聲成像技術工程
近年來(lái)，地脈動噪聲地下(xià)成像技術快(kuài)速發展并取得(de)實質性突破，成爲地學創新的(de)熱(rè)點。
地脈動噪聲作爲地震觀測的(de)背景幹擾，很早就被地震學家重視，科學家們希望能夠通(tōng)過地脈動記錄實時(shí)監測地殼介質變化(huà)。地球物(wù)理(lǐ)學家傅承義院士1971年曾提出“紅腫理(lǐ)論”，他(tā)認爲在大(dà)震來(lái)臨之前的(de)一段時(shí)間，地球内部的(de)岩體破裂加劇，從而導緻脈動水(shuǐ)平的(de)增高(gāo)，通(tōng)過監測脈動水(shuǐ)平的(de)變化(huà)，就有可(kě)能實現對(duì)大(dà)地震的(de)預測。
本世紀Rayleigh波群速度背景噪聲層析成像圖像技術發展很快(kuài)，國際上Shapiro等（2005）和(hé)Sabra等（2005）在2005年幾乎同時(shí)發表噪聲成像的(de)成果。國内，金星等（2007）在福建、房(fáng)立華（2009）在我國華北(běi)地區(qū)和(hé)首都圈地區(qū)、劉啓元在（2010）四川、郭志（2010）在新疆天山等地區(qū)利用(yòng)地脈動噪聲層析成像技術，獲得(de)了(le)中國大(dà)陸部分(fēn)地區(qū)地脈動噪聲成像的(de)研究成果。
研究結果表明(míng)，地脈動噪聲瑞利波反映了(le)地殼淺部（上地殼約6－20 Km）的(de)速度結構特征。大(dà)多(duō)數破壞性地震發生在這(zhè)一深度，發現速度變化(huà)比較強烈的(de)地區(qū)即是應力集中的(de)地區(qū)，又是介質相對(duì)脆弱的(de)地區(qū)，這(zhè)樣的(de)地區(qū)更容易發生破裂從而産生地震。
特别值得(de)一提的(de)是，福建地震局對(duì)這(zhè)一高(gāo)技術研究成果進行了(le)工程化(huà)的(de)轉化(huà)，他(tā)們利用(yòng)福建、江西、廣東和(hé)浙江省68個(gè)實時(shí)傳輸的(de)地震台地脈動噪聲數據，建設了(le)區(qū)域噪聲成像動态監測系統和(hé)超級計算(suàn)機處理(lǐ)實驗室，實現了(le)地脈動噪聲進行面波速度層析成像的(de)實時(shí)動态探測。每天完成一張福建地區(qū)面波群速度相對(duì)變化(huà)圖像，準實時(shí)監測福建地區(qū)地殼介質變化(huà)情況。
圖2 福建區(qū)域噪聲成像動态監測系統和(hé)地下(xià)層析成像圖（圖片來(lái)源：福建省地震局，2011）
噪聲成像系統的(de)研究結果目前已經初步應用(yòng)于日常地震預測會商，圖2爲福建地區(qū)瑞利面波群速度異常與3級以上地震的(de)對(duì)應關系。圖3爲2007年8月(yuè)29 日福建永春4.6級地震前後瑞利波群速度分(fēn)布的(de)相對(duì)動态變化(huà)圖。
圖3 2007年8月(yuè)29日福建永春4.6級地震前地脈動噪聲層析成像動态變化(huà)圖（圖片來(lái)源：福建省地震局2011）
福建省地震局的(de)動态地脈動噪聲成像工程成果令人(rén)鼓舞，它實現了(le)實時(shí)動态“地下(xià)雲圖”的(de)設想，開辟了(le)地震預測探索的(de)新途徑。 二、主動震源深部探測工程
進入本世紀以來(lái)，探測地下(xià)構造和(hé)介質狀況的(de)另一個(gè)引人(rén)注目的(de)進展是人(rén)工主動震源探測（圖4）。其原理(lǐ)是通(tōng)過人(rén)工的(de)震源産生探測特定的(de)振動信号，經地下(xià)介質傳播到地震台站，最後利用(yòng)反演技術實現地下(xià)動态探測和(hé)成像。主要技術包括精密控制震源，水(shuǐ)中氣槍，人(rén)工爆破等。
圖5 我國開發研制的(de)精密可(kě)控震源(圖片來(lái)源：莊燦濤，2011)
2011年4月(yuè)雲南(nán)省賓川縣建成了(le)第一個(gè)人(rén)工水(shuǐ)中氣槍地震信号發射台（王寶善，2013）。該地區(qū)位于紅河(hé)和(hé)澄海兩個(gè)主要斷層（斷裂）交彙處，地震活動性高(gāo)，台站分(fēn)布密度達到15km左右，是全球密集的(de)地震台網之一。利用(yòng)氣槍震源的(de)高(gāo)度可(kě)重複性，可(kě)以将多(duō)次激發的(de)信号疊加起來(lái)以提高(gāo)信噪比。在疊加的(de)氣槍信号記錄中，可(kě)以看到氣槍信号可(kě)以追蹤到240公裏，對(duì)應的(de)探測深度爲40公裏（圖6）。它的(de)建成爲監測該地區(qū)上百公裏尺度地下(xià)介質動态變化(huà)提供了(le)良好的(de)機會。
圖6.賓川可(kě)控源發射台位置及其部分(fēn)研究結果。 (a)滇西地震預報試驗場(chǎng)位置；(b)氣槍陣列示意圖；(c)距發射台112公裏的(de)DLS台記錄的(de)原始信号及疊加結果; (d)氣槍信号追蹤地下(xià)至240公裏。（圖片來(lái)源：王寶善，2013）
圖7 賓川氣槍源發射狀态（圖片來(lái)源：陳會忠，2018）
2013年5月(yuè)新疆維吾爾族自治區(qū)呼圖壁縣又建成了(le)一個(gè)由大(dà)容量氣槍組成的(de)和(hé)人(rén)造水(shuǐ)體的(de)人(rén)工震源系統，人(rén)工水(shuǐ)體直徑100m，深18m的(de)圓形水(shuǐ)池，氣槍信号已經穿透整個(gè)地殼達到上地幔頂部。 三、甚低頻(pín)電磁波岩石圈探測工程
人(rén)工源極低頻(pín)電磁技術（CSELF）是用(yòng)人(rén)工方法産生極低頻(pín)（ELF）及其附近頻(pín)帶大(dà)功率交變電磁場(chǎng)的(de)高(gāo)新技術。我國目前已經建成了(le)自己的(de)發射台，成爲世界上第三個(gè)擁有這(zhè)一發射技術的(de)國家，并建成了(le)世界上第一個(gè)用(yòng)于地震預測等領域的(de)觀測網（趙國澤等，2012）。
該系統由天線、接地體、大(dà)地和(hé)發射機構成了(le)一個(gè)交變電流等效“環路”，在環路内變化(huà)的(de)電流感應生成交變電磁場(chǎng)（圖8）。電磁場(chǎng)分(fēn)布在地球及其周圍空間，并在地面和(hé)電離層之間的(de)“波導”中傳播。它可(kě)傳播到數千甚至上萬公裏，多(duō)地點同時(shí)觀 測極低頻(pín)電磁波的(de)各個(gè)分(fēn)量，可(kě)實時(shí)動态測量區(qū)域的(de)地殼結構及其變化(huà)，同時(shí)還(hái)可(kě)研究岩石層、大(dà)氣層、電離層的(de)電磁場(chǎng)異常。
圖8 甚低頻(pín)電磁波向地下(xià)發射（圖片來(lái)源：趙國澤,2003）
圖9爲我國地震學家利用(yòng)俄羅斯發射源發現了(le)1999年5月(yuè)12日遷安4.2級地震震前電磁異常（趙國澤等，2003）。
圖9爲我國地震學家利用(yòng)俄羅斯發射源發現了(le)1999年5月(yuè)12日遷安4.2級地震震前電磁異常（趙國澤等，2003）。
圖9 1999年5月(yuè)12遷安4.2級地震震前人(rén)工甚低頻(pín)電磁觀測異常（圖片來(lái)源：趙國澤，2003）
目前我國華北(běi)、南(nán)北(běi)地震帶、天山等西北(běi)地區(qū)、東南(nán)沿海地震區(qū)和(hé)東北(běi)等省、市、自治區(qū)布設密集極低頻(pín)電磁波接收網，爲開展動态監測深部變化(huà)打下(xià)良好基礎。
上述的(de)三種成像并不是動态深部探測技術的(de)全部，這(zhè)三種技術顯示了(le)我們提出的(de)“地下(xià)雲圖”實現的(de)可(kě)行性。高(gāo)新技術的(de)發展極大(dà)推動了(le)地震學和(hé)地震觀測技術的(de)發展，新型微機電傳感器、大(dà)數據、人(rén)工智能（AI）技術和(hé)密集及超密集地震觀測網和(hé)陣列技術的(de)結合，必将會帶來(lái)更多(duō)新技術和(hé)新發展，使“地下(xià)雲圖”技工程不斷向縱深發展。
由于地下(xià)的(de)不可(kě)入性，地球岩石圈結構和(hé)物(wù)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)比大(dà)氣圈複雜(zá)，但是我們已經看到幾代地球科學家夢寐以求獲得(de)實時(shí)動态探測地下(xià)變化(huà)的(de)“地下(xià)雲圖”的(de)夢想有望實現，地震科學預測研究将迎來(lái)新的(de)曙光(guāng)！
（本文中标明(míng)來(lái)源的(de)圖片均已獲得(de)授權）
出品：科普中國
制作：地球物(wù)理(lǐ)信息科學傳播團隊 陳會忠 蔡晉安沈萍
監制：中國科學院計算(suàn)機網絡信息中心