防灾减灾宣传周今年的5月12日是第13个全国防灾减灾日，主题是“防范化解灾害风险，筑牢安全发展基础”5月8日至5月14日是防灾减灾宣传周，这一周，我们将每天与大家分享一则优秀文章或视频，希望能够提高大家对地震的了解，增强防灾减灾的意识和能力，我来为大家科普一下关于浅层型大地震?以下内容希望对你有帮助!
浅层型大地震
防灾减灾宣传周
今年的5月12日是第13个全国防灾减灾日，主题是“防范化解灾害风险，筑牢安全发展基础”。5月8日至5月14日是防灾减灾宣传周，这一周，我们将每天与大家分享一则优秀文章或视频，希望能够提高大家对地震的了解，增强防灾减灾的意识和能力。
给大地震做精细的“医学”成像
还有多远的路？
2018年5月12日发生在四川省的汶川8.0级大地震，是一次给经济社会发展造成严重破坏的特大自然灾害。那么，对于灾害性的大地震，科学家是否也可以像医生看病时使用医学成像技术那样，利用在地表设置的仪器发射射线穿过我们脚下的土壤和更深处的岩石，对震源区域进行造影成像，建立地震“病灶”的影像模型？或者更进一步，像常规的体检那样，定期给我们脚下的地球进行体检，及时发现地下的“肿块”，像肿瘤的早期发现那样，对可能发生的大地震做出地点、时间和震级的预测呢？
关于地震孕育的地下环境，著名地球物理学家傅承义先生在他1977年出版的《地球十讲》中提出了用红肿区比喻孕震区的假说——“红肿理论”。傅承义先生认为，在这个地区内，可能发生着岩石变形、物质迁移或其他形式的运动。这种假说，也进一步促使科学家力争在给大地震做成像的方向上实现突破。
随着X射线的发现，科学家发明并不断完善了人体医学成像技术。其中计算轴断层摄影术（CAT扫描），其原理是在人体外部设置X光管发射X射线，在需要成像部位另一侧设置检测器接收穿过检测部位的射线。随着发射和记录仪器围绕待检测部位的旋转，检测器记录了大量射线数据。通过计算机对数据进行分析处理，根据人体内密度变化或人体组织吸收影响射线的强弱，人体组织被投影，给出了断层摄影术切片的实际图像。
我们用上述医学成像技术来比喻对地下结构的探测技术，但实际上将这一技术应用在地球内部探测，所测量的物理量是不同的。在医学成像领域，仪器发射的X射线穿过异常的组织构造时被吸收的能量与正常的组织有差异，从而依据不同组织对波的吸收程度得到图像。而对地下孕震环境的探测，地球物理学家是用地震波沿传播路径的速度变化来给地球做成像。从原理上看：对于一台设置在地表的地震记录仪器，发生在不同地点的地震会产生不同方向和距离的地震波“射线”；而对同一个地震，设置在地表不同地理位置的很多仪器（我们称之为地震台网），同样记录到不同方位和距离的地震波“射线”。我们在给孕震区做成像的过程中，根据分辨率的需要将孕震区划分成很多“单元”，在足够长的时间内地球会发生大量地震，每个单元都可能被很多条地震波射线穿过，并被密集布设在地表的地震台网记录到，成千上万条地震射线记载的地下结构信息（通常表现在地震波的“震相”特征上）通过大型计算机的分析处理，就可以测定地下孕震区介质可能对平均岩石速度的偏离。
在现阶段，科学家要想利用得到的地下速度结构图像判断地震危险性，最大的障碍是地球的不可入性。中国科学院院士陈运泰在科普图书《地震浅说》中阐述了“不可入性”的科学含义：“‘不可入性’源自希腊文‘σεν μπορει να τεθει’。地球内部的‘不可入性’在这里指的是人类目前还不能身临其境深入到地球内部，在高温高压状态下直接观察或在固体地球内部设置台站、安装观测仪器对震源直接进行观测，而不是说人类不能利用天然的或者人为的震源激发的地震波或电磁波等手段穿过地球内部进行研究”。
这就是说，与医学手段相比，地震震源成像的最大困难是人类目前尚无法对地球进行“解剖”。地球的半径是6400千米，而依靠钻井进入地球内部取上来岩芯进行类似人体组织病变情况的检查，即使在地震多发的地表下十几千米至几十千米深度，在目前技术水平上也是难以实现的。目前全世界最深的科学钻井也仅仅达到十几千米，对于认识整个汶川地震震源区地震“病灶”的机理还有距离。这也说明，受技术条件的限制，能够像医生那样进行精细的医学成像和建立模型，甚至在给地球做体检时就根据“地震成像”找到“病灶”，提前预报地震，还有很多技术难题等待科学家去解决。
受地球的不可入性限制，到目前人们对基本地球物理知识的了解要远远少于观测天气和气候的知识，且目前对相关物理参数的测量因为地壳的不透明和不可直接接触，只有很少的观测结果。因此，构建地震模型的任务远远困难于构建天气和气候模型。对一些重要物理过程理解的缺乏，特别是对大地震的病灶——“断层”行为了解的局限性，诸如断层的形态（要求高分辨率地下探测技术能力）、应力（对应人体骨骼和组织可能受到外界作用的方式和强弱）、流体压力（对应人体血液流动状态和血压）、渗透性（对应着人体组织细胞的代谢状态）、地球表面以下部分的摩擦参数（对应着人体中骨骼和肌肉的附着状态）等，阻碍了我们像通过医学成像诊断判断“病灶”危险程度和“良性”或“恶性”一样来准确地建立地震模型。
自20世纪80年代以来, 宽频带地震观测技术的发展，提高了震源和地球内部结构成像的分辨率，为探测大尺度、高分辨率三维震源截止结构提供了前所未有的技术基础。新的三维流动地震台阵探测技术, 不但可以探测地下数百千米深度范围内的地壳上地幔结构, 而且在地壳及上地幔顶部深度范围内已可以达到千米级的垂向和横向分辨率。在探测技术发展的同时，气象领域的大气模型和石油勘探领域油藏模型建立工作取得的历史性进展，也为地震学家建立地震模型提供了信心。
目前，中国超级计算机依然凭借自主创新跃居全球领先地位，为科学家分析处理观测数据提供了必要的技术保障。根据2020年11月发布的排名信息，我国自主研发的超级计算机“神威·太湖之光”和“天河二号”在全球超级计算机计算排名榜上分别排名第4位和第6位。自2017年11月以来，在全球超级计算机500强中，中国的超级计算机上榜数量联系全球第一。科学家目前正在利用大型计算机解释观测数据和建立地震“病灶”数值模型。一个地震震源的模型可能包含的物理知识的范围越大，越有可能正确表现实际的地震活动行为。要想建立一个中国大陆及临近区域地震活动的大地震地震模型，就要求在同一个数值模型中既考虑大尺度的板块会聚边界、现代造山运动，也考虑宽度在几十米至千米的活动断裂的错动性质。将不同尺度构造因素纳入同一个模型，至少要求模型的长宽尺度应该在103～104千米，单元尺度在10-2～102千米尺度。如果需要同时考虑板块边界会聚作用和地幔热物质的影响，深度范围102～103千米的三维数值模型是必要的。以该模型为基础，通过复杂的非线性本构关系和接近观测结果的边界条件来进行地球动力学问题的数值模拟实验，其计算量是非常巨大的。即使使用目前国际排名前列的大型计算机，还是难以将尽可能多的物理知识考虑到地震模型中。
随着航空航天技术和大规模数值计算技术的发展，气象学家用地面气象台站、气球、飞机和卫星获取大气演化信息，以物理学和力学的理论为基础，以数值计算理论超级计算机为平台，成功建立起大气演化过程模型，给予可靠的模型。现在数十个先进国家数值预报已经成为日常天气预报的手段。
在石油勘探领域，估计油田储量和设计生产方案，也需要给油藏做精细的三维成像，依靠地下的油藏图像设置钻井生产方案，实现油田高效勘探开发。目前，得益于高分辨率三维地震勘探的突破，和超深钻井直接检验油藏成像技术，高信噪比、高分辨率的地下油藏成像技术使得建立更可靠的油田模型成为现实。
其他领域的成像技术进展和对行业的技术支撑效果一直在鼓舞着地震学家。尽管存在诸多困难，但是面对地震活动对人类社会发展的严重威胁，科学家不可能等待所有的物理问题都解决之后再来开展孕震环境的成像技术攻关。因此，探索地震图像奥秘的研发工作一直在不断地进行。
在刚刚发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》民生改善型国家重大科技基础设施规划清单中，就明确提出了发展给孕震区做“体检”理论和技术探索的“中国地震科学实验场”项目，还有“加快构建数字技术辅助政府决策机制，提高基于高频大数据精准动态监测预测预警水平”的明确论述。在国家重点支持下，科学家将继续开展地震“红肿区”（孕震区）模型的建立工作，在开展“十四五”规划提出的多学科相互交叉“透视地球”等基础科学研究基础上, 依托全面实现信息化、数字化的发展，研发“地球深部探测装备”，建立“地球系统数值模拟器”，力争早日实现给地球内部的“红肿区”做精准的成像诊断。
作者：
中国地震局地球物理研究所研究员张东宁
来源： 中国地震台网
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