捕捉地震波軌跡開啟“入地”之門

文|高敏

捕捉地震波軌跡開啟“入地”之門

文|高敏

近年來地震頻發，給人們造成巨大的損失，雖然隨著時間的流逝，地震帶來的傷口逐漸愈合，但我們很清楚地知道地震災害可能還會造訪。

地震危害令人觸目驚心，地震發生時地震波怎么在地球內部傳播？造成的強地面運動是否有規律可循？如何有效地降低地震災害？是否有一種方法可以觀察到地球內部的活動狀態，在地震發生前預測可能的地震危害？關于地震的種種疑問，我們總會想到去問那些致力于地震研究的人。

國家青年“千人計劃”學者，中國科學技術大學教授張偉就是其中之一。

張偉

1999年畢業于北京大學地球物理專業，獲學士學位。畢業后保送北京大學地球物理專業碩博連讀，于2006年畢業，獲博士學位。2007—2010年在美國羅得島大學從事博士后研究。2010—2012年以Seniorscientist在美國GeoTomo石油勘探公司從事高科技產業化研究。2012年入選第4期“國家青年千人計劃”，受聘中國科技大學地球和空間科學學院。

研究地震波場 提供救援依據

昭通地震（2014年8月3日16時30分在云南省昭通市魯甸縣發生了6.5級地震）之后，張偉和其團隊隨即開展了相關研究。他們很快模擬了該地震的強地面運動情況，給出了地震近場的烈度估計。

“我們的計算表明，地震波場在東北角明顯強于其他方向。分析發現，此地區存在相對低速的低速層，地震波在低速層內多次反射加強了該地區的地震災害。研究還表明，昭通周圍的山峰、峽谷地形可能影響局部地區的地震災害。”這些研究成果為地震災害救援提供了科學依據。

對于地震科學，盡管目前人類對地下結構、應力積累過程和地震發生過程的認識程度，還不能實現準確的地震預測。“那研究地震干什么？”這也是社會上很多人對于地震工作人員的最大疑問。

張偉告訴記者，地震專家的主要工作是對地震的孕育、發生和發展過程進行研究，積累對地震這個自然現象更深刻的認識。“詳細點說，就是對地震可能造成的破壞進行震前估計，為建筑物抗震設計提供支持；對地震發生后的震害進行評估，為抗震救災提供科學援助；利用地震觀測對地球進行研究。”張偉解釋道。

“地震波的傳播是受物理規律控制的，采用大規模科學計算技術和復雜介質地震波傳播算法，我們可以重現破壞性地震的地震波傳播過程，也可以預測尚未發生的地震一旦發生將可能造成的地表強地震動情況。”2008年汶川地震后，張偉第一時間在《中國科學》發表了對汶川地震強地面運動模擬和分析的結果，探討了地形放大效應在汶川地震及震區導致的破壞效應，揭示了龍門山地區劇烈起伏地形和地震斷層破裂過程共同作用導致汶川地震巨大的破壞作用，這對地震災害預測及震后救災都具有積極的推動意義。

“比如，局部地形對地震災害有顯著影響，表明今后在地形起伏劇烈的地區進行建筑地震設防設計和規劃時，就應該考慮這種地形導致的強地面運動差異。”

美國滑坡領域的專家維梅特教授認為，該計算結果是唯一能夠解釋汶川地震整個破裂斷層帶（東北段、西南段）上觀測到的同震滑坡等地質災害分布特征的依據。

模擬發生過程 助力災害預防

“地震是災害，地震波研究卻大有作為。我課題組的研究方向即包括地震波先進算法研究，如復雜地下結構地震波模擬的高性能數值算法，地震波反演和成像的新方法，也包括應用這些算法解決實際問題。”

“天然地震的震源無法控制，分布也不均勻，勘探地震的震源具有一定的可控性，可以按照預先設計的采集計劃實施，激發一個地震波然后通過檢波器陣列接收。”張偉介紹，“地震是災害，但天然地震引起的地震波和人工震源激發的地震波卻可以用來感知地下的結構。”

“醫學CT是醫學層析成像，我們做的是地震波層析成像。它們基于相同的原理，但地震波層析成像具有更大的難度，因為醫學層析成像的發射源可以控制，而天然地震的分布不可控制，可控人工震源也只能放置在地表。”張偉盡可能用淺顯的語言向記者解釋著。

“地震波蘊含著豐富的震源信息和地下結構信息，寬頻帶地震記錄和高密度地震采集系統為地震學家獲取地下精細結構提供了前所未有的機遇。目前，學術界和工業界都在努力采用先進的地震波數值模擬技術和反演算法，結合高性能計算技術，實現從地震波形上提取準確的地下結構信息。”

張偉成功發展了一種新的起伏地形地震波數值模擬算法，將基于強地面運動定量模擬的地震危害性分析應用到中國這種地形起伏情況復雜的地區。“這項成果用于在地震沒發生時定量評估一旦地震發生，會在地表造成什么樣的破壞？在地震動強的區域，可以通過加固建筑和提高抗震標準的方式，來減少地震發生時所造成的破壞。目前，我們正在應用這種方法研究地形起伏劇烈的川滇地區的地震危害性。”

10年前開始的“中國數字地震觀測網絡”項目建設，使我國形成了由國家數字地震臺網、區域數字地震臺網、火山數字地震臺網和流動數字地震臺網組成的新一代中國數字地震觀測系統，記錄了大量的高質量寬頻帶數字地震波形記錄。

“但傳統的三維地下結構反演只利用了地震波的走時信息，不能反演小尺度地下結構。”張偉介紹，而三維有限頻層析成像充分利用蘊含豐富地下結構信息的波形信息，可以獲得地下的精細結構，可以更準確地獲得孕震結構背景。

于是基于新的地震波模擬算法，張偉實現了近年來發展起來的高分辨能力的三維有限頻層析成像算法，以此可以充分發掘數字地震臺網采集的高質量地震波形信息。另外，他還實現了陸地采集系統全波形反演成像算法，提高了陸地勘探地震波成像的分辨能力和應用范圍。

被“忽悠”而入 且越“入”越深

張偉的科研視角務實，且始終保持前沿，但沒人知道，他走進地震波的研究之門，卻是被“忽悠”的結果。

就讀于北大地球物理系的張偉，大三面臨專業細分時，因為一句地球物理領域“上天容易入地難”的老話，本想選擇大氣專業，但最終他被到宿舍介紹專業的陳曉非老師成功“忽悠”到地球物理專業。

當時陳老師對他說：“‘入地’是難，但地震波卻向人們打開了了解地球內部結構的一扇大門，這是非常前沿的領域，充滿了機會和挑戰，就看你是否具備挑戰科學奧秘的勇氣。”

2006年，張偉的博士工作論文在頂級期刊《國際地球物理》上發表，引起了國際地球物理界的廣泛關注。歐洲計算地震學家Moczo在2014年的地震波數值模擬專著里，也專門開辟章節對該算法進行論證。在近10年的研究中，張偉對于地球物理的探索早已從“被動”變成了“發自內心的喜愛和執著”，且越“入”越深。

張偉至今都還記得陳老師說的那些話，用地震波一次次敲著地球之門。

2010年，在美國羅得島大學進行3年的博士后研究后，張偉對勘探地球物理產生了濃厚的興趣。回國前，他一直在美國GeoTomo LLC 石油地球物理公司研發中心工作，進行了多項前沿地球物理勘探軟件的開發，之前多年積累的算法得以應用，解決了多項石油勘探中遇到的實際問題。

“地震勘探是石油勘探前期必備的工作，也是地球物理勘探的主流方法。我們可以利用地震波技術，對石油地質圈閉進行準確成像，然后有的放矢地去打井，這樣將提高勘探成功率，降低打井的成本。”目前，張偉的團隊和東方地球物理公司、中國科技大學一起創立了聯合研發中心，進行更深入的適合中國地質情況的勘探地球物理技術研發。

同時，頁巖氣的異軍突起不僅改變了美國國內的能源結構和能源戰略，也影響著世界地緣政治和能源供應格局。在我國，這方面的研究則剛剛起步。目前，張偉的另一項研究重心就是頁巖氣開采過程微地震的實時監測處理。他們研發的自動處理技術已經可以快速獲得同人工處理精度相似的成像結果，為水力壓裂操作提供實時反饋。