關于地震科學實驗場的一些思考
——地下云圖

陳颙 徐逸鶴 蔡輝騰 李穩

1）南京大學地球科學與工程學院，南京市仙林大道163號 210046

2）中國地震局地震預測研究所，北京市復興路63號100036

3）中國地震局地球物理研究所（地震觀測與地球物理成像重點實驗室），北京 100081

4）福建省地震局，福州 350003

5）中國地震局地球物理勘探中心，鄭州 450003

1 回顧

1980年1月24日，“中華人民共和國國家地震局和美利堅合眾國國家科學基金會、美利堅合眾國內政部地質調查局科學技術合作議定書”在北京簽署（吳寧遠等，1981）。為了深入開展中美合作，中方開辟了京津唐張和滇西兩個地區作為地震預報研究實驗場。在合作期間，國家地震局投資1000余萬人民幣用于兩個實驗場的建設。美方也提供了129套儀器，價值250萬美元。中美雙方還聯合投資建設了中國數字化地震臺網（共9個臺站）（《當代中國》叢書編輯部，1993；顧平，1985）。

中美雙方在建設地震預報研究實驗場方面的合作，促進了地震儀器和觀測設備的升級改造，根據協議書的規定，合作的領域包括地震前兆現象與預報技術的交流、板內活斷層與地震研究、地震工程與減輕災害、地殼深部結構、巖石力學實驗室、超長周期地震臺站的設置及資料和地震圖的膠片交換等7個方面（顧平，1985）。在執行議定書的過程中，中美科技人員進行了頻繁的交流（顧平，1987）。從1980年至1984年底，雙方人員交流253次，其中，美方來華155人次，中方赴美98人次。地震預報研究實驗場對中國的地震工作的發展起到了良好的推動作用。

20世紀末期，陸續在山西、新疆開展過地震預報實驗場的工作，地震局的許多科技骨干，如丁國瑜、梅世蓉、馬宗晉、陳鑫連、許厚澤、姚振興等都在現場工作過。這些實驗場的目標主要是“監測預報”，選擇多地震的地區為“地震預報實驗場”，建設多種手段的高密度的觀測系統，通過地震前兆的方法預報地震，并試圖評價各種經驗性方法的局限性（陳鑫連，1987；梅世蓉，1994；馬宗晉，2000）。在任何地區，地震（特別是大地震）的復發周期都是很長的，而實驗場項目的執行時間是有限的，所以，開展的預報實驗場多數都沒有完成預先設想的目標，其中，京津唐張實驗場也很少被人們提及了。

例外的是滇西地震預報實驗場，它的牌子至今還掛在云南大理，且已經掛在那里有35年之久了。當初掛牌子的人，如今大多已經退休了，幾位受人尊敬的長者也已經去世了。20世紀80年代初，為什么選擇滇西作為實驗場呢？一是該地區地震多，實踐的機會多；二是紅河斷裂，紅河從北向南流經滇西，滇西地震多發生在紅河斷裂（及其周圍的許多斷裂組成的斷裂帶）附近地區，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，南北兩段地震活動性質完全不一樣，正如美國著名地質學家Clarence R Allen在議定書簽訂過程中所提出，這是研究地震機理、斷層與地震關系的絕好地區，也是全球研究地震的基礎前沿問題的最好地區（吳寧遠等，1981）。同時，紅河地處青藏高原東南緣，蘊含科學問題甚多。

20世紀90年代，滇西實驗場的領導體制、經費來源和管理方式發生了多次改變，影響了其發展。從2015年開始，關于滇西地震預報實驗場的問題又引起了大家的關注，討論的核心問題是實驗場的定位和它的頂層設計。2017年，在一次討論滇西實驗場的咨詢會上，中國地震局科技委不同意沿用“地震預報實驗場”的名稱，建議隨著時代的發展，應把早期的“地震預報實驗場”改名為“地震科學實驗場”。

借此機會，本文結合地震學研究的最新進展，對地震科學實驗場的未來發展提出幾點建議。希望借鑒氣象學的先進思想，推動地震學和防震減災研究的進一步發展。

2 3D和4D

欲從外部探測物體內部，需要3個要素：發射能穿透物體的場（波）源、物體外表面不同方位的接收裝置、數據分析與成像方法。地震波是能穿透地球內部的波動，目前產生地震波通常有3種震源：天然地震、背景噪聲（Ambient Noise Tomography）和人工震源。

20世紀利用天然大地震了解了地球內部的整體結構，提供了全球板塊構造重要的地震學證據，這是利用20世紀6500次全球6級以上地震數據的結果，也是3D地震學的輝煌年代（Dzienwonski et al，1981；Kennett et al，1991；Kennett et al，1995）。但如果要研究地球的淺部結構（相比地球半徑6500km而言），天然地震數量不夠，分布不均勻，導致成像精度和分辨率不足。

21世紀至今地震學研究最重要的突破之一，是背景噪聲在淺層地殼的結構探測中的應用（Shapiro et al，2005）。背景噪聲研究開辟了地震學研究的一個新領域，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構，這種方法的地下探測分辨率主要取決于臺站密度，背景噪聲探測所布設的地震臺站的數量和臺站密度創造了傳統地震學難以想象的新高度（Lin et al，2013）。基于短周期密集臺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、斷裂帶地區等）的精細結構模型，為城市地震災害評估及斷裂帶發震構造研究提供重要模型基礎（Li et al，2016）。背景噪聲方法，本質上是一種隨機性的統計方法，為得到結果，需要累積長時間的大量數據，研究深部的上地幔結構（上萬千米的尺度），需要利用全球臺網的100～400s長周期面波幾年噪聲數據積累（Nishida et al，2009）。研究川滇地殼結構（幾百千米尺度），需要利用區域臺網5～50s中短周期面波至少1年的噪聲數據（Yao et al，2006、2008）。研究臺北盆地（10km尺度）的淺層地殼結構，要用0.3～4.0s短周期面波1個月的噪聲數據（Huang et al，2010）。尺度越小，可恢復的面波頻率越高，需要的連續噪聲時間越短，對淺層結構越敏感。背景噪聲在3D探測方面具有相當的優勢。

人工震源也能夠激發地震波，近10年來，我們引進了海洋無限水體激發地震波的氣槍（Air-gun）用于陸地有限水體中，實現了綠色環保激發（Chen et al，2007；Wang et al，2012；Chen et al，2017），并在兩個方面取得了明顯進展。首先，發現和利用了氣槍這種人工震源的震源特性——高度重復性，多次極小當量的激發，利用疊加和相關等處理方法，可以達到極大范圍的地下探測的目的（Chen et al，2017）。其次，利用可以流動的人工震源，多點激發，多點接收，實現地下結構的高精度探測（張云鵬等，2016；She et al，2018；Tian et al，2018）。相比天然地震和背景噪聲，三者都可以進行3D探測，但人工震源，在4D探測方面有著更大的發展潛力（圖1）。

圖1 運用氣槍震源研究地下結構（3D）的例子。2015年在長江安徽段用氣槍連續激發地震波，江北和江南接收，得到兩岸的淺部結構：沿江區域呈明顯低速，而在長江兩岸發現一些面波的高速區。探測工作結束后，地質學家指出，這些高速區恰恰對應兩岸的礦集區

地球內部介質的結構及其變化一直是地球物理學家研究的主要內容之一。利用越來越密集的地震臺站資料，我們已經可以獲得高分辨率的地球內部結構。地球的很多災害性活動除了與地球內部的結構狀態有關，還受制于內部狀態的變化。如地球介質內部應力積累是地震的孕育、發生過程的重要因素，監測地球內部微弱的變化，為我們研究地震發生過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部進行測量，我們只能通過分析地震波來研究地球內部的變化。在地震波的眾多參數中，地震波的波速測量精度最高，同時也能直接反映地下的應力狀態和物質組成等物性參數。因此通過地震波波速變化研究地球內部結構變化成為被應用最廣泛的方法。

相對地球介質結構的研究，目前我們對地球介質變化的研究（4D seismology）還處于初步階段。在工業界，4D地震學在數據采集和數據處理方面已經取得了一些進展，并有越來越多的應用實例。石油工業界利用4D地震方法監測油氣運移和開采過程已經取得較大成功。但是在與地震活動相關的地下介質變化的研究方面進展相對緩慢，究其原因在于與油氣過程（以及二氧化碳注射等）相關的波速變化較大而與地震活動伴隨的波速變化較小。

根據所采用的震源，研究與地震相關的地下介質變化的4D地震學的方法又可以分成：被動震源4D地震學（Passive 4D Seismology）和主動震源4D地震學（Active 4D seismology）。被動震源地震學是利用地震臺站觀測到的天然地震信號和噪聲信號，比較不同時間的地震和噪聲特征得到地下介質性質隨時間的變化。

地震的能量很大可能有很多臺站接收到，但是地震的分布在空間和時間上非常不均勻，同時天然地震的位置和發震時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變化的精度非常有限，這進而限制了天然地震的使用。近些年，無時無處不在的地震噪聲逐漸被作為一種震源進行地下介質結構研究。最近，有研究者利用地震噪聲進行地下介質隨時間變化的研究。但是由于噪聲能量小，需要通過長時間累積才能得到足夠信噪比的信號，同時目前利用噪聲只能獲得面波信息而無法獲得介質的完全響應。因此噪聲可以用于深部介質長時間的平均變化或者與地震等事件相關的較大變化的研究。

為克服被動震源存在的問題，利用人工震源主動向地下發射地震波，進行地下介質監測，發展主動震源4D地震學（Active 4D seismology）自然成為一個重要的發展方向。雖然利用人工震源研究地下介質變化的思想可以追溯到20世紀70年代，甚至更早。但是由于當時的技術水平有限，因此相應的研究精度有限，而且相關研究曾經一度停滯。現在進行高精度主動震源監測的條件已經具備，這些都得益于以下技術的發展：①震源的發展，以氣槍震源為代表的綠色震源可以進行長時間工作，并且具有高度可重復性；②電子技術和GPS技術的發展為我們的觀測提供了高度同步的時鐘；③數據處理方法的發展，在通訊理論中相對成熟的延時估計技術應用于地震數據處理，為獲得高精度測量提供了基礎。

3 天上有“風云”，地下有“云圖”

如何發揮地震學4D探測的優勢呢？先從氣象學的啟示談起。20世紀60年代出現了衛星云圖（Bristor et al，1966），此后30年，各國都廣泛應用這種技術了，中國的“風云”氣象衛星就是一個杰出的例子（楊軍等，2011）。衛星云圖不僅可以了解云層的結構（3D），更重要的是了解云層的運動（4D）（Platnick et al，2003）。探測大氣運動對于天氣預報是至關重要的，幾十年前，眾人看好的數值天氣預報，離開了衛星云圖的觀測資料，進展將會是有限的。同樣的道理對地震學也是一樣。地震學是數理科學應用最廣泛的學科，數值模擬一直是地震學的強項，但沒有新型的觀測數據輸入，數值模擬的應用也是有限的。

衛星在地球上的空間運行，觀測的是整個地球上方的云圖，這是一種全場性的觀測，而非一點性的觀測。這是地震學學習氣象學的核心關鍵。

設想在“地震科學實驗場”建立像“風云”衛星一樣的人工流動發射系統，配合發展相應的接收和數據處理系統，率先在技術集成方面實現工程創新（工程創新對于科學創新十分重要），則有可能做出“地震科學實驗場”區域地下云圖。該云圖將反映地下介質的波速變化、應力變化等，開始從地震的經驗預報向物理預報的探索。

4D地震學是非常前沿的科技，它的發展面臨許多挑戰，如在硬件方面改進現有臺站的授時、守時精度，建立由多個主動震源和多個觀測臺站組成的網絡，形成地下介質連續監測的能力；在分析處理方面，要有與地震活動相關的監測，特別是地震孕育過程中介質是否存在波速變化，如果存在，其大小及空間分布如何，如何能更有效地觀測到相關的變化，同時研究觀測到的介質變化如何與地下介質的應力狀態和物性等參數聯系。

在“地震科學實驗場”中所有的監測預報的傳統做法應該不受影響，但是“地震科學實驗場”的定位應該十分清楚，發展、檢驗和完善“地下云圖”技術。這種定位不用等地震的發生，這種定位將為未來全國范圍的地震監測預測提供新的業務手段。

4 總結

3D地震學為建立地球不同尺度的物性參數模型做出了巨大的貢獻。隨著觀測精度的提高和震源技術（如背景噪聲、氣槍）的發展，4D地震學逐漸顯露其在災害（如火山、地震等）監測方面的潛力。本文建議以4D地震學為核心，建立“地下云圖”技術系統。該技術系統應有從激發、接收到實時處理的完整流程，同時針對不同探測目的（大區域和城市區域）建立兩套不同標準的技術系統。該系統的建成將為地震監測預測提供新的業務手段，并推動地震物理預測的探索發展。