为何会发生地震?如何提高地震预测和风险防范能力?地震发生后又怎样将损失降到最低?针对这些长期困扰地震学界的难题,不久前,我国启动了地震科技创新工程,拟通过“透明地壳”“解剖地震”“韧性城乡”和“智慧服务”4个计划的实施,未来10年,我国的地震科学研究水平以及防震减灾能力将大幅度提升,达到国际先进水平。

开展对地下结构的探察,让地壳逐渐变透明,寻找地震规律

地表发生的一切地学现象几乎都能在地球深部找到答案。以地震为例,地震是地球内部应力作用的结果,了解地壳结构和地下应力变化,有助于我们探究地震孕育发生的规律。

“我们现在可以上天下海,但对脚下大地的认知还不够。人类对地壳结构了解不够,进而难以深入研究地震孕育发生规律,突破地震预测的科学难题,”中国地震局地震预测研究所副所长张晓东说。

张晓东介绍,“透明地壳”就是要开展对地下结构的探察,特别是主要地震带的深浅结构和断层活动习性,把地下搞清楚。“这就好比给地球深部 做CT ,让看不见的地壳逐渐变透明,进而从中寻找地震孕育发生的规律。”

“CT”如何做,原理如何?中国地震局地球物理研究所研究员吴建平介绍,地震被认为是瞬间照亮地球内部的明灯。由于地球内部物质的物理性质不同,其密度、磁性、电阻率以及地震波穿过时的传播速度和衰减特性存在差异。地震波在地下介质中传播时会发生反射、折射和透射,仪器接收到这些带有地球内部信息的信号,经过复杂的科学处理以后,就会得到地下结构,包括地下三维介质的物性、电性、磁性等图像,科学家在此基础上就能开展深入的地震科学研究工作。“通过观测不同传播路径的地震波速变化,获得地球内部结构图像,其原理与医学中的CT成像类似。”

我国在内陆采用气枪震源在水中激发地震波的方法获取地球内部结构信息和连续、高精度介质变化图像。目前,地震科研人员已经在全国建立了4个人工气枪震源实验基地,未来还要建设6个人工气枪震源实验基地。

实施“透明地壳”计划后,我国将建立中国大陆壳幔三维精细结构模型,获得地壳介质物性随时间变化图像,查明约200条活动断层空间展布和活动性参数,获得综合地球物理场及时间变化图像。

张晓东说,想了解清楚地下变化情况,仅有静态的“透明地壳”还不够,需要有高密度的综合地球物理场动态观测结果。我国还将利用GPS、水准、重力、地磁观测网络,监测获取中国大陆三维地壳运动图像和地表重力场、岩石圈磁场变化图像,为强震中长期危险地点预测提供依据。

详细解剖已发生地震,提升对强震孕育发生机理的科学认识

“透明地壳”是“解剖地震”的基础,前者提供大的地壳构造和结构背景,后者主要研究地震孕育发生机理,探索地震预测方法。“你去医院看病,有了检查的 片子 ,医生才能据此分析病情。”张晓东说。

吴建平介绍,“解剖地震”计划最终目标是对已发生的地震进行详细解剖,对典型强震进行全面深入的综合研究,建立典型强震的科学样本。“世界上大多数的大地震属于板缘地震,而我国很多是大陆内部地震,其强震孕震机制和前兆机理存在差异。 解剖地震 能够发展和提出适用于中国大陆强震发生的机制和模型,其相关研究成果,还能为中亚等大陆内部地震多发国家提供借鉴。”张晓东说。

国际上主要国家都开展了构建区域动力学模型和地震综合预测研究方面的工作。比如,美国通过25年的持续研究,建立了加州地区强震孕育发生的概率预测和动力学模型。我国地震预测研究始于1966年,经过多年探索,我国发展了中国大陆地震的活动地块理论,并在川滇地震多发区建设了地震监测预报实验场。“解剖地震”计划完成后,我国将完成对海城、唐山、汶川和玉树等地震的深入研究,并构建相关地震孕育发生模型,提升对强震孕育发生机理的科学认识。

我国对地球物理、大地测量、地球化学和地质学等海量观测资料,开展数据同化处理工作,结合以往研究成果和大震案例,提取相关参数,构建基于大数据的地震孕育发生的物理过程,研发基于超算技术的相关计算方法和软件库,开展地震数值模拟实验与检验,同时也探索人工智能等地震预测新方法。

张晓东说,实施“透明地壳”“解剖地震”还存在一些技术难题。比如,地球结构的探测精度与观测站的密度密切相关,一般来说对探测目标的高精度精细探测需要更高的观测密度。目前,我国地震台阵探测布设的站间距在35公里左右。要开展密集观测,获得更高分辨率的地壳结构,台站观测密度还要加大。此外,大地震样本少,时间久远的震例观测资料的分辨率、精度、完备性、连续性等都难以满足研究的需求。

建设国家地震科学大数据中心,显著提高城乡抗震能力

地震是地球演化过程中发生的自然现象,即使将来科技发展到能够准确预报地震的程度,人类也无法阻止大地震的发生。保障人们生命财产安全,就要做好地震信息服务和提升地面建筑的抗震能力。

“以前,我们只能在地震发生后提供发震时间、地点和震级信息,俗称地震三要素。现在我们还要提供其它地震学参数,例如震源机制、地震矩、应力降、震源破裂过程等信息,为政府和公众提供参考。”张晓东说。

地震科技创新工程的“智慧服务”计划,旨在提升我国的地震信息服务水平。据介绍,我国将建设地震科学大数据中心,构建防震减灾信息从云到端的智慧服务体系,重构业务信息化流程,包括地震预警和速报、灾情评估和速报、地震区划精细服务、建筑物抗震能力、地震科学知识普及、抗震救灾等信息,产出相关服务产品,提高地震数据和产品在线存储、计算和服务能力,实现信息资源的集约化。

“国家地震科学大数据中心将汇集涵盖地球物理、地球化学、大地测量和地质学等学科领域的观测数据,形成全国统一、分布管理、合作共享的地震数据资源体系,服务国防、核电、水利建设,服务城市重大基础设施、高速铁路安全。”张晓东说。

地震损失降至最低,要做到地震发生时免遭破坏,或者即使造成一定程度灾害也具备高效可恢复性。这就需要了解地面建筑结构特点,加强抗震能力设计。“韧性城乡”计划就是以“地上结实”为主要目标,确保重要建筑和生命线工程在强震袭击后可以在短期内恢复功能,显著提高城乡抗震能力。

据介绍,我国将率先建成10个示范韧性城镇。将科学评估全国的地震灾害风险,采用并创新世界上最先进的抗震技术提高城乡的可恢复能力。同时,开展隔震与减震技术、摇摆结构体系、自复位结构体系、可更换构件结构体系研究,为韧性城镇建设提供技术支持。

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