為何會(huì)發(fā)生地震？如何提高地震預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)防范能力？地震發(fā)生后又怎樣將損失降到最低？針對(duì)這些長(zhǎng)期困擾地震學(xué)界的難題，不久前，我國(guó)啟動(dòng)了地震科技創(chuàng)新工程，擬通過“透明地殼”“解剖地震”“韌性城鄉(xiāng)”和“智慧服務(wù)”4個(gè)計(jì)劃的實(shí)施，未來10年，我國(guó)的地震科學(xué)研究水平以及防震減災(zāi)能力將大幅度提升，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。 

開展對(duì)地下結(jié)構(gòu)的探察，讓地殼逐漸變透明，尋找地震規(guī)律

地表發(fā)生的一切地學(xué)現(xiàn)象幾乎都能在地球深部找到答案。以地震為例，地震是地球內(nèi)部應(yīng)力作用的結(jié)果，了解地殼結(jié)構(gòu)和地下應(yīng)力變化，有助于我們探究地震孕育發(fā)生的規(guī)律。

“我們現(xiàn)在可以上天下海，但對(duì)腳下大地的認(rèn)知還不夠。人類對(duì)地殼結(jié)構(gòu)了解不夠，進(jìn)而難以深入研究地震孕育發(fā)生規(guī)律，突破地震預(yù)測(cè)的科學(xué)難題，”中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所副所長(zhǎng)張曉東說。

張曉東介紹，“透明地殼”就是要開展對(duì)地下結(jié)構(gòu)的探察，特別是主要地震帶的深淺結(jié)構(gòu)和斷層活動(dòng)習(xí)性，把地下搞清楚。“這就好比給地球深部‘做CT’，讓看不見的地殼逐漸變透明，進(jìn)而從中尋找地震孕育發(fā)生的規(guī)律。”

“CT”如何做，原理如何？中國(guó)地震局地球物理研究所研究員吳建平介紹，地震被認(rèn)為是瞬間照亮地球內(nèi)部的明燈。由于地球內(nèi)部物質(zhì)的物理性質(zhì)不同，其密度、磁性、電阻率以及地震波穿過時(shí)的傳播速度和衰減特性存在差異。地震波在地下介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生反射、折射和透射，儀器接收到這些帶有地球內(nèi)部信息的信號(hào)，經(jīng)過復(fù)雜的科學(xué)處理以后，就會(huì)得到地下結(jié)構(gòu)，包括地下三維介質(zhì)的物性、電性、磁性等圖像，科學(xué)家在此基礎(chǔ)上就能開展深入的地震科學(xué)研究工作。“通過觀測(cè)不同傳播路徑的地震波速變化，獲得地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像，其原理與醫(yī)學(xué)中的CT成像類似。”

我國(guó)在內(nèi)陸采用氣槍震源在水中激發(fā)地震波的方法獲取地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息和連續(xù)、高精度介質(zhì)變化圖像。目前，地震科研人員已經(jīng)在全國(guó)建立了4個(gè)人工氣槍震源實(shí)驗(yàn)基地，未來還要建設(shè)6個(gè)人工氣槍震源實(shí)驗(yàn)基地。

實(shí)施“透明地殼”計(jì)劃后，我國(guó)將建立中國(guó)大陸殼幔三維精細(xì)結(jié)構(gòu)模型，獲得地殼介質(zhì)物性隨時(shí)間變化圖像，查明約200條活動(dòng)斷層空間展布和活動(dòng)性參數(shù)，獲得綜合地球物理場(chǎng)及時(shí)間變化圖像。

張曉東說，想了解清楚地下變化情況，僅有靜態(tài)的“透明地殼”還不夠，需要有高密度的綜合地球物理場(chǎng)動(dòng)態(tài)觀測(cè)結(jié)果。我國(guó)還將利用GPS、水準(zhǔn)、重力、地磁觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測(cè)獲取中國(guó)大陸三維地殼運(yùn)動(dòng)圖像和地表重力場(chǎng)、巖石圈磁場(chǎng)變化圖像，為強(qiáng)震中長(zhǎng)期危險(xiǎn)地點(diǎn)預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

詳細(xì)解剖已發(fā)生地震，提升對(duì)強(qiáng)震孕育發(fā)生機(jī)理的科學(xué)認(rèn)識(shí)

“透明地殼”是“解剖地震”的基礎(chǔ)，前者提供大的地殼構(gòu)造和結(jié)構(gòu)背景，后者主要研究地震孕育發(fā)生機(jī)理，探索地震預(yù)測(cè)方法。“你去醫(yī)院看病，有了檢查的‘片子’，醫(yī)生才能據(jù)此分析病情。”張曉東說。

吳建平介紹，“解剖地震”計(jì)劃最終目標(biāo)是對(duì)已發(fā)生的地震進(jìn)行詳細(xì)解剖，對(duì)典型強(qiáng)震進(jìn)行全面深入的綜合研究，建立典型強(qiáng)震的科學(xué)樣本。“世界上大多數(shù)的大地震屬于板緣地震，而我國(guó)很多是大陸內(nèi)部地震，其強(qiáng)震孕震機(jī)制和前兆機(jī)理存在差異。‘解剖地震’能夠發(fā)展和提出適用于中國(guó)大陸強(qiáng)震發(fā)生的機(jī)制和模型，其相關(guān)研究成果，還能為中亞等大陸內(nèi)部地震多發(fā)國(guó)家提供借鑒。”張曉東說。

國(guó)際上主要國(guó)家都開展了構(gòu)建區(qū)域動(dòng)力學(xué)模型和地震綜合預(yù)測(cè)研究方面的工作。比如，美國(guó)通過25年的持續(xù)研究，建立了加州地區(qū)強(qiáng)震孕育發(fā)生的概率預(yù)測(cè)和動(dòng)力學(xué)模型。我國(guó)地震預(yù)測(cè)研究始于1966年，經(jīng)過多年探索，我國(guó)發(fā)展了中國(guó)大陸地震的活動(dòng)地塊理論，并在川滇地震多發(fā)區(qū)建設(shè)了地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)。“解剖地震”計(jì)劃完成后，我國(guó)將完成對(duì)海城、唐山、汶川和玉樹等地震的深入研究，并構(gòu)建相關(guān)地震孕育發(fā)生模型，提升對(duì)強(qiáng)震孕育發(fā)生機(jī)理的科學(xué)認(rèn)識(shí)。

我國(guó)對(duì)地球物理、大地測(cè)量、地球化學(xué)和地質(zhì)學(xué)等海量觀測(cè)資料，開展數(shù)據(jù)同化處理工作，結(jié)合以往研究成果和大震案例，提取相關(guān)參數(shù)，構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)的地震孕育發(fā)生的物理過程，研發(fā)基于超算技術(shù)的相關(guān)計(jì)算方法和軟件庫，開展地震數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)與檢驗(yàn)，同時(shí)也探索人工智能等地震預(yù)測(cè)新方法。

張曉東說，實(shí)施“透明地殼”“解剖地震”還存在一些技術(shù)難題。比如，地球結(jié)構(gòu)的探測(cè)精度與觀測(cè)站的密度密切相關(guān)，一般來說對(duì)探測(cè)目標(biāo)的高精度精細(xì)探測(cè)需要更高的觀測(cè)密度。目前，我國(guó)地震臺(tái)陣探測(cè)布設(shè)的站間距在35公里左右。要開展密集觀測(cè)，獲得更高分辨率的地殼結(jié)構(gòu)，臺(tái)站觀測(cè)密度還要加大。此外，大地震樣本少，時(shí)間久遠(yuǎn)的震例觀測(cè)資料的分辨率、精度、完備性、連續(xù)性等都難以滿足研究的需求。

建設(shè)國(guó)家地震科學(xué)大數(shù)據(jù)中心，顯著提高城鄉(xiāng)抗震能力

地震是地球演化過程中發(fā)生的自然現(xiàn)象，即使將來科技發(fā)展到能夠準(zhǔn)確預(yù)報(bào)地震的程度，人類也無法阻止大地震的發(fā)生。保障人們生命財(cái)產(chǎn)安全，就要做好地震信息服務(wù)和提升地面建筑的抗震能力。

“以前，我們只能在地震發(fā)生后提供發(fā)震時(shí)間、地點(diǎn)和震級(jí)信息，俗稱地震三要素。現(xiàn)在我們還要提供其它地震學(xué)參數(shù)，例如震源機(jī)制、地震矩、應(yīng)力降、震源破裂過程等信息，為政府和公眾提供參考。”張曉東說。

地震科技創(chuàng)新工程的“智慧服務(wù)”計(jì)劃，旨在提升我國(guó)的地震信息服務(wù)水平。據(jù)介紹，我國(guó)將建設(shè)地震科學(xué)大數(shù)據(jù)中心，構(gòu)建防震減災(zāi)信息從云到端的智慧服務(wù)體系，重構(gòu)業(yè)務(wù)信息化流程，包括地震預(yù)警和速報(bào)、災(zāi)情評(píng)估和速報(bào)、地震區(qū)劃精細(xì)服務(wù)、建筑物抗震能力、地震科學(xué)知識(shí)普及、抗震救災(zāi)等信息，產(chǎn)出相關(guān)服務(wù)產(chǎn)品，提高地震數(shù)據(jù)和產(chǎn)品在線存儲(chǔ)、計(jì)算和服務(wù)能力，實(shí)現(xiàn)信息資源的集約化。

“國(guó)家地震科學(xué)大數(shù)據(jù)中心將匯集涵蓋地球物理、地球化學(xué)、大地測(cè)量和地質(zhì)學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域的觀測(cè)數(shù)據(jù)，形成全國(guó)統(tǒng)一、分布管理、合作共享的地震數(shù)據(jù)資源體系，服務(wù)國(guó)防、核電、水利建設(shè)，服務(wù)城市重大基礎(chǔ)設(shè)施、高速鐵路安全。”張曉東說。

地震損失降至最低，要做到地震發(fā)生時(shí)免遭破壞，或者即使造成一定程度災(zāi)害也具備高效可恢復(fù)性。這就需要了解地面建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，加強(qiáng)抗震能力設(shè)計(jì)。“韌性城鄉(xiāng)”計(jì)劃就是以“地上結(jié)實(shí)”為主要目標(biāo)，確保重要建筑和生命線工程在強(qiáng)震襲擊后可以在短期內(nèi)恢復(fù)功能，顯著提高城鄉(xiāng)抗震能力。

據(jù)介紹，我國(guó)將率先建成10個(gè)示范韌性城鎮(zhèn)。將科學(xué)評(píng)估全國(guó)的地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，采用并創(chuàng)新世界上最先進(jìn)的抗震技術(shù)提高城鄉(xiāng)的可恢復(fù)能力。同時(shí)，開展隔震與減震技術(shù)、搖擺結(jié)構(gòu)體系、自復(fù)位結(jié)構(gòu)體系、可更換構(gòu)件結(jié)構(gòu)體系研究，為韌性城鎮(zhèn)建設(shè)提供技術(shù)支持。