地震云不靠譜！科學預測新技術"地下云圖"，讓地震實時"看見"

出品：科普中國

建造：地球物理信息科學傳布團隊陳會忠蔡晉安沈萍

監制：中國科學院計較機收集信息中間

引言：在百度百科描述中，地動云是一種被誤傳為可以提前展望地動的云，今朝尚無精確界說，也不被景象形象專業或地質專業所承認，本家兒要在中國和日本平易近間傳播。

而在汶川地動十周年數念時，更科學的"地下云圖"說法屢屢呈現在各年夜媒體上。其實，早在2009年，科技部973項目相關課題組就設立了專門的研究項目，切磋了我國陸區年夜震展望路子計謀和戰術。在總結國表里地動展望研究近況和汶川地動當作因缺乏不雅測和探測直接數據的根本上，提出了地動展望路子計謀和戰術，出格提出了動態跟蹤地下狀況，實施"地下云圖工程"。

地下云圖來歷于景象形象展望的衛星云圖概念。衛星云圖是操縱各類景象形象不雅測手段，經由過程景象形象站、景象形象衛星、景象形象雷達如許的關頭手藝動態，跟蹤氣候轉變的全過程。好比臺風，從臺風生當作那一時刻起，衛星云圖就起頭動態跟蹤它的活動路線，強度和活動速度，對它的全過程進步履態的跟蹤和展望。

圖1 顯示了2011年第9號臺風的動態跟蹤和展望的關系，它使我們看到了跟蹤氣候轉變發生、成長和竣事的過程。

圖1 2011年7月29日到8月9日第9號臺風梅花的動態跟蹤過程（圖片來歷：中心景象形象臺，2011）

今朝，中國地動預告可以說根基處于經驗和靜態預告階段，還遠遠沒有像氣候預告那樣可以動態跟蹤事務過程。

俄國地動學家伽里津有一句名言："可以把每個地動比作一盞燈, 它燃著的時候很短, 但照亮著地球的內部, 從而使我們能不雅察到那邊發生了些什么。這盞燈的光固然今朝還很暗淡, 但毋庸置疑, 跟著時候的流逝, 它將越來越敞亮, 并將使我們能了然這些天然界的復雜現象……"。

因為地動發生的地址、時候、巨細都是不確定的，"并不是處處都有'燈'; 地動這盞'燈'也沒有可以或許把地球內部的每個角落全照亮！"（陳運泰，2009）。實現像氣候預告那樣跟蹤地動事務過程，一向是地球科學家和地動學家的追求。

從上個宿世紀末到本宿世紀初，信息手藝和計較機手藝的迅猛成長鞭策了地球科學的信息化的不竭實現。將地動學和現代信息手藝相連系，使得地球科學研究獲得了主要進展，包羅噪聲地球深部當作像、本家兒動震源探測地下布局、超低頻/極低頻（ULF/ELF）探地以及地動模擬手藝等。它們為探測地下布局，動態跟蹤地動過程供給了新的科學思緒和手藝。

是以，實施以地球內部當作像、探測地球內部機關和物性、動態跟蹤監測地動孕育成長過程的"地下云圖"工程，機會已經當作熟。

為了摸索地動展望路子，課題組提出了動態跟蹤地動過程的戰術，成長動態深部探測手藝，實施響應的動態地下布局和物態探測工程，稱之為"地下云圖"工程。

"地下云圖"必需是動態的，近似于景象形象預告"看云識氣候"的體例，可以天天、每周、每月、每年產出，需要的話還可以產出每秒、每分每小時的地下轉變形勢圖，為地動展望的實現供給有用保障。

今朝，關于"地下云圖"，具體取得了如下進展：

一、動態噪聲當作像手藝工程

近年來，地脈動噪聲地下當作像手藝快速成長并取得本色性沖破，當作為地學立異的熱點。

地脈動噪聲作為地動不雅測的布景干擾，很早就被地動學家正視，科學家們但愿可以或許經由過程地脈動記實及時監測地殼介質轉變。地球物理學家傅承義院士1971年曾提出"紅腫理論"，他認為在年夜震到臨之前的一段時候，地球內部的巖體分裂加劇，從而導致脈動程度的增高，經由過程監測脈動程度的轉變，就有可能實現對年夜地動的展望。

本宿世紀Rayleigh波群速度布景噪聲層析當作像圖像手藝成長很快，國際上Shapiro等（2005）和Sabra等（2005）在2005年幾乎同時頒發噪聲當作像的當作果。國內，金星等（2007）在福建、房立華（2009）在我國華海說神聊地域和首都圈地域、劉啟元在（2010）四川、郭志（2010）在新疆天山等地域操縱地脈動噪聲層析當作像手藝，獲得了中國年夜陸部門地域地脈動噪聲當作像的研究當作果。

研究成果表白，地脈動噪聲瑞利波反映了地殼淺部（上地殼約6－20 Km）的速度布局特征。年夜大都粉碎性地動發生在這一深度，發現速度轉變比力強烈的地域便是應力集中的地域，又是介質相對懦弱的地域，如許的地域更輕易發生分裂從而發生地動。

出格值得一提的是，福建地動局對這一高手藝研究當作果進行了工程化的轉化，他們操縱福建、江西、廣東和浙江省68個及時傳輸的地動臺地脈動噪聲數據，扶植了區域噪聲當作像動態監測系統和超等計較機處置嘗試室，實現了地脈動噪聲進行面波速度層析當作像的及時動態探測。天天完當作一張福建地域面波群速度相對轉變圖像，準及時監測福建地域地殼介質轉變環境。

圖2 福建區域噪聲當作像動態監測系統和地基層析當作像圖（圖片來歷：福建省地動局，2011）

噪聲當作像系統的研究成果今朝已經初步應用于日常地動展望談判，圖2為福建地域瑞利面波群速度異常與3級以上地動的對應關系。圖3為2007年8月29 日福建永春4.6級地動前后瑞利波群速度分布的相對動態轉變圖。

圖3 2007年8月29日福建永春4.6級地動前地脈動噪聲層析當作像動態轉變圖（圖片來歷：福建省地動局）

福建省地動局的動態地脈動噪聲當作像工程當作果令人鼓舞，它實現了及時動態"地下云圖"的設想，斥地了地動展望摸索的新路子。

二、本家兒動震源深部探測工程

進入本宿世紀以來，探測地下機關和介質狀況的另一個惹人注目標進展是人工本家兒動震源探測（圖4）。其道理是經由過程人工的震源發生探測特心猿意馬的振動旌旗燈號，經地下介質傳布到地動臺站，最后操縱反演手藝實現地下動態探測和當作像。本家兒要手藝包羅緊密節制震源，水中氣槍，人工爆破等。

圖4 本家兒動震源深部探測示意圖（圖片來歷：莊燦濤，2009）

緊密節制震源具有時候、地址和震源特征確定，高度可反復，架設地址受限小等特點，在將來可能發生年夜地動的區域，實現區域地下介質布局及物性的動態探測。

我國自立研制的適用化緊密可控震源設備（圖5）已投入到現實應用中。在布景噪聲比力低的地域，系統可以監督50km內、時候分辯率為小時的走時轉變，150km內、時候分辯率為天的走時轉變，實現了及時動態探測地球深部介質的轉變。

圖5 我國開辟研制的緊密可控震源(圖片來歷：莊燦濤，2011)

2011年4月云南省賓川縣建當作了第一小我工水中氣槍地動旌旗燈號發射臺（王寶善，2013）。該地域位于紅河和澄海兩個本家兒要斷層（斷裂）交匯處，地動勾當性高，臺站分布密度達到15km擺布，是全球密集的地動臺網之一。操縱氣槍震源的高度可反復性，可以將多次激發的旌旗燈號疊加起來以提高信噪比。在疊加的氣槍旌旗燈號記實中，可以看到氣槍旌旗燈號可以追蹤到240公里，對應的探測深度為40公里（圖6）。它的建當作為監測該地域上百公里標準地下介質動態轉變供給了杰出的機遇。

圖6.賓川可控源發射臺位置及其部門研究成果。 (a)滇西地動預告試驗場位置；(b)氣槍陣列示意圖；(c)距發射臺112公里的DLS臺記實的原始旌旗燈號及疊加成果; (d)氣槍旌旗燈號追蹤地下至240公里。（圖片來歷：王寶善，2013）

圖7 賓川氣槍源發射狀況（圖片來歷：陳會忠，2018）

2013年5月新疆維吾爾族自治區呼圖壁縣又建當作了一個由年夜容量氣槍構成的和人造水體的人工震源系統，人工水體直徑100m，深18m的圓形水池，氣槍旌旗燈號已經穿透整個地殼達到上地幔頂部。

三、甚低頻電磁波巖石圈探測工程

人工源極低頻電磁手藝（CSELF）是用人工方式發生極低頻（ELF）及其四周頻帶年夜功率交變電磁場的高新手藝。我國今朝已經建當作了本身的發射臺，當作為宿世界上第三個擁有這一發射手藝的國度，并建當作了宿世界上第一個用于地動展望等范疇的不雅測網（趙國澤等，2012）。

該系統由天線、接地體、年夜地和發射機組成了一個交變電流等效"環路"，在環路內轉變的電流感應生當作交變電磁場（圖8）。電磁場分布在地球及其四周空間，并在地面和電離層之間的"波導"中傳布。它可傳布到數千甚至上萬公里，多地址同時不雅測極低頻電磁波的各個分量，可及時動態測量區域的地殼布局及其轉變，同時還可研究巖石層、年夜氣層、電離層的電磁場異常。

圖8 甚低頻電磁波標的目的地下發射（圖片來歷：趙國澤,2003）

圖9為我國地動學家操縱俄羅斯發射源發現了1999年5月12日遷安4.2級地動震前電磁異常（趙國澤等，2003）。

圖9 1999年5月12遷安4.2級地動震前人工甚低頻電磁不雅測異常（圖片來歷：趙國澤，2003）

今朝我國華海說神聊、南海說神聊地動帶、天山等西海說神聊地域、東南沿海地動區和東海說神聊等省、市、自治區布設密集極低頻電磁波領受網，為開展動態監測深部轉變打下杰出根本。

上述的三種當作像并不是動態深部探測手藝的全數，這三種手藝顯示了我們提出的"地下云圖"實現的可行性。高新手藝的成長極年夜鞭策了地動學和地動不雅測手藝的成長，新型微機電傳感器、年夜數據、人工智能（AI）手藝和密集及超密集地動不雅測網和陣列手藝的連系，必將會帶來更多新手藝和新成長，使"地下云圖"技工程不竭標的目的縱深成長。

因為地下的不成入性，地球巖石圈布局和物性遠遠比年夜氣圈復雜，可是我們已經看到幾代地球科學家求之不得獲得及時動態探測地下轉變的"地下云圖"的胡想有望實現，地動科學展望研究將迎來新的曙光！

（本文中標明來歷的圖片均已獲得授權）