深部探测:入地解谜

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  2008年的汶川地震,震级达8. 0级。当时中国已建设了超过1300个地震监测台,但用中国科学院院士石耀霖的话说,并没有发现任何“前兆”。
  新中国成立以后50多年来地质工作的成果,似乎也被这场巨震摧毁。如同灾区重建,中国的地质科学以及地震预报,不得不在检讨的基础上重新起步。
  作为一个典型,耗资数以亿元计的中国“深部探测技术与实验研究”专项(以下简称“深部探测专项”)在2008年后启动,成为中国地学史上最大的科学项目,也是新中国投资最大的基础科学项目之一。
  科学家们希望,它能够“开启中国地学新时代”- - -其中自然包括对地震的研究和预测。
  根据对龙门山断裂带南部的监测结果,“深部探测专项”早就对芦山一带进行了异常预警。四川境内建设的十余口深孔测量井显示,“从2009年以后,映秀以南的区域一直处于高应力状态。”已经赶到灾区的“深部探测专项”负责人、中国地质科学院副院长董树文告诉本刊记者。这代表着,深层地下的岩石受力持续加剧。
  “此次地震不是意外。”承担“深部探测专项”相关子项目的石耀霖说,即使地震发生后,“似乎还没有释放出这100公里断裂带内积蓄的能量”。
  汶川地震改变了人们对科学特别是地学的认识。
  一直以来,中国人更愿意用板块运动理论来描述地震成因。然而,震后笼统的定性总结并不能预测下一次地震。石耀霖说,这需要更严谨的定量分析。
  由于国家层面的支持- - -“深部探测专项”已在灾难多发的青藏高原东南缘建立了深孔井监测网络,石耀霖的设想正在强力推进。
  抵达地下数百米、甚至上千米的深度,并非“深部探测专项”的最终目标。作为中国地壳探测工程的培育性启动项目,5年来,超过1500位科研人员在全中国推动这项计划。
  对中国地下最深刻的认识,将对中国的资源战略、防灾减灾规划产生根本影响。“这次芦山地震以后,将会更有力地推动地球科学的基础研究。”董树文说。
  依赖“异象”的地震预报
  4月22日,中国地质科学院召开芦山地震研讨会。中国最权威的几位地学院士分析交流了龙门山地震构造带东南部、宝兴等地的应力监测数据。
  应力是一个力学专业词汇,通常定义为“单位面积上所承受的附加内力”。其中,地应力指地球体内的应力,它一般由地热、重力、地球自转速度变化及其他因素形成。
  地应力施加于岩石将产生应变- - -作用在深层岩石上的地应力一旦超限,岩石就会破裂,发生地震。
  几位院士会商的结果是,地应力动态变化与地震孕育发展存在密切关系。
  “深部探测专项”目前在青藏高原东南缘和北京周边地区建立的观测站,是目前中国最好的地应力监测网络之一。它的子项目之一,就是“地应力测量与监测技术实验研究”。
  据石耀霖介绍,过去5年间,“深部探测专项”在青藏高原东南缘共建立了28个应力应变检测台站,数据通过网络实时传输到北京的地应力监测数据中心,为地震预测研究提供了大量基础资料。
  其主要科研设施,是位于四川境内的十余口深孔应力测量井,“最深的测量井有800米深,主要用来测量地球应力的调整规律。我们发现汶川震后,2009年开始,映秀以南区域一直处于高应力状态。”董树文说,位于宝兴县境内的测量站也很典型,“应力的微小变化都反应出来了。”
  2011年,经过持续监测,科学家们将该区域应力较高的数据资料报送国家地震部门。
  时间回到2008年5月,汶川地震发生后,媒体对地震原因的解释几乎相同:印度板块与欧亚板块碰撞,造成青藏高原快速隆升和物质向东缓慢流动,在龙门山向东挤压,遇到四川盆地刚性地块阻挡,造成构造应力能量长期积累,最终发生地震。
  “这种说法对不对?应该说没有错误,但很不够。为什么汶川地震发生在龙门山之下,而不是更东或更西?为什么发生在十余公里深的上地壳底部,而不是更深或更浅?为什么西南段以逆冲为主、而东北段为右旋走滑?定性的说法是远远不够的,需要定量的数值模拟。”石耀霖说。
  中国地质学家一直希望对地震进行有效预报。1953年中科院成立“地震工作委员会”,由李四光、竺可桢分任正、副主任。
  而在石耀霖看来,之前的地震预报基本属于“前兆”预报。一些被公认的可能前兆包括地磁要素、地下水位、地电、生物、气象等方面的变化。
  它的理论前提是:有某种异常后就会有地震,没有异常就没有地震。
  而在汶川地震发生后,很多宣称曾成功预测这一地震的依据,就是提前观测到某种前兆。而后来,所谓“鱼鳞云”还在很多地方引起恐慌。
  但是,早在1997年,西方科学家就宣布,在经过100多年研究后,仍然未能确认可靠的地震前兆。理论工作表明,导致地震的断层运动是一个非线性过程,庞大地球内部任何不可测量的微小因素,都可能引爆一场强烈地震。
  直到2008年,中国仍希望建造更多的观测站,通过及时发现“前兆”来预报地震。
  不同的地震预报方法,其实质就是依据不同的“前兆”。而“最权威”的是综合预报:将各种“异常”的时间变化综合分析,找出与地震的关联。
  这些方法虽然成功预测了海城地震,但对于汶川地震,无论中长期预报还是短期预报,都没有发现任何“前兆”。
  从“前兆预报”到“物理预报”
  在通过经验统计预报地震的同时,在地震发生后,也缺乏对其原因、过程的数字描述。   芦山地震发生后,中国工程院院士、地震学家许绍燮表示:“主流的观点都认为是板块碰撞。南边的欧亚板块、东边的太平洋板块等相碰撞导致此次地震,但这样解释还有很多不足。”
  2008年后,龙门山断裂带区域成为地质科学研究的焦点,“下地壳隧道流一度成为一个主流观点。这个观点认为青藏高原板块不断向东方向扩散时,下地壳是软的,由于温度高,流动速度快,下地壳的物质涌上来,在龙门山地区就能看到很多下地壳的岩石。”董树文说。
  随着研究的深入,一些新的理论陆续被提出。“深度观测系统并不太支持这个观点。有的研究人员提出,龙门山一带不是以挤压为主,而是以侧向滑动为主,挤压是局部的,侧向滑动是主体,这就挑战了原来主流的下地壳隧道流理论。”
  在这些宏观描述之外,当时的一个现实问题是:几乎整个龙门山断裂带都发生了破裂,但是西南段的约100公里没有破裂。
  这一段落会破裂吗?破裂规模会有多大?什么时候破裂?
  这已不是观测“前兆”能够解决的问题,它关系着这个地区可能发生的下一次强烈地震。
  石耀霖举例说:掰断一根筷子的过程,其实可以用筷子的强度和弯曲的速率来解释,也就是计算应力超过筷子强度的情况。这两个要素是破裂的关键。
  同样,了解深层地应力和岩石的物理情况,也就可以计算后者破裂的时机。
  据石耀霖介绍,在汶川地震后,学界的总报告中,就提到“逐步从经验预报向物理预报发展”。
  这就好像天气预报,它以物理学为手段,运用高速计算机,通过对大气流体力学、热力学的一系列模型计算,了解未来大气的变化和大气要素的分布。
  但是,如何了解地应力和岩石的基本情况?在某个时刻,地应力是多少,是否已经临近岩石的强度?
  只有进行深部探测,抵达地下数百米、上千米乃至更深处,才可能回答这些问题。
  此前,石耀霖等科学家仅通过2003、2008 和2010 年在宝兴、康定等地区的4个钻孔数据就得到结论:龙门山断裂西南段,尤其是康定地区,汶川地震后仍然积累有较高的地应力。
  同时,龙门山断裂带西南段的最大应力,已经达到断层活动应力临界值,断裂活动进入临界状态,已经具有发生地震的可能性。
  “结合地应力测量结果、地震地质等资料认为,龙门山断裂带西南段具有潜在大震危险,值得重点关注和研究。”当时他们在报告中说。
  石耀霖表示,当时由于只有少量不深的钻孔应力测量资料,在数值预报探讨中还无法在芦山地震前作出确切预报。“雅安接近7级地震的发生,对于我们并不意外。但是,在没有地壳深部基于观测的应力实测资料、断层强度资料的情况下,我们仍然没有充分的定量的力学根据,判断地震发生的时间。”
  他说,就这两天见到的余震目录资料,目前芦山地震似乎还没有释放出这100公里断裂带内积蓄的能量,但是否有下一次接近7级的地震以及发生在何时,还缺乏资料作出评估。
  也就是说,虽然监测已经实施5年,但由于缺乏长期积累,数据还无法支撑对地震进行更为详细的计算。
  因地震启动的“大计划”
  时间再向前推,早在2002年,地质学家曾提出预算30亿元人民币的“地壳探测工程”。但它立刻引来强烈反对,未能成功申报。
  2007年,基于中国资源紧张的背景,中国地质科学院曾再次申报地壳探测工程,仍然未果。
  第二年5月,汶川大地震发生,中国人对于脚下大地的认识需求大大增加。当时财政部一位官员在与董树文通电话时偶然提到,领导们很关心为何“落地”的科学研究还没有结果。
  董树文连忙告诉对方,自己这里就有个“大计划”。
  于是,“地壳探测工程”的培育性启动项目- - -“深部探测专项”得以实施。
  作为一个“大科学”项目,“深部探测专项”要为“地壳探测工程”做好关键技术准备,包括研制深部探测关键仪器装备,解决关键探测技术难点与核心技术集成,形成对固体地球深部层圈立体探测的技术体系;在不同景观、复杂矿集区、含油气盆地深层、重大地质灾害区等关键地带进行实验、示范,形成若干深部探测实验基地,等等。
  地应力监测网络只是“大计划”的一部分。在“深部探测专项”2012年年报中输入“龙门山”进行搜索,可以找到分散在数个子项目中的49条结果。
  中国地质科学院研究员陈宣华告诉本刊,过去5年中“深部探测专项”完成了6000千米的深反射地震剖面,大幅度提升了中国深部探测技术能力,在资源发现、环境监测、灾害预报、地球认识等领域取得诸多成果。
  深反射地震剖面是通过人造地震波,通过计算获得深层地下的剖面数据。
  在2008年之前的50年间,中国一共只获得了5000千米的深反射地震剖面。虽然目前1. 1万千米的数字与美国的2. 46万、英国的2万千米尚有差距,但是已经与意大利、德国、加拿大、澳大利亚等超过1万千米的国家看齐,“由此,我国也跻身世界深部探测的大国行列”。
  此外,易于被大众理解的,还包括覆盖整个中国大陆的电磁探测阵列网。
  总之,“深部探测专项”希望让中国人真正了解自己脚下的大地,并据此制定防灾减灾、资源开发等国家战略。
  董树文告诉本刊,目前中国做的应力监测从200米到1000米甚至更深,“跟国际上基本处于相同水平”。
  院士们对芦山地震的研讨中也谈到,地应力监测数据资料还需与其他地震监测手段密切结合,才能更好地发挥作用。
  然而无论何种方法,都需要以数据为基础。石耀霖认为,目前地应力研究的瓶颈就是缺乏初始数值,虽然可以计算变化值,但很难了解绝对值。
  这对于定量计算来说是巨大缺憾,还须经过长期监测才能获知结果。而“应力观测系统的改进必须有国家级的部署”,他认为。
  在《国家地震科学技术发展纲要(2007~2020年)》中,国家地震减灾科学计划即包括地壳变形观测与活动构造调查,深部结构和孕震环境探测,地震数值预测的试验研究,地震成灾机理与减灾技术等,“规划已经过去了一半时间,希望在2020年完成地震数字预测的试验研究。”石耀霖说。
  他希望,“深部探测专项”在数据积累中承担重要角色。当然,还有正在筹备中的“地壳探测工程”,它也许将有助于解答中国人对大地运动的终极疑问。
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