地震云不靠谱！科学预测新技术"地下云图"，让地震实时"看见"

出品：科普中国

建造：地球物理信息科学传布团队陈会忠蔡晋安沈萍

监制：中国科学院计较机收集信息中间

引言：在百度百科描述中，地动云是一种被误传为可以提前展望地动的云，今朝尚无精确界说，也不被景象形象专业或地质专业所承认，本家儿要在中国和日本平易近间传播。

而在汶川地动十周年数念时，更科学的"地下云图"说法屡屡呈现在各年夜媒体上。其实，早在2009年，科技部973项目相关课题组就设立了专门的研究项目，切磋了我国陆区年夜震展望路子计谋和战术。在总结国表里地动展望研究近况和汶川地动当作因缺乏不雅测和探测直接数据的根本上，提出了地动展望路子计谋和战术，出格提出了动态跟踪地下状况，实施"地下云图工程"。

地下云图来历于景象形象展望的卫星云图概念。卫星云图是操纵各类景象形象不雅测手段，经由过程景象形象站、景象形象卫星、景象形象雷达如许的关头手艺动态，跟踪气候转变的全过程。好比台风，从台风生当作那一时刻起，卫星云图就起头动态跟踪它的活动路线，强度和活动速度，对它的全过程进步履态的跟踪和展望。

图1 显示了2011年第9号台风的动态跟踪和展望的关系，它使我们看到了跟踪气候转变发生、成长和竣事的过程。

图1 2011年7月29日到8月9日第9号台风梅花的动态跟踪过程（图片来历：中心景象形象台，2011）

今朝，中国地动预告可以说根基处于经验和静态预告阶段，还远远没有像气候预告那样可以动态跟踪事务过程。

俄国地动学家伽里津有一句名言："可以把每个地动比作一盏灯, 它燃着的时候很短, 但照亮着地球的内部, 从而使我们能不雅察到那边发生了些什么。这盏灯的光固然今朝还很暗淡, 但毋庸置疑, 跟着时候的流逝, 它将越来越敞亮, 并将使我们能了然这些天然界的复杂现象……"。

因为地动发生的地址、时候、巨细都是不确定的，"并不是处处都有'灯'; 地动这盏'灯'也没有可以或许把地球内部的每个角落全照亮！"（陈运泰，2009）。实现像气候预告那样跟踪地动事务过程，一向是地球科学家和地动学家的追求。

从上个宿世纪末到本宿世纪初，信息手艺和计较机手艺的迅猛成长鞭策了地球科学的信息化的不竭实现。将地动学和现代信息手艺相连系，使得地球科学研究获得了主要进展，包罗噪声地球深部当作像、本家儿动震源探测地下布局、超低频/极低频（ULF/ELF）探地以及地动模拟手艺等。它们为探测地下布局，动态跟踪地动过程供给了新的科学思绪和手艺。

是以，实施以地球内部当作像、探测地球内部机关和物性、动态跟踪监测地动孕育成长过程的"地下云图"工程，机会已经当作熟。

为了摸索地动展望路子，课题组提出了动态跟踪地动过程的战术，成长动态深部探测手艺，实施响应的动态地下布局和物态探测工程，称之为"地下云图"工程。

"地下云图"必需是动态的，近似于景象形象预告"看云识气候"的体例，可以天天、每周、每月、每年产出，需要的话还可以产出每秒、每分每小时的地下转变形势图，为地动展望的实现供给有用保障。

今朝，关于"地下云图"，具体取得了如下进展：

一、动态噪声当作像手艺工程

近年来，地脉动噪声地下当作像手艺快速成长并取得本色性冲破，当作为地学立异的热点。

地脉动噪声作为地动不雅测的布景干扰，很早就被地动学家正视，科学家们但愿可以或许经由过程地脉动记实及时监测地壳介质转变。地球物理学家傅承义院士1971年曾提出"红肿理论"，他认为在年夜震到临之前的一段时候，地球内部的岩体分裂加剧，从而导致脉动程度的增高，经由过程监测脉动程度的转变，就有可能实现对年夜地动的展望。

本宿世纪Rayleigh波群速度布景噪声层析当作像图像手艺成长很快，国际上Shapiro等（2005）和Sabra等（2005）在2005年几乎同时颁发噪声当作像的当作果。国内，金星等（2007）在福建、房立华（2009）在我国华海说神聊地域和首都圈地域、刘启元在（2010）四川、郭志（2010）在新疆天山等地域操纵地脉动噪声层析当作像手艺，获得了中国年夜陆部门地域地脉动噪声当作像的研究当作果。

研究成果表白，地脉动噪声瑞利波反映了地壳浅部（上地壳约6－20 Km）的速度布局特征。年夜大都粉碎性地动发生在这一深度，发现速度转变比力强烈的地域便是应力集中的地域，又是介质相对懦弱的地域，如许的地域更轻易发生分裂从而发生地动。

出格值得一提的是，福建地动局对这一高手艺研究当作果进行了工程化的转化，他们操纵福建、江西、广东和浙江省68个及时传输的地动台地脉动噪声数据，扶植了区域噪声当作像动态监测系统和超等计较机处置尝试室，实现了地脉动噪声进行面波速度层析当作像的及时动态探测。天天完当作一张福建地域面波群速度相对转变图像，准及时监测福建地域地壳介质转变环境。

图2 福建区域噪声当作像动态监测系统和地基层析当作像图（图片来历：福建省地动局，2011）

噪声当作像系统的研究成果今朝已经初步应用于日常地动展望谈判，图2为福建地域瑞利面波群速度异常与3级以上地动的对应关系。图3为2007年8月29 日福建永春4.6级地动前后瑞利波群速度分布的相对动态转变图。

图3 2007年8月29日福建永春4.6级地动前地脉动噪声层析当作像动态转变图（图片来历：福建省地动局）

福建省地动局的动态地脉动噪声当作像工程当作果令人鼓舞，它实现了及时动态"地下云图"的设想，斥地了地动展望摸索的新路子。

二、本家儿动震源深部探测工程

进入本宿世纪以来，探测地下机关和介质状况的另一个惹人注目标进展是人工本家儿动震源探测（图4）。其道理是经由过程人工的震源发生探测特心猿意马的振动旌旗灯号，经地下介质传布到地动台站，最后操纵反演手艺实现地下动态探测和当作像。本家儿要手艺包罗紧密节制震源，水中气枪，人工爆破等。

图4 本家儿动震源深部探测示意图（图片来历：庄灿涛，2009）

紧密节制震源具有时候、地址和震源特征确定，高度可反复，架设地址受限小等特点，在将来可能发生年夜地动的区域，实现区域地下介质布局及物性的动态探测。

我国自立研制的适用化紧密可控震源设备（图5）已投入到现实应用中。在布景噪声比力低的地域，系统可以监督50km内、时候分辩率为小时的走时转变，150km内、时候分辩率为天的走时转变，实现了及时动态探测地球深部介质的转变。

图5 我国开辟研制的紧密可控震源(图片来历：庄灿涛，2011)

2011年4月云南省宾川县建当作了第一小我工水中气枪地动旌旗灯号发射台（王宝善，2013）。该地域位于红河和澄海两个本家儿要断层（断裂）交汇处，地动勾当性高，台站分布密度达到15km摆布，是全球密集的地动台网之一。操纵气枪震源的高度可反复性，可以将多次激发的旌旗灯号叠加起来以提高信噪比。在叠加的气枪旌旗灯号记实中，可以看到气枪旌旗灯号可以追踪到240公里，对应的探测深度为40公里（图6）。它的建当作为监测该地域上百公里标准地下介质动态转变供给了杰出的机遇。

图6.宾川可控源发射台位置及其部门研究成果。 (a)滇西地动预告试验场位置；(b)气枪阵列示意图；(c)距发射台112公里的DLS台记实的原始旌旗灯号及叠加成果; (d)气枪旌旗灯号追踪地下至240公里。（图片来历：王宝善，2013）

图7 宾川气枪源发射状况（图片来历：陈会忠，2018）

2013年5月新疆维吾尔族自治区呼图壁县又建当作了一个由年夜容量气枪构成的和人造水体的人工震源系统，人工水体直径100m，深18m的圆形水池，气枪旌旗灯号已经穿透整个地壳达到上地幔顶部。

三、甚低频电磁波岩石圈探测工程

人工源极低频电磁手艺（CSELF）是用人工方式发生极低频（ELF）及其四周频带年夜功率交变电磁场的高新手艺。我国今朝已经建当作了本身的发射台，当作为宿世界上第三个拥有这一发射手艺的国度，并建当作了宿世界上第一个用于地动展望等范畴的不雅测网（赵国泽等，2012）。

该系统由天线、接地体、年夜地和发射机组成了一个交变电流等效"环路"，在环路内转变的电流感应生当作交变电磁场（图8）。电磁场分布在地球及其四周空间，并在地面和电离层之间的"波导"中传布。它可传布到数千甚至上万公里，多地址同时不雅测极低频电磁波的各个分量，可及时动态测量区域的地壳布局及其转变，同时还可研究岩石层、年夜气层、电离层的电磁场异常。

图8 甚低频电磁波标的目的地下发射（图片来历：赵国泽,2003）

图9为我国地动学家操纵俄罗斯发射源发现了1999年5月12日迁安4.2级地动震前电磁异常（赵国泽等，2003）。

图9 1999年5月12迁安4.2级地动震前人工甚低频电磁不雅测异常（图片来历：赵国泽，2003）

今朝我国华海说神聊、南海说神聊地动带、天山等西海说神聊地域、东南沿海地动区和东海说神聊等省、市、自治区布设密集极低频电磁波领受网，为开展动态监测深部转变打下杰出根本。

上述的三种当作像并不是动态深部探测手艺的全数，这三种手艺显示了我们提出的"地下云图"实现的可行性。高新手艺的成长极年夜鞭策了地动学和地动不雅测手艺的成长，新型微机电传感器、年夜数据、人工智能（AI）手艺和密集及超密集地动不雅测网和阵列手艺的连系，必将会带来更多新手艺和新成长，使"地下云图"技工程不竭标的目的纵深成长。

因为地下的不成入性，地球岩石圈布局和物性远远比年夜气圈复杂，可是我们已经看到几代地球科学家求之不得获得及时动态探测地下转变的"地下云图"的胡想有望实现，地动科学展望研究将迎来新的曙光！

（本文中标明来历的图片均已获得授权）