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人造地震：给地球做B超
本刊记者 李 刚
专家简介：
王宝善,中国地震局地球物理研究所实验地球物理研究室研究员,中国科学技术大学地球和空间科学系理学学士和工学学士双学位,理学博士学位.曾赴日本爱媛大学地球动力学研究室做访问学者,美国莱斯大学做博士后研究.主要研究方向是利用人工震源研究地下介质变化.承担课题有国家自然科学基金2项、优秀青年基金1项、行业专项1项.
超声,和普通声音一样,能向一定方向传播,而且可以穿透物体,碰到不同的障碍物就会产生不同回声.人们通过仪器将这种回声收集并显示在屏幕上,可以用来了解物体的内部结构.利用这种原理,人们用超声波来诊断和治疗人体疾病,也就是医学临床上应用广泛的“B超”.
那么, 要想探究地球内部结构和过程,获得地球内部信息,是不是也可以利用同样原理？王宝善告诉记者：“通俗地说,我们的工作就是给地球做‘B超’.”
地震波——研究地球内部结构的关键
对地球内部结构的探索,科学家们从未停止过,虽然今天的探测器可以在太空遨游,但对人类脚下的地球内部仍鞭长莫及.目前世界上最深的钻孔也未能超过13公里,连地壳都没有穿透.对于几千公里下的地核,又该如何研究呢？
我们知道,地震是地球内部介质局部发生急剧破裂产生的振动.地震可能会导致一定程度的灾害,但同时也给为我们提供了一些地球内部的信息.地震学家伽利津曾经说过：“可以把每次地震比作一盏灯,它燃着的时间很短,但照亮着地球的内部……”人们对地球内部的认识,大部分信息都来自地震波.到目前为止,通过研究地震、火山等产生的地震波依然是科学家们探索地球深部秘密的主要手段.
而王宝善和团队现在的工作,就是通过地震波研究地球内部结构.除此之外,他们更关心地球内部的过程,探究地球内部结构随时间而产生的变化,“因为大地震的发生通常是和过程相关的”.而要积累丰富的数据资料,就要给地球定期做体检,王宝善说他们目前的工作就是利用地震波给地球做“B超”.
当地震发生时,地震波在传输过程中的速度并不是一成不变的.王宝善介绍说：“地震波的传波速度不是恒定的,很多天然和人为活动都会改变地震波在地球内部传播的速度,比如大气压和固体潮的变化都会导致地震波传播速度发生极其微弱的变化.”其带来的微小变化都对数据处理方法提出了更高要求,这也是王宝善这些年一直在探索的工作.
天然地震是研究区域介质结构的重要信号来源.在天然地震中有不少是发生在同一个地区、有类似震源机制并产生相似波形的地震,它们被称为相似地震或重复地震.
利用地震波研究地球内部介质变化依赖于重复性震源,而重复性震源的产生单靠自然发生的地震则微乎其微.天然地震虽能量大,但时空分布有限.利用天然重复地震进行介质变化测量,其分辨率和精度都存在一定的局限性.
而人工震源,可以在某种程度上克服天然震源的不足.人工震源是主动向地下发射地震波,进行地下介质变化监测的另一种手段.王宝善和团队也一直尝试利用人工震源监测与地震等天然加载相关研究的地壳介质变化.通过人造地震获得重复震源,是给地球做B超的前提.
震源——地下介质监测的理想震源
十多年来,我国学者在探索人工震源监测方面做了大量工作,从人工爆破震源、连续震源,直至震源的成功应用,王宝善和团队也一直为寻找“理想震源”努力.
由于人工爆破震源和连续震源,在运行期间会对近源场地产生一定的破坏,因而无法满足长时间连续监测的需求.要想获得更好的探测效果,震源必须有专用的地基.为了进一步寻找一种能有效产生地震波、同时对近场破坏小的震源,王宝善和团队尝试了海洋石油勘探用震源.
震源,是利用将高压空气在水下瞬间释放,进而激发震波.如今,它已经成为海洋石油勘探不可或缺的震源.大量研究表明,在水中激发震源具有对近场破坏小和重复性高的优点.因而,震源被公认为是进行地下介质监测的理想震源.
如何将海中震源引入作为陆地震源？王宝善和团队用了数年的时间对这一问题进行了探索.2005年,他们利用海洋石油勘探震源进行了海中激发陆地接收实验.结果表明,小容量阵列具有较高的主频,可以实现高分辨率储层勘探,但高频信号因衰减快,很难远距离传播.
这又给王宝善和团队出了一个难题.虽然海中激发试验效果不理想,但他们抓住了要害——如果是大容量阵列,则会产生低频信号,将有可能达到较好的记录效果.
为了测试大容量的激发效果并探索震源在陆地水体激发的可行性,王宝善和团队于2006年进行了大容量阵列在陆地水库的激发实验——上关湖实验.为开展实验,他们首先进行了水体的勘选.
王宝善介绍说,对于水体的选择,必须做全方位考虑：首先水深要足够,一般要求10米以上；其次水面面积要足够大,便于施工；第三备选点距离水库大坝和居民点有一定距离(一般要求500米以上),以减少生产生活影响.
通过实验,王宝善和团队得到了一些认识：大容量阵列能够成功地在陆地水库中激发,陆地水库激发的震源重复性高,对近场影响小,激发信号的主频在3～5H z,非常有利于信号的远距离传播和地震台站的接收,阵列在水库中激发的信号相当于0.5级的小地震,信号追踪距离可以达到上百公里,并随着叠加次数增加而增加.
多次实验结果表明,在较大水体中大容量震源可以得到比较理想的效果.然而大水体的分布范围有限,这在一定程度上限制了震源的使用.为测试在大容量相对较小水体中的激发效果,他们于2009年又进行了马刨泉水池激发实验.
建设地震信号发射台是基础
经过前期多次实验,团队已经成功地掌握了在陆地水体中进行大容量震源的各项技术.为了将相关技术应用于地球科学研究,服务于防震减灾,他们开始考虑建设一个以大容量为核心的固定地震信号发射台.
对地震信号发射台的选址,是不是也有苛刻条件？王宝善提到：“为了研究中强地震发生的深部物理过程,我们将发射台选在地震多发地带.”经过多次勘选,最终选定在云南、四川、甘肃、新疆等地震多发区建设发射台.
2011年,他们在云南省大理州宾川县大银甸水库,建成了第一个地震信号发射台.王宝善介绍说：“在水位条件许可的情况下,每周激发一组(每组20次左右激发),从2014年9月开始激发加密每周3次.”
在取得初步成功之后,王宝善和团队希望在更多地方和更多领域开展应用探索.2013年,他们选择距离乌鲁木齐70千米的呼图壁县建立第二个地震信号发射台,希望能开发新疆在油气资源等方面的应用.考虑到新疆水资源分布的特点,他们在建设呼图壁地震信号发射台时采用了人工水体.
而在呼图壁震源30千米的地方,有着当时全国最大的地下储气库——呼图壁地下储气库.为研究人类活动对地下介质的影响,团队随后针对地下储气库开展了深入的研究.王宝善说：“我们将把呼图壁储气库作为一个天然实验场开展多学科综合研究,以更好地理解人类活动对地下介质的影响.”
经过多次调研和实地考察,团队又选定在甘肃省张掖市建设了第三个地震信号发射台.
然而,人们又会有疑问：经常造地震,发射震源,会不会打死水库里的鱼？会不会对周围产生影响？这些问题恐怕是人们最关心的.
从选址到上千次实验,都充分证明了“人造地震”的震源是绿色环保震源.王宝善说：“我们已经有过几千次实验,水库里的鱼没有任何死亡,而且都活得很好.”看来,这些0.5级或稍高一点的小地震,最多让鱼儿受到一些惊吓,对水体来说并无影响.
虽然对过程的研究需要积累长时间的观测资料,短期内很难有明显成绩,但王宝善和团队希望,利用近年来发展的技术和方法不仅能研究动力学的过程,而且通过研究地震的过程为地震预报提供物理基础；同时,希望能为能源安全服务,为建筑安全服务,推动国家的城市化建设.
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