深部探测：入地解谜

　　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。

　　《瞭望东方周刊》记者葛江涛|北京报道

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