深部探測：入地解謎

2008年的汶川地震，震級達8. 0級。當時中國已建設(shè)了超過1300個地震監(jiān)測臺，但用中國科學院院士石耀霖的話說，并沒有發(fā)現(xiàn)任何“前兆”。

新中國成立以后50多年來地質(zhì)工作的成果，似乎也被這場巨震摧毀。如同災(zāi)區(qū)重建，中國的地質(zhì)科學以及地震預(yù)報，不得不在檢討的基礎(chǔ)上重新起步。

作為一個典型，耗資數(shù)以億元計的中國“深部探測技術(shù)與實驗研究”專項（以下簡稱“深部探測專項”）在2008年后啟動，成為中國地學史上最大的科學項目，也是新中國投資最大的基礎(chǔ)科學項目之一。

科學家們希望，它能夠“開啟中國地學新時代”- - -其中自然包括對地震的研究和預(yù)測。

根據(jù)對龍門山斷裂帶南部的監(jiān)測結(jié)果，“深部探測專項”早就對蘆山一帶進行了異常預(yù)警。四川境內(nèi)建設(shè)的十余口深孔測量井顯示，“從2009年以后，映秀以南的區(qū)域一直處于高應(yīng)力狀態(tài)?！币呀?jīng)趕到災(zāi)區(qū)的“深部探測專項”負責人、中國地質(zhì)科學院副院長董樹文告訴本刊記者。這代表著，深層地下的巖石受力持續(xù)加劇。

“此次地震不是意外。”承擔“深部探測專項”相關(guān)子項目的石耀霖說，即使地震發(fā)生后，“似乎還沒有釋放出這100公里斷裂帶內(nèi)積蓄的能量”。

汶川地震改變了人們對科學特別是地學的認識。

一直以來，中國人更愿意用板塊運動理論來描述地震成因。然而，震后籠統(tǒng)的定性總結(jié)并不能預(yù)測下一次地震。石耀霖說，這需要更嚴謹?shù)亩糠治觥?/p>

由于國家層面的支持- - -“深部探測專項”已在災(zāi)難多發(fā)的青藏高原東南緣建立了深孔井監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，石耀霖的設(shè)想正在強力推進。

抵達地下數(shù)百米、甚至上千米的深度，并非“深部探測專項”的最終目標。作為中國地殼探測工程的培育性啟動項目，5年來，超過1500位科研人員在全中國推動這項計劃。

對中國地下最深刻的認識，將對中國的資源戰(zhàn)略、防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃產(chǎn)生根本影響?！斑@次蘆山地震以后，將會更有力地推動地球科學的基礎(chǔ)研究?！倍瓨湮恼f。

依賴“異象”的地震預(yù)報

4月22日，中國地質(zhì)科學院召開蘆山地震研討會。中國最權(quán)威的幾位地學院士分析交流了龍門山地震構(gòu)造帶東南部、寶興等地的應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)。

應(yīng)力是一個力學專業(yè)詞匯，通常定義為“單位面積上所承受的附加內(nèi)力”。其中，地應(yīng)力指地球體內(nèi)的應(yīng)力，它一般由地熱、重力、地球自轉(zhuǎn)速度變化及其他因素形成。

地應(yīng)力施加于巖石將產(chǎn)生應(yīng)變- - -作用在深層巖石上的地應(yīng)力一旦超限，巖石就會破裂，發(fā)生地震。

幾位院士會商的結(jié)果是，地應(yīng)力動態(tài)變化與地震孕育發(fā)展存在密切關(guān)系。

“深部探測專項”目前在青藏高原東南緣和北京周邊地區(qū)建立的觀測站，是目前中國最好的地應(yīng)力監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)之一。它的子項目之一，就是“地應(yīng)力測量與監(jiān)測技術(shù)實驗研究”。

據(jù)石耀霖介紹，過去5年間，“深部探測專項”在青藏高原東南緣共建立了28個應(yīng)力應(yīng)變檢測臺站，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實時傳輸?shù)奖本┑牡貞?yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)中心，為地震預(yù)測研究提供了大量基礎(chǔ)資料。

其主要科研設(shè)施，是位于四川境內(nèi)的十余口深孔應(yīng)力測量井，“最深的測量井有800米深，主要用來測量地球應(yīng)力的調(diào)整規(guī)律。我們發(fā)現(xiàn)汶川震后，2009年開始，映秀以南區(qū)域一直處于高應(yīng)力狀態(tài)?！倍瓨湮恼f，位于寶興縣境內(nèi)的測量站也很典型，“應(yīng)力的微小變化都反應(yīng)出來了?！?/p>

2011年，經(jīng)過持續(xù)監(jiān)測，科學家們將該區(qū)域應(yīng)力較高的數(shù)據(jù)資料報送國家地震部門。

時間回到2008年5月，汶川地震發(fā)生后，媒體對地震原因的解釋幾乎相同：印度板塊與歐亞板塊碰撞，造成青藏高原快速隆升和物質(zhì)向東緩慢流動，在龍門山向東擠壓，遇到四川盆地剛性地塊阻擋，造成構(gòu)造應(yīng)力能量長期積累，最終發(fā)生地震。

“這種說法對不對？應(yīng)該說沒有錯誤，但很不夠。為什么汶川地震發(fā)生在龍門山之下，而不是更東或更西？為什么發(fā)生在十余公里深的上地殼底部，而不是更深或更淺？為什么西南段以逆沖為主、而東北段為右旋走滑？定性的說法是遠遠不夠的，需要定量的數(shù)值模擬?！笔卣f。

中國地質(zhì)學家一直希望對地震進行有效預(yù)報。1953年中科院成立“地震工作委員會”，由李四光、竺可楨分任正、副主任。

而在石耀霖看來，之前的地震預(yù)報基本屬于“前兆”預(yù)報。一些被公認的可能前兆包括地磁要素、地下水位、地電、生物、氣象等方面的變化。

它的理論前提是：有某種異常后就會有地震，沒有異常就沒有地震。

而在汶川地震發(fā)生后，很多宣稱曾成功預(yù)測這一地震的依據(jù)，就是提前觀測到某種前兆。而后來，所謂“魚鱗云”還在很多地方引起恐慌。

但是，早在1997年，西方科學家就宣布，在經(jīng)過100多年研究后，仍然未能確認可靠的地震前兆。理論工作表明，導致地震的斷層運動是一個非線性過程，龐大地球內(nèi)部任何不可測量的微小因素，都可能引爆一場強烈地震。

直到2008年，中國仍希望建造更多的觀測站，通過及時發(fā)現(xiàn)“前兆”來預(yù)報地震。

不同的地震預(yù)報方法，其實質(zhì)就是依據(jù)不同的“前兆”。而“最權(quán)威”的是綜合預(yù)報：將各種“異?！钡臅r間變化綜合分析，找出與地震的關(guān)聯(lián)。

這些方法雖然成功預(yù)測了海城地震，但對于汶川地震，無論中長期預(yù)報還是短期預(yù)報，都沒有發(fā)現(xiàn)任何“前兆”。

從“前兆預(yù)報”到“物理預(yù)報”

在通過經(jīng)驗統(tǒng)計預(yù)報地震的同時，在地震發(fā)生后，也缺乏對其原因、過程的數(shù)字描述。

蘆山地震發(fā)生后，中國工程院院士、地震學家許紹燮表示：“主流的觀點都認為是板塊碰撞。南邊的歐亞板塊、東邊的太平洋板塊等相碰撞導致此次地震，但這樣解釋還有很多不足?！?/p>

2008年后，龍門山斷裂帶區(qū)域成為地質(zhì)科學研究的焦點，“下地殼隧道流一度成為一個主流觀點。這個觀點認為青藏高原板塊不斷向東方向擴散時，下地殼是軟的，由于溫度高，流動速度快，下地殼的物質(zhì)涌上來，在龍門山地區(qū)就能看到很多下地殼的巖石?！倍瓨湮恼f。

隨著研究的深入，一些新的理論陸續(xù)被提出。“深度觀測系統(tǒng)并不太支持這個觀點。有的研究人員提出，龍門山一帶不是以擠壓為主，而是以側(cè)向滑動為主，擠壓是局部的，側(cè)向滑動是主體，這就挑戰(zhàn)了原來主流的下地殼隧道流理論。”

在這些宏觀描述之外，當時的一個現(xiàn)實問題是：幾乎整個龍門山斷裂帶都發(fā)生了破裂，但是西南段的約100公里沒有破裂。

這一段落會破裂嗎？破裂規(guī)模會有多大？什么時候破裂？

這已不是觀測“前兆”能夠解決的問題，它關(guān)系著這個地區(qū)可能發(fā)生的下一次強烈地震。

石耀霖舉例說：掰斷一根筷子的過程，其實可以用筷子的強度和彎曲的速率來解釋，也就是計算應(yīng)力超過筷子強度的情況。這兩個要素是破裂的關(guān)鍵。

同樣，了解深層地應(yīng)力和巖石的物理情況，也就可以計算后者破裂的時機。

據(jù)石耀霖介紹，在汶川地震后，學界的總報告中，就提到“逐步從經(jīng)驗預(yù)報向物理預(yù)報發(fā)展”。

這就好像天氣預(yù)報，它以物理學為手段，運用高速計算機，通過對大氣流體力學、熱力學的一系列模型計算，了解未來大氣的變化和大氣要素的分布。

但是，如何了解地應(yīng)力和巖石的基本情況？在某個時刻，地應(yīng)力是多少，是否已經(jīng)臨近巖石的強度？

只有進行深部探測，抵達地下數(shù)百米、上千米乃至更深處，才可能回答這些問題。

此前，石耀霖等科學家僅通過2003、2008 和2010 年在寶興、康定等地區(qū)的4個鉆孔數(shù)據(jù)就得到結(jié)論：龍門山斷裂西南段，尤其是康定地區(qū)，汶川地震后仍然積累有較高的地應(yīng)力。

同時，龍門山斷裂帶西南段的最大應(yīng)力，已經(jīng)達到斷層活動應(yīng)力臨界值，斷裂活動進入臨界狀態(tài)，已經(jīng)具有發(fā)生地震的可能性。

“結(jié)合地應(yīng)力測量結(jié)果、地震地質(zhì)等資料認為，龍門山斷裂帶西南段具有潛在大震危險，值得重點關(guān)注和研究?！碑敃r他們在報告中說。

石耀霖表示，當時由于只有少量不深的鉆孔應(yīng)力測量資料，在數(shù)值預(yù)報探討中還無法在蘆山地震前作出確切預(yù)報。“雅安接近7級地震的發(fā)生，對于我們并不意外。但是，在沒有地殼深部基于觀測的應(yīng)力實測資料、斷層強度資料的情況下，我們?nèi)匀粵]有充分的定量的力學根據(jù)，判斷地震發(fā)生的時間?！?/p>

他說，就這兩天見到的余震目錄資料，目前蘆山地震似乎還沒有釋放出這100公里斷裂帶內(nèi)積蓄的能量，但是否有下一次接近7級的地震以及發(fā)生在何時，還缺乏資料作出評估。

也就是說，雖然監(jiān)測已經(jīng)實施5年，但由于缺乏長期積累，數(shù)據(jù)還無法支撐對地震進行更為詳細的計算。

因地震啟動的“大計劃”

時間再向前推，早在2002年，地質(zhì)學家曾提出預(yù)算30億元人民幣的“地殼探測工程”。但它立刻引來強烈反對，未能成功申報。

2007年，基于中國資源緊張的背景，中國地質(zhì)科學院曾再次申報地殼探測工程，仍然未果。

第二年5月，汶川大地震發(fā)生，中國人對于腳下大地的認識需求大大增加。當時財政部一位官員在與董樹文通電話時偶然提到，領(lǐng)導們很關(guān)心為何“落地”的科學研究還沒有結(jié)果。

董樹文連忙告訴對方，自己這里就有個“大計劃”。

于是，“地殼探測工程”的培育性啟動項目- - -“深部探測專項”得以實施。

作為一個“大科學”項目，“深部探測專項”要為“地殼探測工程”做好關(guān)鍵技術(shù)準備，包括研制深部探測關(guān)鍵儀器裝備，解決關(guān)鍵探測技術(shù)難點與核心技術(shù)集成，形成對固體地球深部層圈立體探測的技術(shù)體系；在不同景觀、復(fù)雜礦集區(qū)、含油氣盆地深層、重大地質(zhì)災(zāi)害區(qū)等關(guān)鍵地帶進行實驗、示范，形成若干深部探測實驗基地，等等。

地應(yīng)力監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)只是“大計劃”的一部分。在“深部探測專項”2012年年報中輸入“龍門山”進行搜索，可以找到分散在數(shù)個子項目中的49條結(jié)果。

中國地質(zhì)科學院研究員陳宣華告訴本刊，過去5年中“深部探測專項”完成了6000千米的深反射地震剖面，大幅度提升了中國深部探測技術(shù)能力，在資源發(fā)現(xiàn)、環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)害預(yù)報、地球認識等領(lǐng)域取得諸多成果。

深反射地震剖面是通過人造地震波，通過計算獲得深層地下的剖面數(shù)據(jù)。

在2008年之前的50年間，中國一共只獲得了5000千米的深反射地震剖面。雖然目前1. 1萬千米的數(shù)字與美國的2. 46萬、英國的2萬千米尚有差距，但是已經(jīng)與意大利、德國、加拿大、澳大利亞等超過1萬千米的國家看齊，“由此，我國也躋身世界深部探測的大國行列”。

此外，易于被大眾理解的，還包括覆蓋整個中國大陸的電磁探測陣列網(wǎng)。

總之，“深部探測專項”希望讓中國人真正了解自己腳下的大地，并據(jù)此制定防災(zāi)減災(zāi)、資源開發(fā)等國家戰(zhàn)略。

董樹文告訴本刊，目前中國做的應(yīng)力監(jiān)測從200米到1000米甚至更深，“跟國際上基本處于相同水平”。

院士們對蘆山地震的研討中也談到，地應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)資料還需與其他地震監(jiān)測手段密切結(jié)合，才能更好地發(fā)揮作用。

然而無論何種方法，都需要以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。石耀霖認為，目前地應(yīng)力研究的瓶頸就是缺乏初始數(shù)值，雖然可以計算變化值，但很難了解絕對值。

這對于定量計算來說是巨大缺憾，還須經(jīng)過長期監(jiān)測才能獲知結(jié)果。而“應(yīng)力觀測系統(tǒng)的改進必須有國家級的部署”，他認為。

在《國家地震科學技術(shù)發(fā)展綱要（2007～2020年）》中，國家地震減災(zāi)科學計劃即包括地殼變形觀測與活動構(gòu)造調(diào)查，深部結(jié)構(gòu)和孕震環(huán)境探測，地震數(shù)值預(yù)測的試驗研究，地震成災(zāi)機理與減災(zāi)技術(shù)等，“規(guī)劃已經(jīng)過去了一半時間，希望在2020年完成地震數(shù)字預(yù)測的試驗研究。”石耀霖說。

他希望，“深部探測專項”在數(shù)據(jù)積累中承擔重要角色。當然，還有正在籌備中的“地殼探測工程”，它也許將有助于解答中國人對大地運動的終極疑問。