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我们对地球深处了解太少 不应放弃地震研究

来源:网络资源 2009-09-02 13:54:07

  我们对地球深处了解太少不应放弃地震预测研究

  地震是人类的灾难。但同时,地震又是一盏明灯,照亮了地球内部,为我们了解地球,提供了迄今最为重要的一条途径———

  汶川大地震的发生让我们思考很多问题:为什么地震预报这么难?对于人类自身居住的这个星球,我们究竟了解了多少?现有的知识和科技手段,能在哪些方面指导我们的生产和生活?带着问题,记者分别采访了中科院地质与地球物理研究所的滕吉文院士和中科院研究生院地球科学学院的魏东平教授。

  滕吉文说,随着当代社会需求和科学技术的迅猛发展,地球物理学已处在一个新的起点上,面临着比以往任何时候都更富于挑战性的局面,同时也展现出前所未有的发现和突破的机会。早在远古时期,人类就试图探索地球形成和内部结构的奥秘。如今,更有必要去探索地球内部物质与能量交换和其深层物理—力学过程和动力学响应,用来为人类服务。

  上天不易入地更难,难在方法和手段

  地震预测是一个全球性的科学难题。其难有三,地壳深部的不可入性是三难之一。

  “上天不易入地更难”,人类已经观测到万亿光年远的宇宙深处,在航空航天研究方面也取得显著成就,但与之对应的“入地”却相对滞后。“入地”研究难就难在方法和手段。

  滕吉文介绍说,深井钻探是直接检取深部介质结构和灾害背景的唯一手段,但在开钻前又必须进行详细的深部地球物理探测。自20世纪70年代以来,世界上约有14个国家提出了大陆科学钻探计划。由于坚硬的地壳岩石阻隔,目前世界上最深的钻井位于北极附近的科拉半岛,已钻到12.26公里。我国在东海地区打过一个5公里左右的井,在塔里木盆地为了钻探石油打过一个8.04公里的井。而一般情况下的浅源地震,震源深度基本都大于10公里。

  地震的孕育、发生和发展是由于震源深处介质受力作用下的破裂反应,一开始是很小的破裂,叫做“微破裂”,待应力不断积累,破裂不断发展,在深部形成一条“破裂链”时,能量就会向周边辐射,冲击地表形成地震。

  由于人类无法预先知道震源的准确位置,即使使用目前已经掌握的钻孔技术,在那些事先判断最有可能发生地震的地区,或者地震活动带上,钻一口10公里左右深度的钻井,在井中放上高灵敏度、抗干扰的仪器探头来进行观察,如果这个井不在震源附近,震源处发生的“微破裂”迹象,也很难被直接捕捉到。

  滕吉文说,目前,我们了解地球深部主要借助地震波、电磁波场、重力场和地磁场,但各种观测都是间接的。迄今为止,人类对地球内部有较精确认识的,仅限于地面以下30—40公里处的地表,而地球半径达6370公里。所以为了深化认识地球本体及其深部动力过程,我们还有很长的路要走。

  以地震研究为例,包括人工源地震和天然源地震,主要是帮助我们了解地球内部的速度结构性质。人工源地震一般不深,在100公里之内,但精度较高,天然地震可以到达地核的深度,但精度不高。利用地面相对重力值,通过模型反演,就可以求得地球内部的密度结构、构造运动等。现在国际上利用重力梯度仪,可以在空中进行观测,我国当前还没有这样的仪器,但已在研究。

  观测台网的数量、记录的技术水平以及动态范围,标志着一个国家地球物理学发展水平。目前,全球数字地震台网布局已初步完善与实施。定位系统(GPS)、人卫激光测量(SLR)、甚长基线干涉仪测量(VLBI)、精密重力测量和干涉合成孔径雷达(INSAR)观测网已初见成效。近20年来,宇航观测、大气层中的航空测量、地表观测以及深入地下数十公里的观测系统,采集了大量的高精度信息。

  地球物理学是认识地球的重要途径

  地震,特别是巨大地震,对人类是一场灾难,会使无数家庭家破人亡。但同时,“地震又是一盏明灯,照亮了地球内部,为我们了解地球,提供了迄今最为重要的一条途径。”魏东平引用了俄罗斯已故地震学家伽里金关于地震的一段说法。

  据魏东平介绍,地球物理学是地球科学研究领域的一个分支,主要包括空间物理学与固体地球物理学两方面内容。其中固体地球物理学的研究包括地震学、地磁学、地电学、地热学等多个分支。从宽泛意义上讲,地震学、地磁学和重力学就像是支撑固体地球物理学的三脚架,是我们认识地球本体、地球内部结构及其动力过程等极为重要的途径。

  地震学主要研究震源机理和地球内部介质的分布与运动规律。自1906年旧金山大地震之后,地震学家关于地震震源的认识一直在不断深化,从最初的“弹性回跳学说”,发展到现在的二维及三维断层模式等;而关于地球内部介质及其动力过程,包括地球内部介质的分层、衰减、不均匀性、各向异性等方面的研究,通过对于地震波相关震相的研究,科学家们的认识也同步深化。同时,利用地震学的方法,科学家们可以寻找埋藏于地球浅层的资源与矿藏,在城市寻找地下管线,对重要建筑工程等进行安全评估等。此外,地震学还是各国进行核爆监测的最重要手段。

  地磁学主要研究地磁场的时空分布及变化规律、地磁场起源等。地磁场的主要部分来自于地球内部,构成了地球磁场的基本部分。地球表面的某些区域存在比较对称的地磁条带现象,是海底扩张与板块构造学说的重要依据。地球磁场的起源问题需要科学家们在整个21世纪予以特别关注。

  重力学在基础研究领域和军事研究方面都非常重要。地球内部不同深度的结构分布,会在重力波长上反应出来,金属矿藏、地下水、石油等物质分布会造成地表浅层的重力异常。因此,重力勘探也是我们寻找各种资源与矿藏的重要手段。在军事方面,例如巡航导弹制导中的高精定位技术,必须利用到地球表面重力场的精细空间分布信息等等。

  “我现在所在的学院叫做地球科学学院,涉及的相关一级学科,除了地球物理,还有地质学、大气科学、海洋科学、地质资源与地质工程、测绘科学与技术及土木工程六个方面,而我们学校的资源与环境学院,涉及的一级学科包括地理学、环境科学与工程等等。所有这些不同的学科组合,构成了我们一般意义上所称的地球科学。”魏东平说。

  认识取决于目的

  人们对地球的探索与认识地球的目的密切相关。滕吉文介绍,在20世纪的百年里,地球科学研究的最主要目的是向地球索取各种自然资源。20世纪中叶前后,一系列地球物理勘探方法相继问世,特别是电法勘探、地震勘探、重力勘探、磁法勘探、地热勘探和放射性勘探等,为人类找到了大量的金属、非金属矿产和石油、天然气、煤、煤成气及地热等能源。资源与能源的勘查、开采与利用,对全球各国的科学进步、社会与经济的发展均做出了重要贡献。

  如在重大工程建设方面,长江三峡水库及黄河小浪底电站的坝址选择、基岩体评价、堤坝隐患的勘察、治理等,地球物理研究发挥着基础性作用。此外还为陆地和水下隧道的开挖,地下国防工程建设提供技术保障。在核爆炸与核污染监测,文物、古墓的勘查等方面,地球物理学均提供了必要的理论方法和技术手段。

  21世纪以来,由于资源的过度开发和自然环境的严重破坏,各种人为的自然灾害也变得频繁。地球科学研究的目的转向合理开发和利用自然资源、环境监测、灾害防御等方面。在环境污染的监测方面,地震预测同样是现代科学中最困难而又最为迫切需要解决的问题之一。

  滕吉文在他的《岩石圈物理学》中指出,地球科学的最终目标,是了解地球本体和其他行星从太阳系中诞生到它目前状态的演化,以便能了解地球的物理、化学、地质和生物学作用,并能对未来发展进行预测,指导我们的生产生活。

  不应放弃地震预测研究

  滕吉文认为,我国位于世界两大地震带之间,是一个地震灾害严重的国家。不同地区对建筑的抗震要求是不同的,放弃对地震预测的研究,而转向加强建筑抗震能力、加固道路桥梁既不符合国情,也缺乏可操作性。我们要找出难点所在,不断深化认识,最终攻克这个“堡垒”。

  魏东平也认为,我们要在不放弃地震预测这一基本问题的同时,在全国范围内,特别是在经济发达地区,更全面、更细化地进行地震烈度区划,依据给定的地震烈度区划,对于不同地区,按照相应的抗震要求进行建筑设计,以加强建筑的抗震能力,同时对现有的道路桥梁及重要工程,依照轻重缓急,进行抗震加固,在我们目前的国力条件下,具有一定的可操作性。

  “如果不能透过地球表面,触摸到地球内部的‘脉搏’,那我们在地震研究方面始终是缺乏根基的。”滕吉文说,解决地震预测的难题,必须进一步了解我们的星球。我们的方向是在地球内部,深化对地球本体的认识。研究地球内部圈层精细结构,物质一能量的交换、耦合、响应及其深层动力过程。我们的目标是要建立起深部物质运移、板块运动和力源机制及新的地球动力学模型,为资源、灾害、环境和全球变化提供地球深层物质运动的要素,实现对其潜在前景进行预测,造福全人类。

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