捕捉地震波轨迹开启“入地”之门

文|高敏

捕捉地震波轨迹开启“入地”之门

文|高敏

近年来地震频发，给人们造成巨大的损失，虽然随着时间的流逝，地震带来的伤口逐渐愈合，但我们很清楚地知道地震灾害可能还会造访。

地震危害令人触目惊心，地震发生时地震波怎么在地球内部传播？造成的强地面运动是否有规律可循？如何有效地降低地震灾害？是否有一种方法可以观察到地球内部的活动状态，在地震发生前预测可能的地震危害？关于地震的种种疑问，我们总会想到去问那些致力于地震研究的人。

国家青年“千人计划”学者，中国科学技术大学教授张伟就是其中之一。

张伟

1999年毕业于北京大学地球物理专业，获学士学位。毕业后保送北京大学地球物理专业硕博连读，于2006年毕业，获博士学位。2007—2010年在美国罗得岛大学从事博士后研究。2010—2012年以Seniorscientist在美国GeoTomo石油勘探公司从事高科技产业化研究。2012年入选第4期“国家青年千人计划”，受聘中国科技大学地球和空间科学学院。

研究地震波场 提供救援依据

昭通地震（2014年8月3日16时30分在云南省昭通市鲁甸县发生了6.5级地震）之后，张伟和其团队随即开展了相关研究。他们很快模拟了该地震的强地面运动情况，给出了地震近场的烈度估计。

“我们的计算表明，地震波场在东北角明显强于其他方向。分析发现，此地区存在相对低速的低速层，地震波在低速层内多次反射加强了该地区的地震灾害。研究还表明，昭通周围的山峰、峡谷地形可能影响局部地区的地震灾害。”这些研究成果为地震灾害救援提供了科学依据。

对于地震科学，尽管目前人类对地下结构、应力积累过程和地震发生过程的认识程度，还不能实现准确的地震预测。“那研究地震干什么？”这也是社会上很多人对于地震工作人员的最大疑问。

张伟告诉记者，地震专家的主要工作是对地震的孕育、发生和发展过程进行研究，积累对地震这个自然现象更深刻的认识。“详细点说，就是对地震可能造成的破坏进行震前估计，为建筑物抗震设计提供支持；对地震发生后的震害进行评估，为抗震救灾提供科学援助；利用地震观测对地球进行研究。”张伟解释道。

“地震波的传播是受物理规律控制的，采用大规模科学计算技术和复杂介质地震波传播算法，我们可以重现破坏性地震的地震波传播过程，也可以预测尚未发生的地震一旦发生将可能造成的地表强地震动情况。”2008年汶川地震后，张伟第一时间在《中国科学》发表了对汶川地震强地面运动模拟和分析的结果，探讨了地形放大效应在汶川地震及震区导致的破坏效应，揭示了龙门山地区剧烈起伏地形和地震断层破裂过程共同作用导致汶川地震巨大的破坏作用，这对地震灾害预测及震后救灾都具有积极的推动意义。

“比如，局部地形对地震灾害有显著影响，表明今后在地形起伏剧烈的地区进行建筑地震设防设计和规划时，就应该考虑这种地形导致的强地面运动差异。”

美国滑坡领域的专家维梅特教授认为，该计算结果是唯一能够解释汶川地震整个破裂断层带（东北段、西南段）上观测到的同震滑坡等地质灾害分布特征的依据。

模拟发生过程 助力灾害预防

“地震是灾害，地震波研究却大有作为。我课题组的研究方向即包括地震波先进算法研究，如复杂地下结构地震波模拟的高性能数值算法，地震波反演和成像的新方法，也包括应用这些算法解决实际问题。”

“天然地震的震源无法控制，分布也不均匀，勘探地震的震源具有一定的可控性，可以按照预先设计的采集计划实施，激发一个地震波然后通过检波器阵列接收。”张伟介绍，“地震是灾害，但天然地震引起的地震波和人工震源激发的地震波却可以用来感知地下的结构。”

“医学CT是医学层析成像，我们做的是地震波层析成像。它们基于相同的原理，但地震波层析成像具有更大的难度，因为医学层析成像的发射源可以控制，而天然地震的分布不可控制，可控人工震源也只能放置在地表。”张伟尽可能用浅显的语言向记者解释着。

“地震波蕴含着丰富的震源信息和地下结构信息，宽频带地震记录和高密度地震采集系统为地震学家获取地下精细结构提供了前所未有的机遇。目前，学术界和工业界都在努力采用先进的地震波数值模拟技术和反演算法，结合高性能计算技术，实现从地震波形上提取准确的地下结构信息。”

张伟成功发展了一种新的起伏地形地震波数值模拟算法，将基于强地面运动定量模拟的地震危害性分析应用到中国这种地形起伏情况复杂的地区。“这项成果用于在地震没发生时定量评估一旦地震发生，会在地表造成什么样的破坏？在地震动强的区域，可以通过加固建筑和提高抗震标准的方式，来减少地震发生时所造成的破坏。目前，我们正在应用这种方法研究地形起伏剧烈的川滇地区的地震危害性。”

10年前开始的“中国数字地震观测网络”项目建设，使我国形成了由国家数字地震台网、区域数字地震台网、火山数字地震台网和流动数字地震台网组成的新一代中国数字地震观测系统，记录了大量的高质量宽频带数字地震波形记录。

“但传统的三维地下结构反演只利用了地震波的走时信息，不能反演小尺度地下结构。”张伟介绍，而三维有限频层析成像充分利用蕴含丰富地下结构信息的波形信息，可以获得地下的精细结构，可以更准确地获得孕震结构背景。

于是基于新的地震波模拟算法，张伟实现了近年来发展起来的高分辨能力的三维有限频层析成像算法，以此可以充分发掘数字地震台网采集的高质量地震波形信息。另外，他还实现了陆地采集系统全波形反演成像算法，提高了陆地勘探地震波成像的分辨能力和应用范围。

被“忽悠”而入 且越“入”越深

张伟的科研视角务实，且始终保持前沿，但没人知道，他走进地震波的研究之门，却是被“忽悠”的结果。

就读于北大地球物理系的张伟，大三面临专业细分时，因为一句地球物理领域“上天容易入地难”的老话，本想选择大气专业，但最终他被到宿舍介绍专业的陈晓非老师成功“忽悠”到地球物理专业。

当时陈老师对他说：“‘入地’是难，但地震波却向人们打开了了解地球内部结构的一扇大门，这是非常前沿的领域，充满了机会和挑战，就看你是否具备挑战科学奥秘的勇气。”

2006年，张伟的博士工作论文在顶级期刊《国际地球物理》上发表，引起了国际地球物理界的广泛关注。欧洲计算地震学家Moczo在2014年的地震波数值模拟专著里，也专门开辟章节对该算法进行论证。在近10年的研究中，张伟对于地球物理的探索早已从“被动”变成了“发自内心的喜爱和执着”，且越“入”越深。

张伟至今都还记得陈老师说的那些话，用地震波一次次敲着地球之门。

2010年，在美国罗得岛大学进行3年的博士后研究后，张伟对勘探地球物理产生了浓厚的兴趣。回国前，他一直在美国GeoTomo LLC 石油地球物理公司研发中心工作，进行了多项前沿地球物理勘探软件的开发，之前多年积累的算法得以应用，解决了多项石油勘探中遇到的实际问题。

“地震勘探是石油勘探前期必备的工作，也是地球物理勘探的主流方法。我们可以利用地震波技术，对石油地质圈闭进行准确成像，然后有的放矢地去打井，这样将提高勘探成功率，降低打井的成本。”目前，张伟的团队和东方地球物理公司、中国科技大学一起创立了联合研发中心，进行更深入的适合中国地质情况的勘探地球物理技术研发。

同时，页岩气的异军突起不仅改变了美国国内的能源结构和能源战略，也影响着世界地缘政治和能源供应格局。在我国，这方面的研究则刚刚起步。目前，张伟的另一项研究重心就是页岩气开采过程微地震的实时监测处理。他们研发的自动处理技术已经可以快速获得同人工处理精度相似的成像结果，为水力压裂操作提供实时反馈。