给地球做B超：中国应走在世界前列

  8月23日~24日，全国地震科技大会在北京召开。这是10年来我国地震科学技术工作的一次重要会议，受到党中央、国务院的格外的重视。中央政治局委员、国务院副总理出席了本次会议并发表讲话。他指出，近年来，中国地震科技在队伍建设、学科建设、平台建设、创新成果和服务领域拓展等方面取得了显著成绩。为此，本报自即日起，开设专栏对我国地震科学技术研究取得的成绩和进展进行系列报道。

  “一谈到地震，人们首先想到的是地震灾害。其实，除了灾害，地震还有其鲜为人知的另一面。地震波不但可以摧毁房屋、造成灾难，还能够给大家提供地球内部信息、造福人类。”8月23日，全国地震科学技术工作会议在北京召开。会议期间，中科院院士陈颙给记者上了一堂地震科学发展的科普课。

  他说：“有史以来，没什么自然现象像巨大的地震那样能够导致重大灾害。波及范围之广、时间之短、破坏性之大，往往超乎人们的想象。”希腊历史学家希罗德所著《历史》一书记述，古代世界的七大奇迹，除金字塔尚存外，其余六大奇迹都被地震彻底摧毁了。真正起破坏作用的是地震波。地震学就是研究地震波的学问。

  他解释道，B超是现代医学中大范围的应用的一种技术。通过发射超声波，并将从人体反射回来的回波信号以光点形式组成切面图像。B超技术核心有3个部分：获取人体内部信息的超声波、回波信息的处理和成像技术和B超图像的医学解释。能否像做B超一样给地球内部成像，关键是要解决类似的3个核心问题。这里只讨论第一个问题。

  陈颙认为，研究地球内部，必须找到一种波。它能穿透到地球内部，并能把地球内部的信息带回地面。人类目前无法利用电磁波探测地球深部，因为地球介质电导率比大气高很多，进入地球内部的电磁波很快就衰减掉了。即使是现有的探地电磁雷达，探测的范围只有几米和几十米，这样的深度对于巨大的地球来说，微不足道。

  只有地震波的传播在地球内部的衰减非常小，特别是在地球深部，几乎不发生地震波弹性能量向别的形式能量的转换。所以，地震是一盏照亮地球内部的明灯。迄今为止，关于地球深部的结构、组成、过程和状态等知识几乎全部来自天然地震所产生的地震波的信息。天然地震产生的地震波信号能量强，是研究整个地球内部的有力工具。2004年印尼苏门答腊近海MW9级地震产生的地震波，传播到了地球内部的每一个角落，“照亮”了整个地球内部，增加了人们对地球深部的新认识。

  他说：“利用天然地震照亮地下结构并不完美。对于研究人员而言，天然大地震发生的次数很少，研究工作需要长时间的资料积累。天然地震，特别是大地震震源位置的确定，存在着几十甚至几百公里的误差，而震源位置的误差必然影响地震波成像的结果。这严重制约了利用天然地震研究地球内部的精度和分辨率。所以用天然地震探测地球内部大多数都用在研究全球等大尺度的问题，研究区域性问题时分辨率常常显得不足。”

  陈颙和记者说，目前，寻找能够照亮整个地球内部的人工震源比较遥远，但随技术的发展，建立能够照亮局部地区的人工震源已经具备了可能性。

  他说，能够激发地震波的人工震源有很多：炸药爆破、电火花震源、机械震动和锤击等。其中，研究人员用于大范围探测的主要是炸药爆破。

  为了用地震波进行远距离探测，地震勘探中通常使用大当量的炸药作为激发源。但这种激发方式不经济，对环境有破坏，而且重复性差，无法应用类似于医学B超技术中的信息处理方法。

  国际上，美国Bolt公司的Stephen Chelminski于1963年最早发明了震源。其工作原理是，通过空气压缩机将压缩空气注入中，后在水下通过电磁阀控制将压缩空气瞬间释放，从而激发地震波。1984年专利保护失效后，大范围的使用在海洋地震勘探。其主要优势在4个方面：

  绿色环保，使用的介质为压缩空气，水中激发的不会对水环境、水中生物、大坝产生非常明显的影响；

  地震波转换效率高，在激发的瞬间，覆盖在上的几米至十几米的水层可以视为不可压缩流体，阻止了能量向上的传播，大型一次激发释放的能量可达106~107焦耳；

  激发地震波的能量主要集中于低频段，如大型激发优势频率集中在5Hz左右，正好位于世界各国已有地震台的最佳观测频率范围之内。

  由于以上特点，震源的信号接收效果要高于相当能量的其他震源，已被广泛地用于海上或海陆地震勘探。

  中国地震局的科学技术人员将震源从海洋移植到大陆。2006年在河北遵化上关湖进行的激发表明，“照亮”10万平方公里大陆地区地下结构的地震波探测已经具备了可能性，为解决给地球做“B超”的关键技术迈出了可喜的一步。

  陈颙介绍，近年很多美国科学家参与编写的《固体地球科学与社会》一书指出，近半个世纪以来，地球科学有3个进展特别突出：板块构造的革命、获得地表和地球内部图像能力的提高以及把人类作为一种地质营力的认识的增强。其中获得地球内部图像的能力就是给地球做“B超”的能力。

  在获得地球图像方面，人们已经掌握了GPS、RS和GIS技术。但是，人们还未意识到在获取地球内部图像方面即将发生的巨大进展。国际地球科学界正在进行一场学术竞争。加拿大地球透镜计划、澳大利亚袋鼠计划、法国的ECORS、德国的DEKORP、英国的BIRST、美国台阵计划（USArray）等，都是在地球内部探测和给地球做“B超”的大型科学计划。

  目前，中国地震局已经在全国建立了数以百计的固定地震观测台，加上全国各大学和研究所拥有的数以千计的流动地震台。科学家们相信，公元132年张衡发明了候风地动仪，在长安建立了世界上第一个地震信号接收台；今天，在给地球做“B超”方面，中国人也应走在世界前列。