地震科学预测新技术！“地下云图”，让地震实
在汶川地震十周年纪念时，“地下云图”的说法屡屡出现在各大媒体上。其实，早在2009年，科技部973项目相关课题组就设立了专门的研究项目，探讨了我国陆区大震预测途径战略和战术。在总结国内外地震预测研究现状和汶川地震成因缺乏观测和探测直接数据的基础上，提出了地震预测途径战略和战术，特别提出了动态跟踪地下状态，实施“地下云图工程”。
地下云图来源于气象预测的卫星云图概念。卫星云图是利用各种气象观测手段，通过气象站、气象卫星、气象雷达这样的关键技术动态，跟踪天气变化的全过程。比如台风，从台风生成那一时刻起，卫星云图就开始动态跟踪它的运动路线，强度和运动速度，对它的全过程进行动态的跟踪和预测。
俄国地震学家伽里津有一句名言：“可以把每个地震比作一盏灯, 它燃着的时间很短, 但照亮着地球的内部, 从而使我们能观察到那里发生了些什么。这盏灯的光虽然目前还很暗淡, 但毋庸置疑, 随着时间的流逝, 它将越来越明亮, 并将使我们能明了这些自然界的复杂现象……”。
由于地震发生的地点、时间、大小都是不确定的，“并不是到处都有'灯'; 地震这盏'灯'也没有能够把地球内部的每个角落全照亮！”（陈运泰 ，2009）。实现像天气预报那样跟踪地震事件过程，一直是地球科学家和地震学家的追求。
从上个世纪末到本世纪初，信息技术和计算机技术的迅猛发展推动了地球科学的信息化的不断实现。将地震学和现代信息技术相结合，使得地球科学研究获得了重要进展，包括噪声地球深部成像、主动震源探测地下结构、超低频/极低频（ULF/ELF）探地以及地震模拟技术等。它们为探测地下结构，动态跟踪地震过程提供了新的科学思路和技术。
因此，实施以地球内部成像、探测地球内部构造和物性、动态跟踪监测地震孕育发展过程的“地下云图”工程，时机已经成熟。
为了探索地震预测途径，课题组提出了动态跟踪地震过程的战术，发展动态深部探测技术，实施相应的动态地下结构和物态探测工程，称之为“地下云图”工程 。
“地下云图”必须是动态的，类似于气象预报“看云识天气”的方式，可以每天、每周、每月、每年产出，需要的话还可以产出每秒、每分每小时的地下变化形势图，为地震预测的实现提供有效保障。
目前，关于“地下云图”，具体取得了如下进展：
一、动态噪声成像技术工程
近年来，地脉动噪声地下成像技术快速发展并取得实质性突破，成为地学创新的热点。
地脉动噪声作为地震观测的背景干扰，很早就被地震学家重视，科学家们希望能够通过地脉动记录实时监测地壳介质变化。地球物理学家傅承义院士1971年曾提出“红肿理论”，他认为在大震来临之前的一段时间，地球内部的岩体破裂加剧，从而导致脉动水平的增高，通过监测脉动水平的变化，就有可能实现对大地震的预测。
本世纪Rayleigh波群速度背景噪声层析成像图像技术发展很快，国际上Shapiro等（2005）和Sabra等（2005）在2005年几乎同时发表噪声成像的成果。国内，金星等（2007）在福建、房立华（2009）在我国华北地区和首都圈地区、刘启元在（2010）四川、郭志（2010）在新疆天山等地区利用地脉动噪声层析成像技术，获得了中国大陆部分地区地脉动噪声成像的研究成果。
研究结果表明，地脉动噪声瑞利波反映了地壳浅部（上地壳约6－20 Km）的速度结构特征。大多数破坏性地震发生在这一深度，发现速度变化比较强烈的地区即是应力集中的地区，又是介质相对脆弱的地区，这样的地区更容易发生破裂从而产生地震。
特别值得一提的是，福建地震局对这一高技术研究成果进行了工程化的转化，他们利用福建、江西、广东和浙江省68个实时传输的地震台地脉动噪声数据，建设了区域噪声成像动态监测系统和超级计算机处理实验室，实现了地脉动噪声进行面波速度层析成像的实时动态探测。每天完成一张福建地区面波群速度相对变化图像，准实时监测福建地区地壳介质变化情况。
噪声成像系统的研究结果目前已经初步应用于日常地震预测会商，图2为福建地区瑞利面波群速度异常与3级以上地震的对应关系。图3为2007年8月29 日福建永春4.6级地震前后瑞利波群速度分布的相对动态变化图。
二、主动震源深部探测工程
进入本世纪以来，探测地下构造和介质状况的另一个引人注目的进展是人工主动震源探测（图4）。其原理是通过人工的震源产生探测特定的振动信号，经地下介质传播到地震台站，最后利用反演技术实现地下动态探测和成像。主要技术包括精密控制震源，水中气枪，人工爆破等。
2011年4月云南省宾川县建成了第一个人工水中气枪地震信号发射台（王宝善，2013）。该地区位于红河和澄海两个主要断层（断裂）交汇处，地震活动性高，台站分布密度达到15km左右，是全球密集的地震台网之一。利用气枪震源的高度可重复性，可以将多次激发的信号叠加起来以提高信噪比。在叠加的气枪信号记录中，可以看到气枪信号可以追踪到240公里，对应的探测深度为40公里（图6）。它的建成为监测该地区上百公里尺度地下介质动态变化提供了良好的机会。
三、甚低频电磁波岩石圈探测工程
人工源极低频电磁技术（CSELF）是用人工方法产生极低频（ELF）及其附近频带大功率交变电磁场的高新技术。我国目前已经建成了自己的发射台，成为世界上第三个拥有这一发射技术的国家，并建成了世界上第一个用于地震预测等领域的观测网（赵国泽等，2012）。
该系统由天线、接地体、大地和发射机构成了一个交变电流等效“环路”，在环路内变化的电流感应生成交变电磁场（图8）。电磁场分布在地球及其周围空间，并在地面和电离层之间的“波导”中传播。它可传播到数千甚至上万公里，多地点同时观 测极低频电磁波的各个分量，可实时动态测量区域的地壳结构及其变化，同时还可研究岩石层、大气层、电离层的电磁场异常。
目前我国华北、南北地震带、天山等西北地区、东南沿海地震区和东北等省、市、自治区布设密集极低频电磁波接收网，为开展动态监测深部变化打下良好基础。
上述的三种成像并不是动态深部探测技术的全部，这三种技术显示了我们提出的“地下云图”实现的可行性。高新技术的发展极大推动了地震学和地震观测技术的发展，新型微机电传感器、大数据、人工智能（AI）技术和密集及超密集地震观测网和阵列技术的结合，必将会带来更多新技术和新发展，使“地下云图”技工程不断向纵深发展。
由于地下的不可入性，地球岩石圈结构和物性远远比大气圈复杂，但是我们已经看到几代地球科学家梦寐以求获得实时动态探测地下变化的“地下云图”的梦想有望实现，地震科学预测研究将迎来新的曙光！
（本文中标明来源的图片均已获得授权）
出品：科普中国
制作：地球物理信息科学传播团队 陈会忠 蔡晋安沈萍
监制：中国科学院计算机网络信息中心
地下云图来源于气象预测的卫星云图概念。卫星云图是利用各种气象观测手段，通过气象站、气象卫星、气象雷达这样的关键技术动态，跟踪天气变化的全过程。比如台风，从台风生成那一时刻起，卫星云图就开始动态跟踪它的运动路线，强度和运动速度，对它的全过程进行动态的跟踪和预测。
图1 显示了2011年第9号台风的动态跟踪和预测的关系，它使我们看到了跟踪天气变化发生、发展和结束的过程。
图1 2011年7月29日到8月9日第9号台风梅花的动态跟踪过程（图片来源：中央气象台，2011）
目前，中国地震预报可以说基本处于经验和静态预报阶段，还远远没有像天气预报那样可以动态跟踪事件过程。俄国地震学家伽里津有一句名言：“可以把每个地震比作一盏灯, 它燃着的时间很短, 但照亮着地球的内部, 从而使我们能观察到那里发生了些什么。这盏灯的光虽然目前还很暗淡, 但毋庸置疑, 随着时间的流逝, 它将越来越明亮, 并将使我们能明了这些自然界的复杂现象……”。
由于地震发生的地点、时间、大小都是不确定的，“并不是到处都有'灯'; 地震这盏'灯'也没有能够把地球内部的每个角落全照亮！”（陈运泰 ，2009）。实现像天气预报那样跟踪地震事件过程，一直是地球科学家和地震学家的追求。
从上个世纪末到本世纪初，信息技术和计算机技术的迅猛发展推动了地球科学的信息化的不断实现。将地震学和现代信息技术相结合，使得地球科学研究获得了重要进展，包括噪声地球深部成像、主动震源探测地下结构、超低频/极低频（ULF/ELF）探地以及地震模拟技术等。它们为探测地下结构，动态跟踪地震过程提供了新的科学思路和技术。
因此，实施以地球内部成像、探测地球内部构造和物性、动态跟踪监测地震孕育发展过程的“地下云图”工程，时机已经成熟。
为了探索地震预测途径，课题组提出了动态跟踪地震过程的战术，发展动态深部探测技术，实施相应的动态地下结构和物态探测工程，称之为“地下云图”工程 。
“地下云图”必须是动态的，类似于气象预报“看云识天气”的方式，可以每天、每周、每月、每年产出，需要的话还可以产出每秒、每分每小时的地下变化形势图，为地震预测的实现提供有效保障。
目前，关于“地下云图”，具体取得了如下进展：
一、动态噪声成像技术工程
近年来，地脉动噪声地下成像技术快速发展并取得实质性突破，成为地学创新的热点。
地脉动噪声作为地震观测的背景干扰，很早就被地震学家重视，科学家们希望能够通过地脉动记录实时监测地壳介质变化。地球物理学家傅承义院士1971年曾提出“红肿理论”，他认为在大震来临之前的一段时间，地球内部的岩体破裂加剧，从而导致脉动水平的增高，通过监测脉动水平的变化，就有可能实现对大地震的预测。
本世纪Rayleigh波群速度背景噪声层析成像图像技术发展很快，国际上Shapiro等（2005）和Sabra等（2005）在2005年几乎同时发表噪声成像的成果。国内，金星等（2007）在福建、房立华（2009）在我国华北地区和首都圈地区、刘启元在（2010）四川、郭志（2010）在新疆天山等地区利用地脉动噪声层析成像技术，获得了中国大陆部分地区地脉动噪声成像的研究成果。
研究结果表明，地脉动噪声瑞利波反映了地壳浅部（上地壳约6－20 Km）的速度结构特征。大多数破坏性地震发生在这一深度，发现速度变化比较强烈的地区即是应力集中的地区，又是介质相对脆弱的地区，这样的地区更容易发生破裂从而产生地震。
特别值得一提的是，福建地震局对这一高技术研究成果进行了工程化的转化，他们利用福建、江西、广东和浙江省68个实时传输的地震台地脉动噪声数据，建设了区域噪声成像动态监测系统和超级计算机处理实验室，实现了地脉动噪声进行面波速度层析成像的实时动态探测。每天完成一张福建地区面波群速度相对变化图像，准实时监测福建地区地壳介质变化情况。
图2 福建区域噪声成像动态监测系统和地下层析成像图（图片来源：福建省地震局，2011）
噪声成像系统的研究结果目前已经初步应用于日常地震预测会商，图2为福建地区瑞利面波群速度异常与3级以上地震的对应关系。图3为2007年8月29 日福建永春4.6级地震前后瑞利波群速度分布的相对动态变化图。
图3 2007年8月29日福建永春4.6级地震前地脉动噪声层析成像动态变化图（图片来源：福建省地震局2011）
福建省地震局的动态地脉动噪声成像工程成果令人鼓舞，它实现了实时动态“地下云图”的设想，开辟了地震预测探索的新途径。 二、主动震源深部探测工程
进入本世纪以来，探测地下构造和介质状况的另一个引人注目的进展是人工主动震源探测（图4）。其原理是通过人工的震源产生探测特定的振动信号，经地下介质传播到地震台站，最后利用反演技术实现地下动态探测和成像。主要技术包括精密控制震源，水中气枪，人工爆破等。
图5 我国开发研制的精密可控震源(图片来源：庄灿涛，2011)
2011年4月云南省宾川县建成了第一个人工水中气枪地震信号发射台（王宝善，2013）。该地区位于红河和澄海两个主要断层（断裂）交汇处，地震活动性高，台站分布密度达到15km左右，是全球密集的地震台网之一。利用气枪震源的高度可重复性，可以将多次激发的信号叠加起来以提高信噪比。在叠加的气枪信号记录中，可以看到气枪信号可以追踪到240公里，对应的探测深度为40公里（图6）。它的建成为监测该地区上百公里尺度地下介质动态变化提供了良好的机会。
图6.宾川可控源发射台位置及其部分研究结果。 (a)滇西地震预报试验场位置；(b)气枪阵列示意图；(c)距发射台112公里的DLS台记录的原始信号及叠加结果; (d)气枪信号追踪地下至240公里。（图片来源：王宝善，2013）
图7 宾川气枪源发射状态（图片来源：陈会忠，2018）
2013年5月新疆维吾尔族自治区呼图壁县又建成了一个由大容量气枪组成的和人造水体的人工震源系统，人工水体直径100m，深18m的圆形水池，气枪信号已经穿透整个地壳达到上地幔顶部。 三、甚低频电磁波岩石圈探测工程
人工源极低频电磁技术（CSELF）是用人工方法产生极低频（ELF）及其附近频带大功率交变电磁场的高新技术。我国目前已经建成了自己的发射台，成为世界上第三个拥有这一发射技术的国家，并建成了世界上第一个用于地震预测等领域的观测网（赵国泽等，2012）。
该系统由天线、接地体、大地和发射机构成了一个交变电流等效“环路”，在环路内变化的电流感应生成交变电磁场（图8）。电磁场分布在地球及其周围空间，并在地面和电离层之间的“波导”中传播。它可传播到数千甚至上万公里，多地点同时观 测极低频电磁波的各个分量，可实时动态测量区域的地壳结构及其变化，同时还可研究岩石层、大气层、电离层的电磁场异常。
图8 甚低频电磁波向地下发射（图片来源：赵国泽,2003）
图9为我国地震学家利用俄罗斯发射源发现了1999年5月12日迁安4.2级地震震前电磁异常（赵国泽等，2003）。
图9为我国地震学家利用俄罗斯发射源发现了1999年5月12日迁安4.2级地震震前电磁异常（赵国泽等，2003）。
图9 1999年5月12迁安4.2级地震震前人工甚低频电磁观测异常（图片来源：赵国泽，2003）
目前我国华北、南北地震带、天山等西北地区、东南沿海地震区和东北等省、市、自治区布设密集极低频电磁波接收网，为开展动态监测深部变化打下良好基础。
上述的三种成像并不是动态深部探测技术的全部，这三种技术显示了我们提出的“地下云图”实现的可行性。高新技术的发展极大推动了地震学和地震观测技术的发展，新型微机电传感器、大数据、人工智能（AI）技术和密集及超密集地震观测网和阵列技术的结合，必将会带来更多新技术和新发展，使“地下云图”技工程不断向纵深发展。
由于地下的不可入性，地球岩石圈结构和物性远远比大气圈复杂，但是我们已经看到几代地球科学家梦寐以求获得实时动态探测地下变化的“地下云图”的梦想有望实现，地震科学预测研究将迎来新的曙光！
（本文中标明来源的图片均已获得授权）
出品：科普中国
制作：地球物理信息科学传播团队 陈会忠 蔡晋安沈萍
监制：中国科学院计算机网络信息中心