文|高敏

捕捉地震波軌跡開啟“入地”之門

文|高敏

近年來地震頻發(fā)，給人們?cè)斐删薮蟮膿p失，雖然隨著時(shí)間的流逝，地震帶來的傷口逐漸愈合，但我們很清楚地知道地震災(zāi)害可能還會(huì)造訪。

地震危害令人觸目驚心，地震發(fā)生時(shí)地震波怎么在地球內(nèi)部傳播？造成的強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)是否有規(guī)律可循？如何有效地降低地震災(zāi)害？是否有一種方法可以觀察到地球內(nèi)部的活動(dòng)狀態(tài)，在地震發(fā)生前預(yù)測(cè)可能的地震危害？關(guān)于地震的種種疑問，我們總會(huì)想到去問那些致力于地震研究的人。

國(guó)家青年“千人計(jì)劃”學(xué)者，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授張偉就是其中之一。

張偉

1999年畢業(yè)于北京大學(xué)地球物理專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位。畢業(yè)后保送北京大學(xué)地球物理專業(yè)碩博連讀，于2006年畢業(yè)，獲博士學(xué)位。2007—2010年在美國(guó)羅得島大學(xué)從事博士后研究。2010—2012年以Seniorscientist在美國(guó)GeoTomo石油勘探公司從事高科技產(chǎn)業(yè)化研究。2012年入選第4期“國(guó)家青年千人計(jì)劃”，受聘中國(guó)科技大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院。

研究地震波場(chǎng) 提供救援依據(jù)

昭通地震（2014年8月3日16時(shí)30分在云南省昭通市魯?shù)榭h發(fā)生了6.5級(jí)地震）之后，張偉和其團(tuán)隊(duì)隨即開展了相關(guān)研究。他們很快模擬了該地震的強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)情況，給出了地震近場(chǎng)的烈度估計(jì)。

“我們的計(jì)算表明，地震波場(chǎng)在東北角明顯強(qiáng)于其他方向。分析發(fā)現(xiàn)，此地區(qū)存在相對(duì)低速的低速層，地震波在低速層內(nèi)多次反射加強(qiáng)了該地區(qū)的地震災(zāi)害。研究還表明，昭通周圍的山峰、峽谷地形可能影響局部地區(qū)的地震災(zāi)害?！边@些研究成果為地震災(zāi)害救援提供了科學(xué)依據(jù)。

對(duì)于地震科學(xué)，盡管目前人類對(duì)地下結(jié)構(gòu)、應(yīng)力積累過程和地震發(fā)生過程的認(rèn)識(shí)程度，還不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的地震預(yù)測(cè)?！澳茄芯康卣鸶墒裁矗俊边@也是社會(huì)上很多人對(duì)于地震工作人員的最大疑問。

張偉告訴記者，地震專家的主要工作是對(duì)地震的孕育、發(fā)生和發(fā)展過程進(jìn)行研究，積累對(duì)地震這個(gè)自然現(xiàn)象更深刻的認(rèn)識(shí)?！霸敿?xì)點(diǎn)說，就是對(duì)地震可能造成的破壞進(jìn)行震前估計(jì)，為建筑物抗震設(shè)計(jì)提供支持；對(duì)地震發(fā)生后的震害進(jìn)行評(píng)估，為抗震救災(zāi)提供科學(xué)援助；利用地震觀測(cè)對(duì)地球進(jìn)行研究?！睆垈ソ忉尩?。

“地震波的傳播是受物理規(guī)律控制的，采用大規(guī)模科學(xué)計(jì)算技術(shù)和復(fù)雜介質(zhì)地震波傳播算法，我們可以重現(xiàn)破壞性地震的地震波傳播過程，也可以預(yù)測(cè)尚未發(fā)生的地震一旦發(fā)生將可能造成的地表強(qiáng)地震動(dòng)情況?！?008年汶川地震后，張偉第一時(shí)間在《中國(guó)科學(xué)》發(fā)表了對(duì)汶川地震強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)模擬和分析的結(jié)果，探討了地形放大效應(yīng)在汶川地震及震區(qū)導(dǎo)致的破壞效應(yīng)，揭示了龍門山地區(qū)劇烈起伏地形和地震斷層破裂過程共同作用導(dǎo)致汶川地震巨大的破壞作用，這對(duì)地震災(zāi)害預(yù)測(cè)及震后救災(zāi)都具有積極的推動(dòng)意義。

“比如，局部地形對(duì)地震災(zāi)害有顯著影響，表明今后在地形起伏劇烈的地區(qū)進(jìn)行建筑地震設(shè)防設(shè)計(jì)和規(guī)劃時(shí)，就應(yīng)該考慮這種地形導(dǎo)致的強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)差異?！?/p>

美國(guó)滑坡領(lǐng)域的專家維梅特教授認(rèn)為，該計(jì)算結(jié)果是唯一能夠解釋汶川地震整個(gè)破裂斷層帶（東北段、西南段）上觀測(cè)到的同震滑坡等地質(zhì)災(zāi)害分布特征的依據(jù)。

模擬發(fā)生過程 助力災(zāi)害預(yù)防

“地震是災(zāi)害，地震波研究卻大有作為。我課題組的研究方向即包括地震波先進(jìn)算法研究，如復(fù)雜地下結(jié)構(gòu)地震波模擬的高性能數(shù)值算法，地震波反演和成像的新方法，也包括應(yīng)用這些算法解決實(shí)際問題?！?/p>

“天然地震的震源無法控制，分布也不均勻，勘探地震的震源具有一定的可控性，可以按照預(yù)先設(shè)計(jì)的采集計(jì)劃實(shí)施，激發(fā)一個(gè)地震波然后通過檢波器陣列接收?！睆垈ソ榻B，“地震是災(zāi)害，但天然地震引起的地震波和人工震源激發(fā)的地震波卻可以用來感知地下的結(jié)構(gòu)?！?/p>

“醫(yī)學(xué)CT是醫(yī)學(xué)層析成像，我們做的是地震波層析成像。它們基于相同的原理，但地震波層析成像具有更大的難度，因?yàn)獒t(yī)學(xué)層析成像的發(fā)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。”張偉盡可能用淺顯的語言向記者解釋著。

“地震波蘊(yùn)含著豐富的震源信息和地下結(jié)構(gòu)信息，寬頻帶地震記錄和高密度地震采集系統(tǒng)為地震學(xué)家獲取地下精細(xì)結(jié)構(gòu)提供了前所未有的機(jī)遇。目前，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都在努力采用先進(jìn)的地震波數(shù)值模擬技術(shù)和反演算法，結(jié)合高性能計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從地震波形上提取準(zhǔn)確的地下結(jié)構(gòu)信息?！?/p>

張偉成功發(fā)展了一種新的起伏地形地震波數(shù)值模擬算法，將基于強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)定量模擬的地震危害性分析應(yīng)用到中國(guó)這種地形起伏情況復(fù)雜的地區(qū)?！斑@項(xiàng)成果用于在地震沒發(fā)生時(shí)定量評(píng)估一旦地震發(fā)生，會(huì)在地表造成什么樣的破壞？在地震動(dòng)強(qiáng)的區(qū)域，可以通過加固建筑和提高抗震標(biāo)準(zhǔn)的方式，來減少地震發(fā)生時(shí)所造成的破壞。目前，我們正在應(yīng)用這種方法研究地形起伏劇烈的川滇地區(qū)的地震危害性?！?/p>

10年前開始的“中國(guó)數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”項(xiàng)目建設(shè)，使我國(guó)形成了由國(guó)家數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)、區(qū)域數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)、火山數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)和流動(dòng)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)組成的新一代中國(guó)數(shù)字地震觀測(cè)系統(tǒng)，記錄了大量的高質(zhì)量寬頻帶數(shù)字地震波形記錄。

“但傳統(tǒng)的三維地下結(jié)構(gòu)反演只利用了地震波的走時(shí)信息，不能反演小尺度地下結(jié)構(gòu)。”張偉介紹，而三維有限頻層析成像充分利用蘊(yùn)含豐富地下結(jié)構(gòu)信息的波形信息，可以獲得地下的精細(xì)結(jié)構(gòu)，可以更準(zhǔn)確地獲得孕震結(jié)構(gòu)背景。

于是基于新的地震波模擬算法，張偉實(shí)現(xiàn)了近年來發(fā)展起來的高分辨能力的三維有限頻層析成像算法，以此可以充分發(fā)掘數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)采集的高質(zhì)量地震波形信息。另外，他還實(shí)現(xiàn)了陸地采集系統(tǒng)全波形反演成像算法，提高了陸地勘探地震波成像的分辨能力和應(yīng)用范圍。

被“忽悠”而入 且越“入”越深

張偉的科研視角務(wù)實(shí)，且始終保持前沿，但沒人知道，他走進(jìn)地震波的研究之門，卻是被“忽悠”的結(jié)果。

就讀于北大地球物理系的張偉，大三面臨專業(yè)細(xì)分時(shí)，因?yàn)橐痪涞厍蛭锢眍I(lǐng)域“上天容易入地難”的老話，本想選擇大氣專業(yè)，但最終他被到宿舍介紹專業(yè)的陳曉非老師成功“忽悠”到地球物理專業(yè)。

當(dāng)時(shí)陳老師對(duì)他說：“‘入地’是難，但地震波卻向人們打開了了解地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一扇大門，這是非常前沿的領(lǐng)域，充滿了機(jī)會(huì)和挑戰(zhàn)，就看你是否具備挑戰(zhàn)科學(xué)奧秘的勇氣?！?/p>

2006年，張偉的博士工作論文在頂級(jí)期刊《國(guó)際地球物理》上發(fā)表，引起了國(guó)際地球物理界的廣泛關(guān)注。歐洲計(jì)算地震學(xué)家Moczo在2014年的地震波數(shù)值模擬專著里，也專門開辟章節(jié)對(duì)該算法進(jìn)行論證。在近10年的研究中，張偉對(duì)于地球物理的探索早已從“被動(dòng)”變成了“發(fā)自內(nèi)心的喜愛和執(zhí)著”，且越“入”越深。

張偉至今都還記得陳老師說的那些話，用地震波一次次敲著地球之門。

2010年，在美國(guó)羅得島大學(xué)進(jìn)行3年的博士后研究后，張偉對(duì)勘探地球物理產(chǎn)生了濃厚的興趣?；貒?guó)前，他一直在美國(guó)GeoTomo LLC 石油地球物理公司研發(fā)中心工作，進(jìn)行了多項(xiàng)前沿地球物理勘探軟件的開發(fā)，之前多年積累的算法得以應(yīng)用，解決了多項(xiàng)石油勘探中遇到的實(shí)際問題。

“地震勘探是石油勘探前期必備的工作，也是地球物理勘探的主流方法。我們可以利用地震波技術(shù)，對(duì)石油地質(zhì)圈閉進(jìn)行準(zhǔn)確成像，然后有的放矢地去打井，這樣將提高勘探成功率，降低打井的成本?！蹦壳?，張偉的團(tuán)隊(duì)和東方地球物理公司、中國(guó)科技大學(xué)一起創(chuàng)立了聯(lián)合研發(fā)中心，進(jìn)行更深入的適合中國(guó)地質(zhì)情況的勘探地球物理技術(shù)研發(fā)。

同時(shí)，頁巖氣的異軍突起不僅改變了美國(guó)國(guó)內(nèi)的能源結(jié)構(gòu)和能源戰(zhàn)略，也影響著世界地緣政治和能源供應(yīng)格局。在我國(guó)，這方面的研究則剛剛起步。目前，張偉的另一項(xiàng)研究重心就是頁巖氣開采過程微地震的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)處理。他們研發(fā)的自動(dòng)處理技術(shù)已經(jīng)可以快速獲得同人工處理精度相似的成像結(jié)果，為水力壓裂操作提供實(shí)時(shí)反饋。