地震是人類的災(zāi)難。但同時,地震又是一盞明燈,照亮了地球內(nèi)部,為我們了解地球,提供了迄今最為重要的一條途徑———
汶川大地震的發(fā)生讓我們思考很多問題:為什么地震預(yù)報這么難?對于人類自身居住的這個星球,我們究竟了解了多少?現(xiàn)有的知識和科技手段,能在哪些方面指導(dǎo)我們的生產(chǎn)和生活?帶著問題,記者分別采訪了中科院地質(zhì)與地球物理研究所的滕吉文院士和中科院研究生院地球科學(xué)學(xué)院的魏東平教授。
滕吉文說,隨著當代社會需求和科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,地球物理學(xué)已處在一個新的起點上,面臨著比以往任何時候都更富于挑戰(zhàn)性的局面,同時也展現(xiàn)出前所未有的發(fā)現(xiàn)和突破的機會。早在遠古時期,人類就試圖探索地球形成和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的奧秘。如今,更有必要去探索地球內(nèi)部物質(zhì)與能量交換和其深層物理—力學(xué)過程和動力學(xué)響應(yīng),用來為人類服務(wù)。
上天不易入地更難,難在方法和手段
地震預(yù)測是一個全球性的科學(xué)難題。其難有三,地殼深部的不可入性是三難之一。
“上天不易入地更難”,人類已經(jīng)觀測到萬億光年遠的宇宙深處,在航空航天研究方面也取得顯著成就,但與之對應(yīng)的“入地”卻相對滯后。“入地”研究難就難在方法和手段。
滕吉文介紹說,深井鉆探是直接檢取深部介質(zhì)結(jié)構(gòu)和災(zāi)害背景的唯一手段,但在開鉆前又必須進行詳細的深部地球物理探測。自20世紀70年代以來,世界上約有14個國家提出了大陸科學(xué)鉆探計劃。由于堅硬的地殼巖石阻隔,目前世界上最深的鉆井位于北極附近的科拉半島,已鉆到12.26公里。我國在東海地區(qū)打過一個5公里左右的井,在塔里木盆地為了鉆探石油打過一個8.04公里的井。而一般情況下的淺源地震,震源深度基本都大于10公里。
地震的孕育、發(fā)生和發(fā)展是由于震源深處介質(zhì)受力作用下的破裂反應(yīng),一開始是很小的破裂,叫做“微破裂”,待應(yīng)力不斷積累,破裂不斷發(fā)展,在深部形成一條“破裂鏈”時,能量就會向周邊輻射,沖擊地表形成地震。
由于人類無法預(yù)先知道震源的準確位置,即使使用目前已經(jīng)掌握的鉆孔技術(shù),在那些事先判斷最有可能發(fā)生地震的地區(qū),或者地震活動帶上,鉆一口10公里左右深度的鉆井,在井中放上高靈敏度、抗干擾的儀器探頭來進行觀察,如果這個井不在震源附近,震源處發(fā)生的“微破裂”跡象,也很難被直接捕捉到。
滕吉文說,目前,我們了解地球深部主要借助地震波、電磁波場、重力場和地磁場,但各種觀測都是間接的。迄今為止,人類對地球內(nèi)部有較精確認識的,僅限于地面以下30—40公里處的地表,而地球半徑達6370公里。所以為了深化認識地球本體及其深部動力過程,我們還有很長的路要走。
以地震研究為例,包括人工源地震和天然源地震,主要是幫助我們了解地球內(nèi)部的速度結(jié)構(gòu)性質(zhì)。人工源地震一般不深,在100公里之內(nèi),但精度較高,天然地震可以到達地核的深度,但精度不高。利用地面相對重力值,通過模型反演,就可以求得地球內(nèi)部的密度結(jié)構(gòu)、構(gòu)造運動等,F(xiàn)在國際上利用重力梯度儀,可以在空中進行觀測,我國當前還沒有這樣的儀器,但已在研究。
觀測臺網(wǎng)的數(shù)量、記錄的技術(shù)水平以及動態(tài)范圍,標志著一個國家地球物理學(xué)發(fā)展水平。目前,全球數(shù)字地震臺網(wǎng)布局已初步完善與實施。定位系統(tǒng)(GPS)、人衛(wèi)激光測量(SLR)、甚長基線干涉儀測量(VLBI)、精密重力測量和干涉合成孔徑雷達(INSAR)觀測網(wǎng)已初見成效。近20年來,宇航觀測、大氣層中的航空測量、地表觀測以及深入地下數(shù)十公里的觀測系統(tǒng),采集了大量的高精度信息。
地球物理學(xué)是認識地球的重要途徑
地震,特別是巨大地震,對人類是一場災(zāi)難,會使無數(shù)家庭家破人亡。但同時,“地震又是一盞明燈,照亮了地球內(nèi)部,為我們了解地球,提供了迄今最為重要的一條途徑!蔽簴|平引用了俄羅斯已故地震學(xué)家伽里金關(guān)于地震的一段說法。
據(jù)魏東平介紹,地球物理學(xué)是地球科學(xué)研究領(lǐng)域的一個分支,主要包括空間物理學(xué)與固體地球物理學(xué)兩方面內(nèi)容。其中固體地球物理學(xué)的研究包括地震學(xué)、地磁學(xué)、地電學(xué)、地熱學(xué)等多個分支。從寬泛意義上講,地震學(xué)、地磁學(xué)和重力學(xué)就像是支撐固體地球物理學(xué)的三腳架,是我們認識地球本體、地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其動力過程等極為重要的途徑。
地震學(xué)主要研究震源機理和地球內(nèi)部介質(zhì)的分布與運動規(guī)律。自1906年舊金山大地震之后,地震學(xué)家關(guān)于地震震源的認識一直在不斷深化,從最初的“彈性回跳學(xué)說”,發(fā)展到現(xiàn)在的二維及三維斷層模式等;而關(guān)于地球內(nèi)部介質(zhì)及其動力過程,包括地球內(nèi)部介質(zhì)的分層、衰減、不均勻性、各向異性等方面的研究,通過對于地震波相關(guān)震相的研究,科學(xué)家們的認識也同步深化。同時,利用地震學(xué)的方法,科學(xué)家們可以尋找埋藏于地球淺層的資源與礦藏,在城市尋找地下管線,對重要建筑工程等進行安全評估等。此外,地震學(xué)還是各國進行核爆監(jiān)測的最重要手段。
地磁學(xué)主要研究地磁場的時空分布及變化規(guī)律、地磁場起源等。地磁場的主要部分來自于地球內(nèi)部,構(gòu)成了地球磁場的基本部分。地球表面的某些區(qū)域存在比較對稱的地磁條帶現(xiàn)象,是海底擴張與板塊構(gòu)造學(xué)說的重要依據(jù)。地球磁場的起源問題需要科學(xué)家們在整個21世紀予以特別關(guān)注。
重力學(xué)在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域和軍事研究方面都非常重要。地球內(nèi)部不同深度的結(jié)構(gòu)分布,會在重力波長上反應(yīng)出來,金屬礦藏、地下水、石油等物質(zhì)分布會造成地表淺層的重力異常。因此,重力勘探也是我們尋找各種資源與礦藏的重要手段。在軍事方面,例如巡航導(dǎo)彈制導(dǎo)中的高精定位技術(shù),必須利用到地球表面重力場的精細空間分布信息等等。
“我現(xiàn)在所在的學(xué)院叫做地球科學(xué)學(xué)院,涉及的相關(guān)一級學(xué)科,除了地球物理,還有地質(zhì)學(xué)、大氣科學(xué)、海洋科學(xué)、地質(zhì)資源與地質(zhì)工程、測繪科學(xué)與技術(shù)及土木工程六個方面,而我們學(xué)校的資源與環(huán)境學(xué)院,涉及的一級學(xué)科包括地理學(xué)、環(huán)境科學(xué)與工程等等。所有這些不同的學(xué)科組合,構(gòu)成了我們一般意義上所稱的地球科學(xué)!蔽簴|平說。
認識取決于目的
人們對地球的探索與認識地球的目的密切相關(guān)。滕吉文介紹,在20世紀的百年里,地球科學(xué)研究的最主要目的是向地球索取各種自然資源。20世紀中葉前后,一系列地球物理勘探方法相繼問世,特別是電法勘探、地震勘探、重力勘探、磁法勘探、地熱勘探和放射性勘探等,為人類找到了大量的金屬、非金屬礦產(chǎn)和石油、天然氣、煤、煤成氣及地熱等能源。資源與能源的勘查、開采與利用,對全球各國的科學(xué)進步、社會與經(jīng)濟的發(fā)展均做出了重要貢獻。
如在重大工程建設(shè)方面,長江三峽水庫及黃河小浪底電站的壩址選擇、基巖體評價、堤壩隱患的勘察、治理等,地球物理研究發(fā)揮著基礎(chǔ)性作用。此外還為陸地和水下隧道的開挖,地下國防工程建設(shè)提供技術(shù)保障。在核爆炸與核污染監(jiān)測,文物、古墓的勘查等方面,地球物理學(xué)均提供了必要的理論方法和技術(shù)手段。
21世紀以來,由于資源的過度開發(fā)和自然環(huán)境的嚴重破壞,各種人為的自然災(zāi)害也變得頻繁。地球科學(xué)研究的目的轉(zhuǎn)向合理開發(fā)和利用自然資源、環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)害防御等方面。在環(huán)境污染的監(jiān)測方面,地震預(yù)測同樣是現(xiàn)代科學(xué)中最困難而又最為迫切需要解決的問題之一。
滕吉文在他的《巖石圈物理學(xué)》中指出,地球科學(xué)的最終目標,是了解地球本體和其他行星從太陽系中誕生到它目前狀態(tài)的演化,以便能了解地球的物理、化學(xué)、地質(zhì)和生物學(xué)作用,并能對未來發(fā)展進行預(yù)測,指導(dǎo)我們的生產(chǎn)生活。
不應(yīng)放棄地震預(yù)測研究
滕吉文認為,我國位于世界兩大地震帶之間,是一個地震災(zāi)害嚴重的國家。不同地區(qū)對建筑的抗震要求是不同的,放棄對地震預(yù)測的研究,而轉(zhuǎn)向加強建筑抗震能力、加固道路橋梁既不符合國情,也缺乏可操作性。我們要找出難點所在,不斷深化認識,最終攻克這個“堡壘”。
魏東平也認為,我們要在不放棄地震預(yù)測這一基本問題的同時,在全國范圍內(nèi),特別是在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū),更全面、更細化地進行地震烈度區(qū)劃,依據(jù)給定的地震烈度區(qū)劃,對于不同地區(qū),按照相應(yīng)的抗震要求進行建筑設(shè)計,以加強建筑的抗震能力,同時對現(xiàn)有的道路橋梁及重要工程,依照輕重緩急,進行抗震加固,在我們目前的國力條件下,具有一定的可操作性。
“如果不能透過地球表面,觸摸到地球內(nèi)部的‘脈搏’,那我們在地震研究方面始終是缺乏根基的。”滕吉文說,解決地震預(yù)測的難題,必須進一步了解我們的星球。我們的方向是在地球內(nèi)部,深化對地球本體的認識。研究地球內(nèi)部圈層精細結(jié)構(gòu),物質(zhì)一能量的交換、耦合、響應(yīng)及其深層動力過程。我們的目標是要建立起深部物質(zhì)運移、板塊運動和力源機制及新的地球動力學(xué)模型,為資源、災(zāi)害、環(huán)境和全球變化提供地球深層物質(zhì)運動的要素,實現(xiàn)對其潛在前景進行預(yù)測,造福全人類。(常麗君)
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