应急管理报:在海上给地球深部做CT ——探访福建省地震局陆海联测项目

发布时间:2019-09-12 14:42:32 来源:中国应急管理报
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  宝岛台湾地处太平洋板块、菲律宾板块和欧亚板块相互作用的地区,近年来,台湾地区地震活动频繁。探明该地区周边地质构造和断裂带分布情况,既有利于推进全国“透明地壳”计划重点区域探测工作,又能为我国地震领域相关研究提供重要的数据参考。

  每年,福建省地震局陆海联测项目在休渔期进行。该项目已经初步查明了台湾海峡滨海断裂带的展布情况和构造属性,达到了提高台湾海峡地震定位精度、提升中强地震预警及震害防御能力的目的,为科学认知福建—台湾海峡陆海过渡带深部结构、滨海断裂带构造特征与地震危险性奠定了重要基础,也为国家“透明地壳”科学计划的实施提供了福建经验和样本。

  “火眼金睛”看地壳

  地震是地球内部应力作用的结果,了解地壳结构和地下应力变化,有助于我们探究地震孕育发生的规律。

  摸清地下构造也有助于为地球动力学研究、地震物理过程研究、城市防震减灾工作及矿产资源探查工作提供强有力的科技支撑。

  近年来,福建省地震局为深入研究闽台两岸及台湾海峡深部孕震环境,开展了“福建及台湾海峡深部构造陆海联测”实验。

  2012年,福建省地震局开始实施“台湾海峡西部地壳深部结构探测”项目,按照“总体规划、分期实施”的原则,计划每个年度完成2条到3条剖面的探测工作,逐年对台湾海峡西部开展系统、高分辨率的深部地震探测。

  福建省地震局局长金星介绍,“透明地壳”计划就是要开展对地下结构的探查,特别是要搞清主要地震带的深浅结构和断层活动习性。

  “这就好比给地球深部做CT、拍片子。从前我们观察的海底地壳都是二维的,如今,我们通过技术手段,让海底地壳能够以三维的形态呈现在我们面前,进而从中寻找地震孕育发生的规律,为下一步解剖地震做铺垫。把海上潜在的震源查清楚,评估危险源及未来发生地震的危险性后,在这个基础上,布设海洋观测台网,进行海上地震监测。”金星说。

  这个CT片子怎么拍?福建地震灾害预防中心总工程师蔡辉腾解释,地震波通过震源产生后,在地球内部进行传播并被地表观测仪器接收。这些地震波携带了大量物理信息,经过科学解析这些信息,能得到地球内部结构的三维影像图,在此基础上,科学家们就可以深入开展地球物理科学研究工作。

  福建省地震局开展的陆海联测实验,从技术层面上来说就是运用人工震源开展地壳尺度的地震探测。其科学目标是为了探明福建及台湾海峡西侧地壳结构和莫霍面的几何形态,查明福建沿海的滨海断裂带台湾海峡段和长乐—诏安断裂带的展布情况、构造属性和发震能力。

  为此,福建省地震局在2013年自主研发了我国地震系统第一套船载式气枪震源系统。2014年,福建省地震局建设了我国第一套移动式水库气枪震源系统。

  近年来,通过在福建及台湾海峡开展的陆海联测实验,福建省地震局充分证明了移动式水库气枪震源替代人工爆破作为陆域人工震源的可行性和船载式气枪震源系统作为海域深部探测震源的可靠性,充分检验了这两套大型人工震源装备系统设计的科学合理性和运行的安全稳定性。

  蔡辉腾表示,传统的人工地震都是通过人工打井,之后再进行TNT填埋爆破,从而达到模拟地震的效果。

  “这种模拟非常不环保,而且TNT的当量要适中,过大过小都不合适。还有一个难题就是无法对一个炸点进行重复实验。爆炸后整个土层会崩塌,即使重新钻井进行一样当量的爆破,其实验数据也不一样。现在,人工气枪震源由移动式的集装箱模块和可拆卸的水上浮台组成,具有绿色环保、高度可控、可重复、定位精度高、实施高效便捷的特点。”蔡辉腾说。

  绿色人工地震

  今年,福建及台湾海峡地壳深部构造海陆联合探测工作的陆地激发点位于福建省漳州市的南一水库。

  进入库区,记者远远地看见了几个巨大的集装箱。工作人员介绍,这些集装箱正是福建省地震局建设的移动式水库气枪震源系统,之所以设计成模块化集装箱式,是为了方便移动。

  福建地震灾害预防中心陆上震源组组长陈为伟告诉记者,水库气枪震源系统的工作原理是将动力舱提供的高压气体储存在气枪中,当气枪中的高压气体瞬间释放后,会产生膨胀收缩的气泡,形成地震波,每3分钟就可以产生一个人工地震。附近的地震监测台就可以收集数据了。

  “福建水库多,多数大型水库我们都做过实验。今年陆海联测第一阶段工作,主要是在南一水库利用气枪开展相关实验。”福建地震灾害预防中心主任王善雄说。

  在南一水库库区中央的移动浮台上,吊装着用于产生地震波的大容量气枪阵列。工作人员每天上下浮台,对气枪进行吊装。

  王善雄告诉记者:“因为气枪长期泡在水中容易生锈,这样既会影响科研工作,也会造成经济损失。所以,我们在工作时,要把气枪放入水中,工作完成时,再将其升出水面。每次吊装需要半个小时左右,我们两两协同,并对平台上的各种仪器进行检查。”

  对于在南一水库工作的人员来说,为了保证完成工作任务,他们每天需要在6点之前吃完早饭来到库区,对整个作业系统进行检测和吊装。

  王善雄说:“南一水库距离城区较远,我们会租用水库附近的一些民房来住。夏天,由于水面反射等原因,库区温度十分高,工作很辛苦,但大家毫无怨言。”

  记者了解到,在福建省地震局,像这样的一线科研人员有很多,他们每年在野外作业达260多天。

  海上的震源船

  2013年,福建省地震局与福建海洋研究所合作,通过自主设计,对“延平2号”科考船进行了改造。科考船摇身一变,成了一艘震源船。

  目前,该船已进行了4000多千米、近2万次走航式激发和35个固定点、近5000次固定式激发,实现了对科研探测区深部地壳结构及浅部精细结构的有效探测。

  前不久,经过22名工作人员的努力,“延平2号”震源船按计划完成了海峡6.2级地震震源区地壳深部固定点及OBS测线的走航式激发探测。

  “想起2013年我们第一次出海的场景,真是记忆犹新。当船还在厦门湾时,工作人员都是活蹦乱跳的,等船开到了外海,大家一下子都傻眼了,晕船晕到天昏地暗。每一顿饭吃什么,工作时就能吐什么。”“延平2号”震源船震源组副组长刘善虎向记者讲述了他们第一次登船出海的经历。

  事实上,刘善虎和同事每一次出海都有新的情况要应对。

  “我们第一次出海都会晕船。可即便如此,为了拿到一手数据,大家也都坚持了下来。”刘善虎说。

  不仅是工作人员的努力,一些先进技术也发挥了作用。福建省地震局建设的第一套船载式气枪震源系统就被应用在了“延平2号”震源船上。

  该系统利用强震检控装备,有效解决了震源激发精度的控制问题,具有集成化程度高、震源精度控制水平高等特点,可以满足在江河湖海等不同水域进行走航式和固定点式激发作业的需求。

  刘善虎解释,船载气枪的原理同水库气枪一样,也是通过向水体打气泡,制造出地震波,再通过水下及陆上流动地仪接收地下界面反射或折射的地震波,进行深地壳速度结构成像,最终完成对海洋地壳结构的探查。

  不过,“延平2号”震源船上的技术人员谢志招告诉记者,船上的水下气枪震源系统和陆地上的震源系统是有差异的。

  “陆地上的震源系统是4支气枪,而我们海上的震源系统是6支。之所以这样设计,是因为海面上的情况更加复杂,6支气枪可以有效缓解环境带来的干扰。而且,不仅是数量问题,水下气枪的深度也是不同的,这些都是我们通过一次次数据实验做出的科学设计。”谢志招说。

  气枪的改进只是福建省地震局众多创新工作的一个体现,类似拥有自主知识产权的科技应用,在“延平2号”震源船上还有许多,未来这些技术还将被用于更多的探测试验中。

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