• ISSN 2096-8957
  • CN 10-1702/P

中国地震科学实验场:历史与未来

吴忠良 丁志峰 张晓东 李丽 邵志刚 李营 胡春峰 车时

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中国地震科学实验场:历史与未来

China Seismic Experimental Site: Retrospective and prospective

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-11-06
  • 网络出版日期:  2020-12-29
  • 刊出日期:  2021-03-01

中国地震科学实验场:历史与未来

English Abstract

  • 如同一百个人的心目中有一百个哈姆雷特,一百个地震科学家心中也许会有一百二十个中国地震科学实验场. 本文简要介绍一下经过两年时间,通过很多专家的沟通、讨论、争论、碰撞所形成的关于中国地震科学实验场的一些“共识性”基本概念,在一定意义上,也算是中国地震科学实验场本身的“公共模型”(community model).

    • 1980年,经国务院批准,国家地震局滇西地震预报实验场建立. 2020年,实验场已到不惑之年.

      2018年5月12日,在汶川地震十周年国际研讨会暨第四届大陆地震国际研讨会开幕式上,宣布建设中国地震科学实验场. 由17家单位的19个团队共同编制的《中国地震科学实验场科学设计》于2019年通过专家论证,由中国地震局正式印发,同年公开出版(中国地震科学实验场科学设计编写组,2019);2018年,财政部中国地震科学实验场建设专项(2019~2021年)立项. 实验场在2019年形成了第一代科技产品、召开了相当于实验场第一届年会的实验场学术研讨会,2020年年初评出了2019年实验场突出科技进展( Wu, 2020a; 中国地震科学实验场, 2020),2020年11月,中国地震科学实验场的组织构架基本确定,标志着实验场起步阶段(2018~2020年)的结束和新阶段的开始.

    • 我国在地震科学实验场方面的尝试,还包括新疆地震实验场(1971~1975年)、山西地震预报实验场(1971~1974年)、京津唐张地震实验场(1980~1984年)、华北地震实验场(1982~1986年)等(孙其政和吴书贵,2007). 2014~2017年以滇西地震预报实验场为基础建设的川滇国家地震监测预报实验场,为中国地震科学实验场准备了基础. 大规模的“野外地震科学实验”的概念,至少可以追溯到1966年邢台地震.

      20世纪中叶以来,国际上在地震科学实验场方面开展了持续而曲折的尝试. 著名的实验场至少包括前苏联所建的一系列地震预报实验场(朱传镇,1991)——加尔姆实验场(1955年起)、勘察加实验场(1961年起)、阿拉木图实验场(1966年起)、北天山实验场(1968年起),以及土耳其地震科学实验场(1979~1991年, Evans et al., 1987)、美国帕克菲尔德地震预报实验场(1985~1994年, Bakun and Lindh, 1985; Roeloffs, 2000)、冰岛地震科学实验场(1988~2001年, Stefansson et al., 1998; 2001),还有约于1960年代末开始的印度库耶那水库诱发地震监测预测实验(Gupta, 2001)等. 目前,被美国南加州地震中心(SCEC,https://www.scec.org/)作为天然实验室(natural laboratory)的加州南部,已成为一个卓有成效的地震科学实验场;俄罗斯的勘察加地震预报实验场和日本的东海地震预报实验(Davis and Somerville, 1982; Mogi, 2004)已坚持多年,仍在继续工作.

    • 野外实验始终在地震科学中发挥着不可替代的作用. 但长期以来,测量精准性的限度和连续、重复测量的困难,一直是地震科学野外实验所面临的严重挑战,结果是地震科学相关的野外“实验”中,“实验”两个字总是摘不掉引号的“帽子”. 近年来,这种情况发生了转折性的变化:精准测量开始成为可能、密集观测开始成为可能、连续动态监测开始成为可能、半可控地震过程开始成为可能、在十年尺度上“捕捉”地震并进行“贴近观测”开始成为可能.

      近年来,人工智能技术、分布式光纤地震观测系统、主动震源技术等新的技术(系统)逐步进入地震科技,并形成新的增长点,使基于野外实验基地的系统试验重要性日益凸显. 而从地震科学实验场的传统源流的角度,中国地震科学实验场同时重视两个方面的建设,一个是面向对地震的系统性科学认识的科学实验场(experimental site);另一个是面向新技术应用的野外试验基地(test site).

      近年来,创新驱动发展国家战略全面实施,科技资源供给和人才资源供给状况出现历史性变化,目前中国地震科技的人才、团队的分布,已十分接近欧美的状况. 把“创新型国家”条件下分布于全国各单位、各行业的科技能力转变成“国家地震科技能力”成为中国地震局科研机构的一项战略性任务,因而也是中国地震科学实验场的一项战略性任务. 开放合作成为完成这一战略任务的自然选择. 尽管困难重重,以百折不挠的态度推进中国地震科学实验场的数据共享和数据产品共享,成为一个毋庸置疑的目标. 目前很多系统外的专家、团队以实验场为平台开展活跃的科学研究、学术交流、国际合作、团队建设(中国地震科学实验场,2020),这正是中国地震科学实验场作为一个开放性的地震科技野外实验室的核心价值所在.

    • 川滇地区位于世界“第三极”青藏高原的东缘;邻近“喜马拉雅弧东构造结”;有压缩、剪切、拉张等各类断裂系统;既有板缘地震,也有板内地震. 实验场区范围为从川甘交界到云南南部,即97.5°~105.5°E、21°~32°N范围的国境内区域,范围约78万平方千米. 该地区有龙门山、鲜水河、安宁河、则木河、大凉山、小江、红河、小金河等重要断裂带. 在这个地区曾发生过2008年5月12日汶川8.0级地震、2013年4月20日芦山7.0级地震、2014年8月3日鲁甸6.5级地震等. 从1965年以来的地震活动的经验看,这里每10年约有14次6.0级以上地震,包括3次7.0级以上地震;与这些地震的“短兵相接”,为面向减轻地震灾害风险的地震科学实验提供了难得的“战机”(中国地震科学实验场科学设计编写组,2019). 相关的研究,不仅可以丰富和深化对大陆地震和防震减灾“全链条”科学问题的认识,并以“地震科学野外实验室”形成国际水准的创新平台,而且可以为民生保障、扶贫脱困,特别是川藏/滇藏铁路、重大水利设施、页岩气开采等国家战略工程的地震安全保障提供宝贵的基础科学资料.

      考虑上述这些因素,在实验场的总体设计中,我们吸取专家们的建议,根据国家重大工程的需要,适当调节实验场的边界;在大的实验场区范围内,根据地震活动的情况,安排流动地震科学实验场;在重点聚焦川滇实验场区的同时,考虑天山实验场区、华北实验场区,同时考虑中亚和其他地区的实验场,以进行不同构造区的“协同分布式实验(CDEs, Fraser et al., 2012; Wu et al., 2019)”——事实上,福建省地震局已经明确提出建设“东南沿海地震科学实验场”.

    • 地震科学实验场,在相当意义上是原来的地震预报实验场的继续. 目前的一个重要问题是,面向2035年国家现代化目标和2050年现代化强国目标,比照发达国家的经验,考虑中国自身的特色优势,以科技发展为先导,促进全社会的防震减灾理念,特别是地震预测预报的理念,对标现代化的要求,进行根本性、重塑性的改造.

      目前的地震预测预报业务,事实上早已不是教科书和科普材料中简单的“长中短临”. 在[“长期—中期—短期—震后,大尺度—中尺度—小尺度”]这一“时—空矩阵”中(表1),相应于中尺度、小尺度的各类地震预测问题(而绝不仅限于短临预测方法的检验)都是地震科学实验场的研究议程. 地震科学实验场还要在推进“基于物理的”预测和数值预测方面发挥先导性的前沿探索作用.

      表 1  我国目前地震预测的主要业务及其科技产品(其中带星号的尚不成熟)

      Table 1.  The major professional work and its technological products of earthquake prediction in China (The ones with an asterisk are not yet mature)

      大尺度:全国范围 中尺度:地震危险区 小尺度:地震断层
      十年尺度长期预测 十年尺度地震危险区 地震灾害情景构建﹡
      年尺度中期预测 地震大形势 危险区紧迫程度判定
      年度地震危险区
      近断层密集监测﹡
      周月尺度短期预测 大尺度短期预测﹡ 危险区跟踪监视﹡
      地震前兆效能检验
      可操作地震预测﹡
      震后趋势预测 动态应力触发与
      地震形势影响评估﹡
      地震静态应力触发 地震序列预测
      次生灾害预测﹡

      减灾的“第一原理”是(Madu and Kuei, 2018),灾害风险(Risk,简记为R)取决于3项的乘积(或褶积,或交集):危险性(Hazard,简记为H)、“暴露度”(Exposure,简记为E)、易损性(Vulnerability,简记为V),有时V也表示为易损性减去能力(capacity). 这是思考减轻地震灾害风险的基本点,也是思考地震预报问题的基本点.

      从减灾“第一原理”的角度看(Wu, 2020b),传统意义上的地震预报是用科学的手段识别出短期尺度(数天)的H的增加,然后用组织震前疏散的手段来迅速地减少E,从而使R得到最大限度的降低. 1975年海城地震就是这样的情形. 地震预报实验场的任务,是检验能够导致这样的预测的地震前兆.

      但另一方面,即使在海城地震的这个“经典”案例中,一个不容忽视的情况是基于中期尺度(数月)的H增加,辽宁南部地区针对化工厂等重要的工业设施采取了必要的防震、避震措施(或者说降低了V这一项),从而使地震灾害、特别是严重的次生灾害的风险降到最小. 同时海城地震中仍有千人死亡的情况表明,仅用组织震前疏散的方式来降低E从而降低R,实际上是很不容易把握得很好的方法(在预报能力有限的情形下尤其如此). 而如果说在海城地震的时代这是“没有办法的办法”,那么现在我们已经有条件考虑更好的办法.

      这方面的其他案例,还包括识别出时间尺度可能很长(如数十年到数百年),但空间尺度可能很小(如几十米)的H的增加之后(这正是目前“活断层探测”所做的工作),采用避让的方法减低E,以达到降低R的效果. 针对地震危险区(时间尺度约十年,空间尺度约数百千米),以“大震不倒、中震可修、小震不坏”原则采用建筑加固的方式降低V,也可以有效地降低R. 甚至在地震发生后,H在秒的时间尺度上骤然提升,在这种情况下,依靠地震预警(EEW),也可以高效率地降低E(如关闭燃气)或降低V(如使高铁减速),达到降低R的目的.

      信息化的一个基本原则是,精准的信息与精细化的信息服务之间并不相等. 从防震减灾的角度说,一方面固然要在科学研究上不断提升针对各时空尺度的地震预报的精准性,另一方面,更要在现有的(有限的、但同时是有用的)地震预报能力的基础上,使地震灾害风险达到最大程度的降低.

      现代科技条件下,针对不同时空尺度的地震预测(国际上一般并不将其全部称为“地震预测”,而是有“地震危险性估计”、“与时间相关的地震危险性估计”等多种说法),以及地震序列、地震次生灾害和衍生灾害的监测预测(国际上甚至没有“序列预测”一说,但“地震相互作用”的研究十分深入),尽管仍有相当大的改进空间,都可以、并且正在为防震减灾提供切实的服务. 因此一方面,在继续坚持不懈地支持地震预测预报的基础科学探索的同时,也决不能等到地震预测这一“世界性科学难题”得到完全解决之后再来考虑应对地震灾害的问题;另一方面,从国际经验看,“预测—响应”模式到“情境—预案”模式的转换、减轻灾害损失(DR)到减轻灾害风险(DRR)的转换,已成为自然灾害应急管理的重要经验;与群众关系最密切的,与其说是地震本身,不如说是地震引起的强地面运动和由此造成的灾害.

      地震预报实验场向地震科学实验场的转型因此势在必行. 地震科学实验场既要以“咬定青山不放松”的学术定力,追求地震预测预报这一“挑战科学极限”的伟大目标,同时也完全有条件不断利用自身的成果,为最大限度减轻地震灾害风险,做出应有的贡献.

    • 目前,中国地震科学实验场的创新体系尚在形成之中,在科学研究的深度、数据产品的质量、开放合作的广度、基础建设的水平方面,与国际先进相比还有较大差距,中国地震科学实验场与美国南加州地震中心(SCEC)之间,还有约2~3个五年计划的差距(中国地震科学实验场科学设计编写组,2019);大陆型地震研究的学术优势和防震减灾“全链条”科技问题研究的地域优势尚未充分发挥,实验场对自然灾害防治国家战略的直接贡献还十分有限;实验场还面临着一些特有的体制机制难题,如数据共享难题、成果转化难题、人才建设难题等. 实验场是一个“大科学”性质的系统工程,但目前的组织方式还与这一性质不相适应. 参照历史上的若干实验场的经验教训,实验场的可持续性也是值得认真对待的挑战.

      实验场科技部署的逐步展开、实施的过程和地震活动、地震灾害之间,存在一个“系统对抗”性质的“博弈”问题,“地震总是走在人的前面”的情况、“地震总是在出乎意料的时间和地点发生”的情况,仍是目前地震科技的“常态”. 因此,在实验场的规划和建设中,要树立“与地震博弈”的理念(地震预报发展规划工作组,2010),尽可能降低“东海型”实验(由于1995年的阪神地震)、“帕克菲尔德型”实验(由于1989年的洛马普列塔地震、1992年的兰德斯地震、1999年的赫克托矿地震,特别是2004年发生于实验场宣布结束之后的帕克菲尔德地震)的负面影响的风险;同时,要建立实验场区的强震科学考察预案,以在一些预期的、或超出预期的重要地震发生后,通过有准备的组织协调,取得应有的科学观测实验结果.

    • 以上,简要介绍了经过两年时间、很多专家的讨论形成的关于中国地震科学实验场的一些“公共模型”性质的基本概念. 可以看到这一“公共模型”还是比较粗的. 它的细节,有待进一步丰富. 其中一些概念的细节(如实验场区边界的调整、流动实验场的工作方案,特别是以川滇为先导同时兼顾其他实验场的部署),尚未取得充分的共识.

      当前中国地震科学实验场的核心议程是明确的:一是充分利用新技术发展的条件,试点社会主义市场经济条件下地震预测核心技术攻关的新型举国体制;二是开展人类工业活动诱发、触发地震的研究,服务国家能源战略;三是实地试验提升城乡地震韧性的实际措施,让地震科技更加贴近群众.

      围绕推进地震预测预报研究、服务国家能源战略、提升城乡地震灾害韧性的主题,实验场当前的工作重点,一是以“公共模型”(community model)等为抓手,初步形成地震科技开放合作的示范. 二是以“数值地震预测总体设计”等为切入,初步形成“大科学工程”性质的体系建设的示范. 三是以“人工智能应用”、“光纤地震学”等为重点,初步形成技术成果转化的示范. 更长远的目标,是要以引入其他行业的先进技术为开始,逐步发展地震行业特有的先进技术,重塑地震业务的“技术天际线”. 四是以“项目生态”为试点,初步形成发展中国家地震科技能力建设的示范. 更长远的目标,是要把实验场建成体现中国特色、具有国际影响的地震科技创新平台. 这是一个宏伟的目标,需要坚持不懈的长期努力才能达到.

      致谢

      本文修改自中国地震科学实验场第二届年会大会报告,感谢年会组委会的邀请.

参考文献 (21)

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