• ISSN 2096-8957
  • CN 10-1702/P

中国地震科学实验场:认识与实践

吴忠良 王龙 车时 李丽 张晓东 邵志刚 丁志峰 李营 刘桂萍

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中国地震科学实验场:认识与实践

    作者简介: 吴忠良(1963-),男,研究员,博士生导师,主要从事地震学与地震监测预测研究. E-mail: wuzl@cea-igp.ac.cn.
    通讯作者: 吴忠良, wuzl@cea-igp.ac.cn
  • 中图分类号: P315

China Seismic Experimental Site (CSES): Planning and test

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出版历程
  • 收稿日期:  2021-03-08
  • 网络出版日期:  2021-04-01
  • 刊出日期:  2021-05-01

中国地震科学实验场:认识与实践

    通讯作者: 吴忠良, wuzl@cea-igp.ac.cn
    作者简介: 吴忠良(1963-),男,研究员,博士生导师,主要从事地震学与地震监测预测研究. E-mail: wuzl@cea-igp.ac.cn

English Abstract

  • 中国地震科学实验场提出的国家重大科技基础设施建议被列入《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》,不仅是实验场的一件大事,也是中国地震科技的一件大事. 这一重大进展,是中国地震科学界近半个世纪的思考与尝试的结果.

    如同加速器等重大科技基础设施,除关注与这些设施有关的科学问题、工程问题、管理问题之外,也需要从社会学、人类学视角把设施作为一个研究对象进行考察(Traweek, 1988), 并从各个角度开展研究. 中国地震科学实验场在其总体设计中,一直把可持续发展作为一个重要的研究议程. 为服务于这方面的研究,本文将本世纪围绕中国地震科学实验场的认识与实践的历史做一个简要的梳理.

    • 本世纪初以来,中国地震科学实验场经历了大约三个五年计划的讨论、计划、准备、试验. 2004年8月,中国地震局组织完成了《地震监测预报实验场(EPF)建设项目可行性研究报告》(中国地震局,2004),建议利用地球物理、地震地质、大地测量和地球化学等观测技术,建设首都圈、川滇、天山地震监测预报实验场. 2005年4月,中国地震局组织完成了《中国地震监测预报试验场项目建议书》(中国地震局,2005),落实国务院“选择地震多发地区及首都圈地区建设地震监测预报试验场,加强地震预报科学研究”的要求,建议在首都圈和川滇地区建立地震监测预报实验场. 2006年3月,中国地震局修改完善《中国地震监测预报实验场》项目建议书,建议在“十五”计划“中国数字地震观测网络”的监测系统的基础上,在首都圈和川滇地区建设立体化、近震源、高分辨率的观测体系,发展新的观测技术,建立地震预测和预警系统. 2007年12月,中国地震局组织完成了《国家“十一五”重点建设项目“国家地震安全工程”——国家地震预报实验场建设项目建议书代可行性研究报告》(中国地震局,2007),报送至国家发展改革委,建议在首都圈和川滇地区建设地震监测预报实验场,在“中国地震背景场探测工程”产出的基础上,充分利用国家地震专业基础设施的建设成果,结合实验场区的实际情况,详细查明实验场孕震精细构造背景,建设多学科综合立体观测系统,建设开放的地震综合预报实验平台,提高短临地震预测的科学性.

      实验场的计划因汶川地震中断了一年,汶川地震则进一步表明建设实验场是重要而紧迫的. 2009年6月,中国地震局组织完成了《地震预报实验场项目建议书预研报告》(中国地震局,2009),总结地震预测预报研究和地震预报实验场的发展状况和动态,梳理地震预报实验场的科学思路与科学目标,分析了实验场项目的可行性和总体设计方案,提出了在南北地震带南段建设实验场的设计思路建议. 2010年6月中国地震局组织完成了《国家地震预报实验场建设项目建议书》(中国地震局,2010),建议在首都圈和川滇地区建设地震监测预报实验场,突出新观测技术的实验与应用. 2011年12月,《国家地震预报实验场建设项目建议书(征求意见稿)》修订完成,提出基于已有国家地震观测探测工程的建设成果,通过新建各类观测系统形成近场与区域相结合、疏密相间的多学科动态立体观测系统,并配套建设国家实验场中心、若干实验场基地、数据交换平台等基础设施. 2012年12月,中国地震局组织完成了《国家地震预报实验场项目建议书》(中国地震局,2012),建议建设由首都圈地震预报实验场、川滇地震预报实验场和国家地震预报实验场中心三部分组成的实验场.

      上述实验场计划虽均未完成立项工作,但经过长期的研究论证,关于实验场建设的科学目标、组织思路和运行机制逐步明确.

      如果说长期积累至关重要,那么对这些积累的用心收集至少同等重要. 难能可贵的是,上述计划的全部材料,中国地震局科技与国际合作司一直在系统收集,为中国地震科学实验场设计及其重大科技基础设施建议提供了丰富资料.

    • 2014年至2018年建设运行的川滇国家地震监测预报实验场,为中国地震科学实验场的建设积累了宝贵的组织经验和良好的实践基础,其根据地震活动情况和地质构造情况所确定的实验场基本范围,一直沿用至今.

      2013年8月,中国地震局组织以“国家地震预报实验场中心”名义编写了《川滇地震预报实验场发展规划》,提出在川滇地区建立地震预报实验场,针对特定部位的地震构造特征与动力学环境规划若干重点实验区,建设形成深部、地表至近地空间的立体实验观测系统,开展预测预报新方法理论研究和应用,为地震预报特别是短临预报实践提供支撑.

      川滇国家地震预报实验场计划于2014年10月正式启动,相继成立了管理委员会、专家组,以及实验场国家中心和四川、云南分中心. 2015年5月,实验场国家中心编制了《川滇国家地震预报实验场2015-2017年科学发展规划》.

      2015年至2016年,实验场更名为“川滇国家地震监测预报实验场”. 2016年5月,中国地震局组织跨系统的专家团队编写了《川滇国家地震监测预报实验场科技发展顶层设计(初稿)》,借鉴了美国南加州地震中心(SCEC)的经验,并最终形成了《川滇国家地震监测预报实验场科学设计》(中国地震局,2017).

      川滇国家地震监测预报实验场开展了一系列工作,累计投入研究经费2700万元,支持地震成因机理、地震监测预报方法试验研究和实践检验,同时开展了超导重力观测、水泡人工震源等高新技术应用试验,构建了川滇地区公共速度模型、地震动力学概率预测等模型.

      2017年末,川滇国家地震监测预报实验场开始向地震科学实验场转型. 2018年5月,“中国地震科学实验场”的名称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上宣布,并初步确立了“从地震破裂过程到工程结构响应”全链条研究的方向. 在启动之后2019年至2020年的试运行阶段,在基础研究方面,中国地震局所属的5个中央级公益性科研机构签署了基本科研业务费专项实验场联合专项协议,保障实验场的科研工作投入(每年约1000万元),并为数据共享提供支持. 在科学数据和数据产品方面,实验场在地震系统内外试点挂牌了4个分布式数据中心,通过同行评议推出了第一代科技产品示范(中国地震科学实验场,2020). 在防震减灾业务支撑方面,实验场制定了地震危险区动态强化跟踪方案和地震科学考察工作预案,组织开展了2019年四川长宁6.0级地震、2020年新疆伽师6.4级地震、于田6.4级地震的应急响应与科学考察工作. 在开放合作方面,由地震系统内外19个研究团队联合编制的《中国地震科学实验场科学设计》正式出版(中国地震科学实验场科学设计编写组,2019);北京大学以实验场为创新平台,成功申报国家自然科学基金创新研究群体项目;中国科学技术大学与中国地震局合作,以实验场为平台推出了世界上第一个人工智能地震监测系统;实验场还召开了两届年会,举办、参加了多次国际性学术研讨会,并帮助进行了阿尔及利亚地震科学实验场的设计. 在条件建设方面,实验场成功申报财政部“中国地震科学实验场2019~2021年专项”,获得经费支持3700余万元,该项目2019年度在财政部重点项目绩效评价中为“优”.

    • 川滇国家地震监测预报实验场、中国地震科学实验场在设计和试运行过程中,借鉴了美国南加州地震中心(SCEC,https://www.scec.org/)的经验. SCEC以美国加州南部(面积约为中国地震科学实验场的1/4)为天然研究区,已事实上发展建立了一个卓有成效的“地震科学实验场”,开展汇集南加州和其他地区的地震数据,整合基于物理解释和综合性的地震调查信息,加强社会公众对地震知识的了解以减轻地震灾害风险等方面的工作. 自其1991年成立以来,科学议程已经历了5个阶段,分别是:第一阶段(1991~2002年),基于加州1992年、1994年、1999年三次强震的科学总结,提出了“主体模型”;第二阶段(2002~2007年),通过观测建立了公共断层模型、公共变形模型等若干基础模型,并开始开发加州统一地震破裂预测(UCERF)和地震模拟系统(Cyber Shake)等两个主要产品;第三阶段(2007~2012年),在统一速度模型等基础上,实现了基于真实震源物理的强地面运动数值模拟,并基于地震情景构建来分析地震灾害风险,给出防震减灾规划建议;第四阶段(2012~2017年),向社会发布基于物理模型的强震概率预测结果(UCERF 3),基于破裂模型和强地面运动算法,给出高频强地面运动,同时研究强震的“级联破裂”问题;第五阶段(2017~2022年),基于前期的工作积累和科学认识,在重点科学议题中增加了地震预警系统(EEWS)和诱发地震等,并将研究区域扩展到加州北部地区.

      在调研SCEC运行情况时,我们注意到其与我国地震科学实验场的不同. 美国南加州地区的地震科学观测实验,绝大部分并不是由SCEC直接组织,SCEC主要发挥了综合的作用. 此外,美国地震学联合研究会(IRIS,成立于1984年)作为国际地震数据共享服务的主要机构,对SCEC主导科学研究的地震观测数据共享服务提供了强大支持. 在建设、运维、服务等主体上,SCEC模式与中国地震科学实验场存在显著区别. 但无论如何,SCEC之所以能够在地震研究方面引领发展,一是其紧紧抓住地震和地震灾害的关键物理问题,围绕这些关键问题组织研究工作;二是充分利用了南加州这一“天然地震实验室”和“技术密集、观测密集、数据密集”的独特优势;三是长达30年之久的不懈努力. 这种“坚持”与有计划的科学探索非常值得我们研究借鉴.

      上世纪70年代开始,我国就进行了地震实验场建设的尝试,包括1971~1975年的新疆地震实验场、1971~1974年的山西地震预报实验场、1980~1984年的京津唐张地震实验场、1982~1986年的华北地震实验场,特别是1980年以来的滇西地震预报实验场等(孙其政和吴书贵,2007). 之后凡是提出地震实验场的计划,有关部门和专家都希望我们认真研究以往的这些实验场的“教训”,也就是这些实验场为什么“没有坚持下来”.

      总结这种“教训”似乎很容易. 在中国地震科学实验场计划的调研中,我们没有简单地重述已有的结论,而是坚持“从头”调研、认真分析. 我们向参加过实验场工作的老领导、老专家了解情况,得到了他们的热情鼓励和大力支持. 老一辈地震科技工作者的认真程度让我们深受感动. 调研结果也确实让我们注意到原来认识的一个“盲点”——历史上的实验场都有自己明确的科学目标,一些实验场(例如新疆实验场)不再继续,其实是已经完成了实验场的目标. 应该说,在条件有限的情况下提出明确的科学目标,并努力实现了这些目标,是过去历代实验场建设中非常值得学习的经验. 在当前建设新时代、新技术条件下的中国地震科学实验场,明确科学目标和工程目标正是必须面对和解决的突出问题. 调研还发现,这些历史实验场存在资料、档案、文件的管理不到位的问题,这给研究这些实验场造成很大的困难. 中国地震科学实验场必须汲取这一教训,从开始就要特别强调加强这方面的工作.

    • 推进地震预测研究始终是中国地震科学实验场的重要科学议程(吴忠良等,2021). 地震预测是一个世界性科学难题,“地球内部的不可入性、大地震的非频发性、地震孕育发生过程的复杂性”对我们认识地震造成了巨大障碍. 但是这些障碍是客观存在,仿佛愚公面对的太行、王屋二山,随着科技的进步,困难并没有增加,而我们克服这些困难的认识、方法、工具、成果,却在不断地、迅速地增加,我们对这些困难的了解在不断地深化,我们的地震科技人才队伍也在不断地成长壮大. 建设中国地震科学实验场的一个重要目的,就是要充分利用近年来创新驱动发展国家战略所取得的这些丰硕成果,在新的科技条件和社会条件下,推进建立地震预测核心科学技术攻关的“新型举国体制”.

      应该说,在从川滇国家地震监测预报实验场向中国地震科学实验场转型的过程中,关于地震预测是否继续作为实验场的核心科学议程,是存在争论的. 不过目前至少从管理层面,中国地震局已经明确把地震预测作为中国地震科学实验场的核心科学议程之一,这是今后在梳理相关思想发展历史时值得记下的一笔.

      “遇不上”地震,或者说在设计的时间窗口、空间范围内“遇不上”地震,是历史上国内外地震实验场面临的一个突出问题. 一定意义上,本来是面向短临地震预测开展科学假说检验的实验场,其不能取得应有效果的原因,是受到中长期地震预测的能力限度和对这种限度估计的影响(地震预报发展规划工作组,2010). 现在,这种情况出现了重要的变化. 近年来,中长期地震预测已接近全面完成从经验统计预测向物理预测的历史性转变. 地处川滇地区的实验场,肩负两个重要的科学问题,一是搞清楚从板块边界作用到具体断层的应力传递的“最后一公里”问题,二是依靠新的技术手段,实现从经验统计预测到物理预测转变的“最后一公里”. 值得注意的是,实验场中川滇菱形地块的东边界,具有震源机制相近的不同断层分段,且这些分段同时处于地震循环的不同阶段,这个特点给我们提供了一个难得的甚至独特的研究条件,即我们可以像天文学中通过研究不同年龄段的恒星来勾画出恒星的生命史那样,通过对这一巨大构造体系的统一的系统的研究,来实现地震研究中“空间换时间”的战略. 还需注意的一个概念性问题是,地震学中的中长期预测,与物理学中的中长期预测并不是同一个概念,动力系统的非线性所排除的通常是后一种中长期预测的可能性. 这两个“预测”概念的混淆,是世纪之交一些专家提出“地震不能预测”论断的一个重要的理论基础. 然而现在清楚的是,这个基础是不成立的.

      如果说中长期地震预测的研究在实验场中要实现上述两个“最后一公里”的目标,那么在短临地震预测方面,我们要努力走出从经验统计预测向物理预测转变的“最初一公里”,在统一模型指导下进行各类疑似前兆异常的综合分析.

      关于地震数值预测,它是什么、怎么做、怎么用,是迄今为止并不十分清晰的问题. 地震数值预测既然涉及高性能计算,既然涉及实验场的公共模型,那表明这个领域需要不同部门、不同专业、不同代际的专家的持续合作. 所以,在实验场形成一个地震数值预测总体设计,并不断修订发展就显得至关重要.

    • 国家高度重视防震减灾事业的发展,仅从“九五”开始至今,就通过一系列重大基本建设项目、国家重大科技基础设施项目,对我国地震科技基础条件建设给予了强有力的支持,主要包括(但不限于):“九五”期间的中国数字地震观测系统建设和地震前兆台站(网)技术改造项目,投资0.6亿元;中国地壳运动观测网络项目,投资1.4亿元;首都圈防震减灾示范区系统工程项目,投资2.5亿元;“十五”期间的中国数字地震观测网络工程项目,投资22.8亿元;国家紧急救援训练基地项目,投资2.1亿元;“十一五”期间的中国大陆构造环境监测网络项目,投资5.2亿元;“十二五”期间的中国地震背景场探测项目,投资4.2亿元;国家地震社会服务工程项目,投资3.6亿元;“十三五”期间的国家地震烈度速报与预警工程项目,投资18.7亿元. 这些重大工程所形成的地震观测实验能力,成为中国地震科学实验场建设的坚实基础,也同时提供了重大项目的实施和管理经验. 如果说这些前期投入已经造就了中国地震科技的“青藏高原”,那么中国地震科学实验场就要在这些前期工作的基础上,百尺竿头更进一步,成为中国地震科技的“珠穆朗玛峰”.

      作为国家重大科技基础设施列入国家规划,使得中国地震科学实验场进入新的发展阶段. 实验场区面积约78万平方千米,近20年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级地震等重大地震灾害. 该区域除城乡防震减灾需求外,还有川藏、滇藏铁路、大型水库、能源开采输送等国家重大工程的地震安全需求. 在这里建设实验场,就是要面向“地震预测、国家工程、城市韧性”和“链生灾害”等四大目标,以预测的“红线”贯穿减轻地震灾害风险的“全链条”科学问题,并通过开放合作,带动相关的学科发展和科技进步.

      最后,但不是最次要的,实验场建设过程中即与地震“遭遇”,是一个几乎可以预期的“灰犀牛”风险. 因此,在建设过程中,实验场必须要做好短期与长期的统筹、局部与全局的规划、平时与震时的预案,要以“与地震博弈”的精神状态积极进取,力争最大限度发挥实验场的效益.

参考文献 (24)

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