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从正确认识地震中学会防范风险

——访中国科学院院士、地球物理学家陈运泰

幸福彩票 作者:记者 徐姚 2019-05-09 11:53:29

陈运泰院士在美国参观当地的地震实验室

我们以前总是把地震和地震灾害混淆。现在大家逐渐认识到,地震不等于地震灾害,大地的震动恰恰证明,我们生活的地球是一个生机勃勃的星球。所以,我希望人们能够正确看待地震,更多地了解地震,做好预防与减轻地震灾害工作,学会防范地震灾害风险。

专家简介

陈运泰,中国科学院院士,第三世界科学院院士,中国地震局地球物理研究所研究员,博士生导师。

陈运泰自20世纪70年代开始利用地震波、地形变、重力等方法综合研究发生于我国的大地震震源过程,开创了我国震源物理过程的研究工作;20世纪80年代,在地震震源动力学理论的研究中对地震破裂模式、地震序列模拟作出重要贡献;他积极倡导和从事数字地震学研究,开展天然与人为地震的近震源观测与研究及其在减轻地震灾害中的应用的研究,利用宽频带数字地震资料反演从小地震直至大地震的震源过程,增进了对地震破裂过程时空复杂性的了解。

陈运泰主持有国家攀登计划“东亚大陆地球动力学研究”、国家自然科学基金重大项目“汶川大地震孕育、发生的动力学及致灾机理研究”等国家级重大项目,在国内外学术刊物上发表论著300余篇(部),研究成果获全国科学大会奖、国家地震局科技进步奖等。

“5·12”全国防灾减灾日临近,与地震打了大半辈子交道的中国科学院院士、地球物理学家陈运泰最近正忙着给他即将出版的一本科普新书取名。他告诉记者,人们对地震的认识经历了一个由浅入深的过程。

“我们以前总是把地震和地震灾害混淆。现在大家逐渐认识到,地震不等于地震灾害,大地的震动恰恰证明,我们生活的地球是一个生机勃勃的星球。所以,我希望人们能够正确看待地震,更多地了解地震,做好预防与减轻地震灾害工作,学会防范地震灾害风险。”陈运泰说。

唐山地震带来的惨痛教训

地震是否能预报,一直是人们关心的话题,也是至今未解的世界难题。

仰之弥高,钻之弥坚。伴随着对该题答案的求索,我国对地震灾害的认识不断深入,地震研究的思路在实践中经历了几次变化。

新中国成立后,我国开始了大规模的地震预测预报工作。“这些工作是否有效呢?1975年,辽宁发生的海城地震确实是我们地震预报的一个成功案例,至少10万人因此幸免于难。虽然这是一次成功的预报,但是并不意味着地震预测预报已经成功,或者说已经过关,如今回头来看,我们并没有真正掌握地震发生的规律。”陈运泰强调。

唐山地震带来的教训极其惨痛,数据显示,地震造成24万人死亡、16万人重伤。在陈运泰看来,这次地震让地震学家的脑子“清醒”了。地震研究没有想象的那么简单,因为地球内部看不见、摸不着,人类无法抵达震源深处,无法直观地观测、研究它。

陈运泰解释,我们观测地震只能靠地震波,它源于地震释放的巨大能量,能够瞬间到达地球最深处。地震如果发生在人口稠密的地方,一旦建筑物抗震性能差,就可能造成人员伤亡或财产损失,那就是地震灾害。但如果地震发生在杳无人烟的地方,这种巨大能量产生的信号,就可以帮助我们探测和研究地球内部构造,从而有助于增进我们对地震的认识。

努力探寻地球内部的样子

新中国成立后,我国地球物理学家利用天然地震、人工地震等手段,由浅入深、由粗到细地开展相关探测工作。

“为服务国防建设,地球物理学家参与了地下核爆炸的观测工作。”陈运泰解释,地下核爆炸是一个巨大的能量来源,利用它不仅可以研究地球内部结构,还可以利用对其特性的研究,来侦测其他的地下核爆炸,这对国家安全而言格外重要。

从我国第一次核试验开始,地球物理学家就参与到地下核爆炸的侦测工作中来,其中的危险非常人所能想象。陈运泰讲述了他参与的一次现场核爆炸试验。

“我们的工作流程是在爆炸之前埋设地震仪器,爆炸刚完成时,在放射性灰尘没有抵达仪器埋设地之前将其取走。”陈运泰回忆说,“我和我的学生穿着防护服,在离爆心只有数千米的地方埋设地震仪器。‘轰’的一声,爆炸成功了,虽然地下核爆炸没有蘑菇云,但现场从地面掀起的尘土像蘑菇云一样滚滚散开,同样十分壮观,当然也非常危险。我们迅速冲上去挖出仪器,然后望风而跑。”

讲述中,陈运泰语速明显加快,“惊险”的经历让他感到很有意义。

这些“冒死”换来的数据被陈运泰等地震学家撰写成了报告,服务于国家安全。

“中国地震学家利用地震仪器记录国内外的核爆炸,对它们进行分析研究,使得中国在国际上就核爆炸的地震监测工作,能够挺起腰杆坐下来与他国谈判。”陈运泰评论道。

中国数字地震台网的建设发展

还有一个比肩国际的地震观测成就是中国数字地震台网建设。

“我国数字地震台网建设与国际合拍。”陈运泰介绍,1975年,德国和美国分别建设了2个著名的数字地震台网。

我国很快也认识到数字技术对于地震观测的重要性。所以从20世纪80年代初开始,我国便通过国际合作的方式建设了中国数字地震台网,后来台网增加至12个。时至今日,中国的数字地震台网已经遍布全国。

“台网建设初期,国际上一些著名的地震学家都到中国来考察,这对我们的地震观测技术而言是一种肯定,也是一种鞭策。”在陈运泰看来,数字化的地震观测仪器,核心是记录手段的变革。

他解释,感知地震的仪器叫地震传感器或地震计,它的任务是捕捉地震信号,而数字化是后半截儿的事。所以,国际上的地震观测技术进步是两方面的:一方面是地震仪本身水平提高,比如记录的频率范围非常宽,动态范围非常大;另一方面是用数字化技术进行信息存储、传输和处理。

“我国通过国际合作,很快就赶上了国际先进水平,其中一个体现是地震仪器的制作水平。”陈运泰告诉记者,最初,中国数字地震台网使用的地震仪器,是德国科学家提出原理,由瑞士厂家负责生产,美国拿来应用的。

中国很快就掌握了这些技术,生产的地震仪器能在很长时间里维持正常的运行状态。

“如今,我们有些数字地震仪器已经达到了出口的水平。”不过,陈运泰也强调,中国在地震仪器方面与国际最高水平还有一定距离,仍需继续努力。

破解震中区与极震区的奥秘

“通过地震波,我们能像拍X光片一样透视地球内部构造。”陈运泰解释,地震发生后,地震波一路上过五关斩六将,经过地壳、地幔、地核、地心,再传回地面。

这个过程中,地震波不断与周围的介质发生作用,从而携带所经过区介质的信息。这些信息就像“密码”,破解它便可以帮助我们搞清地球内部是什么样子。

不过,这不是研究地震波的最终目的。认知地震更重要的是研究震源,所以,我们必须要像庖丁解牛一样,将跟震源有关的信息与跟震源无关的信息分离。

“这一点与拍X光片不同。”陈运泰说,医院用来探查人体疾病的“震源”是人造的,它的性能如何我们十分清楚。而地震这种探查地球内部结构的“震源”是天然的,它为何发生?有何性质?我们都需要搞清楚。这些问题的答案恰恰是研究地震致灾的重要内容。

那么,地震震源究竟是什么?陈运泰告诉记者,地球内部岩层破裂引起振动的地方被称为震源。它是有一定大小的区域,又称震源区或震源体,是地震能量积聚和释放的地方。

“地震发生后,如果我们能够及时分析出震源破裂的地点、大小、方向,就能帮助救援人员在到达现场前,便知晓地震破坏最严重的地区。”陈运泰进一步解释,震源是地震开始发生的地方,因为处于地下,震源的位置有深浅之分,而在震源的正上方(地面)就是震中。需要特别强调的是,震中区并不一定是地震破坏最严重的地区。

地震破坏最严重的地区又叫极震区,一般而言,较小地震的震中区与极震区大体相符,但较大地震尤其是大地震的震中区与极震区位置常不在一起。

“早在上个世纪90年代,我们就意识到这个问题,并想方设法在大地震之后,找到极震区的位置,然而,结果经常要分析、研究一年半载才得到。”在陈运泰看来,此时的结果在科学上虽然是很有意义的,却已经失去了实用价值。 

于是,他开始带着自己的学生研究怎样把极震区找得又准又快,这项工作又叫地震破裂过程反演。

虽然是理论研究,但因对地震应急救援具有明显的应用价值,陈运泰和他的学生们数十年如一日,坚守在科研一线。

从我国数字地震台网建成,到1990年该成果的论文开始发表,再到今天,他们足足花了30年,其间的不易可想而知。

“现在,我们已经能在地震还未结束的情况下,将地震台网记录的信息通过卫星传到数据中心。由计算机自动计算结果,得出震中区和极震区的位置。”陈运泰说。

一次临时改变的论文答辩

地震破裂过程分析成果第一次得到应用,是在2008年的汶川地震。

说到这里,陈运泰为记者讲述了一个“小插曲”。

汶川地震发生前5年,陈运泰在北京大学地球与空间科学学院担任院长。“直到今天,我在北大只培养了一位博士研究生。”他回忆说,“当时我给学生的毕业论文题目是:假定现在发生了一场大地震,需要立刻做地震破裂过程反演,相关资料已经摆到你桌上了,请你用最快的速度做出来。”

结果,那位学生在汶川地震前的一个多星期就把论文写好了。按照要求,这篇论文被送给专家评审,专家们都说做得很好!

“因为5月份就要论文答辩,我的学生已经开始准备PPT。不料,汶川地震发生了,我马上跟他说,你的论文不就是做这个的吗,现在汶川地震发生了,你不要去准备什么论文答辩了,你就拿着地震台收集到的汶川地震资料赶快做反演,能做多快就多快!”陈运泰说。

汶川地震是下午2点30分左右发生的,那名学生立马发动师兄师弟帮他下载资料。 

“因为汶川地震是相当大的地震,它激发的地面运动时间特别长,下载资料要花很长时间。拿到资料后,他就开始做反演。当天深夜,结果就做出来了,一共用了10多个小时。这个结果马上就被公布在网上,国内外专家都非常赞许。”陈运泰说。

与此同时,这个结果也被上报给了汶川地震救灾指挥部。根据反演结果,汶川地震是一个非常复杂的地震,它有两个极震区,一个在都江堰,另一个在北川。这意味着救援人员不仅要重视都江堰,还要重视北川。 

果然,由于道路中断,数天之后救援人员到达北川后发现,当地的损失很严重。

按照惯例,地震发生后,地震部门会派出大量从事野外考察工作的专家,他们跑遍灾区,绘制表示地震影响的地震烈度图。汶川地震3个多月后,数十位专家不畏艰险,翻山越岭,经过3个多月考察得到的汶川地震烈度图显示的结果,与陈运泰和他的学生们从地震观测资料反演得出的结果完全一致。

在此之前,陈运泰曾告诉他的学生:“能把汶川地震的破裂过程在尽可能短的时间内做出来,即使博士论文答辩准备得不够好,我也会让你通过;但是如果做不出来,或者做出来的结果日后发现与实际相去甚远,专家评审意见再好,我也不好意思让你过关。因为你的研究与实际不符。”

最终,该学生的论文答辩很顺利。 

玉树地震再次验证研究成果

从那以后,反演地震破裂过程的方法在国内多次大地震中都得到印证。

令陈运泰印象深刻的是玉树地震。

“因为玉树地震发生在高原地区,我们对它的研究,再次改变了大家对震中区和极震区的认识。”陈运泰说,反演结果显示,此次地震的极震区位于震中东南方向25千米处。 

“25千米,在平原地区开车一会儿就到了,但高原地区原本就交通不便,遭遇地震后,路更不好走,很容易延误救援的最好时机。”陈运泰介绍,这次他们的研究结果提供了很大帮助。

震后,救援队伍到了震中区,发现当地只有个别房屋的玻璃震碎了。除此之外没有任何大的破坏迹象。恰好是在该地东南方向的25千米处,破坏最为严重。

陈运泰认为,这次地震不仅说明反演结果对应急救援有帮助,还说明这项研究工作关乎人命。

“如今,我们进行地震破裂过程反演花费的时间,从汶川地震时的10多个小时,缩短到2个小时到3个小时,而且这些时间主要用在资料的传输和下载上。”陈运泰解释,一次反演需要的数据量太大了,虽然地震波传到地震台的时间是无法压缩的,但目前地震信息通过卫星传到数据中心,再到我们下载资料所用的时间仍然有压缩的空间。

“我相信,随着5G时代的到来,一定可以再度创造时间奇迹。”陈运泰坚定地说。


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