中科院院士陈运泰:从正确认识地震中学会防范风险

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

中科院院士陈运泰:从正确认识地震中学会防范风险

陈运泰院士

“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。

“要区分地震和地震灾害。地震不等于地震灾害。地震是自然现象,大地的震动恰恰证明,我们生活的地球是一颗生机勃勃的星球。所以,地震灾害则与人类的行为或者说活动有关,是人类对地震缺乏认识或认识不足、对地震灾害风险应对不力、处置不当造成的。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。

1966年邢台地震发生后,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地震学家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‘成功的地震预报’,但是并不意味着‘地震预报已经成功’,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内在规律。”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24.2万人死亡、16.4万人重伤。在陈运泰看来,这次地震让地震学家的脑子“清醒”了。地震没有想像的那么简单,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,我们观测地震主要靠地震波,它源于地震释放的巨大能量,能够到达地球内部深处。地震如果发生在人口稠密的地方,如果建筑物抗震性能差,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结构,从而有助于增进我们对地震的认识。

努力探寻地球内部的情况

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与研究工作。”陈运泰解释,地下核爆炸是一个巨大的能源,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和他的学生撰写成了报告,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。”曾任国际数字地震台网联合会副主席的陈运泰介绍,1975年,德国和美国分别建设了2个全球第一批的数字地震台网。

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,核心不仅仅是记录手段的变革。

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,其中一个体现在地震仪器的制作水平方面。”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,生产的数字化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“互动”,从而携带所经过区域介质的信息。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开来。

“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也是研究地震如何致灾的重要内容。

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极震区与震中区位置常不在一起。

“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,尽快找到极震区的位置,然而,需花费一年半载分析研究才能得到结果。”在陈运泰看来,此时的结果在科学上虽然也是很有意义的,但不能直接用于救灾。

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的记录赶快做反演,能有多快就多快!”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数据。

“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,下载数据要花很长时间。拿到数据后,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,国内外专家都是非常赞许。”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,陈运泰曾幽默地跟他的学生说:“若能把汶川地震的破裂过程在尽可能短的时间内做出来,即使博士论文答辩受影响,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。”

最终,该学生的论文很顺利地通过。

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,再次改变了人们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为救援工作提供了很有价值的信息。

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余地。

“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。

(记者 徐姚)

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陈运泰院士简介

1940年8月生于福建厦门,原籍广东潮阳。1962 年毕业于北京大学地球物理系。1966 年研究生毕业于中国科学院地球物理研究所。1981年至1983年任美国洛杉矶加州大学(UCLA)地球与行星物理研究所(IGPP)访问学者。1991年当选中国科学院院士。1999年当选发展中国家科学院(TWAS)院士。2015年被授予国际大地测量学与地球物理学联合会(IUGG)会士称号,2016年被授予亚洲与大洋洲地球科学学会(AOGS)荣誉会员称号。

现任中国科学院大学地球与行星科学学院资深讲席教授,中国地震局地球物理研究所名誉所长、研究员,北京大学地球与空间科学学院名誉院长、教授,中国地震学会名誉理事长,中国科学技术协会全国委员会荣誉委员等职,国际《地震学刊》(Journal of Seismology)编委(1998-),《国际地球物理学刊》(International Journal of Geophysics)编委,《地震学报》、英文《地震科学》(Earthquake Science)主编、《地球物理学报》副主编,《科学》编委等职。

1981年任硕士生导师、1984年任博士生导师以来,培养了50余名硕士、博士与博士后,其中包括数名外国博士研究生和博士后。

主要从事地震学与地球物理学研究,在地震波与震源的理论与应用研究、数字地震学与旋转地震学研究中做出了突出贡献。在国内外学术刊物上发表论著300余篇(部)。研究成果获得全国科学大会奖(1978,排名第一),卢森堡大公勋章(1987),国家自然科学三等奖(1988,排名第一),中国地震局科技进步一等奖(1997,排名第三),国家科技进步三等奖(1998,排名第三),“何梁何利”基金科学与技术进步奖(2000),中国地震局科技进步一等奖(2005,排名第一),美国地球物理学联合会(AGU)国际奖(International Award,2010),亚洲与大洋洲地球科学学会(AOGS)艾克斯福特奖(Axford Medal Award,2012)等奖励。

▌编辑:中国应急管理报 新媒体中心 孟德轩

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