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人工地震不是疯狂科学家的试验

来源:科技日报2020-10-22 10:01

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  10月20日,美国阿拉斯加半岛海域发生7.5级地震,中国自然资源部海啸预警中心发布消息表示,该地震已经引发局地海啸,但不会对中国沿岸造成影响。

  地震,是一个许多人闻之色变的词。地震的发生常常造成严重人员伤亡,有可能引起火灾、水灾、有毒气体泄漏、细菌及放射性物质扩散,还可能造成海啸、滑坡、崩塌、地裂缝等次生灾害,人们将地震列为最可怕的自然灾害之一。

  据了解,全球平均每年发生约500万次地震,能被人们感觉到的地震约5万次,可能造成破坏的地震约100次。

  但很少有人知道,地震产生的地震波是目前少量可以穿透整个地球的信号,可以帮助人们认识地球内部结构。为此,地震科学家、地质勘探员、工程师等许多专业人士研究出人工地震的方法,在工程建设、科研活动中发挥了重要的作用。

  人工地震是了解地球的重要手段

  在地表以人工方法激发地震波,在地震波向地下传播时,遇有介质性质不同的岩层分界面,地震波将发生不同程度的反射与折射。研究人员在地表或深井中设置检波器接收这种地震波,收到的地震波信号可以反映震源特性、检波点的位置、地震波经过的地下岩层的性质和结构。研究者们通过对地震波信号进行转化处理,就可以推断出地下岩层的性质和形态。

  正因如此,人工地震在勘探领域应用十分广泛,也常用在活动断层探测、核爆炸检测、火山活动检测等领域。

  比如地震波在不同成分的岩层(松软的沙子、粘土物质或坚硬的石质岩石)交接处会发生反射和折射,而发生断层的地方,地震波能量就会被断层“吸进去”,因此根据检波器接收到的地震波能量变化就可以测出断层的所在位置。

  早在1975年,中国科学院青藏高原综合科学考察队进入青藏高原,先后进行了9次人工地震试验,成功获得了地下深达100公里之内的壳、幔结构信息,这也是我国科技人员在青藏高原腹地采集的第一批宝贵的地球物理数据。

  2013年12月,日本研究人员也在鹿儿岛市樱岛上通过人工地震探寻地下岩浆状态,以掌握岩浆积压状态的变化情况等,帮助人们更好地预测火山喷发。

  业内人士告诉科技日报记者,利用人工地震方法进行勘探活动,具有高精度、高分辨率、大探测广度和深度等优点,因此运用人工地震方法勘探油气资源远胜于其他地球物理勘探方法。现阶段,人工地震所能达到的深度范围从数十米延伸到数十千米。

  由于人工地震勘探所获取的地质构造的清晰度,很大程度上取决于分辨率的高低,所谓的分辨率,指的是地震波数据对所探测的地质体和地层细节的反映程度,沿垂直方向能够分辨的最薄地层的厚度即为纵向分辨率,而横向分辨率则指地震波沿水平方向能够分辨的最小地质体的宽度。因此,利用人工地震进行勘探必须不断优化地震波质量、提高分辨率,从而更详细地了解地层的构造与分布。

  针对应用场景可选用不同激发方式

  中国科学技术大学地球和空间科学学院教授王宝善多年从事人工震源在地震探测中应用的研究。他表示,人工制造地震的方式比较多样,也各有优劣,研究者会根据具体情况进行选择。

  人工制造地震根据震源大致可以分为两种:一种是有炸药震源,如TNT炸药或硝铵炸药等;另外一种是非炸药震源,如机械撞击、气爆震源、电能震源等。

  过去的很长一段时期内,陆上地震勘探主要是以炸药作为震源。这种勘探方式以爆炸力强的炸药为主要材料,利用雷管引爆后,会在周围介质中形成强大的、脉冲尖锐、频率范围较宽的冲击波。

  虽然强烈的冲击波十分利于观测,但是以炸药为震源的方式有着天然的弊端,例如在工业区和人口稠密区均不宜使用炸药,同时,炸药爆炸带来的污染也不利于生态环境的保护。炸药震源适用性好,但对成孔有较高的要求,在疏松干燥的沙漠地区和疏松砾石层成孔困难的情况不宜使用炸药震源。

  由于诸多因素限制,这一曾经在业内被认为“简单直接好用”的人工地震方法,到现在已经用得越来越少了。

  此外,常用的方法还有以重锤作为震源激发地震,也有研究者将其归类为可控震源。具体方法是研究人员通过操控机械装置将重物高举,利用巨大的冲量来撞击地面以产生震动,通过接连不断地“捶打”制造出小型地震效果,并把相关数据记录下来。

  这种方式产生的地震信号的频率可以人为调节,根据地表条件、浅层介质条件、响应特性和勘探目标层深度选择合适的激发频宽,有利于提高地震数据质量。

  此外,可控震源是垂直向下振动,其输出方向垂直向下,绝大多数能量向下传递,减少了反射和表面波,避免了某些环境噪音的影响。

  然而,这种方式虽然适合陆地地震勘探,但由于这种激发装置体积过大,操作并不方便,更重要的是其激发的地震波频率较低,适合对分辨率要求不高的地震勘探。

  另一种采用较多的是空气枪震源,又叫压缩空气震源,它是利用压缩空气迅速释放产生巨大的能量来激发地震,具体做法是将高压气体(空气)压入枪膛,并让其在短暂的瞬间在枪口释放,产生很强的冲力。

  这种震源是典型的脉冲震源,激发出的地震波信号具有频率高、频带宽的特点,多适用于水域当中的勘探活动。(李 艳)

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