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会诊地球——用主动震源探测地下结构
来源:未知 日期:2019-08-31 22:37

  哎呀妈呀,这个时间太长了。好吧,我们来个短一点的。近数亿年来,地球经历了所谓的板块构造运动,才变成今天的样子。

  好吧,来点刺激的并且跟你有关的事。地震,滑坡等事件会在短时间内令河流改道,山川易容。如果你买了个5楼的房子,地震之后,没了,你说有没有关系?

  1995年阪神地震之后,市厅大楼的5层被彻底压扁,原来7层的楼被改造成6层后继续使用

  由于地震带给我们的灾害异常巨大,所以研究地球内部结构构成及其随时间的变化是地震学研究的长期内容和主要方向。

  那么,地震学家们到底是怎么知道地下结构的呢?这个说起来话就长了。其实地震学家探测地球内部结构的方法跟我们挑西瓜的方法相似,为了挑到好吃的西瓜,我们通常要用手拍,用耳朵听。地震学家将地震台站作为耳朵,将地震作为手,利用地震台站“听”到地震产生的振动,就可以分析出地球内部的结构,因此地震也被称为照亮地球内部的明灯。

  最近的十几年来,又发展了一个更高大上的方法-地震背景噪声成像方法。该方法通过地震仪记录的地球日常活动提取到的有用信息,从而获得地球的内部结构特征。

  地震波从地球浅部开始向全球传播,不同距离的记录数据包含着地球内部不同深度的信息

  通过数据的积累,人们对地球内部结构了解得越来越清楚了,从简单的一维层状结构过渡到精细的三维结构。我们开始了鸡蛋里面挑骨头的幸福生活。

  前面我们也说了,地球内部不停地发生变化。从门走到窗子是7步,而从窗子到门就可能是7.001步。

  那我们要怎么知道地球内部结构变了呢?近二十年来,全球定位系统(GPS)技术在地球科学中广泛应用。利用GPS,人们可以测量出地表微小(mm-cm)的移动。

  然而,仅看地表运动是不够的。就像我们体检时,除了有正常查体,还有B超。通过正常查体,我们知道今年的减肥计划又失败了,而通过B超检查,我们能够清楚的知道脂肪肝从中度变成了重度。

  大牛说地震是照亮地球内部的明灯,那这么多地震反复不停地照亮地球的肚子,是不是就能看到地球内部的变化呢?确实如此,采用不同的技术分析不同时间的地震或者噪声记录的信号,我们就可以得到地球内部的地震波速度变化。

  火山区域的地下地震波速度变化,图上显示火山爆发(下图的绿色区域)前地震波是有显著变化的

  这种地球内部介质随时间的变化类似气象云图,可以为我们研究火山,地震等事件的机理提供重要信息。

  利用天然地震或者噪声对地球进行的重复B超检测存在两个不足:1. 时间分辨率不够,这可能会让我们错过一些重要的信息。就好比我们十年才进行一次体检,这样就无法及时发现一些可能的健康隐患;2. 精度不够,可能看不到微弱的变化。

  其实制造地震的历史比现代地震学的历史更加久远。十九世纪五十年代时,爱尔兰物理学家Robert Mallett就尝试利用黑火药激发地震波测量地震波速度。这就是现代地震勘探的原型。

  为了给地球做B超,地震学家们研发了不同类型的震源。这些震源有大有小,小的震源就像萤火虫,只能照亮你眼前的区域(比如浅层勘探常用的锤击震源);大的震源则像一盏明灯,可以照亮整个地壳(比如俄罗斯及中国的人工震源)。

  监测地球内部的微弱变化,我们需要一种能量大,重复性好的震源。这两种需求是相互排斥的,因为通常能量大的震源对于场地的破坏性大,相应的震源重复性就不好。那有没有这样一种震源,探测范围大同时对场地破坏小呢。

  气枪是通过将存放在其中的150个大气压的高压空气(一般高压锅里面的气压是1.7-1.9个大气压)瞬间释放来制造小地震的。高压锅爆炸的威力(场面太感人,看官可以自行百度)已经相当惊人了,可以想象150个大气压释放出来是何等震撼。

  通过实验观测,我们发现气枪震源产生的地震波信号具有重复性高,传播距离远(传播数百到上千km)等特点。而这些优点恰好满足了地下介质变化监测对震源的要求。如今气枪震源已经被应用在中国大陆很多地方,并先后在云南、新疆和甘肃建成3个固定气枪信号发射台,以监测这些区域地壳介质的微弱变化。

  通过近年开展的实验,搞气枪的同志们已经分别于2016年在《中国地震》,2017年在《地震研究》,2018年在《Seismological Research Letters》等知名杂志上发表了专辑或专题。哦,每年一期?没错,你们期待已久的专辑又来了。

  2019年Earthquake Research in China第二期为主动源新专辑,涉及震源性能、信号处理、介质变化和新型震源研究共14篇论文。

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