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人工地震是了解地球的重要手段

2020-10-22 11:06:44来源:中国医药新闻网编辑:金子
 

  10月20日,美国阿拉斯加半岛附近海域发生7.5级地震。中国自然资源部海啸预警中心发布消息称,地震引发了当地海啸,但不会影响中国沿海地区。

  地震是一个很多人都闻得到的词。地震往往造成严重人员伤亡,可能引发火灾、洪水、有毒气体泄漏、细菌和放射性物质扩散,也可能引发海啸、滑坡、崩塌、地裂缝等次生灾害。人们把地震列为最可怕的自然灾害之一。

  众所周知,世界平均每年约有500万次地震,约有5万次地震能被人感觉到,约有100次地震可能造成破坏。

  但很少有人知道,地震产生的地震波是目前能穿透整个地球的少数信号,可以帮助人们了解地球的内部结构。因此,地震学家、地质勘探者、工程师等许多专业人员研究出了人工地震的方法,在工程建设和科学研究活动中发挥了重要作用。

  人工地震是了解地球的重要手段。

  地震波是在地球表面用人工方法激发的。地震波在地下传播时,遇到不同介质性质的岩石界面,会有不同程度的反射和折射。研究人员在地表或深井中设置地震检波器来接收这种地震波,接收到的地震波信号可以反映震源特征、地震检波器的位置以及地震波通过的地下岩层的性质和结构。通过转换地震波信号,研究人员可以推断地下岩层的性质和形状。

  为此,人工地震被广泛应用于勘探领域,也常用于活断层探测、核爆炸探测、火山活动探测等领域。

  比如地震波会在成分不同的岩层(软砂、粘土或硬岩)交界处反射折射,在断层发生的地方,地震波能量会被断层“吸入”,因此可以根据检波器接收到的地震波能量的变化来测量断层的位置。

  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,成功获取了地下100公里范围内的地壳和地幔结构信息,也是中国科技人员在青藏高原腹地收集的第一批有价值的地球物理资料。

  2013年12月,日本研究人员还通过鹿儿岛市樱花岛的人工地震探索地下岩浆状态,以此来把握岩浆积压的变化,帮助人们更好地预测火山爆发。

  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精度高、分辨率高、勘探广度和深度大的优势,因此利用人工地震方法勘探油气资源远优于其他地球物理勘探方法。目前人工地震能达到的深度从几十米延伸到几十公里。

  人工地震勘探获得的地质结构的清晰度很大程度上取决于分辨率。所谓分辨率,是指地震波数据对探测到的地质体和地层细节的反射程度。沿垂直方向能分辨的最薄地层的厚度为纵向分辨率,而横向分辨率是指地震波沿水平方向能分辨的最小地质体的宽度。因此,有必要不断优化地震波质量,提高分辨率,以便更详细地了解地层的结构和分布。

  应用场景可以选择不同的激励方式。

  王宝山,中国科学技术大学地球与空间科学学院教授,多年来从事人工震源在地震探测中的应用研究。他说,人为制造地震的方式有很多种,各有利弊,研究人员会根据具体情况进行选择。

  人工地震按震源大致可分为两种:一种是有炸药的震源,如TNT炸药或硝酸铵炸药;另一种是非爆炸源,如机械冲击、气体爆炸装置、电能源等。

  过去很长一段时间,陆上地震勘探主要以炸药为重点。这种勘探方法以爆发力强的炸药为主要材料。被雷管引爆后,会在周围介质中形成脉冲尖锐、频率范围宽的强力冲击波。

  虽然强冲击波非常有利于观察,但以炸药为焦点的方法有天然的弊端,比如炸药不适合在工业区和人口密集区使用,炸药爆炸造成的污染不利于生态环境的保护。爆源适用性好,但对成孔要求高。不适合在松散干燥的沙漠地区和松散砾石层成孔困难的情况下使用爆炸源。

  由于诸多因素,这种在业内一度被认为“简单、直接、好用”的人工地震方法,已经越来越少使用。

  另外,常用的方法是用重锤作为震源激发地震,也有研究者将其归为可控震源。具体方法是研究人员通过操纵机械装置将重物高高托起,用巨大的冲力撞击地面产生振动,通过持续的“重击”产生小地震效应,并记录相关数据。

  这种方式产生的地震信号频率可以人工调整,可以根据地表条件、浅层介质条件、响应特征和勘探目标层深度选择合适的激发带宽,有利于提高地震数据质量。

  此外,可控震源垂直向下振动,输出方向垂直向下,大部分能量向下传递,减少了反射和面波,避免了一些环境噪声的影响。

  但是这种方法虽然适用于陆地地震勘探,但由于体积较大,操作不便,更重要的是适用于分辨率要求较低的地震勘探。

  另一种是空气枪源,也称压缩空气源,利用压缩空气快速释放产生巨大能量来刺激地震。具体方法是将高压气体(空气)压入枪膛,让其在短时间内在枪口处释放,从而产生强烈的冲力。

  这类震源是典型的脉冲震源,其激发的地震波信号具有高频、宽频带的特点,最适合于水域勘探活动。

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