10月20日,美國阿拉斯加半島附近海域發生7.5級地震。中國自然資源部海嘯預警中心發布消息稱,地震引發了當地海嘯,但不會影響中國沿海地區。
地震是一個很多人都聞得到的詞。地震往往造成嚴重人員傷亡,可能引發火災、洪水、有毒氣體洩漏、細菌和放射性物質擴散,也可能引發海嘯、滑坡、崩塌、地裂縫等次生災害。人們把地震列為最可怕的自然災害之一。
眾所周知,世界平均每年約有500萬次地震,約有5萬次地震能被人感覺到,約有100次地震可能造成破壞。
但很少有人知道,地震產生的地震波是目前能穿透整個地球的少數信號,可以幫助人們了解地球的內部結構。因此,地震學家、地質勘探者、工程師等許多專業人員研究出了人工地震的方法,在工程建設和科學研究活動中發揮了重要作用。
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發的。地震波在地下傳播時,遇到不同介質性質的巖石界面,會有不同程度的反射和折射。研究人員在地表或深井中設置地震檢波器來接收這種地震波,接收到的地震波信號可以反映震源特徵、地震檢波器的位置以及地震波通過的地下巖層的性質和結構。通過轉換地震波信號,研究人員可以推斷地下巖層的性質和形狀。
為此,人工地震被廣泛應用於勘探領域,也常用於活斷層探測、核爆炸探測、火山活動探測等領域。
比如地震波會在成分不同的巖層(軟砂、粘土或硬巖)交界處反射折射,在斷層發生的地方,地震波能量會被斷層「吸入」,因此可以根據檢波器接收到的地震波能量的變化來測量斷層的位置。
早在1975年,中國科學院青藏高原綜合科學考察隊進入青藏高原,先後進行了9次人工地震試驗,成功獲取了地下100公裡範圍內的地殼和地幔結構信息,也是中國科技人員在青藏高原腹地收集的第一批有價值的地球物理資料。
2013年12月,日本研究人員還通過鹿兒島市櫻花島的人工地震探索地下巖漿狀態,以此來把握巖漿積壓的變化,幫助人們更好地預測火山爆發。
業內人士告訴《科技日報》記者,利用人工地震方法進行勘探活動具有精度高、解析度高、勘探廣度和深度大的優勢,因此利用人工地震方法勘探油氣資源遠優於其他地球物理勘探方法。目前人工地震能達到的深度從幾十米延伸到幾十公裡。
人工地震勘探獲得的地質結構的清晰度很大程度上取決於解析度。所謂解析度,是指地震波數據對探測到的地質體和地層細節的反射程度。沿垂直方向能分辨的最薄地層的厚度為縱向解析度,而橫向解析度是指地震波沿水平方向能分辨的最小地質體的寬度。因此,有必要不斷優化地震波質量,提高解析度,以便更詳細地了解地層的結構和分布。
可以為應用場景選擇不同的激勵方法
王寶山,中國科學技術大學地球與空間科學學院教授,多年來從事人工震源在地震探測中的應用研究。他說,人工製造地震有各種方法,各有利弊,研究人員會根據具體情況進行選擇
過去很長一段時間,陸上地震勘探主要以炸藥為重點。這種勘探方法以爆發力強的炸藥為主要材料。被雷管引爆後,會在周圍介質中形成脈衝尖銳、頻率範圍寬的強力衝擊波。
雖然強衝擊波非常有利於觀察,但以炸藥為焦點的方法有天然的弊端,比如炸藥不適合在工業區和人口密集區使用,炸藥爆炸造成的汙染不利於生態環境的保護。爆源適用性好,但對成孔要求高。不適合在鬆散乾燥的沙漠地區和鬆散礫石層成孔困難的情況下使用爆炸源。
由於諸多因素,這種曾經被業內認為「簡單、直接、好用」的人工地震方法,已經越來越少使用。
另外,常用的方法是用重錘作為震源激發地震,也有研究者將其歸為可控震源。具體方法是研究人員通過操縱機械裝置將重物高高託起,用巨大的衝力撞擊地面產生振動,通過持續的「重擊」產生小地震效應,並記錄相關數據。
這種方式產生的地震信號頻率可以人工調整,可以根據地表條件、淺層介質條件、響應特徵和勘探目標層深度選擇合適的激髮帶寬,有利於提高地震數據質量。
此外,可控震源垂直向下振動,輸出方向垂直向下,大部分能量向下傳遞,減少了反射和面波,避免了一些環境噪聲的影響。
但是這種方法雖然適用於陸地地震勘探,但由於體積較大,操作不便,更重要的是適用於解析度要求較低的地震勘探。
另一種是空氣槍源,也稱壓縮空氣源,利用壓縮空氣快速釋放產生巨大能量來刺激地震。具體方法是將高壓氣體(空氣)壓入槍膛,讓其在短時間內在槍口處釋放,從而產生強烈的衝力。
這類震源是典型的脈衝震源,其激發的地震波信號具有高頻、寬頻帶的特點,最適合於水域勘探活動。