地震监测手段需要新技术

暮春的一个上午，记者在中国地震局第二监测站中心，见到研究员刘文义，我们就技术创新与地震监测话题进行采访。

刘文义研究员开门见山地说道，地震预测被称为世界性难题。到目前为止，人类还无法对地震做出有效预测。然而，科学探索的步伐不能停歇。长久以来，国内外科学家为研究地震付出了大量艰辛卓绝的努力。科学技术的日新月异，也为科学家研究地震提供了更为先进的手段和工具。光纤技术的成熟和应用，为“大数据”预测地震创造了可能。

地震预测难在哪？

地震预测难在哪？有人戏谑说，地震预测难就难在不知道它到底难在哪。迄今为止，科学家们还无法找到那个“难”的关键点。

从很多方面，我都可以看出地震预测有多难。首先，由于地球内部的“不可入性”，无法直接观测到地球内部的结构变化。地震多数发生在地下15公里左右的地壳里，迄今为止最深的钻井是前苏联科拉半岛的超深钻井达12公里。因此，人类还很难精确地探测地震震源和地震孕育发生的全过程，只能凭借有限的仪器设备在浅层地表捕捉地壳变化的若干信息来预测地震的发生。

其次，作为一种地质现象，地震的发生必然存在与之伴生的很多信息，也即“前兆”。然而，由于地震前兆出现的复杂性和多变性以及地质环境的复杂性，使得人类目前的技术水平，还无法找到哪一种现象和地震发生有着必然的联系。同时，人类对地质观察的知识和数据积累并不多。据刘文义介绍，自1966年邢台地震以来，中国已在70多次中强以上地震前记录到1000多条地震前兆异常。然而，这些异常的前兆，还无法准确应用到地震的预测中。因为，地震的发生是极为复杂的自然现象，不同的地理环境，地震发生的地质情况和环境变化也大大不同。“这一区域的变化，不一定适用于另外的区域。一个地方，与这一次地震相应的地质变化，下次不一定适用。”

那么，人类对地震就束手无策吗？刘文义介绍说，基于现有的认识水平，目前，我们能做到的是通过长期的监测和研究，确定地震重点危险区，在地震重点危险区内，设计有针对性的监测系统，利用光纤传感等新技术开展精细的监测，以确定“潜在震源”。

光纤技术提升地震监测手段

随着新技术的成熟和应用，地震监测的手段将会大大提升，人类对地震的研究也许会大步前进。

光纤传感器以其独特的技术优势，正在成为地震仪的一个重要的、全新的发展方向。光纤传感技术以光纤为媒质、光为载体，是一种全光测量方法，具有本质无源、体小质轻、高精度、抗电磁干扰、抗雷击、不怕漏水漏电、耐腐蚀、耐高温高压、无零漂、便于组网以及长距离传输等一系列独特优势，可以为地震前兆观测提供一个全新的方案，并促进相关学科的发展。

当前，地震监测仪器普遍采用电学测量方法，存在零点漂移不易消除、易受电磁干扰、怕雷击、不易长距离传输、组网困难等问题，这难以满足深井综合钻孔观测、高分辨率的时空分布地壳应变场观测的要求，阻碍了地震学科的发展。同时，随着人类社会的城市化、工业化和现代化，地面环境严重干扰了传统地震观测的结果。为了消除地面干扰噪音，深井地震综合观测仪器成为了未来地震仪器的发展方向。然而，深井地震观测仪器要求在地下高温高压的环境下，进行连续和稳定的高精度观测，这不仅需要探索和解决传感器的耐高温、高压等技术问题，还要解决井下可靠的数据采集、电源供电、数据传输等问题。

光纤传感器的诞生，使这些问题迎刃而解。刘文义介绍，以光纤技术为核心的永久型光纤海底地震仪目前已经在实验室研制成功，即将进行实地测试。“永久型光纤海底地震仪解决了传统海洋监测仪器寿命短、数据回收困难、布网难、无法形成连续监测的瓶颈，海洋地震监测也将随之发生质的提升。”

“大数据”预测地震成为可能

光纤技术在地震监测中的应用，使利用“大数据”预测地震成为可能。

刘文义认为，光纤技术在地震监测中的应用，提升了地震监测手段，使高时空密度的精细地震监测成为可能。他介绍，光纤传感器的一个技术优势就是便于组网以及长距离传输，这为组建高密度、大规模流动地震科学台阵观测提供了一种新的技术，便于收集存储更加详尽不间断的地震数据。目前普遍使用的海地地震仪都是用蓄电池供电，自身无法供电，最长使用时间为半年。而且不能实时进行信号传输和处理，仪器的核心部位在水下，采集的信号存储于其核心部位，打捞风险大，从而导致大量监测数据丢失。随着光纤传感和光纤传输技术的成熟与完善，利用光纤传感器记录地震已经成为可能。光纤海底地震观测仪器采用全光纤的信号采集与传输技术方案，海底地震仪探头不需要供电及信号处理单元，可以置于深海进行连续长期观测，为海底地震观测提供一个全新的解决思路。同时，前期研究及实验表明，光纤地震传感器可以有效拓宽观测频带，并可高效捕获各频段地震信号。

海量数据的收集，为“大数据”预测地震创造了条件。刘文义认为，地震的预测更多的是根据数据转化成信息再转化成知识的决策过程。“研究人员需要通过大量实时监测数据，发现与地震关联度最高的现象，找到这种伴生关系，地震预测也许会实现。”