地震学:一项不应落后的科学事业
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从汶川到玉树，两场大地震及与之相伴的诸多余震引起了我国乃至全世界对地震科学发展的关注。作为一个地震多发的国家，我国政府也采取了一系列措施来加强地震方面的科研。但由于大陆灾害性地震的震源一般在地下几公里到十几公里处，不可进入，地下的构造环境极为复杂，再加上大地震是一种小概率事件，确切的统计规律很难得到，地震预报成为了世界性难题，目前还没有哪个国家能够真正解决。不断地提高地震观测台网的技术水平和观测能力，加强对大陆地震层结构的探测力度，提高对孕震区的介质结构动态变化的监测精度和空间、时间分辨率，进一步积累有效的地震观测数据，研究地震预报的物理模型和方法是目前探索地震预测的一个主要思路。
中国地震局地震预测研究所前总工、资深专家，现北京港震机电技术有限公司董事长庄灿涛研究员长期从事地震学与地震观测技术的研究，取得了丰硕的成果，多次获得国家级和省部技科技进步奖。是我国地震局系统的唯一一个国家科技进步一等奖的第一获奖者。
据了解：庄灿涛先生在技术上主持或主要负责了中国地震局成立以来的六个总值在七千万……数亿元的重大科技工程。这些重大科技工程成为中国地震局系统的重要基础性建设，是我国地震事业发展的支撑性工程。
庄先生告诉我们：邻国日本与我国同属于地震高发地带，该国持续不断的从国家层面组织地震的科学研究计划，在地震科学研究和地震灾害防御方面取得了诸多进展。日本的地震科研方向与发展模式对我国具有一定的借鉴意义。
解读“日本模式”
日本地处欧亚板块与太平洋板块的交界处，地震活动极为频繁。1923年，日本东京大地震死亡及失踪人口超过14万人。于是日本当局非常重视，成立了东京大学地震研究所，大力加强了该学科的研究。
近四、五十年来，日本在全国范围内对地震预测的探索研究从未停过。从1962年开始，日本组织地震学、大地测量学和其他地球科学方面的专家和研究团体，成立了负责地震预知研究的权威组织，投入了可观的资金，从国家层面推进地震预知五年计划的执行。1965年开始的日本全国性的地震预知计划五年一届，一直执行到第七届。该计划提出以实现地震预知技术实用化为目标，着重以地震活动性和前兆观测为主的研究方法。
在第七届五年计划刚开始，日本1995年发生了阪神地震，官方统计死亡人数在6500左右。这直接导致日本中断了第七个五年计划的进行，对已进行了三十年的地震预知研究进行了深刻的反思。彻底的反思使他们得了一个大胆的结论：“地震预知计划开始时提出，要以前兆现象的捕捉及其观测为基础，达到‘地震预报实用化’的目标，经过了三十年后的实践，现在看来，这不太现实。(日本《地震预知计划实施情况的回顾》)”正是基于对具有浓厚经验统计色彩，缺乏物理模型支撑的前兆观测法的怀疑，日本实施了思路发生变化的新的地震预知观测计划。新的计划在原有的基础上着重于探测震源的介质结构，从探究震源区的特点和震源区介质结构变化着手研究地震的发生规律。
为了解震源的介质结构，日本在1998年开始的新地震预知五年计划中，除了原有地震台网外，还建立了全国性的高密度、高精度的地震台网系统。这一系统包括三组专业性地震台网：由约800个台站组成的高灵敏度深井综合地震台网，在每一个深井台中装有高灵敏地震计、加速度计和倾斜仪(名为Hi－net)；由200个台站组成的，安装在山洞中的甚宽频带地震台网(名为F－net)；以及多于1000个强震台站组成的强地面运动观测台网(名为K－net和Kik－net)，此外还有民间企业和团体建立的，以强震仪、烈度计等为观测手段的数千个地震台站。同时致力于地震探测技术与数据的处理水平的提高。目前日本第二个新的地震预知五年计划已经结束。考虑到探测地下结构的分辨率还不够，于是以东京大学地震研究所为首的科研人员又提出在首都圈建立一个更密集的浅井地震台网(每隔2－3公里一个地震台)，达到了台站分布高密度。高密度的主要目的是提高地震台网对地下结构探测的分辨率，用来动态监测地下结构的变化。在高密度Hi－net的基础上日本建成了地震灾害紧急速报系统，旨在大地震造成灾害前的几秒内发出预警，已取得了初步成功。这样严密的观测体系，加上在城市防灾方面的一系列措施及已有的地质活断层探测等方面所做的系统性工作，日本形成的地震灾害防御体系走在世界的前面。
庄先生指出：日本的国土面积仅相当于我国的1／25，在这个面积上有这样的观测力度，相当了不起。而大胆的纠正以往的有些做法，进行科学思路的转变更是难能可贵。这样全国大规模的布设优质地震台，才可能发现潜在孕震区，确定震源区的所在，并加强孕震过程探测和跟踪力度，来探索物理预报地震的思路。这些台网的建设促使日本最近几年地震科学方面取得了一系列成就。
固体地球科学研究的重要工具
上天入地是人类永恒的梦想。从当前科学发展的角度上说，太空科学的发展已初见端倪，嫦娥计划的实施也使我国对月球的构造有了一定的了解。地震的发生、地质年代的变化可能有来自太空的影响，但更重要的是地底下的影响。若人类对千万年来赖以生存的地球内部知之甚少就会对地球上发生的环境变化和灾害显得十分无能。要了解地球内部，加大对地震科学乃至固体地球科学研究的投入显得非常迫切与必要。庄先生认为：地震仪器与地震台网是地球科学进行地球内部探测的一个最重要工具，需要站在一定的高度上加以关注与发展。
翻开地球科学发展史，我们可以发现：正是由于地震台网的探测结果，人类才得以发现地球内部存在地壳、地幔、内核、外核的区分与介质差异。板块理论是地球科学公认的理论，地震的发生总体上说是板块运动的结果。而板块运动图像的建立主要依靠的就是世界地震台网的观测结果。在上世纪60-70年代美国建立了世界标准地震台网，其观测结果完整地勾画了地球上板块运动的基本轮廓，完善了海底扩张、板块消带减带、洋脊等概念，从而奠定了板块理论，首次描述板块运动的细节，这也成为地球动力学的基础。美国在固体地球科学上的主导地位，很重要的一个原因就在于他们掌握了能探测地下的世界地震台网，对台网的不断更新、改造，确保了能不断提供来自地球深处的各种信息。工具上无可比拟的优势确保了他们获得一系列重大发现，获得在这门科学的主导地位。
据悉，美国近年来除了对国家台网进行改造外，还要对他们掌握的世界地震台网进行改造。这是因为他们意识到：只有不断进行技术更新，让地震台网的分辨率和探测精度越来越高，才越有获得重大科学发现的可能性。
庄灿涛认为：谁掌握了高级的地震台网，就有可能在固体地球科学上有重大发现；缺失了地震台网，在固体地球科学方面必然只能处于落后状态。
1996年，旅美知名华人地球物理学家宋晓东用地震台网的观测资料，分析地震台站记录穿透地球的相似地震产生的地震波，他发现了不同时期的波形存在细微的变化，从而揭示了地球内核与外核之间存在着相对运动，这项地球科学上的重大发现被美国《科学》杂志评为当年世界上的十大科学发现之一；被《发现者》杂志评为20世纪世界重大发现之一。没有优质地震台网的观测资料就不可能有这个发现。这成果可以作为现代地震观测台网重要性的有力佐证。
任何科学的发展都是同样的道理。没有先进的观测手段，现代科学就无法得到长足的发展。庄灿涛经常形象地把地震台网体系比喻成医学上的CT、B超，医学上失去了这些设备，很多病情的诊断就有困难。这就像物理学上如果没有大的加速器，就不可能发现新的粒子一样。我国如果要在地震科学乃至固体地球科学上有大作为，就应该有大的投入；在对客观世界观测仪器系统不断提高的基础上才能更深入地了解世界，也才能有不断的发现。
人们对地球内部结构的探测到目前为止还是初步的，地球科学上还有一系列问题有待于人类通过地震观测系统的更新换代去揭开“神秘面纱”。比如，地幔中的热对流推动地质板块的运动的细节，热对流运动过程可能产生地震和地质的变化。对于热对流的详细运动规律，科学家们有多种设想，这就需要通过提高地震观测的密度和精度来加以揭示。随着这些奥秘的揭开，不少基本问题必然会有新的认识。这样的科学问题还有很多，因此加大对地震观测仪器的投入与地震台网工程的支持的力度，已经刻不容缓。
高新企业的科学大道
如今的北京港震机电技术有限公司已俨然成为中国地震科学技术产业化的旗帜。庄灿涛这样的科学家为什么会成为企业家，是经济利益的驱使吗?带着这份思索，《中国科技财富》走进了位于北京郊区的港震公司。
庄先生告诉我们：之所以成立港震公司，目的就在于为地震事业提供稳定可用的仪器系统，推进地震观测技术的发展，进一步探求扩展地震观测台网对地球内部探测方法。企业是技术创新的主体与核心，我们意识到地震仪器的研制如不能形成产业，对行业的发展推动力就不大，企业化经营是这项事业发展的重要保障，于是成立了这家公司。
采访过程中，我们发现在庄先生的带领下，港震的所有工作人员都有着一种为人类防震减灾事业有所贡献而做工作的使命感。从做事业的角度上，他们已然超脱了商人的运作逻辑，在不断的做研发。
他们表示，地震是门科学，目前，地震预报还没有解决，因此需要进行不断的探索，提供为地震预报获取高品质数据的设备和条件保障。而这需要大量的、反复的科研投入。
作为一家高科技企业，港震机电始终定位于地震科学技术的最前沿。以庄灿涛为首的研发团队始终在思考这些问题：“地震科技领域目前还有哪些工作是我们做不到的?为什么我们做不到?怎么样我们才能做到?”
港震机电与别的企业的最大区别就在于他们几乎把大部分企业利润都投入到技术开发当中去。当他们意识到某项装置对地震科学的发展有效时，就会花大力气、投入大量资金去研制、去发展。据了解，近年来海洋宽频带地震仪、大型精密可控震源系统、深井宽频带地震仪、一体化地震仪、甚宽频带地震仪绝对标定系统等项目的开发成功，都是不断进行科研再投入，不断技术积累的结果。
最好的中国“智”造
在上世纪80年代，我国从国外进口了部分数字地震仪器，由于国内没有这方面的制造技术，失去了贸易话语权，价格都是高的离谱，而且有些进口的产品还不符合应用要求。曾多次参与对外谈判的庄灿涛颇有感受，立志自主制造数字地震仪器，确保我国地震台网能用上自己生产的数字地震观测仪器系统。经过了二十多年的努力，目前，全世界主要类型的地震仪器，港震基本上都涵盖了，而且产品的质量过硬。
由于现代数字地震观测系统包含的技术面很宽，美国是这个世界上地球科学最发达的国家，目前也无法实现地震台网精密仪器设备的全部国产化。庄灿涛主持的国家数字地震台网全部采用我国自产的技术与仪器，开创了国际上的先例。不久前美国负责地球科学的政府机构美国地质调查局(USGS)，要对其管辖下的美国国家地震台网进行更新改造，这项科学工程的关键设备是地震台网中采用的地震仪。为找到最优的地震仪他们在全球范围内做十分细致的筛选。港震公司通过美方合作伙伴把设备交给美国地质调查局直属实验室测试，这项测试十分严密，花了很长时间。经过测试，其关键指标完全符合最高的技术要求，被美国合作者认为港震的地震仪是当前世界上在产地震仪当中最好的。目前已批量出口到美国。
据了解：通过庄灿涛等人多年的努力，港震机电改变了我国地震观测技术长期以来在世界上落后的局面。环太平洋与中亚这两条地震带周边的20多个国家与地区目前都应用了港震机电的地震设备。2004年12月26日，印度尼西亚苏门答腊岛附近海域发生强烈地震并引发海啸，此后世界上不少发达国家争相支援地震仪器，我国政府支援的地震仪大部分是港震的设备，与此同时印尼政府还自建国家级地震台网，在世界众多优秀厂商竞争震胜出，成为地震台网关键设备一地震计的唯一供应商。此外港震公司还为古巴、阿尔及利亚、乌兹别克斯坦等多个国家的国家级地震台网提供设备或地震台网工程技术。在我国对外的援建工程中，港震的设备独占鳌头，成为我国科技实力展示的有力标签。这些年来，公司的设备出口量越来越大。
成功研发震动标准和可控震源系统
庄灿涛主持的科技部科研条件项目“甚低频标准振动测试系统”，扩展振动台的频带，完成了失真小于10－3，低频达到2×10－5Hz甚低频标准振动台的研制，首次实现了在全频带范围内对甚宽频带地震计进行机械标定，来确定地震计完整的传递函数。美国的一位世界上著名的地震教授曾在一篇文章中断言：“因为在很宽的频带上激发精确的机械标准信号是很困难的，人们不指望用这种方法来确定地震计完整的传递函数。”在世界被认为做不到的事情，庄先生的团队做到了。作为一个计量标准，此振动台获得了我国计量标准法定检定单位的认定并颁发了证书。此项目在甚低频振动周期达到5000秒，填补了国内的空白，具有国际先进水平，此项成果获得了国家科技进步二等奖。
作为一名优秀的科研工作者，把握并坚持科学发展的前沿方向是十分重要的。庄先生认为随着科技的发展，对大陆地震层的介质变化动态监测已成为可能，该方向的研究，在科
学上具有前瞻性。而地震层的动态监测必须使用大型的精密可控震源系统，这对于地震预报乃至于地球科学的发展十分重要。尽管在十多年前庄灿涛提出要发展新型的主动地震观测的精密可控震源系统时，不少人不理解，但他意识到该方向的价值与意义，坚决的投入研发。
另悉，俄罗斯、日本都在这方面开展了研究，最近美国也开始介入这个科研。俄罗斯是最早开始的国家，但随着苏联的解体相关工作也宣告停滞。日本人在阪神地震后有一部分科学家开始了地震层介质的探索。国内很多专家也都知道这条思路，但受技术瓶颈限制，还没能成为科研的主导方向。庄灿涛等人花了近十年的时间，做这方面的开拓工作。
为了做这项工作，庄灿涛科研小组通过多年的持续科研，作了大量的实验，攻克了多个技术难关，使研出的精密可控震源的传播深度扩展到地幔，传播范围由几公里扩展到几百公里。这个过程经过了好几轮的科研投入，每一轮都是百万量级的经费，都由企业自主投入。虽然这项技术目前还未完全达到实用化，但实践证明了这个思路的可行性。相关实验表明：现在港震公司的震源系统已可以在半径200公里(甚至更远)范围内接收到激发的震动信号，可以穿透地震层，甚至可以透过地壳到达地幔，为动态的大范围探测地下结构提供了技术途径。对此，庄灿涛表示，创新、突破是艰难的，但只要坚定信念，持之以恒，不懈努力，最终会达到预期目标的。
海底地震仪与井下地震仪
我国东部地处太平洋板块、欧亚板块以及菲律宾板块交界处，有漫长的海岸线，探索海洋的地震活动，对研究我国地震的成因和地球动力学有很重要的作用。多年来我国在海洋地震观测方面几乎是空白的，因此急需发展海底地震仪进行海底地震观测。岛国日本具有数千台地震仪，比陆地还多。基于海底地震仪的诸多深层次意义，外国人对我国在宽频带地震仪方面进行了技术封锁。庄灿涛了解到相关情况后，毅然决定从国家利益出发，去啃这块硬骨头。
由于海底环境的复杂性，海底地震仪的研发技术难度相当大。庄灿涛团队花了数年时间，自筹投入大量的经费做技术储备与沉淀。通过五六年的研究，港震机电于去年研制成功了宽频带沉浮式海底地震仪，并在相关海域3500米的深处下海试验，成功记录了数据，填补了国内空白，其记录数据与地面地震仪有很好的可比性，为我国开拓海洋地震观测做了技术储备。
庄灿涛告诉《中国科技财富》：港震刚研发成功的深井宽频带地震仪，也已走到全世界前列，获得了大部分市场的认可。美国合作者对港震的深井宽频地震仪非常关注，表示只要技术稳定，测试结果没问题，他们将大量采用。
领跑中国地震观测技术研究
庄先生在采访过程中反复强调，靠跟随西方技术，无法满足我国创新型国家的建设要求。地震与地球科学领域的一大堆科学难题的解决，不仅需要有足够的基础理论，还需要有充分的技术积累和持续的科研投入。
曾有业内人士指出港震数字地震产品的三大显著特征：频带宽、精度高、自噪低。港震机电就是通过良好的团队协作，实现良好的技术储备与积累，依靠科技创新抢占行业制高点才得以在业内屹立不倒。
地震台网的建设不仅是地震仪器的研制生产，它本身是一个大型的科学工程，涉及地震学、测震技术、电子、通讯、计算机、软件等多方面的技术，这样一个科研团队的建立，需要带头人有这些方面的综合知识，经过长期的磨合和积累逐渐形成。这些年来，港震在人力资源储备上老、中、青三代结合，形成了多学科人才配套。他们在庄先生的带领下紧紧抓住地震科学发展的前沿方向，在避免风险的同时实现了超强的创新能力。
笔者本人原来与庄灿涛教授素不相识，但几次的电话沟通与两次的当面采访让我不禁为他平实中的睿智所折服。我想地震科学(乃至地球科学)的发展中需要这样的人物与团队，通过持续努力为我国地震事业多做贡献与保障，探索一条可持续发展的地震科研道路。如果港震机电的科研团队放弃了，后期要重新建立这样高水准的研究格局，恐怕得耽误一二十年的工夫。地震仪器和地震台网在地震预报中的价值已着实不用赘述。我们相信百折不挠的庄先生及其科研团队能在地震科学的观测技术研究事业中创出一片崭新的天地，也相信在港震不断创新的地震仪器设备支撑下，在广大地球科学家的不断努力下，我国的固体地球科学能取得更辉煌的业绩。