地震微综量仪

中国科学院云南天文台正在秘密研究“天文地动仪”,这种仪器有望破解千年地震难题——提前预测地震的到来……　　多功能经纬仪原理　　(1)本项目研制的多功能天文经纬仪,是一种用于观测恒星位置的望远镜,恒星离地球非常遥远,它们在天空中的位置固定不变。　　 处于地面某一位置的望远镜,在正常情况下,地球引力g是垂直向下的,望远镜中有个水银盘,水银面的垂直方向与引力平行指向天顶,望远镜在固定时刻观测到某一恒星在天顶位置A出现。　　 当地下地震孕育区M受到周围应力作用,导致物质密度反常,引力方向偏移到f方向,使望远镜中的水银面指向天顶的方向发生偏移,望远镜在固定时刻观测到某一恒星在天顶的位置偏移到B,我们就可以获得偏转角θ。　　 　　在一定区域内设置多个望远镜,在地下某一区域M的物质密度发生改变时,它会导致多个望远镜的水银面方向产生偏移,通过观测某一恒星在固定时刻的位置,可以测量引力的偏转角α和β,从而可算出密度异常区的位置。地震孕育区通常存在物质密度异常,引起地面的重力异常,该仪器能够探测产生一定程度重力异常的区域,为地震专家和政府决策提供重要信息。　　(2)该仪器还能测定瞬时天文大气折射,建立多方位大气折射实测模型。由于以记录电磁波传播时间为基本数据的空间大地测量技术,包括卫星激光测距、全球定位系统GPS和甚长基线射电干涉测量VLBI,都受到大气折射延迟的影响,目前仅能用理论模型或经验模型作修正,导致测量距离的误差比较大。利用多功能天文经纬仪,建立天文大气折射实测模型,转换建立起大气折射延迟实测模型,它将能使距离的测量精度接近于理论精度水平。另外,研制的仪器在航天发射和国防上也有应用价值,用该仪器和相应的测量方法可以为卫星发射和导弹基地建立本地大气折射实测模型,提高卫星发射和导弹制导系统的时间、方向和定位精度。　　去年以来,王建成就一直带着一个科研小组加班加点、夜以继日地投入到一项秘密研究课题中。　　王建成是中国科学院云南天文台副台长。与此前的一些研究目的不同,这次虽然同样是“看天”,但最终却是为了“探地”。　　当发现甘肃舟曲1000多人死于泥石流灾害的主要原因之一是汶川“512”地震震松了舟曲山体时,王建成心中又增添了些许沉重:“我们现在希望少受外界干扰,静心和高效地研制仪器,使仪器尽快应用和推广。”王建成所说的仪器,正是他们一年多来潜心研究、能通过寻找和监测地下物质密度的异常变化,为预测地震提供有效信息的“多功能经纬仪”。张衡发明的“地动仪”在1700年前神秘失踪,今天,云南天文专家正尝试利用一种叫做“多功能经纬仪”的仪器,用天文观测的方法对地震进行精确预报。　　可以想见,这种“天文地动仪”一旦研制成功,将会是人类对抗自然灾害的历史上最大的一次“地震”!　　现实　　上天容易入地难　　众所周知,地震预测是全世界公认的难题,预测地震的仪器都具有“不可入性”,由于地震专家不能直接观测地球内部,以致对地震的孕育过程和影响这一过程的种种因素缺乏观测数据。　　市防震减灾局副局长靳树才介绍,一般而言,地震的震源都在地下十多公里以下,有的深达几百公里,依托现有的技术水平,要打钻下去,直接观测,基本不可能。现阶段,地震预测主要依靠电磁波、磁辐射、地下水化学分析、放射性元素、大地倾斜、重力变化等,通过综合分析各种数据来作预报。但这些数据与地震的关系都是间接的,同时受干扰因素较多。如对地下水的观察,不仅要了解地下水变化的原因,还要了解地下水所处的构造部位、水的补给源、正常动态、可能引起水位变化的降雨及工业用水、农田灌水、气候变化、季节变化、补给源变化等干扰因素,以至引起地震发生的变化量非常小,不具有独特性,很容易淹没在其它干扰因素中,要将它们有效甄别提取出来,难度很大。　　有人说汶川地震前青蛙曾有异常行为。靳树才说,动物的异常行为和地震有关联,但没有直接的、必然的联系。青蛙行为异常完全有可能是由其他原因引起的。更何况,青蛙不会告诉你将会在哪里、什么时间、发生几级地震。　　“我们需的是准确、科学的预报。”靳树才说。　　启发　　东汉“地动仪”带来灵感　　1800多年前,在张衡所处的东汉时代,地震比较频繁。经过长年研究,张衡发明了一个测报地震的仪器,叫做“地动仪”。　　据史书记载,地动仪是用青铜制造的,形状有点像一个酒坛,四围刻铸着八条龙,龙头向八个方向伸着。每条龙的嘴里含了一颗小铜球:龙头下面,蹲了一个铜制的蛤蟆,对准龙嘴张着嘴。哪个方向发生了地震,朝着那个方向的龙嘴就会自动张开来,把铜球吐出。铜球掉在蛤蟆的嘴里,发出响亮的声音,就给人发出地震的警报。　　汉顺帝阳嘉三年十一月壬寅(公元134年12月13日),地动仪的一个龙机突然发动,吐出了铜球,掉进了那个蟾蜍的嘴里。当时在京师(洛阳)的人们却丝毫没有感觉到地震的迹象,于是有人开始议论纷纷,责怪地动仪不灵验。没过几天,陇西(今甘肃省天水地区)有人飞马来报,证实那里前几天确实发生了地震,于是人们开始对张衡的高超技术极为信服。陇西距洛阳有一千多里,地动仪标示无误,说明它的测震灵敏度是比较高的。　　遗憾的是,凝聚中华民族智慧的地动仪没有保存下来,1700多年前,地动仪神秘消失。　　“应该可以用天文观测的技术和仪器来提高地震预测的准确度。”祖先的智慧、先进的科技启发和驱动着云南天文学家投入到了看似不可能的“天文地动仪”研制中。　　原理　　精准把脉重力变化　　据了解,虽然地震孕律具有很大的复杂性,但通过研究,世界各国专家普遍认为地震孕育区受多种应力的作用,积累大量能量,引起周围重力变化。监测到重力变化,就能发现地下能量的异常聚集,地震部门现在已经能用重力仪测出重力变化大小,但却测不出重力方向。　　王建成介绍,“多功能经纬仪”这一项目是通过云南天文台独创的低纬子午环的观测原理和仪器误差测量方法,研制出一架达到高精度要求的小型、轻便、全自动的“多功能天文经纬仪”样机。这种“多功能经纬仪”本来是天文上用于精确观测恒星位置变化的望远镜,而恒星位置变化是重力变化的一面“镜子”,如果同时启动多台“多功能经纬仪”监测,就能测量出重力方向,由此寻找和监测到引起重力变化的源头,为地震专家预测地震提供可靠信息。　　2009年1月24日和2010年2月4日,省委常委、市委书记仇和等领导在连续两次专程登门拜访中国科学院、中国工程院在昆的院士时,都对我国恒星物理研究专家、云南天文台黄润乾院士以及云南天文台副台长、项目组长王建成介绍的多功能经纬仪项目研究情况给予了高度评价和极大地支持。　　王建成表示,项目已开始总体方案设计和研讨,今年10月底完成总体设计和论证,项目研究组正排除一切干扰,不舍昼夜、严谨高效地加紧研制,计划2011年底验收,力争早日投入应用和推广。他透露,明年底样机研制成功后,即可建立多台测量仪组成的监测网,布置到我省地震断裂带周围,寻找和监测地下物质密度的异常变化区域,通过监测地下物质密度的异常变化,为预测地震提供新的有效信息。　　希望　　能像预测台风一样预测地震　　靳树才表示,感谢其他行业专家对地震预测的关注,为地震预报献计献策,身体力行地做研制工作。　　他认为“多功能经纬仪”项目是符合科学规律的,但同时,他对引起地下重力变化的力量是否就足够使地表发生形变表示不确定。因为使地表发生形变的因素也很多,比如说重型货车经过时,在路边就能感到颠簸,这就是一种形变,重型货车对路面产生的压力都远远大于重力变化的力量。所以,这对地震观测条件提出了高要求,要尽量避开环境和人为干扰,而选择环境比较安静、工农业生产干扰小、无环境污染的地区。仪器具体安装位置要选择地质条件较好的岩石,而不是松软的土层,尽量减少干扰因素。　　对未来能够准确预报地震,靳树才充满了信心,他说, 地震预测具有时代性。虽然很难,但随着人类科技进步,终有一天能解决。“退回200年前,台风的预测也只能凭经验,而现在什么时候登陆,在哪里登陆,都已在人类的严密监控下,因为我们有了卫星。”他说。　　至于“多功能经纬仪”,靳树才也充满期待:“仪器究竟能发挥多大作用?现在尚不能确定。待仪器研制成功后,我们将成立专门研究小组,总结规律性东西,认真观测,积累经验,在实践中提出改进建议。”

中国计量科学研究院专家接受本报记者采访时表示：日本地震对我国精密测量和计量产生影响　　3月11日，日本东北地区发生9.0级强烈地震。中国计量科学研究院力学与声学研究所振动冲击研究室的副研究员蔡晨光在接受本报记者采访时表示，如此强度的大地震，对我国精密测量和计量将带来一些影响。　　蔡晨光所在的振动冲击研究室是从事振动、冲击、转速3个计量专业的实验室。振动冲击转速计量是涉及多学科的动态测量技术，它广泛应用于机械制造、车辆船舶、航空航天地球物理、地质物探等众多科研和工程领域，在国民经济建设中发挥着十分重要的作用。蔡晨光说，日本地震对精密测量和计量的影响，从时间上可以分为两个阶段：第一个阶段是地震和余震持续发生时 第二个阶段是震后地质稳定周期。　　这次日本地震的震级达到了9.0级，释放的能量较大，其低频振动分量传递较远，对我国高精密计量仪器有显著的影响。　　据了解，高精密测量和计量仪器对环境振动的要求极高。美国环境科学和技术研究院经过大量的理论和实验研究推荐：微米级的测量要求1～100赫兹频带内的环境振动控制在12.5微米/秒以下(VC-C级)，否则无法保证精密测量的测量精度。例如，1000倍的精密显微镜，要想保证其测量精度，必须对环境振动进行严格控制，否则就会出现丢失像素，甚至丢失整帧图像的问题 而对于测量精度更高的扫描电子显微镜和透射电子显微镜，则要求环境振动控制在VC-D级(即1～100赫兹频带内的环境振动控制在6微米/秒以下) 对于纳米级的精密测量，例如半导体线宽、三磷酸腺苷及DNA测量，对环境振动的要求更高。美国国家标准和技术研究院(NIST)还针对纳米尺度的计量开展了大量研究，制定了纳米计量需要满足的环境振动标准。　　据蔡晨光介绍，由于日本地震的影响，中国计量科学研究院的环境振动远远超出了精密计量所需要控制的量级。“虽然计量院昌平基地的一些精密实验室位于地下14米，可以隔离掉一部分地表传播的地震波，但是对于深度传播的低频地震波却无法进行有效衰减，致使高精密测量仪器无法正常工作。”他举例说，由于地震的影响，精密质量比较仪会长时间内无法稳定，致使高精度的质量量值无法传递和溯源 纳米尺度的精密测量仪器也会受影响而导致无法正常工作。　　蔡晨光说，目前中国计量科学研究院昌平基地还没有建立起环境振动的实时监测系统，还无法实时、有效、准确地评估日本大地震这类偶发事件对高精度计量溯源系统的具体影响。“我国现在急需建立环境振动的实时监测系统。”　　除了地震波给精密测量造成的直接影响外，在震后的地质稳定周期，精密测量和计量也会受到影响。据蔡晨光介绍，地震将会造成一定程度的地质运动，在震后需要长时间的稳定周期。例如由于地质的液化会造成地面倾斜，地面的倾斜角会在地质状况稳定过程中发生持续漂移变化，而地面倾斜角是精密导航系统中的一个关键参数，需要进行精确测量。　　据介绍，在地质情况稳定状态下，地面倾斜角的累积变化量较小，不会对精密导航系统造成太大的初始误差。而当地震发生时，由于地质运动及地质液化造成的倾斜角偏移，将极大地改变当地的倾斜角，从而带来较大的初始误差。所以在地震发生后的很长一段时间内，都需要对倾斜角进行监测，从而保证导航测量的精准。　　“在计量院昌平基地有很多精密隔振平台，这些平台上的很多测量系统对倾斜角都比较敏感。例如长度计量中，激光平台和被测平台可能在相邻两米的两个平台上，如果地面倾斜角发生0.001度的变化，垂直方向即会发生35 微米的位移变化，这么大的位移变化即使是微米级的测量都无法允许的，更不要说是纳米测量。”蔡晨光说，我国急需建立倾斜角测量系统和监测系统，来保障我国计量量值复现的准确性和可靠性。

p centerimg alt="" src="http://news.sciencenet.cn/upload/news/images/2017/7/20177241010489020.jpg" width="500" height="382"//centerp/pp style="TEXT-ALIGN: center"　　Jerry Paros发明的石英传感器，将把海底监测的精确度提高到1厘米。/pp　　家住华盛顿州的Jerry Paros担心大地震就像一颗定时炸弹威胁着邻居和自家。因为美国西海岸正好处在环太平洋地震带上。但与其他数百万干着急的人不同，Paros尝试用实际行动抵御风险。他的公司发明了用于地震监测的石英传感器。该传感器最初用于化石能源开采等行业，现在，Paros打算用它帮助全世界免遭自然灾害的影响。/pp　　现年79岁的Paros在办公室展示了他的发明：在一个排球大小的金属架内部，传感器通过上下移动感应大气压力的微小变化，甚至开关门造成的气压变化都能被它捕捉到。在海底，该设备能感应水压的变化，从而推测海底深处的震动。/pp　　Paros希望打造一个海洋地震预警系统。他向华盛顿大学捐赠了200万美元资金，与大学科研人员在太平洋西北海岸海域进行测试。日本和智利等许多沿海国家也在研究海底地壳活动监测技术，安装测试各种传感设备。/pp　　多年来，海底的断层运动一直让地球物理学家感到棘手，地球70%的表面被水覆盖，标准探测工具在海洋环境中毫无作用。Paros创造的传感器让无计可施的地球物理学家第一次有机会探测海底活动。这些传感器网络可以揭示哪些海底断层是无害的，哪些有可能在为下一次大地震积攒能量。/pp　　“它将帮助我们定位活动区域，这正是我们此前办不到的事。”华盛顿大学海洋学家Emily Roland说。/pp　　沉睡的巨人/pp　　当Paros于1970年迁来华盛顿州时，他并不了解西北太平洋沿岸地震频发的危险。/pp　　该地区有记录以来最大的地震发生在1949年4月13日。当时，华盛顿州奥林匹亚市发生了7.1级地震。但从1980年代开始，研究人员发现南起加州北至英属哥伦比亚，北美洲整个西海岸都面临着9级强震和大海啸的威胁。危险根源来自距海岸50公里远的海洋底部，这个位置下面正是板块交界处。/pp　　卡斯卡迪亚俯冲带长达1000公里，是环太平洋火山地震带的一部分。海底俯冲带曾导致有记录以来的多次超级地震，其中包括1960年的智利9.5级大地震。1700年，卡斯卡迪亚发生海底强震，估计强度达到9级，地震引起的海啸让北美沿岸深受重创，太洋另一端的日本也受到波及。/pp　　卡斯卡迪亚俯冲带就像一颗定时炸弹让科学家提心吊胆。谁也不知道下次地震什么时候到来，可能是明天，也可能是数世纪以后。目前，科学家监测了其他俯冲带的地质活动，并通过监测小型地震的模式评估未来强震的风险。/pp　　加拿大地质调查局地震专家Kelin Wang称，卡斯卡迪亚俯冲带通常十分平静，近年来只检测到很少几次轻微震动，暗示该地区的板块运动处于平静期。这使得卡斯卡迪亚成为一个沉睡的巨人，同时也是一个危险的巨人——波特兰和西雅图等城市的命脉把握在它手上。/pp　　在陆地上，工程师可以使用全球定位系统(GPS)测量跟踪细微的地质运动迹象，包括火山爆发前山体周围地面的隆起，或者石块沿地质断层滑动，例如加州的圣安地列斯断层。但在海底进行地质运动监测则困难且昂贵。直到近几年，得益于监测工具和部署方式的创新，海底测量学才逐渐赶上陆地测量水平。/pp　　从新西兰、日本再到智利，各国的地球物理学家都在试图了解长期地质运动的风险，并在地震和海啸发生之初及时发布警报。大部分此类工作都基于政府资助建立的海底传感器网络，另外也有少部分由Paros这样的私人出资建造。Paros在俄勒冈州沿岸的海域安装了6个石英压力传感器，监测卡斯卡迪亚俯冲带运动状况。/pp　　科学家根据地表GPS测量得出了两个不同的卡斯卡迪亚俯冲带运动模型。其中一个显示，下降板块的活动十分缓慢，在整个过程中释放出压力。另一个认为，两个板块被锁定在一起，产生了压力积聚的危险。/pp　　释放压力/pp　　人们无法仅通过陆基仪器判断这两个模型正确与否。“我们不知道板块锁定到了什么程度，所以才需要海上测量。陆基测量已经不够用了。” Wang说。/pp　　海洋学家时常在卡斯卡迪亚海底安装监测仪器，但只能“撒撒胡椒面”。华盛顿大学和加州斯克利布斯海洋研究所联合组建的科研团队正尝试建立一个能够在时间维度上测量海底运动的系统，并从中评估威胁的性质。Paros的石英传感器在这项工作中扮演关键角色。/pp　　Paros在50年前就开始研发能够测量加速度、压力变化和温度等物理因素的石英传感器。其部署在海底的传感器能测量其上的水压变化，在纠正了波浪和潮汐带来的干扰之后，海洋学家能将海底的上下移动精确到1厘米。/pp　　Paros的公司是制造海洋压力传感器的公司之一。而他自己具有商业和科研的双重背景，现在已与当地的地球物理学家打成一片。华盛顿大学海洋地球物理学家William Wilcock表示：“Paros喜欢与工程技术人员和科技工作者进行互动，一心一意达成目标。”/pp　　早在1983年，Paros的传感器就参与了美国国家海洋和大气管理局的海啸观测系统，对太平洋地区的海洋运动进行监测。2004年印尼发生大海啸，他向华盛顿大学捐赠100万美元促进传感器网络的研发。在这笔捐赠以及2012年的另一笔100万美元捐款的帮助下，大学研究人员设计和测试新一代海底压力传感器。研究人员将搜集到的数据与数学模型进行对比，有望在十年内对海底断层状况得出结论。/pp　　不过，即便是最好的压力传感器，也只能揭示海底板块上下维度的运动，而无法检测到水平方向的位移。研究者使用另一种手段弥补这一不足。/pp　　科学家在海底以两三公里的间隔放置转换器。每隔差不多1年，科学家就测定转换器的准确位置信息。通过计算信通过海水的时间，研究者可以判断与上次测量时相比，海底是否发生了水平移动。/pp　　倾听运动的声音/pp　　目前，这种海底声学测距技术被广泛应用在世界各地。德国亥姆霍兹海洋研究中心在2015年为智利沿岸俯冲带上安装了这样一个传感器网络，帮助智利政府监测地震威胁。日本海岸警卫队每年会投入几个月的时间收集自数十个国家海岸线上的数据。而斯克里普斯研究所地球物理学家David Chadwell尝试使用自动航行的机器收集数据以减轻运行成本。/pp　　为了解卡斯卡迪亚俯冲带隐藏的实际危险，地球需理学家需要部署多种工具，包括地震仪以及分别用于海洋和陆地的大地测量仪器。关于仪器放置的位置以及如何得到最佳数据，侧重基础研究的科学家和那些专注地震、海啸预警的研究者之间存在分歧。而华盛顿大学希望新的网络能够同时满足这两个群体的需要。/pp　　“我们需要也能够让这些科学设备服务多种目的，例如增进科学知识和监测灾害。”华盛顿大学地震学家Heidi Houston说。/pp　　目前，卡斯卡迪亚俯冲带已有两个基本监测系统。海洋观测计划电缆阵列用一条长达900公里的线缆往返连接俄勒冈州海岸和一处海底火山。在加拿大那边，加拿大海洋网络有一条长度类似的线缆连接到海底俯冲带。两条线缆在布线沿途都连接有各种测量仪器。/pp　　而新方案的规模要比现有方案大的多，更类似于去年完工的日本DONET-2海底监测项目。日本横滨大陆海洋科学与技术局天文台副主任Katsuyoshi Kawaguchi表示，DONET-2骨干线缆长达500千米，沿途连接29个独立监测点。/pp　　此外，日本目前正在建设第二个规模更大的海底监测项目，计划铺设5700千米的海底线缆，连接150个监测点。这两个观测系统的数据将汇入日本全国地震和海啸预警系统。/pp　　未来某天，Paros或许能看到他的传感器遍布卡斯卡迪亚海域，成为自然灾害监测网络的一部分。近日，华盛顿大学的工程师在加州蒙特利湾的一个小型有线海底监测站部署了一套新传感器，并将在那里对传感器进行数月测试。/pp　　“我一直在做西西弗斯式的事，试图将巨石推向山顶。” Paros说。“我只是想播下种子证明这是可行的，同时希望政府认识到这是一个重要的公众安全议题。”/p/p