知识窗▏给地球和海洋地壳做B超
壹
给地球做B超
本篇依据陈颙院士讲座整理。陈颙，地球物理学家，1942年12月31日生于重庆，籍贯江苏宿迁。1965年毕业于中国科学技术大学地球物理系。1993年当选为中国科学院院士。2000年当选为第三世界科学院院士。曾任国家地震局副局长、地球物理研究所所长，国际地震学和地球内部物理学会(IAPEI)的地震预报和地震灾害委员会主席。 长期从事地震学和实验岩石物理学研究及其在环境、能源和减灾方面的潜在应用。20世纪70年代从事高温高压下岩石物理学实验研究。发展了测量岩石变形的激光全息技术。发现的岩石热开裂现象已被应用于核电站的安全性监测。90年代致力于地震预测和地震灾害研究。运用地震学、工程科学和经济学，首次编辑了“全球地震危险性图和全球地震灾害预测图”。
⒈为地球做B超
我们知道地球分为地核、地幔和地壳，这是来源于天然地震，地震波穿过地下介质，到地面被接收到，让我们有了这样的认识。我就想，我们能不能够用人工的方法制造地震波，对局部地区进行探测，这个想法主要受到两件事情的鼓励：
⑴卫星云图
第一件事情是上世纪六十年代，卫星云图出现，经过二三十多年的发展，云图被运用在大气的研究中。那么，我们能不能学他们，得到脚下的地下云图，将被动监测变成主动探测，使经验性推测变成物理方法，由静态了解向动态过程过渡。
风云二号卫星云图
⑵医学技术
第二个启示来自医学方面，我们知道，近几年医学发展得特别快，第一个是CT技术，两次在不同领域获得诺贝尔奖。CT技术需要将物体进行360度的投影，这是比较难做到的。
图片来源：www.ajnr.org/content/30/9/1630
⑶CT技术
医学中发展很快的B超，现在已经得到极广泛的应用。将超声波发射探头放在肚子上，超声波穿透身体再反射回来，接收器也在探头里面，于是就能够在身体表面得到身体内部的影像。
B超技术
我们能不能向他们学习呢？
⒉多大的空间尺度
我们遇到的第一个问题是，要做多大的空间尺度。要给地球做B超，是要做多大范围内的。从尺度上看，地球科学的问题大致可以被分为三大类。
⑴全球性
第一个是全球尺度的问题，我们可以通过天然大地震来进行研究，这是全球地震学的问题。
大尺度的地球结构
⑵局部性
第二种尺度是几十平方公里到几平方公里，跟油气、矿产等密切相关，这部分的工作都是利用人工震源来进行的，他们是属于勘探地震学的范围。
地震勘探卡通图
⑶区域性
我们面临的第三类问题是不大不小，是区域性的问题，比如说华北克拉通的破坏、华南大陆的再造。这些区域性的问题，天然地震用不上，因为它的精度不够；勘探地震学的方法也用不上，因为它的范围太小，尽管它精度高。
华北克拉通
我们能不能吸收勘探地震学和天然地震学两个方面的营养，将区域性的问题做清楚。发挥地缘优势可能是地球科学创新的突破口。美国没有华北克拉通，没有华南，我们的目标区域是几万平方公里到几十万平方公里这样大小的区域。
⒊寻找区域性人工震源
那么，我们要开始寻找这样的一个人工震源，这个人工震源的强度要能够覆盖十万到五十万平方公里。能不能找到这样的源呢？二十年前我就开始了寻找。
⑴电火花
这是中国最大的电火花，这里说的电火花不是平时说的电火花，而是一种人工震源。这个箱子里装了很大的电容，通过电容放电的能量激发地震波。但是实验表明这样的方式产生的能量小、频率低，不成功（1995～2000年）。
电火花震源
⑵吨级炸药
2002年，北京地区建成了一个地震台网，为了验收这个项目是否能像申请项目时说的，确定爆炸源的位置，在周围放了六炮，每一炮的炸药量都在吨级以上。大家知道，要将这么多炸药埋到土里，十分困难。并且，炸药爆炸产生很严重的环境问题，难以治理，不成功。
⑶重载火车
紧接着，在2003年的时候，开通了大连到秦皇岛的重载列车。列车在地上行走，就像B超探头在肚子上走来走去。所以我们在铁路线周围布了台，但是，产生的地震波传不远，移动震源的数据处理也很困难，不成功。
⑷震源车
为了产生地震波，我们把勘探地震学中的王牌，用了上来。震源车敲击地面，并且频率可变，充分利用了信息科学中的扫频原理。我们把黄河以北的五台震动车，全部借来了，让他们同步震动。由于它们的震动特性，地震波也只能跑出去三十公里，不成功（2006年）。
震源车
⑸长征火箭
我们还不死心，想还有什么东西能够产生地震波，我们想到了长征火箭。把它的助推火箭埋在地底下，点火，让助推火箭在地底下爆发出力量。启用前，我们得到了一个很不好的消息，助推火箭的燃料是有毒的，对环境影响大，不成功。
⑹气枪
这个装置叫气枪，与氧气瓶大小一样，里面放满了高压气体，突然把它的塞子拔下来，里面的气体一下子跑出来，我们把它放在水里，这个震动传播到水底，产生地震波。这个技术广泛的用在了海洋勘探上。2006年，我们在渤海做了实验，海上激发，我们在一百多公里以外的陆地接收到了，效果很好，我们看到了希望。
气 枪
2009年，云南宾川气枪发射台建成（利用一个天然水体），大家知道，现在世界上的地震台千千万万，它们都是接收地震波的，第一个接收地震波的是我们的张衡，公元132年做出来的。我们现在做这个，也是世界上第一个，这个地震台一点都不接收地震波，而是源源不断的向外发射地震波。这种气枪对环境非常友好，鱼不死，坝不塌。我们成功的找到了一个能够激发地震波的绿色环保、便宜、可重复的源。
云南宾川发射台
2012年，呼图壁发射台建成，这是一个容纳50000吨水的人工水池，产生的地震波可以传播400Km，我们在乌鲁木齐的一个水池里冒个气泡，地震波不用护照可以跑到哈萨克斯坦去。
新疆呼图壁发射台
⒋弱信号的提取
气枪的能量相当于十几公斤的当量，为什么能传播这么远呢？信息科学的发展给了我们启示，二战时，德国人痛恨英国的雷达，想要把雷达炸掉，但是英国的雷达藏在树林里面不好找。当时，第一代的雷达（发射单个电磁脉冲），是一部雷达要用一个发电厂，于是德国人炸英国人的发电厂。现在的雷达（发送一个脉冲序列），就装在飞机的鼻子上。现在地震勘探就像第一代的雷达，一次激发，转换效率很低。我们能不能向信息科学学习一下呢？
传统的人工震源，单次激发射可以传播30Km；气枪在信号好的时候可以传播到更远。我们的改进是什么呢？我们发射一组脉冲信号，同时告诉你这组脉冲信号的时间间隔、振幅特性、相位特性，告诉你发射的一组信号的结构，这作为一种先验知识。送两组东西到接受点，一个是信号，一个是信号的结构，比如说调频的，这样我们就可以完成一个从30公里到300公里的飞跃。
单脉冲与多脉冲
⒌地下云图
现在我们就有了一个人工的震源，每天发出的信号被接收器接收到，我们就发现，每天波传播的时间都是不一样的，有的时候快一点，有的时候慢一点。
固体潮汐与走时变化
上图的黑线表示地球的固体潮汐，地球在月亮太阳等的吸引作用下，内部应力状态每天都在变。红线是走时的变化，它跟地球内部的应力变化很相似。以后，通过不断的激发和接收，就可以越来越靠近“地下云图”。
长江经济带
“地学长江计划”，长江流域是十分重要的地区。我们用一条船，后面拖一个气枪，走两步放一枪，人也没事，鱼也不死，两三块钱就能够放。然后在江两岸用接收器接收。我们给长江做B超，半年做一次，探测地下结构和结构的变化，对长江来说就是一盏灯，一盏流动的灯，照亮长江流域的地下，对长江经济带的矿产、能源、大地构造、交通、水利、考古有明显意义。
贰
给海洋地壳做“B 超”
本篇来自吴志强、温珍河研究员发表在《魅力科技》上的文章。吴志强研究员，中国地质调查局青岛海洋地质研究所，主要从事地震处理及综合解释、海洋油气与海洋天然气水合物的地震识别研究。
大家都知道，在医学上有一种给人体做检查的方式——B 超，它通过发射声波穿透人体，当声波遇到人体内部组织或器官时会产生反射波，通过计算反射波的走时和振幅等参数并进行处理成像，来判断人体的组织和器官是否存在病灶。大家可能还不太了解，在海洋地质、油气和矿产资源调查中，也有一种给海底之下的地壳（海洋地壳）做“B 超”的方法，那就是海洋地震探测技术。
⒈海洋地壳与海洋地震探测
海洋幅员辽阔，面积占地球表面总面积的70%以上。海洋地壳结构复杂，它的构造运动是造成海洋与沿岸地区地震、火山喷发和海啸的主要原因。同时，海底之下蕴藏着丰富的油气、天然气水合物等矿产资源。因此，研究海底之下地壳结构、寻找矿产资源，是海洋地质工作者义不容辞的责任。
然而，茫茫的海水覆盖在地壳之上，就像医生无法用肉眼直接观察人体内部组织器官一样，我们也无法凭肉眼透过海水观察海洋地壳的结构及其活动规律。因此，从20世纪30年代开始，海洋地球物理学家们发明了一种利用地震波探测海底地壳的方法——海洋地震探测技术。
海洋地震探测是利用海洋与地壳地层中的地震波速度与密度差异，通过观测、处理与分析地壳中不同地层结构对人工激发地震波的反射响应，研究地震波的传播规律，推断地下岩石性质、地层结构的一种海洋地震测量方法。它的原理是利用在海水中人工激发的地震波向下传播时，遇到不同速度、密度的地层分界面就会产生反射波或折射波返回海水中，用专门的仪器可记录这些地震波，分析它的传播时间、振动幅度与形状等，通过专门的计算程序处理，能较准确地测定地壳中地层界面的深度和形态，判断地层的岩性和结构。
⒉海洋地震探测原理解读
海洋地震探测由资料采集、处理与解译三个环节组成。资料采集系统由卫星导航系统、地震波震源激发系统和记录系统的仪器设备组成，将这些仪器设备安装在专业的地震调查船上，探测施工时将激发地震波的震源和记录电缆布放在船尾后面的海水中，由地震船拖曳震源和电缆按测线方向行进。船载震源控制系统控制震源以一定的距离间隔激发地震波，并通过装有大量的压电检波器的电缆接收来自地壳地层的地震反射波信号，并传输到地震船上的记录系统中进行储存。由于电缆被地震船拖曳行进，行业内将其称之为“拖缆”。
卫星导航系统通过接收卫星定位信号，确定船只、震源及电缆的具体位置，并引导地震船按照设计的探测线轨迹航行。因此，海洋地震探测资料采集与陆地不同，它采取的是边航行、边激发、边接收的工作方式。
早期的海洋地震探测资料采集，采用TNT炸药爆炸激发地震波的方式进行，它存在着污染海洋环境、伤害海洋生物，且施工效率低、安全隐患大的问题。1964年美国BOLT公司发明了气枪震源，它通过电磁阀控制瞬间释放枪膛内的高压气体，在海水中产生的气泡振荡形成地震波。它具有操作容易、施工效率高、安全，以及保护海洋环境，对海洋生物无害的优点，成为目前海洋地震探测激发地震波的主流震源。
拖缆接收系统主要包括电缆及电缆控制器两大部分。电缆被设计的比重与海水基本相同，在电缆控制器的作用下可以沉放到固定深度，因此又称为等浮电缆。电缆内部包含接收地震波信号的压电检波器在内的全部数字记录线路，通过导线将接收到的地震信号数字化并传输到地震船的记录系统中。
海洋地震成像处理剖面（上）与解译断面（下）图
与医学上B超检查一样，海上采集的地震资料也要通过处理才能观察到地壳中地层的结构，只是地震资料处理工作更为复杂、数据量巨大，因而难度非常大。目前，地震资料处理一般以大规模的CPU或GPU集群为硬件平台，以专业的处理软件进行。地震资料的处理主要由噪音剔除，地震波的速度、振动幅度（振幅）和形态等属性分析，地震波成像等部分组成。
⒊在海洋地震资料采集过程
中，勘探区内的风浪、商船航行、渔业生产和海洋工程施工都会对地震信号产生干扰，在资料处理中必须首先将记录中的这些干扰信号剔除。在此基础上，根据地震波的运动学和动力学特征，分析地震波在不同区域、不同地层结构的速度、振幅和形态等特征，为成像处理和地层分析提供支撑。地震成像处理就是将不同的反射信号接收点的记录进行有机组合，形成一个连续的、可横向追踪的地质断面。
在以上工作的基础上，根据不同地层组合的地震反射结构、速度和波形及振幅变化特征，对地震剖面进行对比解译。在地震剖面上，连续的、波形相似的一套地震反射波组代表了一组地层或岩层的反射，它的起伏代表了地层的起伏，拾取地震波的反射到达时间，再结合数据分析得到地震速度信息，通过计算获得地层的埋藏深度，进而形成地质剖面。这样，地质学家们就可以据此推测地层分布和结构关系，研究它的构造与沉积演化历史，寻找石油、天然气等矿产资源。
⒋海洋地震探测类别及前景
海洋地震探测可分为二维地震、三维地震和四维地震探测。二维地震探测是一条“线”的探测，得到的是一条测线的地震剖面，只能对测线之下的地层结构进行分析解译。三维地震探测是一个“面”的探测，由地震船拖曳由多条等间距平行布放的电缆同时接收同一震源激发的地震反射信号，成像处理后得到是三维空间上的数据体剖面，能够对一个勘探区域的地层结构进行整体分析解译，它比二维地震探测更精确、更直观，是海洋石油勘探的有利工具，我国近期发现的渤海渤中34-1亿立方米级大油田和南海荔湾3-1千亿立方米级的大气田，高精度的三维地震勘探技术功不可没。
海洋三维地震探测示意图
四维地震探测就是在三维地震的基础上增加了时间维度的探测，即对相同的探测区域，在不同的时间上进行重复三维地震观测。就像医生对比病人治疗前后的B超检查结果，分析治疗效果和制定下一步的治疗方案一样，四维地震勘探主要应用在油气田的开发阶段，油气开发工程师们通过对不同开发阶段的三维地震探测成像结果对比，分析剩余油气的分布状况与油气运移特征，制定下一步有针对性的开发方案，减少开发的盲目性，提高石油、天然气的开采量。
海洋三维地震探测成像数据体
目前，海洋地震探测技术装备与观测方法正在快速发展中，目标是探测的高精度、高效率与低成本，为海洋地质调查与矿产资源探测提供更加丰富、准确的地震波场信息。
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