陈晓非院士：什么可以穿透整个地球来给地球做CT？答案是地震波
转自：陈晓非
『用地震波给地球做CT』
宇宙包含了空间和时间，上下四方为宇，往古来今为宙。宇宙是无限多样的物质世界，它是由无数个星系组成的。星系是大量恒星及星际气体、尘埃物质聚集在一起的庞大天体系统。
人们在宇宙中已经观测到了约1000亿个星系。根据宇宙大爆炸理论，宇宙起源于一次开天辟地的大爆炸。这场大爆炸发生在大约150亿年前，时间和空间从此开始。大爆炸之后，宇宙经历了初期的急剧膨胀、早期的迅速扩张和后来的局部收缩阶段。
我们所在的银河系是典型的涡旋星系，它由约2000亿颗恒星以及星云和星际物质组成，直径为10万光年。太阳是银河系中一颗普通的恒星，它距离银河系中央约3万光年。太阳系由太阳、八大行星、矮行星以及至少165颗已知的卫星和数以亿计的太阳系小天体构成，最大范围达1光年以外。太阳的质量占太阳系总质量的99.86%，所以它的引力控制着太阳系内其他天体绕太阳公转。
我们的地球正好处于太阳系中最恰当的位置，距离太阳1.5亿公里。地球上有水、有空气、有生命，这就是我们的蓝色星球、我们的家园。尽管地球的体积和质量在八大行星中排行第五，但它是最奇妙和最独特的。
我们先来看一下地球的基本数据。地球是一个扁率不大的椭球体，它的平均半径近6400公里，南极和北极略有不同。地球赤道周长为40075公里，表面积为5.1亿余平方公里。地球的质量达到近60万亿亿吨，全球65%的陆地集中在北半球，因此北半球又有“陆半球”之称。
地球内部有一个地核，它由固体的内核和液体的外核组成。内核的半径大约是1200多公里，外核的半径为2000多公里。地核的外层是地幔、地壳。如果把地球比作一个鸡蛋的话，地壳比鸡蛋壳还要薄。
我们是怎么知道地球内部结构情况的呢？探测地球内部结构，其基本原理和医学成像是一样的，也就是说，给地球做个CT。那么什么可以穿透整个地球来给地球做CT呢？答案是地震波。众所周知，地震会产生地震波，一个大地震之后，地震波可能遍布全球，甚至可以绕地球几圈。总而言之，地震波可以传播得非常远。我们正是利用地震产生的地震波，采用一定的数学和物理的方法，把地球内部的结构成像出来。这就是我们能够知道地球内部是怎样的结构、地球的半径大概是多少的原因。
此外，我们还可以通过地震波用计算机、大数据来进行更精细化的成像。比如，可以把地球内部的结构做成三维结构，把相对平均的结构和差值放大，这样更容易看清地球内部结构的问题。这相当于利用地震学的方法给地球做了一个加强版的CT。
『地震是我国第一大自然灾害』
2008年5月12日发生的汶川地震是新中国成立以来破坏性最强、波及范围最广、灾害损失最重、救灾难度最大的一次地震。根据日本气象厅测定的数据，汶川地震的地震波共环绕了地球6圈。汶川地震造成的损失非常大，有近7万人死亡、近18000人失踪，直接经济损失超过8000亿元。
地震是我国造成死亡人数最多的自然灾害。我国有很多自然灾害，比如气象灾害、地质灾害、海洋与林业灾害。但是从整体上来说，地震灾害是第一大灾种，是造成灾害最大的。
为什么会有地震呢？地震本身是自然现象，它是地球活动的一种表现。地震的动力源自板块运动。地球本身有板块运动，板块运动的速率相当于指甲生长的速度，虽然非常缓慢，但是会不断积蓄能量，能量达到一定程度时就会发生地震。地震的原理大致是这样的：由于两个板块有相对运动，而运动方向又不一样，就会造成变形。长期的运动变形，超过了板块本身的强度，就会发生突然的断裂，这就是地震。
中国的地震主要分布在西部地区，说明这些地方的板块运动比较活跃。所有的地震都发生在板块运动较活跃的地方。根据板块构造理论，地震学家们研究得出结论：全世界大多数地震分布在3个地震带上，其中全球80%的地震能量释放在环太平洋地震带，15%在欧亚地震带，5%在海岭地震带。
提到地震，有一些基本概念是大家容易混淆的，像震级和烈度。我们经常提到某个地方发生了几级地震，实际上指的是震级，也就是地震释放的总能量的大小，它不会随距离震中的远近而发生变化。比如，6级左右的地震释放的能量差不多相当于一个广岛原子弹爆炸的能量，7级地震可能是6级地震的30倍。烈度则是指地震造成的地面摇晃程度，一般指你的脚下、你站的这个地方所感受到的震动程度，它通常会随着离震中距离增加而衰减。所以，一次地震有一个震级、多个烈度，距离震中较近的地方烈度高，距离震中较远的地方烈度低。
从整体来说，大地震的数量很少，小地震比较多。根据统计，每年地球上大于6级的地震约有200个，大于7级的地震约有18个，大于8级的地震平均只有1个。我国的情况是，6级以上地震平均每年有4个，5级以上地震平均每年有20个。
现在，我们可以利用最新的数字方法模拟出1976年的唐山地震和2008年的汶川地震，还原当时地震发生了什么样的状况，比如地震发生时地震波的传播情况、震动持续了多长时间、震动的大小以及整个过程。我们还可以进行局部模拟，比如模拟汶川地震局部放大的情况。汶川地震发生在四川西部山区，山的地形起伏对地震的放大起了很大作用，诱发了很多的滑坡现象。
『模拟地震为救援提供依据』
再来谈谈大家关心的问题：如何防御地震灾害？
第一，地震预警。地震预警和预测不一样，预测就像天气预报，比如告诉你下个月将发生地震。地震预警不是这样的概念，地震预警是地震已经发生或正在发生时，对地震波尚未到达的地区进行警告。地震发生后，地震波是以有限速度向外传播的，所以，离得远的地方，地震波可能会晚十几秒或是二十几秒才到达。地震预警就是在地震刚发生时就探测出震源情况，并发出警告，其他地方的人们就可以提前采取一些措施进行防护，以减少地震造成的损失。
第二，抗震设计。就像避雷针可以避免雷电一样，建筑物、基础设施也需要做好抗震设计，遇到地震时它们就可以经受地震的晃动，免于倒塌，减少人员伤亡。抗震设计是防震减灾的一个非常重要的手段，我国土木工程等领域的科学家和工程师们为此做了大量的工作。因为防灾的第一目的是减少人员伤亡，然后是减少经济损失，所以，减少人员伤亡是最根本的一点。通过我们的研究，可以了解地震的运动模式，这对设计抗震建筑有很大的帮助。未来，如果抗震设计得到大力推广的话，我国在城市建设的抗震减灾方面就能得到很大的提升。
第三，基于地震过程仿真模拟的地震灾害防御方法。过去，地震一旦发生，就没有别的办法，最多只能事后总结经验。但是今天，我们可以利用科学的方法主动模拟地震过程，看它会造成什么样的破坏，从而制定防震减灾的预案。这就是地震过程仿真模拟。
到目前为止，地震预测比我们想象的要困难得多，这将是一项长期的工作。地震的能量积累少则几十年、上百年，多则上千年甚至上万年，而地震是瞬间发生的事。为什么地震预报那么难？因为它是典型的多尺度、非线性的问题，非常复杂，所以很难通过计算来解决。但是，地震发生后，我们可以用计算的方法仿真模拟出整个地震的物理过程。
地震一旦发生，地震学家在十几分钟时间内弄清楚地震的震源情况后，就可以利用计算机模拟出地震的过程，计算出地震波的传播是怎样的、地震造成的破坏是怎样的，从而算出地震烈度分布以及对地表建筑物的影响等，然后在此基础上进行灾害评估，为政府的防震减灾提供预案。
举个例子来说。2022年9月5日四川泸定发生了6.8级地震。地震发生后，我们和北京大学合作，他们迅速把震源的破裂过程计算出来，我们根据地震数据模拟情况，用半天时间完成了地震过程的模拟和评估。评估结果显示：地震最大的烈度为9度，泸定县、石棉县受灾最为严重，人口死亡估计为89人，经济损失约为232亿元。事后，根据9月11日四川省政府网站发布的消息，该地震最高烈度为9度，地震造成88人死亡。几天以后，遇难人数增加到93人。报道中也提到损失最严重的是泸定县和石棉县，和我们预测的结果完全一致。我们在很短时间内做出的比较准确的预测，为政府开展应急救援提供了科学依据。
那么，在地震还没有发生时，我们能做些什么呢？比如，粤港澳大湾区并不处在地震带上，很少发生大地震，但是并不意味着这里绝对不会发生地震。大约在100年前，粤东揭阳等地发生过7级以上的地震；几百年前，海南的海口和广东的南澳也有过较大的地震。所以，我们要积极做好地震的防御工作。怎样来预防呢？也可以采用地震仿真模拟的方法。通过对粤港澳大湾区滨海地震断裂带进行全过程的模拟，我们可以知道断层在什么地方，知道它现在是什么样的形状，根据对它的物理演变过程的了解，模拟出一旦断层发生地震所造成的破坏。在此预评估的基础上，我们再进一步做好防范措施。我们把这种方法叫作主动的地震评估，就是在还没有发生地震时把工作做在前面。
此外，最近海啸的问题大家比较关注。全球的海啸发生区大致与地震带一致。海啸的基本原理比较简单，由于海底地形急剧升降变动，一个俯冲带的板块长期受向下拖曳之后，反弹回来，推动水体引起巨大的波浪的传播。水波的传播就是海啸。海啸的模拟比地震模拟相对简单，我们也可以把海啸的全过程进行仿真模拟，并对它的破坏性进行评估。
在海啸全过程模拟方面，无论是国内还是国际上都已经比较成熟。在地震全过程模拟方面，目前我们的团队拥有较为先进的技术，在国际上处于领先地位。
『地震学不仅用于防御地震灾害』
所谓地震学，就是研究固体地球介质中地震的发生规律、地震波的传播规律以及地震的宏观后果等课题的综合性科学。这门科学一开始是人类为了逃避或防御地震灾害而发展起来的。早期的工作着重于对地震破坏的描述和地震的地理分布等研究，到了20世纪科学家们才发现，由地震发出的地震波动其实是揭露地下情况最有效的工具。
在地震波的利用方面，地震学已经发展到相当成熟的阶段。今天，地震学不仅服务于地震灾害的防御，而且在经济建设中也是一门极其重要的应用科学。地震学已经成为深地探测、深空探测的重要基础，此外在资源勘探中也有广泛的应用。
先来说说深地探测。由地震震源发出的地震波可以穿过地球的任何深度再返回地面，从而带来地球内部的信息，特别是地球内部各个深度的地震波传播速度与该处介质的密度和弹性有关，所以地震观测是研究地球内部最基本的方法。今天，地球的内部结构已经成了我们了解的常识，成为课本上的知识，这些都是通过地震学的方法得出的。
深空探测包括月球内部的探测，也可以用地震学的方法。科学家很早在月球上放置了很多地震仪。早在阿波罗11号登陆月球时，宇航员就在月球上放置了5台地震仪。为什么放地震仪呢？就是想通过监测月球上的地震，来研究月球内部的结构。我国未来的火星发射，也有放置地震仪的计划，目的是要弄清楚火星的内部结构和地球内部结构有什么不同。所以，在深空探测中地震学的方法也非常重要。
另外，油气资源的探测也离不开地震学的方法。目前，地震学的方法是勘探油气资源最主要的方法。它同样是通过地震波成像，只不过是在一个更小的局部。在这个过程中，震源不是天然的地震，而是由人工激发。通过人工控制的震源，对地震波传播的时间观测可以达到很高的精度，可以更加精准地勘探油气资源。同样，地热资源勘探、城市地下空间勘探及安全监测都可以运用地震学的方法。
地震学还可以应用于矿产资源的勘探。除了磁法勘查和重力勘查的方法之外，地震学的方法也可以把地下的矿脉、矿场位置找出来，因为地震学方法有精度较高的特点。经过新中国成立以来70多年的开采，我国浅部矿产资源逐年减少和枯竭，矿产资源特别是金属矿产资源的开采正处于向深部全面推进的阶段。如果我国固体矿产勘查深度达到2000米，我国的资源储量将在现在的基础上翻一番。基于各种地球物理的观测数据对地下结构进行精细成像，可以为深部地球资源的开发利用提供技术支撑。
『人类必须与大自然和谐共处』
地球以博大的胸怀和宝贵的资源养育了人类，但是，由于无止境地向地球索取而不能善待地球，人类遭到了前所未有的报复，生态危机、资源枯竭、环境污染、灾害频发等已经成了全世界面临的紧迫问题。
近些年来，发生在地球上的自然灾害越来越频繁，如火山爆发、地震、滑坡、洪水等。其中有些是地球演化过程中的正常现象，与人类的活动没有多少关系。但是，也有一些灾害是由我们人类的过度开发或不恰当的活动造成的，比如滑坡、泥石流、洪水等，这些与人类对环境的长期破坏密切相关。我们今后如果能够关注这些问题的话，至少可以减少很多灾害的发生。
最后我想说，地球是人类的家园，人类未来的命运掌握在我们自己手中。要想拥有美好的未来，人类必须处理好与地球以及生物圈的关系，与大自然和谐共处、协调发展。