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北大研究团队成功研发新型“地球听诊器”

来源:中国经济网 2017-12-19 15:48 1480人浏览

【盖德化工网 技术应用】关于地震的成因,地震学界众说纷纭。主流的板块构造学说、传统的大陆漂移学说、新兴的核裂变说等理论侧重不同、各有拥趸,学界尚无一套可以支撑地震短临预测的理论体系。

来自北京大学深圳地震监测预测技术研究中心的创客和研究团队独辟蹊径,历时5年研制出一种新型“地球听诊器”——AETA多分量地震监测系统,将其布设在地下或山洞内,可记录地震活动的前中后全过程,通过获取与分析“地声”与“电磁扰动”等地震前兆信息,可望发现规律,进而预测地震。

AETA多分量地震监测系统有个形象的别称:“地耳”。这只地下的“耳朵”,能帮助人们探听来自地下的哪些音符与旋律?

绕开地震成因研究,直接聚焦地震前兆信号

关于地震的成因,地震学界众说纷纭。主流的板块构造学说、传统的大陆漂移学说、新兴的核裂变说等理论侧重不同、各有拥趸,学界尚无一套可以支撑地震短临预测的理论体系。

神秘的地球内部有着千变万化的地质结构和难以考证的能量场,地震预测成为举世公认的世界难题,它的复杂性令人望而生畏,有专家甚至断言“地震无法预报”。因此,通过研究地质结构、地壳形变、板块运动、地下流体等发现地震成因与机理,进而建立地震监测与预报体系的传统攻关模式,如天下雄关般殊难逾越。

深圳“AETA”团队反弹琵琶,选了一条截然不同的路。“我们绕开了对地震成因的研究,直接聚焦地震前兆信号。”“AETA”团队负责人、北京大学深圳地震监测预测技术研究中心主任王新安教授发现,不少专业文献都提到,几乎每一次地震发生全过程都有种种异常征兆:有人类感官能觉察到的“宏观前兆”,如“鸡飞狗跳”、轰鸣的地声、五彩的地光等;也有仪器和长期监测才能察觉到的“微观前兆”,如电磁波、地应力、地面倾斜等变化。

“地震的孕育和发生是地下巨大的能量活动过程,这个活动过程应该会伴随发生各种物理变化和化学变化。比如电磁异常,通常是地下岩石受力变形至突然破裂释放的大量电磁扰动信号。在震中区及其附近更大区域,这类前兆信号都可能是非常明显的。”“AETA”团队成员、北京大学深圳地震监测预测技术研究中心雍珊珊说。

“AETA”团队成员、高级工程师徐伯星认为,地震的过程有些像“掰筷子”。“握住筷子持续缓慢发力,筷子在最后‘咔嚓’一声折断前,会不断发出响声。折断的一刹那,类似地震发生之时。”徐伯星说,“我们就是监测‘折断’之前的‘持续破裂’过程,试着从中找出、收集和分析与地震有关的前兆信号”。

理论上讲,“宏观前兆”和“微观前兆”都可以作为监测分量。但监测分量的选定和技术指标的制定,是基于对映震效果、系统成本、环境要求等多因素的综合考量。“AETA”团队最终选定了多频段电磁扰动和地声作为监测的两大分量,其他一些有研究意义的监测分量,比如地应力、氡气等惰性气体的观测,基于成本、布设等问题,暂时未作考虑。

隐伏于地下的“AETA”系统能充分适应严酷环境,灵敏度高

“AETA”由一组设计精密的半导体传感器——电磁传感探头、地声传感探头和数据处理终端、云平台数据存储分析系统组成。

电磁传感探头长48厘米、直径6厘米、呈长筒状,地声传感探头形似圆盘,两者均布设在震区山洞内或地表2米以下。数据处理终端放置在室内,数据通过网络发送到云平台进行数据存储和处理分析。隐伏于地下的“AETA”,恰似地球的“听诊器”。

电磁和地声传感器与前端信号处理,是“AETA”前端探头的核心。2015年,“AETA”原型机生产出来后的第一次现场实验,验证了AETA系统的灵敏度等系统可行性,但团队非常清晰地认识到,必须研制出高品质的工业级产品。王新安说,“如果不能很好地解决品质与量产问题,我们的科学实验就会纠缠于错乱的数据之中,无法进行下去”。

“AETA”团队与学术研发项目转化平台“深创谷”合作,用了半年时间反复改进、测试、再优化,大幅提升设备的可靠性、稳定性与一致性,确保“AETA”系统能充分适应地下和野外的严酷环境,高成本、低品质的原型机由此完成向低成本、高品质产品的升级;由于可靠性和一致性得到保障,产品很快实现了批量制造。

后端的数据分析也是研发重点,“AETA”团队主要通过数据处理算法,将实时采集的多种微观前兆信号转化成可视的图表与文字,监测人员可轻松实现“看图说话”。通过对地震前兆信号数据的采集与分析,辅助预测人员进行地震预测。

在位于龙门山断裂带北川—映秀断裂北段的四川广元—陕西宁强一带,北京大学深圳地震监测预测技术研究中心通过四川省地震局与当地防震减灾局合作,目前已在百公里范围内布设了8台“AETA”。

四川省广元市朝天区防震减灾局检测员林强起初并不看好“AETA”,但“AETA”在今年9月、10月青川的多次临震监测效果让他“眼前一亮”:“在地震发生前的十多天内,‘AETA’对电磁扰动的捕捉很灵敏。我们正在把‘AETA’与观测地壳形变的倾斜仪结合起来使用,测试映震效果、做好信息记录。”

林强认为,“AETA”在布设选址和多分量数据的积累与应用等方面,仍有待改进。“由于不同类岩石对入射电磁波具有不同反射、吸收性能,选址时应当远离高反射率、高吸收率的千糜岩,减小信号损耗;人类活动对分量数据采集也可能有影响,应当远离噪音源和马路。”他说,“每个片区还可以成立AETA地震预测分中心,用于数据交流和共享”。

从2015年开始小批量研制至今,“AETA”经历了从1.0版本向3.0版本的升级。“提升设备的灵敏度、可靠性与一致性,降低设备成本,降低设备对环境的要求是升级的主方向。”王新安介绍说。

大范围、高密度布设设备,有着更加不可替代的重要性。“震中区域与地震观测点之间的地质结构可以理解为一个‘滤波器’,会直接影响监测分量的强度、频率,这也是不同地点发生地震的异常征兆可能不同的主要原因,因此,开展多点合围观测至关重要。多点合围观测,就意味着大范围、高密度布设和大量的基础建设投入。”王新安说,“同时,因为地质环境差异,地震来临前,不同台站显示的信号会有或大或小的差别。因此在实际地震监测预报中,既要横向看周边台站,又要纵向看历史数据,长时间积累的历史数据具有很高参考价值。我们的研究步骤与阶段分为:均匀布设、独立分析;重点布设、融合分析;建立模型、提升分析。可见,要做好临震监测预报,必是久久为功,不可急于一时”。

过去3年,在中国地震局、各省区市地震局与防震减灾局的帮助下,北京大学深圳地震监测预测技术研究中心已在全国各地台站布设“AETA”186台,其中四川累计布设99台,云南28台,西藏7台,京津唐37台,广东10台等。龙门山断裂带等重点监测区的布设已初具规模。

“AETA”被看作“多学科交叉融合的实验性成果”

“AETA”团队大多数研发人员来自于北京大学深圳研究生院信息工程学院微电子专业。团队专业的传感器件及集成技术与地学、数据科学间的深度交叉与融合,借以深圳对创新硬件的快速整合与实现能力,共同浇灌出“AETA”这朵“双创之花”。

深圳市政府总值班室主任潘龙斌把“AETA”看作“多学科交叉融合的实验性成果”。“跨学科、跨行业没有权威。既然是实验性的新事物,就应当持鼓励和包容态度,帮助它建立理论、允许它试错,让它在实践中自我修正、不断完善。”潘龙斌说。

“在新经济发展领域,信息科学与其他科学领域的交叉融合既有必然性,也有必要性,深圳有着得天独厚的创新创业环境、制造业基础与金融支撑,这为学科与行业的交叉融合提供了肥沃的土壤。”潘龙斌提到,深圳的新兴产业无论是生物产业、新材料产业等战略新兴产业,还是智能装备产业、机器人产业等未来产业中,都有大量勇于探索不同领域交叉融合的企业,这些企业中或许就有未来的“华大基因”“光启”“大疆”。如今,融合业态云集的新兴产业对深圳地区生产总值贡献率已超五成,是名副其实的经济“新引擎”。

更多的跨界交叉融合,正在为深圳这座创新之城带来无限的活力与可能性。“深圳并不位于任何地震带上,深圳团队巧思妙想,研发用于临震监测预测的‘AETA’,着实令人鼓舞、给人启发。”潘龙斌透露,深圳市应急管理办公室正在尝试将“AETA”用于监测城市填海区、地铁沿线地质演变,服务城市公共安全,“地球听诊器”未来或将有更多的“用武之地”。

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