北大研究團(tuán)隊獨辟蹊徑，歷時5年研制出一種新型“地球聽診器”——AETA多分量地震監(jiān)測系統(tǒng)，將其布設(shè)在地下或山洞內(nèi)，可記錄地震活動的前中后全過程，通過獲取與分析“地聲”與“電磁擾動”等地震前兆信息，可望發(fā)現(xiàn)規(guī)律，進(jìn)而預(yù)測地震。
AETA多分量地震監(jiān)測系統(tǒng)有個形象的別稱：“地耳”。這只地下的“耳朵”，能幫助人們探聽來自地下的哪些音符與旋律？
繞開地震成因研究，直接聚焦地震前兆信號
關(guān)于地震的成因，地震學(xué)界眾說紛紜。主流的板塊構(gòu)造學(xué)說、傳統(tǒng)的大陸漂移學(xué)說、新興的核裂變說等理論側(cè)重不同、各有擁躉，學(xué)界尚無一套可以支撐地震短臨預(yù)測的理論體系。
神秘的地球內(nèi)部有著千變?nèi)f化的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和難以考證的能量場，地震預(yù)測成為舉世公認(rèn)的世界難題，它的復(fù)雜性令人望而生畏，有專家甚至斷言“地震無法預(yù)報”。因此，通過研究地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地殼形變、板塊運動、地下流體等發(fā)現(xiàn)地震成因與機(jī)理，進(jìn)而建立地震監(jiān)測與預(yù)報體系的傳統(tǒng)攻關(guān)模式，如天下雄關(guān)般殊難逾越。
深圳“AETA”團(tuán)隊反彈琵琶，選了一條截然不同的路。“我們繞開了對地震成因的研究，直接聚焦地震前兆信號?！薄癆ETA”團(tuán)隊負(fù)責(zé)人、北京大學(xué)深圳地震監(jiān)測預(yù)測技術(shù)研究中心主任王新安教授發(fā)現(xiàn)，不少專業(yè)文獻(xiàn)都提到，幾乎每一次地震發(fā)生全過程都有種種異常征兆：有人類感官能覺察到的“宏觀前兆”，如“雞飛狗跳”、轟鳴的地聲、五彩的地光等；也有儀器和長期監(jiān)測才能察覺到的“微觀前兆”，如電磁波、地應(yīng)力、地面傾斜等變化。
“地震的孕育和發(fā)生是地下巨大的能量活動過程，這個活動過程應(yīng)該會伴隨發(fā)生各種物理變化和化學(xué)變化。比如電磁異常，通常是地下巖石受力變形至突然破裂釋放的大量電磁擾動信號。在震中區(qū)及其附近更大區(qū)域，這類前兆信號都可能是非常明顯的?！薄癆ETA”團(tuán)隊成員、北京大學(xué)深圳地震監(jiān)測預(yù)測技術(shù)研究中心雍珊珊說。
“AETA”團(tuán)隊成員、高級工程師徐伯星認(rèn)為，地震的過程有些像“掰筷子”。“握住筷子持續(xù)緩慢發(fā)力，筷子在最后‘咔嚓’一聲折斷前，會不斷發(fā)出響聲。折斷的一剎那，類似地震發(fā)生之時。”徐伯星說，“我們就是監(jiān)測‘折斷’之前的‘持續(xù)破裂’過程，試著從中找出、收集和分析與地震有關(guān)的前兆信號”。
理論上講，“宏觀前兆”和“微觀前兆”都可以作為監(jiān)測分量。但監(jiān)測分量的選定和技術(shù)指標(biāo)的制定，是基于對映震效果、系統(tǒng)成本、環(huán)境要求等多因素的綜合考量?！癆ETA”團(tuán)隊最終選定了多頻段電磁擾動和地聲作為監(jiān)測的兩大分量，其他一些有研究意義的監(jiān)測分量，比如地應(yīng)力、氡氣等惰性氣體的觀測，基于成本、布設(shè)等問題，暫時未作考慮。
隱伏于地下的“AETA”系統(tǒng)能充分適應(yīng)嚴(yán)酷環(huán)境，靈敏度高
“AETA”由一組設(shè)計精密的半導(dǎo)體傳感器——電磁傳感探頭、地聲傳感探頭和數(shù)據(jù)處理終端、云平臺數(shù)據(jù)存儲分析系統(tǒng)組成。
電磁傳感探頭長48厘米、直徑6厘米、呈長筒狀，地聲傳感探頭形似圓盤，兩者均布設(shè)在震區(qū)山洞內(nèi)或地表2米以下。數(shù)據(jù)處理終端放置在室內(nèi)，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和處理分析。隱伏于地下的“AETA”，恰似地球的“聽診器”。
電磁和地聲傳感器與前端信號處理，是“AETA”前端探頭的核心。2015年，“AETA”原型機(jī)生產(chǎn)出來后的第一次現(xiàn)場實驗，驗證了AETA系統(tǒng)的靈敏度等系統(tǒng)可行性，但團(tuán)隊非常清晰地認(rèn)識到，必須研制出高品質(zhì)的工業(yè)級產(chǎn)品。王新安說，“如果不能很好地解決品質(zhì)與量產(chǎn)問題，我們的科學(xué)實驗就會糾纏于錯亂的數(shù)據(jù)之中，無法進(jìn)行下去”。
“AETA”團(tuán)隊與學(xué)術(shù)研發(fā)項目轉(zhuǎn)化平臺“深創(chuàng)谷”合作，用了半年時間反復(fù)改進(jìn)、測試、再優(yōu)化，大幅提升設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性與一致性，確保“AETA”系統(tǒng)能充分適應(yīng)地下和野外的嚴(yán)酷環(huán)境，高成本、低品質(zhì)的原型機(jī)由此完成向低成本、高品質(zhì)產(chǎn)品的升級；由于可靠性和一致性得到保障，產(chǎn)品很快實現(xiàn)了批量制造。
后端的數(shù)據(jù)分析也是研發(fā)重點，“AETA”團(tuán)隊主要通過數(shù)據(jù)處理算法，將實時采集的多種微觀前兆信號轉(zhuǎn)化成可視的圖表與文字，監(jiān)測人員可輕松實現(xiàn)“看圖說話”。通過對地震前兆信號數(shù)據(jù)的采集與分析，輔助預(yù)測人員進(jìn)行地震預(yù)測。
在位于龍門山斷裂帶北川—映秀斷裂北段的四川廣元—陜西寧強一帶，北京大學(xué)深圳地震監(jiān)測預(yù)測技術(shù)研究中心通過四川省地震局與當(dāng)?shù)胤勒饻p災(zāi)局合作，目前已在百公里范圍內(nèi)布設(shè)了8臺“AETA”。
四川省廣元市朝天區(qū)防震減災(zāi)局檢測員林強起初并不看好“AETA”，但“AETA”在今年9月、10月青川的多次臨震監(jiān)測效果讓他“眼前一亮”：“在地震發(fā)生前的十多天內(nèi)，‘AETA’對電磁擾動的捕捉很靈敏。我們正在把‘AETA’與觀測地殼形變的傾斜儀結(jié)合起來使用，測試映震效果、做好信息記錄?！?br/>
林強認(rèn)為，“AETA”在布設(shè)選址和多分量數(shù)據(jù)的積累與應(yīng)用等方面，仍有待改進(jìn)?！坝捎诓煌悗r石對入射電磁波具有不同反射、吸收性能，選址時應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離高反射率、高吸收率的千糜巖，減小信號損耗；人類活動對分量數(shù)據(jù)采集也可能有影響，應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)離噪音源和馬路。”他說，“每個片區(qū)還可以成立AETA地震預(yù)測分中心，用于數(shù)據(jù)交流和共享”。
從2015年開始小批量研制至今，“AETA”經(jīng)歷了從1.0版本向3.0版本的升級?！疤嵘O(shè)備的靈敏度、可靠性與一致性，降低設(shè)備成本，降低設(shè)備對環(huán)境的要求是升級的主方向?！蓖跣掳步榻B說。
大范圍、高密度布設(shè)設(shè)備，有著更加不可替代的重要性?！罢鹬袇^(qū)域與地震觀測點之間的地質(zhì)結(jié)構(gòu)可以理解為一個‘濾波器’，會直接影響監(jiān)測分量的強度、頻率，這也是不同地點發(fā)生地震的異常征兆可能不同的主要原因，因此，開展多點合圍觀測至關(guān)重要。多點合圍觀測，就意味著大范圍、高密度布設(shè)和大量的基礎(chǔ)建設(shè)投入?！蓖跣掳舱f，“同時，因為地質(zhì)環(huán)境差異，地震來臨前，不同臺站顯示的信號會有或大或小的差別。因此在實際地震監(jiān)測預(yù)報中，既要橫向看周邊臺站，又要縱向看歷史數(shù)據(jù)，長時間積累的歷史數(shù)據(jù)具有很高參考價值。我們的研究步驟與階段分為：均勻布設(shè)、獨立分析；重點布設(shè)、融合分析；建立模型、提升分析?？梢姡龊门R震監(jiān)測預(yù)報，必是久久為功，不可急于一時”。
過去3年，在中國地震局、各省區(qū)市地震局與防震減災(zāi)局的幫助下，北京大學(xué)深圳地震監(jiān)測預(yù)測技術(shù)研究中心已在全國各地臺站布設(shè)“AETA”186臺，其中四川累計布設(shè)99臺，云南28臺，西藏7臺，京津唐37臺，廣東10臺等。龍門山斷裂帶等重點監(jiān)測區(qū)的布設(shè)已初具規(guī)模。
“AETA”被看作“多學(xué)科交叉融合的實驗性成果”
“AETA”團(tuán)隊大多數(shù)研發(fā)人員來自于北京大學(xué)深圳研究生院信息工程學(xué)院微電子專業(yè)。團(tuán)隊專業(yè)的傳感器件及集成技術(shù)與地學(xué)、數(shù)據(jù)科學(xué)間的深度交叉與融合，借以深圳對創(chuàng)新硬件的快速整合與實現(xiàn)能力，共同澆灌出“AETA”這朵“雙創(chuàng)之花”。
“在新經(jīng)濟(jì)發(fā)展領(lǐng)域，信息科學(xué)與其他科學(xué)領(lǐng)域的交叉融合既有必然性，也有必要性，深圳有著得天獨厚的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)環(huán)境、制造業(yè)基礎(chǔ)與金融支撐，這為學(xué)科與行業(yè)的交叉融合提供了肥沃的土壤。”潘龍斌提到，深圳的新興產(chǎn)業(yè)無論是生物產(chǎn)業(yè)、新材料產(chǎn)業(yè)等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，還是智能裝備產(chǎn)業(yè)、機(jī)器人產(chǎn)業(yè)等未來產(chǎn)業(yè)中，都有大量勇于探索不同領(lǐng)域交叉融合的企業(yè)，這些企業(yè)中或許就有未來的“華大基因”“光啟”“大疆”。如今，融合業(yè)態(tài)云集的新興產(chǎn)業(yè)對深圳地區(qū)生產(chǎn)總值貢獻(xiàn)率已超五成，是名副其實的經(jīng)濟(jì)“新引擎”。
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