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综合集成创新 夯实国家竞争优势
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见习记者 倪伟波
全球的地质灾害时常发生，如地震、火山、滑坡、泥石流等等，不仅对人类生命财产安全造成重大损失，也对国民经济造成极大危害。因此，减轻地质灾害是地球科学的一项重要任务。
以地震为例，实现地震预报一直是人类的梦想。虽然在科学工作者的艰苦努力下，我国成功预报了1975年辽宁海城地震，给我们带来了希望，但是紧接着1976年发生的唐山地震短临预报失败，又让这仅有的希望灰飞烟灭。
上世纪60年代，我国就开展了有关地震预报的研究。可40多年过去，我们在地震预报问题上至今没有取得突破性进展。2008年汶川地震，中长期和短临依然没有能实现预报。因此，地震预报成为科技界和广大公众十分关注的问题。
地震能否预报、地震预报中遇到的问题又如何克服？
“我们不妨借鉴气象预报的经验，让地震预报从基于前兆的经验预报发展为基于物理机制的数值预报。”中国科学院院士石耀霖一语中的，“因为物理预报的基本特点是要基于定量的物理规律进行数值预报。”
如果能够建立地下结构和物性的模型，应用连续介质力学、热力学方程，基于岩体破裂准则或断层本构关系，在了解区域边界条件和三维初始应力的条件下，就可以通过高性能计算，了解应力的演变，预测应力最可能超过岩体强度而发生地震的位置和破裂类型、高应力区域体积的大小和未来地震最大的可能震级，并根据现有的应力大小和计算的增长速率预测可能发生地震的时段。
“现在，关键的难点在于难以获得深部三维的位移、应力、温度等量的测值，确定初始条件和边界条件。”石耀霖说。
因此，要实现数值预报必须要突破5个关键环节：对物理机制的认识以及通过数学公式和数理方程对物理机制进行定量描述；解方程的计算能力；对于特定的预报，要了解该研究区域地下的结构、岩石的物性以建立模型；边界条件及其随时间的变化；初始条件。
围绕这些关键问题，“深部探测技术与实验研究”专项（SinoProbe）9个项目之一——“岩石圈三维结构与动力学数值模拟”项目（SinoProbe-07），以石耀霖、中国地质科学院地质力学所研究员龙长兴为首席科学家，进行了5年多的攻关，在5个方向上展开全面深入的研究，取得了丰硕的成果，为SinoProbe提供了计算模拟分析工具，满足了SinoProbe在数值模拟分析工具方面日益增长的需要。
数值模拟平台建设
由中科院大学教授张怀担任课题负责人，联合清华大学计算机系、北京大学计算机系、中科院计算机网络信息中心超级计算机中心的专家，针对深部专项中科学问题的多尺度和高分辨率的主要需求，在（超）大规模并行算法和并行软件研制、并行通讯、并行软件平台各个模型的完善、海啸传播过程数值模拟计算程序以及全球和区域有限元网格生成新算法等方面，投入了坚实的研究力量，突破了一系列的技术难题。
课题组整合和开发了我国第一个大规模的地球动力学数值模拟平台。该数值模拟平台网格计算能力达到千万网格级，能支持Maxwell模型、牛顿流体与非牛顿流体方程、线弹性模型、温度场（能量方程）以及各个模型之间的耦合。同时，为满足大规模数值模拟产生的海量数据实时可视化的需求，还建立了一个三维大规模可视化平台。
岩石物理性质测试与实验研究
由龙长兴担任课题负责人，课题组完成了各项典型岩石物理性质的实验测试及研究。特别是在对叶蛇纹石的速度测试，延长油田砂岩在干燥、饱水及饱油条件下纵波、横波速度的实验研究，大别－苏鲁造山带典型高压－超高压变质岩石地震波性质的研究方面取得新认识。
同时，课题组开展了中地壳条件下的高温高压流体与岩石反应动力学实验研究，组装运行了新的大型水热实验体系，扩大了实验温度压力范围(大于300摄氏度)，提出了中地壳高导低速层成因的新认识，即认为在300～400摄氏度期间，强烈的水岩相互作用进一步形成了新孔隙、促进了流体再迁移和硅酸盐骨架瓦解并进一步扩展，由此而形成了中地壳的高导-低速层。
中国大陆不同构造单元主要岩石类型物性参数测试与数据库构建
由中国地质科学院地质力学研究所研究员王红才牵头的课题组，为满足地球动力学数值模拟提供必需的岩石物理性质参数的需要，在我国典型区域（首都圈、西南三江等）对主要岩石类型进行了大量的岩石物理性质测试与实验研究，并以测试数据为基础，开发了数据挖掘算法模型，分析得到了地震波速、渗透率、磁性、电性、热物理等各类数据间的34种关系。
在此基础上，课题组进一步实验获取了2300余件岩石样品的物性参数，开发了物性数据库系统，收录岩石物性数据4000余条，开展了多项岩石物性研究，构建了中国大陆主要岩石类型物性参数测试与数据库。实现了岩石地震波、电导、磁性、变形性质等数据的综合管理、空间导航、资料查询应用和实验测试数据的处理和分析等功能，为查询中国大陆主要岩石类型的各种物性参数提供极大的便利。
中国大陆岩石圈热状态和流变性质研究
由中科院研究生院副教授周元泽带队的课题组，在开发的地球动力学数值模拟平台上，采用中国大陆主要岩石类型物性参数测试与数据库的物性参数，反演了中国大陆岩石圈上地幔温度分布，计算了中国大陆及邻区岩石圈三维热结构，给出了包括强度和等效黏滞性系数在内的中国大陆及邻区岩石圈三维流变结构。
课题组还评估了温度、含水量、岩性等测量的不确定性对岩石圈热和流变结构反演的影响，以及由此引起的流变性质的不确定性。同时，利用随机有限元方法，从矿物高温高压下物理性质的实验结果，计算矿物组合成的岩石在高温高压下的物理性质，为数值模拟提供基础数据。
中、新生代华北克拉通的动力学过程以及青藏高原隆升过程动力学特征的数值模拟
由石耀霖带领的课题组，集中开展了与岩石圈动力学有关的模拟计算示范性工作。
课题组完成了对全球地幔对流的模拟计算，对全球、区域和局部进行多尺度的逼近；提出了印度板块在软流层运动驱动下与欧亚大陆的碰撞和太平洋俯冲带的后撤是影响中国大陆地球动力学基本格局的主要因素的认识。
课题组研究认为青藏高原下地壳可能存在绕东构造结的顺时针流动，影响了高原现今运动状态；研究了汶川地震的孕育机制，指出了纯弹性模型不能解释其孕震机制，而必须考虑高温高压下下地壳岩石的柔性流变变形，就能够解读汶川发震深度、位置、断层不同段落不同错动特征形成的原因。
通过对紫坪铺水库蓄水的孔隙弹性和渗透过程的模拟，课题组深化了对水库地震模拟的方法和关键参量影响的认识。
此外，课题组开展了区域应力场与地震活动性关系的研究，通过对日本Mw9级大地震对华北影响的数值模拟，提出了从应力角度对区域中期地震活动性预测的新思路。
总体看来，“岩石圈三维结构与动力学数值模拟”项目是在专项其他项目基础之上进行的综合集成研究，在各项目获取的数据资料基础和定性分析认识基础上，开展基于数学物理规律的定量计算模拟研究。
“有人说，地质学上的模拟好像捏泥人，需要什么结果通过变革模型和边界条件就可以获得。”但石耀霖却不这么认为，“做模拟必须要让结构、物性严格符合真实的条件，才能得到有意义的结果。”
所以，我们必须要了解地下结构，了解岩石圈应力、温度、流体等状态，了解高温高压下物性以及GPS等测量提供的边界条件，才能对地质问题有更加深入的理解，也才能对我国典型的构造特征对应的动力学过程进行数值模拟，有特色地、扎实地解决我国地球动力学模拟中的一些基础性问题，为我国的资源、环境、减灾等迫切关注的问题做出贡献。■
《科学新闻》 (科学新闻2014年10月刊 硕果)
https://blog.sciencenet.cn/blog-85876-845628.html
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