博文
探寻青藏高原腹地的奥秘
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见习记者 袁一雪
冬季的藏北羌塘高原，万物肃杀，天寒地冻的环境令这里人迹罕至。然而，“轰”的一声巨响，打破了原有的宁静。
这是SinoProbe-02项目即“深部探测技术实验与集成”项目组在地下钻孔，放下炸药爆炸的声音。仅一次爆炸后的成像，就清晰地捕捉到地壳与地幔之间莫霍面的存在。用SinoProbe-02项目组负责人高锐的话说，“这张图非常清晰。”
是的，在科学家眼中，那由地震反射波组成的图片不亚于一幅名画，而其背后的意义，更加深远。
世界屋脊腹地作业
作为世界平均海拔最高的高原，青藏高原一直都是科学家渴望探寻印度板块与欧亚板块碰撞奥秘的“圣地”。而作为特定地质构造条件的产物，青藏高原腹地被认为是两个板块“握手”的地方，地壳结构是探索新生代以来青藏高原岩石圈物质组成、壳幔演化以及高原隆升机制的重要窗口。
SinoProbe深部探测技术实验与集成项目立项前后，高锐多次带领团队来到这片荒无人烟的不毛之地，进行实验，渴望利用深地震反射剖面这项国际公认的探测地壳精细结构的先锋技术揭开地壳的“面纱”，一睹真容。
困难重重是意料之中的事。在这片平均海拔高于4500米的广袤区域，平均年气温在10度左右，原本打算夏季进驻完成作业，但是夏天的羌塘高原正值雨季，陷车经常发生，难以使用大型钻机打深井，进行深地震反射数据采集。
世界著名野生动物学家乔治·夏勒博士曾经这样评论羌塘：“这哪是野外巡护和考察，这就是一次陷车挖车之旅啊！”
庞大的仪器和重型车辆，一旦陷入泥地，等待他们的就是长时间的原地等候和挖车，而且每一次挖车的过程都有可能对仪器与车辆造成损伤。更堪忧的是，为了获得更好的效果，项目组需要将钻井打得很深，放下的炸药才能充分发挥作用，获得高信噪比地震资料。雨季的羌塘，显然并不适合完成这件事。“所以，我们选择在9月份羌塘高原进入秋冬季后再进入。”高锐说。
冬季的羌塘高原最低温度可达零下30~40度，荒无人烟。SinoProbe-02项目组却在如此艰苦的条件下，坚持了7个月，即使在春节，也没有间断放炮。
深部地震反射剖面作业开始时，项目组和施工地震队检查了作为震源爆破所用炸药的质量，发现已购置的炸药质量低下，尽管已经打了15口井，放下了炸药。但是为了保证工程质量，最终还是放弃所有已购炸药，重新在内地择优购置高质量炸药，重新打井下药。他们选择了深钻井爆破，把炸药放到50米深的地下。“我们还做了这样尝试，就是一次爆破了1000公斤的炸药，单炮记录就得到了非常清晰的莫霍面反射数据，单次剖面，没有做叠加。”高锐解释说。
钻孔、放炸药、爆炸、采集数据，看起来简单的过程，他们却坚持精细施工，一丝不苟。“我们采用多尺度药量累合深井激发，这是获得资料的基础，小炮药量几十公斤，获得浅层精细结构，类似石油地震普查；中炮药量100~200公斤,探测地壳深层结构，大炮药量500~1000公斤，甚至到2000 公斤，探测莫霍面与地幔的结构。”
正是这样的精细实验工作，让SinoProbe-02项目组一举突破了青藏高原腹地难以得到地壳深部资料的技术瓶颈，拿到了巨厚地壳深至莫霍面的地震反射数据。经过数据处理后的剖面清晰地显示出莫霍面的位置。这项成果2013年在国际权威杂志发表后，1年内被下载超过1000 余次。
给青藏高原做CT
现在很多媒体报道提到地球深部反射时，都会用到高锐常说的一个形象的比喻——“给地球照CT”。“当时，有个记者采访我，问我什么是深反射，我用十几分钟的时间做了讲解，在最后我跟他说，就像是给地球做了CT。但是人体比较苗条，可以被放进扫描区进行360度全方位扫描，但是地球太庞大了，我们只能一部分一部分地做。”
通过5年多的努力，SinoProbe-02项目组利用深反射地震剖面、宽角反射与折射地震剖面、宽频地震观测，以及大地电磁剖面等现代地球物理的探测方法，了解地球深部的物理性质和精细结构。为了更清晰地获得地球“CT”成像片，高锐带领项目组实验了深地震反射与折射相结合同时观测的技术。因为深地震反射剖面技术如CT扫描一样获得地壳精细结构图像，地震折射技术获得地壳速度，有助于判断深部物质的属性，但其分辨尺度不甚精细。所以两者的结合就可以既获得结构直观信息，又获得判断介质性质的间接信息，这是地壳探测的一个技术进步。
“我们还总结了五步复杂条件下深反射地震数据处理流程：第一步是现场处理，第二步是初级处理，第三步是精细处理，第四步是特殊处理，第五步是解释性处理。除了第一步和最后一步是我们自己处理，其他步骤都通过招标选择技术先进、经验丰富的专业公司进行。”高锐解释说。
此外，项目组还研发了远程监控的宽频地震观测新技术——一项可探测地幔深部的技术。
高锐曾对媒体解释说，宽频地震观测好比医学的听诊器，是将地震计放入地下记录地球的活动信息，经过数据处理得到地下结构图像。它的观测深度可达670公里上地幔，但是观测持续时间一般较长，为1~2年。
通过一系列方法技术实验，Sinoprobe-02项目组科研人员成功地穿透我国大陆岩石圈（100~200公里）、地壳（30~70公里）不同层次，获取多重物性参数。从数据采集、信号提取到成像技术流程，“地壳CT”探测结果被国际同行认可。几项重要认识摘要如下：
一是以羌塘中央隆起带为界，羌塘地体的基底结构南北存在显著差异。表明羌塘地体的基底并非铁板一块。这一认识可应用于羌塘油气资源远景评价研究；
二是羌塘地体的莫霍面出现在双程时间20s处，平均深度约在60公里，起伏不大近于平的，表明莫霍面是新形成的。这些发现为青藏高原地球动力学研究提供了新的约束。文章在TECTONOPHYSICS发表，1年来被国际学者下载超过1000余次；
三是横过分割拉萨地体和羌塘地体的怒江-班公湖缝合带，莫霍面错断了约10公里，表明了古老的怒江-班公湖缝合带的重新复活。
四是通过均衡重力研究并结合区域内多学科资料，推测藏北火山岩大面积喷发可能与向南俯冲在青藏高原下的亚洲岩石圈地幔前缘断离有关。这些认识为研究藏北火山岩区下的壳幔相互作用提供了新的视野。
硕果累累
塔里木-天山、扬子克拉通-龙门山、松辽盆地-大兴安岭、松潘地块-昆仑山、喀喇昆仑-雅鲁藏布江-冈底斯山……造山运动活跃的地带都留下了SinoProbe-02项目组的身影。他们的收获也是巨大的。
“深部专项实施之前，我国深反射地震剖面总长约4800公里，仅相当于美国的1/12、英国的1/4、意大利的1/2。”董树文曾在接受媒体采访时表示。而在过去5年，我国完成了6160公里“穿透地壳”的深反射地震剖面，总长度达到11000公里，超过了此前50年完成的总和。
其中，Sinoprobe-02项目完成的5000公里深地震反射剖面横跨了我国不同类型的地质构造单元，穿越了大山（喀喇昆仑山、昆仑山、祁连山、秦岭、龙门山、武陵山、井冈山、雪峰山、武夷山、大兴安岭等）、高原（青藏高原、黄土高原等）、大江大河（长江、黄河、松花江、嫩江、岷江、湘江、赣江等）等特殊地理单元，经过了茂密森林覆盖区、高原无人区、湖泊沼泽区、高山草地区等复杂地貌。在野外工作中，项目组克服重重困难，精心设计、认真施工，确保了野外数据采集的质量和施工的安全。
由于技术的突破创新，在华北北缘地震实验中，SinoProbe-02项目组使用三分量数据反演的速度结构与反射初至波层析反演结果吻合很好，且比反射初至波层析反演结果更为精细。 而且，项目下子课题组的一个年轻女孩还发现了欧亚板块俯冲到台湾岛之下的地震学证据，“这个结果发表后获得了国际学者的赞赏”。高锐说。
据不完全统计，SinoProbe-02项目组已经发表论文180篇，其中SCI论文126篇。
如果资金申请顺利，SinoProbe下一阶段工作将于明年年底展开。中国科学院院士李廷栋在接受采访时表示：“接下来的工作还将是点与面相结合。”
也就是说，对中国大陆的“CT”扫描还将继续：潜入地表，查看地下，进而绘制一张属于中国人自己的深部探测图像，为国家进一步发展、勘查深处资源、减轻地质灾害等提供精确有效的信息。■
《科学新闻》 (科学新闻2014年10月刊 硕果)
https://blog.sciencenet.cn/blog-85876-845637.html
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