探索地球内部的“天眼”

“日月安属？列星安陈？”两千多年前，屈原对着苍茫大地，浩瀚宇宙，有了这惊天一问。对于星空的探索我们从未间断，目前在我国科学技术的发展和支撑下，“中国天眼”、“悟空号”、“墨子号”等等一系列的宇宙探索神器为我们认识和了解我们的宇宙提供了可能。

正所谓“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”，在空间探索不断发展的同时，我们在深海、深地探测也不断地上升新高度。作为探测范围宽广的地球物理学，我国现代地球物理科学的开拓者赵九章先生曾用“上穷碧落下黄泉”描述地球物理学的研究范畴，这个领域涉及到宇宙空间、地球大气、海洋、陆地直至地心深处。那么我们进行深地探测使用的工具是什么呢？

对于平均半径6371km（赤道半径6378km，极半径6357km）的地球来讲，目前没有探测器可以直接测量地球内部的物质成分及状态。人类历史上最深的钻井也只有12.3km，还不足地球半径的千分之二。那么这么深的地方我们要怎么去探测呢？这就得说一说地震仪。地震产生的地震波可以穿透整个地球，在地球表层被地震仪检测、接收并记录，根据地震仪记录到的地震信息结合相关的地球物理理论，我们可以推算出地下的结构、成分及性质。地震仪是而且可能永远是研究地球深部详细结构和物理性质的唯一工具。（传送门：地震仪，了解一下）

但是大多数时候，一个地震仪或者一个地震台站是不能解决实际的科学问题（例如地震定位，我们需要至少三个台站），我们需要更多的台站，组成地震台网。地震台网的主要目的是确定地震位置和震级，发出警报，进行一般或具体的地震监测，并为研究地球内部提供数据。

在1960年以前，一般只有个别地震台站独立运行。每个观测站都进行观测，这些观测通常被发送到某个中心位置。如果有几个台站在一个国家或地区运行，就可以称为台网。然而，与现代地震台网相比，记录和人工处理之间的时间差非常大。20世纪60年代，地震台网开始运作，主要用于微地震记录，站点之间的距离为几公里到几百公里。它们之间的信号是通过有线或无线连接实时传输到中央处理站，在中央处理站用中央定时记录所有数据，这使得站点之间的相对定时非常精确，因此能够获得更精确的当地地震发生的位置。

随着全球通信覆盖能力的发展，地震台网现在可以是局部的、区域的或全球的。现代地震台站的主要组成部分是仪器室、地震仪、数据采集器、存储和通信。各个台网之间的区别不再是数据传输、定时精度或数据采集和分析之间的时间差，而是调查范围、空间分辨率和数据质量（频率成分和动态范围）方面的差异。由于全球通信的改进，使得访问来自世界各地的数据更加方便，虚拟网络的概念应运而生。“虚拟”一词仅表示并非网络中的所有站点都属于单个运营商或“真实”网络。实际上，大多数网络都是虚拟的（虚拟网络简单的说就是一个联通、移动、电信都可以访问的网络）。

现代化的地震台，再不是以往那样的只装备地震仪的台站，而是能够测量地震振动、地面倾斜、地壳形变、电磁场、钻井水位及井水化学成分的“多种手段”的观测台站。因此，地震台网使用地球物理、地球化学及水文地质观测。按监测手段划分有测震台站、前兆台站（含地形变台站、地电台站、地磁台站、重力台站、地下流体台站）、强震台站和综合台站，与之对应的台网分别为测震台网、前兆台网（含地形变台网、地电台网、地磁台网、重力台网、地下流体台网）和强震台网。

我国地震台建设起步相对比较晚，直到1930年，我国才有第一个自己的地震台——北京西郊鸳峰地震台，这是由我国近代地震观测科学的奠基人、世界著名的地震学家李善邦先生筹建起来的。

如果要捕捉地震的微观前兆，基础的地震台网是远远不够的，就必须建立覆盖大面积地区的具有一定数量的地震观测台站，进行长时间的精密观测。21世纪，密集地震观测技术、地震烈度速报和预警技术迅猛发展，地震科学研究不断深入，产生了密集地震观测网 ( Dense Observation Network) 和超密集地震台阵 ( Dense Seismic Array) 。前者的产生是地震烈度速报和预警的研究需要，后者的产生则主要是局部地区地震科学进一步深入研究的需要。

日本在1995年阪神地震之后，投入巨资在全国建立了具有1000多个地震台的Hi-net地震台网，这使日本在烈度速报方面发展迅速，目前Hi-net已经发展到3000多个台站。因此日本是最早利用密集地震台网实现烈度速报的国家，突破了传统的以地震三要素测定的地震速报。地震烈度速报能够为震后灾害分析，抗震救灾等提供关键性的指导。

超密集地震台阵能够深入研究地震过程，精确确定地震的震源、地震发生的过程、动态观测地震波传播，进而确定深部地震发震断层和性质，因此近几年出现了密集地震台阵。比如美国在加利福尼亚长滩建立了一个由5200个垂直传感器组成的超密集地震台阵。它由在6km半径范围内部署的2500个连续记录的传感器组成，科学家利用费尔菲尔德超密集地震台阵对地震进行了和传统地震台网不一样的观测和研究。

这样的密集地震观测技术可以有效提高信噪比，清楚显示地震波场过程。这样的集群阵列揭示了以前未发现的地震活动的空间分布、特别是深部地震活动，从而可以确定地震断层的轨迹。

汶川大地震发生之后，我国地震科学及地震速报系统等迅速发展。其中，地震信息播报机器人是中国地震台网中开发的最突出的智能速报工具。速报内容包括地震参数、震中地震历史信息、地震周边村落、乡镇的基本情况、地震所在县的行政情况，并带有两张基本地图：一张地理位置图，一张地形图。地震信息播报机器人集成了人类智慧，从大数据中迅速判断并快速地向公众提供一个详细的地震信息速报。

从单个台站到区域台网，再到全球台网；从基本观测台网到密集地震观测网络，再到超密集地震台阵；从地震基本参数到地震大数据时代，再发展到人工智能。我们的地震监测能力不断提升，在科学技术飞速发展的今天，我们深地观测的“天眼”也将不断为我们带来对地震、地球深部结构新的认识。相信总有一天，我们会认识和理解地震发生的过程和机理，不再面临地震风险的威胁。