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地球物理学进展
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科学人
网站 2004-06-30
中国科协和国家自然科学基金委为了繁荣学术思想，提倡“双百方针”，组织编写了从学科角度反映科技发展情况的文献资料，以展示学术新进展、新成果、新见解、新观点，促进学科发展、人才成长和科技进步。白春礼院士说，学科的发展既是科学知识体系进步与发展的标志，又可通过自身不断完善的系统性和内在的规律性，成为科学技术发展的主导趋势。许多传统学科一方面派生出新的分支学科，另一方面又在与其他学科的融合中形成新的综合性学科。进入２１世纪以后，学科发展将会出现新的分化与整合，尤其是学科间的交叉、融合更会使科学技术趋向于综合性、整体化发展。为了使读者了解有关学科的进展情况，本刊选编部分综述性文章陆续刊发。——编者
地球物理学和地球系统科学
地球系统的思想早在２００多年前就已经被提出，但进展不大。２００１年６月在英国爱丁堡召开的地球系统过程大会，可能是２００１年地球科学发展中最重要的事件之一。参加大会的科学家们相信：固体地球科学“单干”的时代已经过去，当前学科发展在很大程度上取决于学科交叉的深度。科学家们还相信：研究地球系统科学的必要条件，目前已基本具备。（１）覆盖全球的信息。空间对地观测为地球提供了全景，没有这类全局性资料，地球系统便难以建立。（２）穿越圈层的示踪剂。同位素地球化学和其他学科的发展，为研究圈层相互作用提供了线索。（３）计算机模拟技术。地球系统科学穿越不同的时、空尺度，除模拟外别无他途。各类科学假设只有通过模拟机器验证才能成立。
这次大会主要探讨两大问题：一是地球系统的联系，岩石圈、水圈、冰圈和生物圈的相互作用和相互联系；二是地球系统的演化，即４５亿年前太阳系形成以来，控制地球特征的过程是如何变化的。地球系统科学概念的提出对地球物理学研究产生了重要的影响，如２００２年７月西太平洋地球物理会议在新西兰首都惠灵顿召开。这次会议最突出的一点是强调了对整个地球系统科学的研究。会议从地球系统科学的角度，设立了四个主题，这在以往历次会议中是没有的。这四个主题分别是：主要板块边界的流变和变形；气候变化对南极和太平洋地区的影响；空间气候学——预报和影响以及城市和活断层研究
地球系统科学概念的提出也影响到活动构造的研究。活动构造的认识是了解环境演变和灾害发生机理的基础。青藏高原的新构造运动与东亚季风的关系、活动构造与地震发生的关系等都是活动构造环境和自然灾害相互联系的典型例子。活动构造研究需要多学科的综合；需要利用各种最新的观测技术和新的资料；需要在重点地区进行综合研究。
２００１年，中国自然科学基金会召开了一系列会议来促进城市地球物理学的发展，也正是基于地球系统科学的考虑。人类活动是生物圈中最重要的活动之一。半个世纪以来，人类活动的重要特征就是人口的城市化。城市是地表几个圈层相互作用最为集中的地区，应用地球物理学解决重要的城市问题，同时发展地球物理学的新概念、新理论和新方法，这是城市地球物理的主要内容。城市地球物理学的核心科学问题是发展编制地下３－Ｄ地图的理论和方法。与中国科学家的想法相同，美国地球科学家也提出了“地球透镜计划”。该计划也是发展编制地下３－Ｄ地图的理论和方法。他们试图应用现代观测、分析和通讯技术来了解北美大陆地球结构和演化，以及导致该地区地震、火山现象的物理过程。
可以看出，以学科分化研究为主的地学传统已发生了变化。研究整个地球的结构、演化过程和动力学；视地球为地核、地幔、地壳以及岩石圈、水圈、生物圈、人类圈组成并相互作用的一个整体系统成为一种趋势。地球物理学作为地球科学中主要提供地球内部信息和资料的学科，将成为地球系统科学研究的一个重要内容。
地球物理在反恐怖中的应用
２００１年美国９·１１事件以后，应用现代科技成果防止恐怖活动的发生，成为了全球各国政府和公众关注的问题。地球物理方法以其独特、强大的监测能力登上了反恐活动舞台。全球反恐活动必将直接或非直接地以大量研究团体共同努力得出的地球物理数据和信息作为前提条件。通过布设在各个角落的监测地球、海洋、大气以及空间活动的仪器和网络，全球实际上已经形成一张由先进的监控设备和传感器构成的大网，从天文、气候现象到火山喷发、地震，以及捕获与恐怖组织活动相关的异常等，都离不开各种先进的地球物理手段。
２００２年５月，美国春季地球物理年会在华盛顿召开。与以往相比，这次春季年会有一个显著的特点，即在年会中特设了“地球物理与恐怖主义”的专题讨论，探讨现在的地球和空间科学研究以及环境监测等地球物理技术在反恐怖行动中的重要意义及应用。
通过对部分近地表地球物理技术的评估，Ｍｉｌｌｅｒ等认为这些技术在监测和隧道有关的地下活动时有重要的应用前景。而近期发展的多通道面波获取和分析技术则为大量的近地表应用，包括异常侦查和解释，尤其是地下隧道的探查打开了大门。面波成像技术可以对某一特定地区的地下浅层，如具有重要军事意义的国家边界地区，进行实时监视，由地球物理场的变化识别出可能与隧道相关的特征，及时察觉挖隧道等行为。美国地震学家们还提议利用测震仪器和数据资料查明恐怖袭击目标。通过分析地震仪接受到的地动信号，就可以定位和发现汽车炸弹以及核试验的可疑信号，帮助情报和反恐怖人员确定恐怖袭击的具体地点和源头。
事实上，早在几十年前，英国军方就曾利用地震监测技术确定敌军炮兵的方位。２０００年８月，俄罗斯的库尔斯克号潜艇沉入巴伦支海，通过分析波罗的海地震台记录到的库尔斯克号上的爆炸产生的震动，地球物理学家们为这场灾难的起因做出定论——因爆炸而沉，而非撞击所为。９·１１事件中，在离美国纽约世界贸易中心３４ｋｍ的Ｐｄｌｉｓａｄｅｓ地震台也记录下了飞机撞击直至大楼倒塌的全部地动过程。
地球物理学在军事和国防及维护领土主权方面的作用也日益显著，如：大陆的自由延伸与国土海域的划分界带；核监测与核侦查；导弹飞行轨迹与落地点的轨迹计算；海中下潜物与它的海底停卧的探测；核泄漏的监测与防护等。２００１年，“地球物理武器”的问题也提到了议事日程。“地球物理武器”是运用现代科技手段，人为地制造地震、海啸、暴雨、山洪、雪崩等自然灾害，以实现一系列武器的总称。
近年来美国研制的武器威力惊人，破坏性极大。“地球物理武器”问题越来越引起社会和科技界的关注。
能源研究的新方向
刘光鼎院士在近年研究的基础上提出了能源研究的新方向，他认为从中国大地构造演化来看，前新生代海相残留盆地还有巨大的油气潜力，中国需要进行油气资源的二次创业。
天然气水合物研究是能源研究的另一个新方向。２００１年２月在北京香山召开了主题为“天然气水合物研究现状及我国的对策”香山科学会议第１６０次学术讨论会。天然气水合物是一种由气体和水形成的冰状白色固态晶体，是一种未来的优质、洁净能源，它作为温室气体甲烷的最大载体，又可能是影响全球气候变化和引发海底地质灾害的重要因素。早在１９７１年前后，在大规模实施海洋地球物理探测过程中，在海洋的不同地区均存在一种异常的地震反射层，被称为似海底反射层。ＢＳＲ迅速被视为天然气水合物的地震地层学证据，并结合钻探、地球化学探测和模拟实验等技术，初步形成一套天然气水合物综合勘查技术和方法。
美国制定了“美国甲烷水合物多年研究发展项目计划”，旨在为美国２０１５年进行天然气水合物商业性生产提供必需的科学知识与成果。日本和印度出于资源短缺的严峻压力和对新能源的巨大期望，分别提出“气体水合物研究发展５年计划”和“国家勘探开发计划”。德国于２０００年正式推出未来１５年大型地学研究计划，“气体水合物：能源载体和气候因素”研究项目被列入该计划。
我国在２０世纪８０年代末开始关注天然气水合物的研究，尽管现在我国对天然气水合物的研究仍处于起步阶段，对气水合物的重要性已有全面认识。２０００年国家自然科学基金委启动了三项涉及天然气水合物研究的基金；２００１年底Ｓ８６３计划启动天然气水合物项目。现有研究表明：我国东海陆坡、南海北部陆坡、台湾东北和东南海域、冲绳海槽、东沙和南沙海槽等地域均有天然气水合物产出的良好地质条件；我国几十年来油气勘探开发积累的经验和大量资料可供借鉴和利用，已有雄厚的科研力量较易转向天然气水合物研究；天然气水合物的最终利用形式为天然气主要是甲烷，其利用技术和贮运等下游工程目前均已具备。
（执笔人：陈顒
李娟。陈顒系中国地震局地球物理所所长、国家地震局副局长、中国科学院院士，地址：北京市复兴路６３号，中国地震局，邮编１０００３６）
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