出品：科普中國
製作：地球物理信息科學傳播團隊 陳會忠 蔡晉安 沈萍
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
在汶川地震十週年紀念時，"地下雲圖"的說法屢屢出現在各大媒體上。其實，早在2009年，科技部973項目相關課題組就設立了專門的研究項目，探討了我國陸區大震預測途徑戰略和戰術。在總結國內外地震預測研究現狀和汶川地震成因缺乏觀測和探測直接數據的基礎上，提出了地震預測途徑戰略和戰術，特別提出了動態跟蹤地下狀態，實施"地下雲圖工程"。
圖1 顯示了2011年第9號颱風的動態跟蹤和預測的關係，它使我們看到了跟蹤天氣變化發生、發展和結束的過程。
目前，中國地震預報可以說基本處於經驗和靜態預報階段，還遠遠沒有像天氣預報那樣可以動態跟蹤事件過程。
俄國地震學家伽裡津有一句名言："可以把每個地震比作一盞燈, 它燃著的時間很短, 但照亮著地球的內部, 從而使我們能觀察到那裡發生了些什麼。這盞燈的光雖然目前還很暗淡, 但毋庸置疑, 隨著時間的流逝, 它將越來越明亮, 並將使我們能明瞭這些自然界的複雜現象……"。
由於地震發生的地點、時間、大小都是不確定的，"並不是到處都有'燈'; 地震這盞'燈'也沒有能夠把地球內部的每個角落全照亮！"（陳運泰 ，2009）。實現像天氣預報那樣跟蹤地震事件過程，一直是地球科學家和地震學家的追求。
從上個世紀末到本世紀初，信息技術和計算機技術的迅猛發展推動了地球科學的信息化的不斷實現。將地震學和現代信息技術相結合，使得地球科學研究獲得了重要進展，包括噪聲地球深部成像、主動震源探測地下結構、超低頻/極低頻（ULF/ELF）探地以及地震模擬技術等。它們為探測地下結構，動態跟蹤地震過程提供了新的科學思路和技術。
因此，實施以地球內部成像、探測地球內部構造和物性、動態跟蹤監測地震孕育發展過程的"地下雲圖"工程，時機已經成熟。
為了探索地震預測途徑，課題組提出了動態跟蹤地震過程的戰術，發展動態深部探測技術，實施相應的動態地下結構和物態探測工程，稱之為"地下雲圖"工程 。
"地下雲圖"必須是動態的，類似於氣象預報"看雲識天氣"的方式，可以每天、每週、每月、每年產出，需要的話還可以產出每秒、每分每小時的地下變化形勢圖，為地震預測的實現提供有效保障。
目前，關於"地下雲圖"，具體取得了如下進展：
一、動態噪聲成像技術工程
近年來，地脈動噪聲地下成像技術快速發展並取得實質性突破，成為地學創新的熱點。
地脈動噪聲作為地震觀測的背景干擾，很早就被地震學家重視，科學家們希望能夠通過地脈動記錄實時監測地殼介質變化。地球物理學家傅承義院士1971年曾提出"紅腫理論"，他認為在大震來臨之前的一段時間，地球內部的巖體破裂加劇，從而導致脈動水平的增高，通過監測脈動水平的變化，就有可能實現對大地震的預測。
本世紀Rayleigh波群速度背景噪聲層析成像圖像技術發展很快，國際上Shapiro等（2005）和Sabra等（2005）在2005年幾乎同時發表噪聲成像的成果。國內，金星等（2007）在福建、房立華（2009）在我國華北地區和首都圈地區、劉啟元在（2010）四川、郭志（2010）在新疆天山等地區利用地脈動噪聲層析成像技術，獲得了中國大陸部分地區地脈動噪聲成像的研究成果。
研究結果表明，地脈動噪聲瑞利波反映了地殼淺部（上地殼約6－20 Km）的速度結構特徵。大多數破壞性地震發生在這一深度，發現速度變化比較強烈的地區即是應力集中的地區，又是介質相對脆弱的地區，這樣的地區更容易發生破裂從而產生地震。
特別值得一提的是，福建地震局對這一高技術研究成果進行了工程化的轉化，他們利用福建、江西、廣東和浙江省68個實時傳輸的地震臺地脈動噪聲數據，建設了區域噪聲成像動態監測系統和超級計算機處理實驗室，實現了地脈動噪聲進行面波速度層析成像的實時動態探測。每天完成一張福建地區面波群速度相對變化圖像，準實時監測福建地區地殼介質變化情況。
噪聲成像系統的研究結果目前已經初步應用於日常地震預測會商，圖2為福建地區瑞利面波群速度異常與3級以上地震的對應關係。圖3為2007年8月29 日福建永春4.6級地震前後瑞利波群速度分佈的相對動態變化圖。
福建省地震局的動態地脈動噪聲成像工程成果令人鼓舞，它實現了實時動態"地下雲圖"的設想，開闢了地震預測探索的新途徑。
二、主動震源深部探測工程
進入本世紀以來，探測地下構造和介質狀況的另一個引人注目的進展是人工主動震源探測（圖4）。其原理是通過人工的震源產生探測特定的振動信號，經地下介質傳播到地震臺站，最後利用反演技術實現地下動態探測和成像。主要技術包括精密控制震源，水中氣槍，人工爆破等。
精密控制震源具有時間、地點和震源特性確定，高度可重複，架設地點受限小等特點，在未來可能發生大地震的區域，實現區域地下介質結構及物性的動態探測。
我國自主研製的實用化精密可控震源設備（圖5）已投入到實際應用中。在背景噪聲比較低的地區，系統可以監視50km內、時間分辨率為小時的走時變化，150km內、時間分辨率為天的走時變化，實現了實時動態探測地球深部介質的變化。
2011年4月雲南省賓川縣建成了第一個人工水中氣槍地震信號發射臺（王寶善，2013）。該地區位於紅河和澄海兩個主要斷層（斷裂）交匯處，地震活動性高，臺站分佈密度達到15km左右，是全球密集的地震臺網之一。利用氣槍震源的高度可重複性，可以將多次激發的信號疊加起來以提高信噪比。在疊加的氣槍信號記錄中，可以看到氣槍信號可以追蹤到240公里，對應的探測深度為40公里（圖6）。它的建成為監測該地區上百公里尺度地下介質動態變化提供了良好的機會。
2013年5月新疆維吾爾族自治區呼圖壁縣又建成了一個由大容量氣槍組成的和人造水體的人工震源系統，人工水體直徑100m，深18m的圓形水池，氣槍信號已經穿透整個地殼達到上地幔頂部。
三、甚低頻電磁波岩石圈探測工程
人工源極低頻電磁技術（CSELF）是用人工方法產生極低頻（ELF）及其附近頻帶大功率交變電磁場的高新技術。我國目前已經建成了自己的發射臺，成為世界上第三個擁有這一發射技術的國家，並建成了世界上第一個用於地震預測等領域的觀測網（趙國澤等，2012）。
該系統由天線、接地體、大地和發射機構成了一個交變電流等效"環路"，在環路內變化的電流感應生成交變電磁場（圖8）。電磁場分佈在地球及其周圍空間，並在地面和電離層之間的"波導"中傳播。它可傳播到數千甚至上萬公里，多地點同時觀測極低頻電磁波的各個分量，可實時動態測量區域的地殼結構及其變化，同時還可研究岩石層、大氣層、電離層的電磁場異常。
圖9為我國地震學家利用俄羅斯發射源發現了1999年5月12日遷安4.2級地震震前電磁異常（趙國澤等，2003）。
目前我國華北、南北地震帶、天山等西北地區、東南沿海地震區和東北等省、市、自治區佈設密集極低頻電磁波接收網，為開展動態監測深部變化打下良好基礎。
上述的三種成像並不是動態深部探測技術的全部，這三種技術顯示了我們提出的"地下雲圖"實現的可行性。高新技術的發展極大推動了地震學和地震觀測技術的發展，新型微機電傳感器、大數據、人工智能（AI）技術和密集及超密集地震觀測網和陣列技術的結合，必將會帶來更多新技術和新發展，使"地下雲圖"技工程不斷向縱深發展。
由於地下的不可入性，地球岩石圈結構和物性遠遠比大氣圈複雜，但是我們已經看到幾代地球科學家夢寐以求獲得實時動態探測地下變化的"地下雲圖"的夢想有望實現，地震科學預測研究將迎來新的曙光！
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