20世纪中期,前苏联研究发现在塔吉克的加尔姆地区,地震前地下波速会有明显的变化,基于此观测提出了地震发生机理的新模型,并在加尔姆地区建立了地震预报科学实验场(卢振恒,1986; 张君仪,1980; Л.И.Боканенко,1994)。随后,德国科学家也在土耳其的阿拉托利地区建立了地震科学实验场(卢振恒,1986)。这些工作主要针对地震发生机理的基础研究,受到了国际科学界的重视。但由于政治变动和经费来源等因素的限制,到20世纪70年代,这些实验场的工作都陆续中断了。

1978年中国共产党十一届三中全会的召开,标志着中国进入了改革开放的新时代。1979年中美建交,拉开了中美科技合作的序幕,地震科学实验场作为最早一批的合作项目开始推进。1980年1月24日,国家地震局(现中国地震局,下同)、中国科学院、国家科委、军委总参谋部和外交部5家单位与美国相关部门正式签订了中美地震科技合作议定书(图1)。这份议定书涉及7个方面的合作内容:①地震前兆现象与预报技术的研究; ②板内活断层与地震研究; ③地震工程与减轻地震灾害合作研究; ④地壳深部结构合作研究;

图1 国务院对“关于中、美科技合作有关问题的请示报告”的批复
Fig.1 Reply of the State Council to the “Request for Report on Issues Related to Sino-US Science and Technology Cooperation”

⑤岩石力学实验室的合作研究; ⑥超长周期地震台站的设置与合作研究; ⑦资料和地震图胶片的交换。

中美双方根据签订的合作议定书,确定在云南省大理白族自治州建立国家地震局滇西地震预报实验场(以下简称滇西地震预报实验场),其科学定位为研究板内地震(也称“大陆地震”)的科学问题,而非局限于研究滇西区域的地震问题。协议书有效期为4年。在这种“科学问题导向”思想的指导下,中美双方交流密切。4年期间,中方先后接待美方科研人员155位,中方赴美国交流科研人员98位。滇西地震预报实验场还接待了来自英国、德国和以色列等多个国家的科研人员。许多地震科技骨干,如丁国瑜、梅世蓉、马宗晋、曾融生、马瑾、谢礼立、许厚泽、姚振兴等都曾在滇西地震预报实验场工作过。中美地震科技合作工作,对中国地震工作的发展起到了极大的促进作用,中国的地震研究工作也得到了国际地震学界的高度重视,SSB(State Seismological Bureau,国家地震局)的名称与USGS(United States Geological Survey,美国地质调查局)、NASA(National Aeronautics and Space Administration,美国航天局)一样,频繁出现在包括Science在内的各种英文专业杂志上(Kan et al,1986)。

1983年10月25日,国家地震局在云南省大理白族自治州召开了滇西地震预报实验场第一次工作会议,参会成员有原国家地震局副局长林庭煌(滇西地震预报实验场工作委员会主任)、云南省地震局原局长姜葵、原国家地震局地震预报中心主任陈鑫连、原国家地震局地球物理研究所所长陈颙、原国家地震局地震研究所所长赖锡安、原国家地震局地质研究所所长刘若新、四川省地震局原局长罗灼礼及王贵美等同志。

1984年,国家地震局在北京召开了第一届大陆地震国际讨论会,该次会议的科学议题为“大陆地震”,来自全世界十几个国家的近300名学者出席会议,其中包括12个国家近20位科学院院士。表1为此次会议一些代表性的发言题目(国家地震局科技监测司,1984)。

表1 第一届大陆地震国际讨论会中具有代表性的发言题目
Tab.1 Representative speeches in the 1st International Symposium on Earthquakes in the Mainland

滇西地震预报实验场建立后,国家地震局组织多家科研单位在云南地区开展了大量科学实验工作,比如“滇深-82”及“滇深86-87”人工爆破测深工程和“云南地学大断面”综合研究工作,通过这些工作获取了云南地区丰富的测深资料,之后许多科研学者对这些云南测深资料进行分析研究,揭示了云南地区地壳的一些重要特征。如此丰富密集的测深资料及研究成果在我国大陆是少见的(张建国,2009; 姜葵,陈金海,1986; 白志明,王椿镛,2003; Kan et al,1986),这也为滇西地震预报实验场继续开展地震科学实验工作奠定了坚实的基础。

21世纪初以来,滇西地震预报实验场继续在地震科学实验探索方面开展相关工作。2007年重建了由6个子台组成的测震观测台网,2011年与中国地震局地球物理研究所合作建成了全球第一个陆地固定式地震信号发射台——宾川地震信号发射台(陈颙等,2017; 王彬等,2015,2016),并依托该发射台连续申请了2项国家自然基金及1项云南省院士工作站等科研项目,2017年与中国地震局地球物理研究所合作在云南宾川布设了密集台阵,开展了云南宾川主动源邻区浅层精细结构多源成像研究,并与中国地震局地质研究所合作开展“亚失稳”研究,上述一系列的科研合作项目为云南地震科学研究及人才培养搭建了良好的平台。

20世纪80年代后期,参照滇西地震预报实验场的经验,全国多地开始建立地震预报实验场。但地震预报实验场的科学定位慢慢发生了变化,这些实验场的主要目标是成为其所在地区监测预报方面的“实验场”。这是一种“研究地区导向”定位,即以该区域的地震预报作为评价“实验场”的标准:选择多地震的地区建立地震预报实验场,建设多种手段、高密度的观测系统,通过分析地震前兆的方法预报“实验场”地区的地震,并试图评价各种经验性方法的局限性(陈鑫连,1987; 梅世蓉,1994; 马宗晋,2000),以期推动地震预报研究的进步,这样的定位给“实验场”的发展带来了局限。这些“实验场”建立之初,将科学目标定位在地震预报,希望通过“实验场”的工作,在地震预报方面有所突破。在任何地区,地震(特别是大地震)的复发周期都是很长的,而“实验场”运行的时间有限,所以多数“实验场”都没有完成预定目标。于是,包括滇西地震预报实验场在内的很多实验场,如京津唐张地震预报实验场、山西和新疆的地震预报实验场,都走过了一段曲折萧条的道路。到如今,除了滇西地震预报实验场,其它的地震预报实验场都逐渐被人们遗忘。

20世纪80年代,中美地震科技合作的基地之所以选择在滇西地区,原因有二:一是该地区地处大陆内部,地震多,实践的机会也多; 二是滇西地震多与红河断裂有关,而红河断裂北段地震频繁,南段却很少有地震。同一条断裂,南北两段地震活动性质完全不一样,正如美国地质学家 Clarence R.Allen在合作议定书签订过程中所提出的“这是研究地震机理、断层与地震关系的绝好地区,也是全球范围内研究大陆地震基础前沿问题的最好地区”。

要把一个实验基地建设好,科学的定位是最重要的。我们应该把着眼点放在提高地震科学的水平上。因为地震科学的发展,能够促进地震预报水平的提高,这与地震预报并不矛盾。对地震的观测和理论研究可为地震预报提供基础。

地震科学的发展面临许多挑战性的问题,大致可以分成两类:长期性和短期性的问题。我们应该挑选几个关键性的科学问题,在有条件的地方,集中力量进行攻关。部分科学问题举例如下:

(1)4D地震学。根据“国家地震科技创新工程”中“解剖地震”的计划,要对地震的物理过程进行研究,要求我们对地下介质状态的变化开展监测。利用多种技术手段,对地下介质的物理性质、力学性质等随时间的变化开展研究,是4D地震学的主要内容(图2)。4D地震学的观测能够帮助我们认知哪些“前兆”能够反映地下介质状态的变化,哪些不能; 能够提高前兆观测的空间密度和时间尺度(王伟涛等,2017)。

(2)城市地震学。中国的城市化率近75%,对城市下方空间的探测是“透明地壳”“韧性城乡”的重要研究方向。对地下结构的探测是地震科学的强项,但在城市这一经济、人员和环境的综合载体下开展探测,对地震学的探测模式和探测精度提出了挑战,需要对相关的探测震源和观测技术开展深入的研究,以应对城市环境下高分辨率地下空间探测的要求。同时,也对地震学研究产出成果的类型和成果应用提出了新的要求。选择适当的城市,开展流动实验场的工作,服务于政府城市建设,势必得到多方面的支持,对传统地震学走出学院式的象牙塔有极大的帮助。

(3)页岩气地震学。科技发展要以“需求牵引,问题导向”为目标。天然气等清洁能源成为从传统化石能源向新能源跨越中不可逾越的桥梁,清洁能源所占比重有望在2030年超越煤炭、2040年超越石油。当前是天然气为主导的清洁能源的黄金发展期,世界正进入“天然气时代”。针对国家在能源需求方面所面临的科学问题,开辟流动实验场,在天然气能源的存储等方面开展工作,针对特定的问题,在相应地区开展相对短期的实验研究,这样可以在促进学科发展的同时为国家需求保驾护航(智慧服务)。

总之,在实验场进行长期实验的基础上,开辟流动实验场,增加适当的短期实验内容,将基础研究与应用研究有机结合起来,可以增加地震科研的活力,开辟新的研究领域,更好地为国家服务。

图2 正在工作的大理宾川地震信号发射台为4D地震学研究提供可靠信号源
Fig.2 The working Dali Binchuan Seismic Signal Launcher provides a reliable source for 4D seismology research