北大研究團隊成功研發出新型地震監測系統
來自北京大學深圳地震監測預測技術研究中心的創客和研究團隊獨辟蹊徑，歷時5年研制出一種新型“地球聽診器”——AETA多分量地震監測系統，將其布設在地下或山洞內，可記錄地震活動的前中后全過程，通過獲取與分析“地聲”與“電磁擾動”等地震前兆信息，可望發現規律，進而預測地震
AETA多分量地震監測系統有個形象的別稱：“地耳”。這只地下的“耳朵”，能幫助人們探聽來自地下的哪些音符與旋律?
繞開地震成因研究，直接聚焦地震前兆信號
關于地震的成因，地震學界眾說紛紜。主流的板塊構造學說、傳統的大陸漂移學說、新興的核裂變說等理論側重不同、各有擁躉，學界尚無一套可以支撐地震短臨預測的理論體系。
神秘的地球內部有著千變萬化的地質結構和難以考證的能量場，地震預測成為舉世公認的世界難題，它的復雜性令人望而生畏，有專家甚至斷言“地震無法預報”。因此，通過研究地質結構、地殼形變、板塊運動、地下流體等發現地震成因與機理，進而建立地震監測與預報體系的傳統攻關模式，如天下雄關般殊難逾越。
深圳“AETA”團隊反彈琵琶，選了一條截然不同的路。“我們繞開了對地震成因的研究，直接聚焦地震前兆信號。”“AETA”團隊負責人、北京大學深圳地震監測預測技術研究中心主任王新安教授發現，不少專業文獻都提到，幾乎每一次地震發生全過程都有種種異常征兆：有人類感官能覺察到的“宏觀前兆”，如“雞飛狗跳”、轟鳴的地聲、五彩的地光等;也有儀器和長期監測才能察覺到的“微觀前兆”，如電磁波、地應力、地面傾斜等變化。
“地震的孕育和發生是地下巨大的能量活動過程，這個活動過程應該會伴隨發生各種物理變化和化學變化。比如電磁異常，通常是地下巖石受力變形至突然破裂釋放的大量電磁擾動信號。在震中區及其附近更大區域，這類前兆信號都可能是非常明顯的。”“AETA”團隊成員、北京大學深圳地震監測預測技術研究中心雍珊珊說。
“AETA”團隊成員、高級工程師徐伯星認為，地震的過程有些像“掰筷子”。“握住筷子持續緩慢發力，筷子在最后‘咔嚓’一聲折斷前，會不斷發出響聲。折斷的一剎那，類似地震發生之時。”徐伯星說，“我們就是監測‘折斷’之前的‘持續破裂’過程，試著從中找出、收集和分析與地震有關的前兆信號”。
理論上講，“宏觀前兆”和“微觀前兆”都可以作為監測分量。但監測分量的選定和技術指標的制定，是基于對映震效果、系統成本、環境要求等多因素的綜合考量。“AETA”團隊最終選定了多頻段電磁擾動和地聲作為監測的兩大分量，其他一些有研究意義的監測分量，比如地應力、氡氣等惰性氣體的觀測，基于成本、布設等問題，暫時未作考慮。
隱伏于地下的“AETA”系統能充分適應嚴酷環境，靈敏度高
“AETA”由一組設計精密的半導體傳感器——電磁傳感探頭、地聲傳感探頭和數據處理終端、云平臺數據存儲分析系統組成。
電磁傳感探頭長48厘米、直徑6厘米、呈長筒狀，地聲傳感探頭形似圓盤，兩者均布設在震區山洞內或地表2米以下。數據處理終端放置在室內，數據通過網絡發送到云平臺進行數據存儲和處理分析。隱伏于地下的“AETA”，恰似地球的“聽診器”。
電磁和地聲傳感器與前端信號處理，是“AETA”前端探頭的核心。2015年，“AETA”原型機生產出來后的第一次現場實驗，驗證了AETA系統的靈敏度等系統可行性，但團隊非常清晰地認識到，必須研制出高品質的工業級產品。王新安說，“如果不能很好地解決品質與量產問題，我們的科學實驗就會糾纏于錯亂的數據之中，無法進行下去”。
“AETA”團隊與學術研發項目轉化平臺“深創谷”合作，用了半年時間反復改進、測試、再優化，大幅提升設備的可靠性、穩定性與一致性，確保“AETA”系統能充分適應地下和野外的嚴酷環境，高成本、低品質的原型機由此完成向低成本、高品質產品的升級;由于可靠性和一致性得到保障，產品很快實現了批量制造。
后端的數據分析也是研發重點，“AETA”團隊主要通過數據處理算法，將實時采集的多種微觀前兆信號轉化成可視的圖表與文字，監測人員可輕松實現“看圖說話”。通過對地震前兆信號數據的采集與分析，輔助預測人員進行地震預測。
在位于龍門山斷裂帶北川—映秀斷裂北段的四川廣元—陜西寧強一帶，北京大學深圳地震監測預測技術研究中心通過四川省地震局與當地防震減災局合作，目前已在百公里范圍內布設了8臺“AETA”。
四川省廣元市朝天區防震減災局檢測員林強起初并不看好“AETA”，但“AETA”在今年9月、10月青川的多次臨震監測效果讓他“眼前一亮”：“在地震發生前的十多天內，‘AETA’對電磁擾動的捕捉很靈敏。我們正在把‘AETA’與觀測地殼形變的傾斜儀結合起來使用，測試映震效果、做好信息記錄。”
林強認為，“AETA”在布設選址和多分量數據的積累與應用等方面，仍有待改進。“由于不同類巖石對入射電磁波具有不同反射、吸收性能，選址時應當遠離高反射率、高吸收率的千糜巖，減小信號損耗;人類活動對分量數據采集也可能有影響，應當遠離噪音源和馬路。”他說，“每個片區還可以成立AETA地震預測分中心，用于數據交流和共享”。
從2015年開始小批量研制至今，“AETA”經歷了從1.0版本向3.0版本的升級。“提升設備的靈敏度、可靠性與一致性，降低設備成本，降低設備對環境的要求是升級的主方向。”王新安介紹說。
大范圍、高密度布設設備，有著更加不可替代的重要性。“震中區域與地震觀測點之間的地質結構可以理解為一個‘濾波器’，會直接影響監測分量的強度、頻率，這也是不同地點發生地震的異常征兆可能不同的主要原因，因此，開展多點合圍觀測至關重要。多點合圍觀測，就意味著大范圍、高密度布設和大量的基礎建設投入。”王新安說，“同時，因為地質環境差異，地震來臨前，不同臺站顯示的信號會有或大或小的差別。因此在實際地震監測預報中，既要橫向看周邊臺站，又要縱向看歷史數據，長時間積累的歷史數據具有很高參考價值。我們的研究步驟與階段分為：均勻布設、獨立分析;重點布設、融合分析;建立模型、提升分析。可見，要做好臨震監測預報，必是久久為功，不可急于一時”。
過去3年，在中國地震局、各省區市地震局與防震減災局的幫助下，北京大學深圳地震監測預測技術研究中心已在全國各地臺站布設“AETA”186臺，其中四川累計布設99臺，云南28臺，西藏7臺，京津唐37臺，廣東10臺等。龍門山斷裂帶等重點監測區的布設已初具規模。
“AETA”被看作“多學科交叉融合的實驗性成果”
“AETA”團隊大多數研發人員來自于北京大學深圳研究生院信息工程學院微電子專業。團隊專業的傳感器件及集成技術與地學、數據科學間的深度交叉與融合，借以深圳對創新硬件的快速整合與實現能力，共同澆灌出“AETA”這朵“雙創之花”。
深圳市政府總值班室主任潘龍斌把“AETA”看作“多學科交叉融合的實驗性成果”。“跨學科、跨行業沒有權威。既然是實驗性的新事物，就應當持鼓勵和包容態度，幫助它建立理論、允許它試錯，讓它在實踐中自我修正、不斷完善。”潘龍斌說。
“在新經濟發展領域，信息科學與其他科學領域的交叉融合既有必然性，也有必要性，深圳有著得天獨厚的創新創業環境、制造業基礎與金融支撐，這為學科與行業的交叉融合提供了肥沃的土壤。”潘龍斌提到，深圳的新興產業無論是生物產業、新材料產業等戰略新興產業，還是智能裝備產業、機器人產業等未來產業中，都有大量勇于探索不同領域交叉融合的企業，這些企業中或許就有未來的“華大基因”“光啟”“大疆”。如今，融合業態云集的新興產業對深圳地區生產總值貢獻率已超五成，是名副其實的經濟“新引擎”。
更多的跨界交叉融合，正在為深圳這座創新之城帶來無限的活力與可能性。“深圳并不位于任何地震帶上，深圳團隊巧思妙想，研發用于臨震監測預測的‘AETA’，著實令人鼓舞、給人啟發。”潘龍斌透露，深圳市應急管理辦公室正在嘗試將“AETA”用于監測城市填海區、地鐵沿線地質演變，服務城市公共安全，“地球聽診器”未來或將有更多的“用武之地”。
