中国地震科学实验场设计方.docx
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中国地震科学实验场设计方.docx
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中国地震科学实验场设计方
中国地震科学实验场设计方案
二十世纪以来,前苏联、美国、中国、日本、土耳其等先后建立了13个地震预测预报实验场,大多数没有取得预期的效果,其主要原因:
一是以寻找短临“前兆”预报地震为目标;二是系统科学设计不足,缺乏长期稳定支持。
目前国际公认较为成功的是基于美国帕克菲尔德地震预报实验场发展起来的南加州地震中心(SCEC),其主要特点是通过明确科学目标,分阶段建立数值模型,不断深化科学认识。
地震工程研究领域主要通过布设强震动台站开展观测,目前有影响的地震工程实验场是EuroSeisTest,该实验场侧重沉积盆地地震动、典型工程结构的观测与分析。
吸收借鉴国内外各类地震实验场建设经验教训,中国地震科学实验场将突出两个特色:
一是在科学内容上,既注重地震孕育发生规律探索,又考虑工程抗震应用,将是世界首个研究“从地震破裂过程到工程结构响应”全链条的地震科学实验场;二是在研究对象上,将建设国际上现今唯一针对大陆型强震进行系统研究的地震科学实验场。
一、总体目标
以深化地震孕育发生规律和成灾机理的科学认识、提升地震风险的抗御能力为目的,建设集野外观测、数值模拟、科学验证及科技成果转化应用为一体,具有中国特色、世界一流的地震科学实验场。
秉承开放合作,突出机制创新,吸引国内外专家,利用大数据、超算模拟等新技术新方法,发展地震科学理论与基础模型,产出一批具有国际影响的原创成果,引领地震业务转型升级,提升防震减灾综合能力。
二、基本原则
重视探索。
面向国际地震科学前沿,瞄准关键科学问题,围绕国家地震科技创新工程“四大计划”,鼓励科学家大胆提出科学假设,通过实验场进行实际验证,注重原创性科技成果的产出,实现“科学认识上有突破”。
理实交融。
强调科学理论与工作实践相融合,实现“无缝衔接”。
既要围绕科学目标开展有针对性的科学观测,又要充分利用日常业务观测资源;既从业务实践中凝练科学问题,又将实验场的前沿探索成果及时转化为业务应用,实现“业务实践中有作为”。
开放合作。
坚持开门建设实验场、开放运行实验场,开展最广泛的国内外合作,提高共建共享水平,重视数据资源和成果资源的共享。
坚持不求所有、但求所用的人才理念,柔性引进领军人物和拔尖人才,努力把实验场建成新思想的孵化器、新技术的加速器、新成果的助推器。
有限目标。
坚持有所为和有所不为。
做好顶层设计,紧紧围绕“透明地壳”、“解剖地震”、“韧性城乡”、“智慧服务”四大计划,选取强震多发、灾害严重、研究基础好的川滇地区,积累经验后逐步推广;聚焦瓶颈问题,制定长期规划和分步实施方案,集中有限资金和优势力量,积跬步以至千里,一步一个脚印地向着科学目标扎实迈进。
创新机制。
努力建立充满活力的实验场运行机制。
突出科学决策,发挥国内外专家群体的科学指导作用;创新运行方式,变“刚性”引进为“柔性”集聚,推行首席专家团队新模式;开放观测数据和资源,吸引一流专家带着科学思想和科研经费开展研究,使之成为最受国内外地震科技工作者欢迎的科学研究平台。
三、实验场区空间范围
实验场区范围为从川甘交界到云南南部,即97.5°-105.5°E,21°-32°N范围的国境内区域。
该区域位于欧亚板块与印度板块互相碰撞挤压强烈变形地区,涵盖川滇菱形地块、滇南地块、滇西地块、巴颜喀拉地块东段等,包括龙门山、鲜水河、安宁河、则木河、小江、红河、小金河等重要断裂,是中国大陆与周边板块动力传递的关键部位。
实验场区既是研究大陆型强震的理想场所,也是全链条地震灾害风险管理的典型示范区。
图1实验场区空间范围
四、主要科学问题
主要基于以下考虑:
一是瞄准美国南加州地震中心,对标其现有水平,保持实验场的国际领先水平;二是考虑我国大陆型地震特点和五十年来开展地震预测实践的经验,突出中国特色;三是强化科技创新成果转化应用,及时开展实验场前沿探索成果的地震业务示范。
(一)前沿科学方向
大陆型强震孕育环境:
针对印度板块动力边界加载、活动地块运动调整、构造带变形机制、断层运动状态等,开展地质构造演化、活动地块划分、壳幔介质结构、区域变形特征、壳幔介质流变结构、热力学结构、高原隆升作用等研究,系统分析大陆型强震的孕育发生动力学环境。
地震发生过程:
针对大陆动力学框架的活动地块、主要断裂带、孕震断层段应力应变分配过程,开展级联破裂、断层运动闭锁程度、断层应力状态、断层摩擦力学性质等震源物理模型研究,科学认知大陆型强震孕育发生的动力学全过程。
致灾机理:
选择典型场地和城市,开展场地地震效应、地震地质灾害形成机理、工程结构破坏机理、地震灾害风险监控、地震动预测与灾害情景模拟等研究,为地震灾害风险评估和韧性城乡建设提供技术支撑。
(二)近期聚焦的科学问题
1.如何构建川滇地区统一的大尺度岩石圈结构模型?
如何认识强震孕震环境与岩石圈结构的关系?
2.缅甸弧俯冲作用如何影响川滇主要断裂应力应变累积过程?
如何构建应力应变动态变化数值模型?
3.如何利用LiDAR、GNSS、超密集台阵等新观测技术构建高分辨率断层精细结构模型?
4.川滇地区主要断裂存在断层分段和级联破裂,其主要控制因素是什么?
5.在板块边界带已观测到很多低频地震事件,这种现象在大陆地区是否存在?
6.如何精准获知川滇地区主要断裂现今运动状态?
是否存在断层“蠕滑”行为?
7.强震前是否存在亚失稳现象?
如何在野外观测验证?
8.地下介质性质变化(如波速、各向异性等)在多大程度上反映地震孕育发生过程?
是否可观测?
9.地震引起的库仑破裂应力变化是否能够直接触发地震?
能否通过观测验证?
10.川滇地区经常观测到地震前有地下流体异常变化,如何认识其内在物理机制?
可否进行数值建模?
11.现有数值地震预测模型在多大程度上反映了真实情况?
关键构成要素有哪些?
12.如何基于现有观测数据构建强地面运动情境?
怎样在减轻地震灾害风险中发挥作用?
13.川滇地区地震造成的农居和城市民居破坏特征是什么?
各种工程抗震措施的效果如何?
14.梯级水电站等重要工程设施和生命线工程如何有效防范重大地震及次生灾害风险?
15.影响现代城市韧性的主要因素有哪些?
如何通过工程措施和非工程措施提高其韧性?
五、主要技术途径
(一)突出科学观测
基本考虑:
基于明确科学目标的高水平的科学观测是实验场成功的基础。
一是开展深部环境探测,获取地下真实精细结构信息;二是在主要断裂开展多手段密集综合观测,获取孕震过程动态信息;三是在盆地和城市开展强震动和结构响应观测,深化破坏机理认识,指导工程抗震。
实验场在科学观测中,要充分利用现有观测资料,整合国家重大科技项目和直属单位业务、科研观测资源有计划地开展补充性基础观测。
1.充分利用现有资源
(1)充分利用固定监测台网和ChinArray等已有测震学观测,构建川滇及附近地区岩石圈波速、各向异性、衰减性质等介质结构高精度三维模型,并发展全面评估介质模型准确性的评价方法和壳幔结构介质推荐数值模型(问题1);给出实验场区现今中小地震重新定位结果、震源机制解、近期6级以上地震同震破裂模型等,为断层模型(问题6)、区域应力应变模型(问题1、9)、强震概率预测(问题11)等研究提供测震学研究基础。
(2)充分利用实验场区温泉地球化学观测现有数据,在川滇重要断裂带构建壳幔温度数值模型,探索震前地下流体温度变化物理机制(问题10)。
(3)开展高新观测技术和已有观测数据的融合综合利用研究,开展张衡系列卫星和InSAR、电磁、热红外、高光谱、重力等卫星观测资料综合应用。
2.针对问题强化观测
(1)沿主要断层利用机载LiDAR开展地形地貌高精度扫描,结合已有活动断层探测结果,挖掘古地震同震信息,构建川滇主要断裂几何模型和变形模型(问题3、4)。
(2)针对川滇主要断裂的各断层段,在其两侧数十公里范围内布设2~5km台间距的密集连续GNSS台网,探索大地测量模型的共建、共管、共享的观测模式,结合InSAR观测数据,构建现今断层运动模型(问题3、4、6)、断层摩擦物理性质(问题4、6、7)、块体运动模型(问题2)、壳幔粘滞结构(问题1)、火山区变形模型(问题2)等。
(3)选择重点构造部位,在断层两侧数公里范围内布设300~500米台间距的超密集地震台阵,构建浅层介质模型(问题12)、断层深部运动模型(问题2、4、5、7),开展主动源地下介质时变观测(问题8)。
(4)选择川滇地区若干典型城市,建设地震动和工程结构响应密集观测网络,建设地表与地下地震动的高密度立体观测网络(问题12、13、15);选择川滇地区若干重要基础设施和生命线工程,建设结构地震响应的多手段观测网络(问题14)。
(5)在科学研究过程中,科学家团队针对具体问题提出增加的观测。
(二)重视超算模拟
基本考虑:
在科学观测的基础上,对海量数据进行分析处理、科学建模和模拟仿真是当前国际地震科学主流方向。
一是建设实验场超算平台,与国家超算能力发展同步;二是发展地震全过程数值模拟并逐步实用化,彻底改变地震预测长期依赖经验统计的局面。
1.建设数据共享和科学计算平台
建立现代化的数据汇集、管理、服务的开放共享平台,提供友好的科学数据共享接口,充实高性能计算人才队伍,整合升级地震系统现有超算资源,充分利用“太湖之光”等国家级超算平台,形成基于网络协同的卓越计算科学环境。
2.开展全过程地震数值模拟
利用大数据、人工智能、高性能计算开展地震孕育、发生、成灾全过程的数值模拟,实现从单个地震秒级破裂过程(问题4、12、13、14)到横跨多个断层(问题1、2、4、9、11)、跨越千年尺度的地震模拟(问题2、4、9、11),实现从地震破裂到工程结构响应的全链条数值仿真,积累实践案例,发展验证方法。
采用模块化设计,形成系列的科学研究和技术开发的软件工具包。
六、组织管理
实验场指导委员会,由局领导任主任、副主任,成员由局有关部门,单位主要领导组成,监督实验场管理运行,把握实验场发展方向,负责审定实验场顶层设计方案和科学委员会组成人员,负责协调实验场组织实施重大问题,协调落实实验场建设投入。
指导委员会办公室设在地震局科技管理部门,负责承办指导委员会日常工作。
实验场邀请国内外顶尖科学家成立科学委员会,指导实验场未来总体目标、阶段性目标,审议团队科学研究计划,评价团队3年期研究成果。
实验场管理办公室设在预测所负责实验场的日常运行管理,局属研究所按照各自科研主攻方向,负责组建专家团队,参与科学问题攻关,推进业务转化等;局属业务中心和云南、四川等相关省局负责提供数据共享服务、科研成果业务转化、开展现场观测等工作。
实验场设立首席科学家和总工程师各1名,组建若干首席专家团队,吸引国内外优秀专家在实验场开展工作。
图2组织管理架构图
能否创新运行管理机制是实验场成功的关键。
为此,实验场在科学问题的提出注重发挥国内外顶级科学家的创造性作用,减少行政干预;在科研团队组建上,不仅发挥地震系统内专家集团和行业优势,而且采取柔性聚集的方式吸引系统外一流专家参与,重视交叉融合,既有利于科技创新又有利于培养人才;在经费管理上充分发挥首席专家对经费的主导权;在考核评价上不唯论文数量,而是注重评价团队的代表性成果的原创价值和对业务工作的引领支撑;在平台服务上,充分保护知识产权的前提下,对观测数据和科研成果实现最大程度的共享;在管理机制上,实行扁平化管理,不再成立专门的局领导小组或管理工作机构;在业务能力引领上,注重向业务单位提供丰富的科技产品和原创成果,建立转化实施途径,提升业务能力。
(一)设立实验场管理办公室。
办公室设在预测所,贯彻落实局党组决策部署,负责实验场建设全过程组织、制度规范制定和日常管理,协调地震系统有关单位共同做好实验场任务实施,为实验场科学委员会和首席专家团队的科技创新活动提供保障服务。
预测所设置实验场办公室,负责管理实验场的建设运行,不再设置多层级的管理机构。
(二)成立国际一流的实验场科学委员会。
依托中国地震局科技委,邀请地学、地震工程领域中国科学院、中国工程院的院士及国内外的知名专家,同时邀请SCEC、IASPEI、IAEE、ASC、USGS等组织和机构的专家,共同组建科学委员会,指导实验场未来总体目标、阶段性目标,审议团队科学研究计划,评价团队3年期研究成果。
委员不承担实验场研究任务。
(三)设立首席科学家和总工程师。
为确保实验场科学目标落实,设地震科学实验场首席科学家1名,负责总体科学设计、团队建设和模型构建。
为确保实验场工程目标落实,设地震科学实验场总工程师1名,负责观测任务组织、观测资源和数据共享服务、科研成果的业务转化。
首席科学家和总工程师接受实验场科学委员会的指导。
(四)组建跨系统的高水平首席专家团队。
采用柔性人才政策,按15个关键科学问题先期招募10-15名团队首席专家,地震系统专家不超过团队首席专家总数的1/2,地震系统外团队至少吸收1/3地震系统专家,以40岁以下青年科学家为主,形成跨国界、跨行业、跨单位的地震科技创新团队。
地震系统的团队,至少吸收不少于1/3的非本单位专家。
(五)实行经费管理新模式。
建立与团队首席专家协商决策的实验场经费管理制度,在与首席专家团队协商约定双方、多方权利和义务的基础上,签定协议,由实验场连续3年提供稳定的经费和科技资源配套支持。
最大限度赋予团队首席专家经费管理使用自主权,实行预算总额控制,预算内不同科目间经费的调整由团队首席专家决定。
同时,鼓励与实验场科学目标一致的专家团队带项目来实验场开展研究工作,实验场负责提供必要的科技资源配套支持。
(六)改革考核评价制度。
改变简单量化的考核评价做法,采取同行评价。
依托实验场科学委员会,增加相关领域顶级专家组成评价专家组,对于提供稳定支持的首席专家团队实行3年期评价,评价团队的代表性成果的研究质量、原创价值、实际贡献以及成果转化对业务工作的引领支撑作用。
在项目执行过程中,不开展频繁的过程检查,减少不必要的申报材料。
(七)构建数据产出和共享服务的分工负责机制。
物探中心、二测中心、云南局、四川局等负责观测任务产出原始数据;地球所、地质所、预测所、台网中心负责数据挖掘和共享服务,既充分发挥业务中心和有关省局的观测专业化优势,激发干事创业活力,又将研究所从具体观测任务中解放出来,聚精会神搞研究。
构建中国地震科学实验场数据共享中心,提供更加专业丰富的数据产品共享服务。
具体如下:
(1)全国常规数据共享服务由台网中心承担;
(2)科学台阵观测仪器运维委托物探中心统一负责,数据共享服务由地球所承担;(3)LiDAR观测仪器运维委托二测中心,数据共享服务由地质所承担;(4)GNSS观测仪器运维委托云南局、四川局负责;(5)其他新建观测项目数据共享服务均由预测所承担。
(八)建立科技成果引领业务能力提升的长效机制。
对地震数据资源深度挖掘研发,逐步向业务单位提供丰富的科技产品和原创成果,建立实验场科研成果保障地震业务能力提升的实施途径:
(1)预测所负责及时跟踪汇总各团队和项目的科研成果,并负责组织研究阶段科技成果,提炼新业务能力可行方案;
(2)局属研究所会同台网中心和相关业务单位研发业务应用产品;(3)在相关业务单位开展试验和示范应用,经业务主管部门认可后,正式进入业务运行。
实验场建设运行过程中,应充分认识到还面临着一些客观问题,如实验场区域处于敏感地区,观测数据开放的对象和程度,以及后续经费投入额度、渠道和使用监督以及相关激励机制等问题。
甚至在实验场运行过程中可能还会出现没有预料到的问题,这些问题的解决,需要我们在实验场建设的实践中不断摸索,总结经验,创新机制。
七、预期效益
(一)取得原创性科技成果
着眼解决关键地震科学问题,发展新型地震观测技术,引领地震科学研究和实验方法,深化地震致灾机理认识,取得一批原创性的科学发现和技术进步,得到国际同行广泛认可,对地震学科及相关交叉学科发展产生深远影响,成为国际地学大科学计划的重要组成部分。
(二)推进形成新型业务能力
通过实验观测和数值模拟,建立和更新地下结构、地壳变形、震源物理、地震数值预测、地震动预测、工程结构响应、地震风险评估等一批高质量的公共科学模型,积极探索形成基于公共科学模型的新型业务能力,大力推进前沿探索成果的转化应用,不断提升地震业务工作能力和水平。
(三)建成世界主要地震科学中心和创新高地
对标美国SCEC地震科学实验场,明确阶段目标,建成具有国际先进水平的地震观测基础设施和数据共享科学中心,通过开放共享科研装置、观测设施、数据资料等科技资源,吸引国际顶尖科学家在实验场开展地震科学理论研究和验证,将实验场建设成为具有国际影响,集突破型、引领型、平台型一体化的地震科学研究实验基地,产出丰富高质量的地震科技成果。
图3未来3年实验场建设目标与SCEC发展对标情况概图
八、经费投入
(一)充分用好现有经费渠道
积极支持国家重点研发计划、“地球深部探测”重大科技项目、地震科学联合基金等在实验场开展研究,并提供配套科技资源;各研究所利用基本科研业务费,持续在实验场开展专项研究;中国地震局在小型基建项目和修缮购置项目设置方面向实验场倾斜,为建设内容落地提供条件保障。
(二)积极争取国家重大专项
以实验场科学设计方案和国家地震科技创新工程为蓝图,不断完善实验场建设方案,扎实开展前期建设工作,积极争取国家重大专项。
(三)加大现有支持力度
中国地震局加大现有经费支持力度,为实验场首席专家团队创新活动提供稳定的经费支持,并为在实验场区开展的科学研究工作提供必要的科技资源和经费配套支持。
九、下一步工作安排
(一)完成实验场科学委员会组建。
依托中国地震局科技委,邀请部分国内外一流专家,组建实验场科学委员会。
(12月底前完成)
(二)组建国际水平的首席专家团队。
按要求分批招募团队首席专家,并完成第一批首席专家团队组建。
(12月底前完成)
(三)编制完善实验场科学设计。
在《中国地震科学实验场设计方案》基础上,瞄准15个关键科学问题,在实验场牵头单位组织下,明确实验场未来10年总体目标、3年阶段性目标,积极抢占地震科技竞争和未来发展制高点。
(11月底前完成)
(四)组织编制2019年度工作计划。
各首席专家团队提出研究计划,签订协议,确定2019年度拟开展的科学研究,制定2019年度工作计划。
(12月底前完成)
附件:
实验场与工作团队的权利与义务
附件
实验场和工作团队的权利与义务
一、实验场提供稳定经费和科技资源配套支持的首席专家团队,通过签署协议约定双方权利与义务。
(一)实验场的主要权利和义务
1.构建中国地震科学实验场数据共享中心,按照数据使用协议,提供观测数据服务;
2.每年向每个团队提供50-80万元团队运行经费;
3.根据科研团队需求,提供必要的观测资源支持,经专家委员会审定,安排观测并提供数据或数据产品服务;
4.根据团队现场工作要求,提供必要后勤保障服务。
(二)科研团队的主要权利和义务
1.按照协议约定完成3年阶段科学目标,科研阶段成果及时提交实验场提升业务能力,实验场负责保护其知识产权;
2.在国内大地震发生后,及时提交应急科技产品,境外大地震视情况而提供;
3.所有相关科研成果必须标注中国地震科学实验场资助;
4.发表以中国地震科学实验场依托单位作为第一标注高水平文章或提供能够引领业务发展的核心技术;
5.每年以中国地震实验场名义至少组织1次学术交流活动,并提交年度进展报告;
6.必须参加中国地震科学实验场年会。
二、获得其他项目资助的团队参加实验场观测与科学研究,实验场负责提供必要的科技资源配套支持,通过签署协议约定双方权利与义务。
(一)实验场的权利与义务
1.按协议约定提供更加丰富的数据产品共享服务;
2.按协议约定提供必要的后勤保障便利;
3.按协议约定提供有偿观测资源支持。
(二)团队的权利与义务
1.所有与实验场相关成果必须标注中国地震科学实验场支持;
2.按签署协议约定共享实验场的观测与研究数据;
3.科研阶段成果及时提交实验场用于提升业务能力,实验场负责保护其知识产权。
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- 中国 地震 科学实验 设计
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