北京及周边地区固体地球三维结构(正式-谢正观)

北京市科技计划项目建议书项目名称：首都圈固体地球可视化及地震危险性分析所属技术领域：资源与环境建议单位：中国科学院研究生院中国地震应急搜救中心主管处室：北京市科委社会发展处项目建议书的组织方式：定向征集二○○八年五月十三日填写说明1．建议书各项内容应当实事求是，用钢笔填写或计算机打印填报（A4），字迹要工整清楚，页面保持整洁。2．建议书中各栏大小可随内容调整。不够时，可以自行加页。3．填写内容涉及到外文名称，要写清全称和缩写字母。4．市科技经费是指市科委管理的财政经费；国家有关部委拨款是指国家有关部、委、局所拨科技经费；经费预算中的“其他”一栏是指市科委以外的各级财政拨款和承担单位融资、集资、入股等各种形式的经费来源，本栏需具体填写。5．经费支出明细中各项开支范围说明见《北京市科技课题合同经费预算编制规定》（试行）（文件下载网址：）。6．项目建议书的组织方式分为：（1）公开征集；（2）定向征集。7．本建议书中，凡无需填写的条款，就在该条款填写的空白处划（/）表示。8．本建议书一式三份报送市科委。1一、项目的目的、意义和必要性目的：充分利用北京及周边地区关于地球结构的层析成像、地质断面、科学深钻等不同类型属性和精度资料，结合北京及周边地区地质构造特点研究适用的数据合成和图像处理技术，借助科学计算可视化及三维GIS技术，建立北京及周边地区固体地球可视化的三维结构，并进行地震危险性分析，从而为工程抗震的设计规范和防灾减灾的理论与实践提供新的方法和科学依据。北京及周边地区是我国政治、经济、文化和科技发展的核心地区，因此加强该区域防灾减灾建设是促进首都现代化建设与可持续发展、保障首都安全与稳定的重要环节。开展固体地球结构三维数据合成和可视化应用基础研究及灾害危险性分析，不仅对研究北京周边地区地震发生与孕育的深部介质环境、运动过程以及全国其它地区如喜马拉雅地震区、唐山地震区、邢台地震区等地震区带的地震成因有重要的指导作用，而且对北京市未来的地震预报和决策支持系统的提供支持。意义：开展北京及周边地区固体地球物理三维结构可视化及地震危险性分析，不仅具有重要的现实意义，而且具有长远的科技示范意义。北京地区位于唐山地震区、邢台地震区之间，地质构造复杂。改革开放以来，北京的社会进步和经济繁荣日新月异，特别是2008年奥运会在北京举行，因此保护城市的安全与稳定，做好防灾减灾工作，促进北京地区的可持续发展是城市经济发展中当前面临的重要任务，也是一个贯穿于整个城市发展进程中的长期工作。开展此项工作，不但对于实现北京地区可持续发展、保障首都的安全与稳定提供有力保证，而且是一项瞄准未来国际地球科学发展趋势的标志性工程，也对今后北京和全国防灾减灾护工作产生科技导向及示范作用。必要性：为提高北京经济和社会可持续发展能力，实现北京稳定可持续发展，及时开展固体地球三维结构可视化及地震危险性分析是非常必要的。地球内部结构，特别是速度结构存在显著的非均匀性、非线性和各向异性。面对北京地区复杂、隐蔽的地下物质结构，地球科学家必须尽可能利用所获取的数据，勾画地球结构。三维数据合成和可视化技术相互结合，为研究固体地球内部结构提供了一个高效的技术基础，也是2l世纪对地球重新认识的一种必要手段。科学计算可视化将图形生成技术、图像处理技术、人机交互技术结合在一起，不但是地球科学研究中与观测技术同等重要且互为补充的科学技术体系，而且是未来地球科学变革和发展的重要生长点。固体地球结构三维数据合成、可视化应用及地震危险性分析，揭示北京地区固体地球结构特征与演变规律，为工程抗震的设计规范和防灾减灾工作提供科学依据，并将推动我国地球科学加快实现由现在的监测和评估工作方式向未来的模型预报和决策支持系统工作方式的变革。因此，开展此项研究工作十分必要。2二、项目所属领域国内外研究开发现状和发展趋势国外现状与趋势：地球内部结构的三维数据模型及其可视化应用技术是21世纪具有开拓性的前沿研究领域。美国地质调查局（USGS）的首席地质学家P.P.Leahy提出，面对变化的世界，地质研究必须尽快由目前的监测、评估向未来的模型预报和决策支持系统发展。建立决策支持系统、方案制定和模型预报都需要对以数据为主的资料和信息进行合成和分析，进而给出三维可视的图像，以供决策者作为决策依据。如何将浩瀚的地质数据（空间不均匀、精度不等、属性不同、存在断层和间断面）处理形成数据库，如何将这些三维数据可视化，并进行分析、模拟和预测，成为当前突出和紧迫的问题。近年几届国际地质大会的几个专题中均有这些问题的反映，比如地质体的数学特征和地质灾害及矿产资源的定量预测、探矿中的信息科学、地球科学中的地理信息系统、地质过程的数学模拟和计算机图像技术等都涉及地下三维结构数据处理及可视化应用问题。在最近一次的地质大会上，美国的Davis讨论了三维地质资料的处理问题，提出了海量数据、多维数组区域化分类简化数据的方法，并给出了应用实例。美国的Mello讨论了综合应用数据处理、最优化和可视化技术进行三维“活动”盆地模拟问题。在更基础的方面，美国作了NADM（北美数据模型）进展报告，法国的Ledru作了GeoFrance3D项目研究报告，都试图在基本地质数据和三维可视化分析方面进行探讨。固体地球结构三维数据合成和可视化应用是一项瞄准未来地学变革和发展的重点研究领域。传统的地质工作方式是观察和描述，现在的地质工作方式是监测和评估，而未来的地质工作方式将以数字时代的数量模型和科学成果三维可视化为鲜明标志。随着对基础数据的开发和对“数字地球”的日益重视，深部资料的数据分析合成与可视化技术应用越来越显示出对复杂地球科学问题的重要性，并逐步成为“数字地球”战略实施中的一项重要工作。近半个世纪，尤其是近20年来，地球物理的资料采集遍及全球，以其高密度的观测、大信息量的数据系统和全球整体性的科学方法，使固体地球内部结构研究受到普遍的重视。大量积累的地球物理数据，使人们得到不少新认识、新概念和新理论，更提出了一系列新问题。在固体地球内部结构方面，地球科学家们尤其需要不断深化和创新，在堆积如山的资料和海量的数据中寻求发现和突破机会。资料和数据的分析合成及其可视化研究乃是深入地球本体和逼近“真实”认识的关键所在。地球科学总体上是一门观测性的科学，观测数据的合成与可视化技术的利用对于认识地球内部结构具有重要的实际价值。揭示地球内部结构，需要大量的、直接的、量化的并有足够精度的数据资料，更需要对海量的数据加工并通过可视化技术演示。探究地球这样一个极复杂体系的内部结构，必须利用当代迅速发展的计算机图形学及图像处理技术对大量数据信息进行合成，使之成为可视化的直观图像演示出来并进行交互处理。这不仅大大提高地球科学家的工作质量和效率，而且可以通过交互手段改变计算所依据条件并观察其影响，为认识和解释地球内部问题提供了更坚实的基础。科学计算可视化将图形生成技术、图像处理技术、人机交互技术结合在一起，不但是地球科学研究中与观测技术同等重要且互为补充的科学技术体系，而3且是未来地球科学变革和发展的重要生长点。三维数据合成和可视化技术相互结合，为研究固体地球内部结构提供了一个高效的技术基础，也是2l世纪对地球重新认识的一种必要手段。国内现状与趋势：固体地球结构三维数据合成和可视化应用，将推动我国地球科学加快实现由现在的监测和评估工作方式向未来的模型预报和决策支持系统工作方式的变革。几十年来，我国在深部地球结构方面取得许多成就，如青藏高原地球物理场与板块构造、攀西裂谷的深部地球物理场、塔里木盆地地球物理场、中国海洋地球物理调查、中国东部地球物理场与地震层析成像、重力场与地壳构造、地震预测、动力大地测量等一系列基础研究受到世界各国地球科学家的重视，因此急需尽快开展地球结构三维可视化应用基础研究。国内的一系列深部地球物理工作以及一些国际合作计划使数字地震观测技术高速发展，并获取了大量数据。如何利用这些观测成果，从全球和区域的尺度上展示地球内部横向不均匀结构是2l世纪地球科学的一项重要课题。国内外已经产生的许多层析成像结果，提供了地下结构的三维数据；地学大断面则提供了地下结构的二维图像；钻孔、特别是超深钻则提供了一维但可靠的数据。这三种数据具有不同的数据结构特点和精度。而且，即使同是三维层析成像数据，也因研究范围和方法、资料数量和质量等的不同而各有差异。各个研究者给出的结果，或覆盖全球但分辨率较低，或高分辨率但仅研究局部地区。因此，不同研究者给出的结果不可避免地存在差别。地球内部结构是复杂的，不同的地学家由于研究目标的不同，对地球内部结构尺度的关注也不同。粗略地，可以分为全球、区域、局部三种尺度。使用者往往希望根据自己的研究需要，综合这些不同来源、不同范围、不同精度的结果，利用综合结果作为自己研究课题的基础。对于一般研究者来说，不仅收集资料是繁琐的工作，最主要的问题是如何对上述不同来源、不同范围、不同精度的结果进行客观的分析、综合和以三维可视化形式表现出来，从而真正能最有效的利用这些宝贵的成果。国内已有一些工作，把自己的中国层析成像结果与国外全球层析成像结合，给出中国及邻区更大范围和更深深度的三维速度结构。例如，国家自然科学基金重点项目“中国及邻区地球内部各圈层三维结构及地球动力学”，在东经10-180、北纬10-80、0-2800km深度范围，使用人工地震测深剖面、重力资料、地震转换波资料等，先建立地壳与上地幔上部0-400km深度的速度结构，然后参考全球三维体波层析成像结果，建立地幔下部400-2800km深度的速度结构，最后综合得出0-2800km深度的“欧亚大陆及西太平洋地区三维地球模型”。这种工作首次提供了整个中国及邻区较大深度的完整的速度结构，但由于对国内丰富的层析成像结果只取一家，在两类资料的衔接上又缺乏客观的方法，因此在得到同行的广泛认可和使用上受到了一些限制。4三、北京地区现有基础、特色和优势地球内部结构，特别是速度结构存在显著的非均匀性、非线性和各向异性。面对北京地区复杂、隐蔽的地下物质结构，地球科学家必须尽可能利用所获取的数据，勾画地球结构。北京及周边地区是我国政治、经济、文化和科技发展的核心地区。多数地震专家认为华北地震区已进入公元1000年以来的第四活期的后期阶段。在第四活跃期的后期阶段，华北地震区还有没有7级以上大地震发生？这个问题一直是地震预报工作者争论的难题，而在经济发达、人口稠密的地区又成为一个敏感的问题。1998原美国副总统戈尔提出“数字地球(DigitalEarth)”的概念，数字地球也就是信息化地球，它是个地球信息模型，它是利用全球海量空间数据，对地球所做的，包括任何一点资源、环境、经济和社会等在内的多分辨率和三维数字化的描述。它是数字化的、又是网络化的、智能化的和可视化的。1998年6月10日江泽民主席在接见两院院士时特别提到了这个概念，并提出中国发展“数字地球”的思路，讲话指明了发展信息产业，加快建设国家空间数据基础设施，早日实现中国的“数字地球”是我国走向21世纪知识经济的发展方向。1999年，刘淇市长在北京召开的“数字地球国际会议”上，正式提出北京市将要启动数字北京工程“数字北京工程”将为北京实现可持续发展提供重要的信息技术支撑。1999年12月，中共北京市委八届四次会议上，“数字北京”工程项目列为首项重大工程。“数字北京”工程，即首都信息化，也就是建设服务于人口、资源、环境、经济社会的可持续发展的信息基础设施和信息系统，其本质是建设空间数据基础设施，并在此基础上深度开发和整合应用各种信息资源。申奥成功，给北京带来空前的发展契机，市政府在5年对北京城市基础设施建设和公共绿化投入1800亿元人民币；其中300亿用于信息化建设。改革开放以来，地球物理的资料采集遍及全国，以其高密度的观测、大信息量的数据系统和全球整体性的科学方法，使固体地球内部结构研究受到普遍的关注，北京及周边地区尤其受到地球科学工作者的重视。目前，北京及周边地区已有的大量积累的地球物理数据，使人们得到不少新认识、新概念和新理论，更提出了一