全球首座四维“超级观测站”将落户四川稻城

近日，在中国地震学会地震多圈层耦合专业委员会与四川省地球物理学会的联合支持与指导下，由成都理工大学陈界宏教授领导的团队，联合西南交通大学天体物理中心、桂林理工大学、西华师范大学、乐山师范学院、中山大学行星环境与宜居性研究实验室、合肥工业大学、中国地质大学(武汉)等高校团队、昭通市防震减灾局、巧家县防震减灾局等科研院所近20个单位，在云南巧家刚刚建成了全世界第一座三维“超级观测站”的地球物理跨圈层扰动监测系统，联合四年前已在四川乐山建成的第一座垂向扰动监测站，该团队正式把“超级观测站”升级为“超级观测系统”，观测能力有了本质的飞跃。自2020年起，该团队已陆续利用超级观测站精准预测了多起重大自然灾害事件。本次升级必将为我国地质灾害多发区的灾害预警以及地球物理机制研究建立“空-天-地”一体化的观测新范式。

根据未来规划，该系统计划还将很快在四川稻城增设新的站点，将进一步提升其超级观测能力。稻城站将是我们实现‘地球圈层 4D 全向监测系统’的关键一步。” 陈界宏解释道，4D 监测即通过“空间三维（x、y、z 轴）+ 时间维度”的全方位数据采集，全向指的是垂向，水平向和斜向。地球圈层4D全向监测系统，将实现对地球岩石圈、大气圈、电离层扰动的实时追踪、动态模拟与趋势预判。届时，这三个站点将构建起我国西南地区首个跨区域、立体化的跨圈层监测网络，不仅能为地震、滑坡等地质灾害预警提供更全面的数据支撑，还将为全球地球圈层相互作用研究提供“中国样本”，推动相关领域的科学突破与技术革新。据团队透露，稻城站的前期选址与可行性研究已初步完成，后续将进一步优化设备配置与数据传输技术，预计在未来 1-2 年内完成建设并投入使用。随着这几大站点的逐步落地，我国在跨圈层扰动监测领域的技术优势与科研实力将进一步提升，为保障西南地区生态安全与人民生命财产安全筑起更坚固的“科技防线”。

构筑“超级观测站”的故事-----

技术迭代升级：从“垂向监测”到“三维感知”，高频多普勒系统成核心突破

据陈界宏教授介绍，2020年在乐山建立的第一个垂向扰动监测站首次实现了人类基于单点垂向的观测上，在多通道、多物理参量的物理关联上进行科学检测。该系统的建立立即引起了国际地球物理界的高度关注，国际地球物理学权威学者K. Oyama用“超级观测站”来称呼乐山观测站。该观测站及时捕捉了大量可相互佐证的地球物理跨圈层信息，陈界宏教授团队在过去几年已成功从这些观测信息中提取到了青海玛多7.4级、云南漾濞6.4级等地震的震前跨圈层共振信号，印证了震前圈层耦合理论的科学性，并成功预测2024年台湾地区花莲7.4级地震等多个强震。

本次在云南巧家建成的首座三维“超级观测站”可以与四川乐山的“超级观测站”联合组成一个“超级观测系统”。如果说乐山的“超级观测站”把人类的地球物理观测信号从零散的点信号变成垂向监测的一维信号，那么乐山-巧家组成的“超级观测系统”就是进一步把垂向监测的一维信号探测能力升级为了具备“三维感知”的信号探测能力，其探测能力将得到极大增强。

不仅如此，巧家站在继承乐山站14种核心观测设备优势的基础上，还实现了以“高频多普勒监测系统”为核心的三大技术升级，彻底打破单一垂向监测的局限：

其一，新增高频多普勒监测系统，并在100公里至300公里高空中，布设了两个关键高度的专属观测点。这两个点位分别与外部3个基站形成协同网络，可精准捕捉高空中水平方向的细微扰动，解决了此前高空水平扰动“难追踪、难量化”的技术痛点；

左图：多普勒接收天线；右图：多普勒接收机

其二，整合当地现有测高仪等设备，构建“原有 + 新增 + 周边”的设备集群，同时优化北斗同步卫星数据接收链路，这一“卫星 + 反射点 + 地基”的多维观测方法为我国首创；

其三，配套建设3个远距离GNSS观测站。这些站点不仅能实时监测巧家站正上方的跨圈层扰动，更可通过多站点数据比对，分析不同波动传播方向对电离层扰动的影响，为研究“扰动传播路径与地震孕育关系”提供关键数据支撑。

卫星 + 反射点 + 地基示意图

目前，系统已实现地振动、地磁场、大气电场、电离层等离子体浓度等20余项物理参量的实时采集。高频多普勒系统与GNSS站点的协同作用，让监测从“垂直剖面”延伸至“3维感知”，数据将与乐山站形成互补，构建起我国西南地区跨圈层扰动监测的“双核心、立体化”网络。

国际地球物理学界对这一进展表示了高度关注。K. Oyama教授评价该系列将成为“改写地球科学研究范式的超级设施”。巧家站新增的高频多普勒监测系统，将使得这一“超级网络”的科学价值与防灾能力持续放大。

选址震害研究 “天然试验场”，精准卡位地质关键区

巧家监测站的选址蕴含深刻的科学考量。因其不仅地处地质构造活跃带，更紧邻金沙江干流，这一特殊地理坐标——站点距金沙江巧家段仅约8公里，沿江地带的河谷地形与断裂带活动相互作用，形成了独特的“断裂 - 河谷”复合地质环境，既易受地震活动影响，也常伴随山体滑坡、泥石流等次生灾害，是研究“地震 - 地质灾害”链的绝佳天然试验场。

从区域构造看，巧家作为云南昭通市下辖县，地处青藏高原东缘与云贵高原过渡带，西侧有我国地震活动最频繁的构造带之一——小江断裂带北南向展布，该断裂带历史上曾发生过1500年宜良、1733年东川以及1833年嵩明等多次强震。此外，由于金沙江流域地壳抬升与河流下切作用显著，局部区域岩层破碎、地质稳定性差，这进一步凸显了在此布设监测站的科学价值与现实意义。

昭通市防震减灾局局长余铁表示，当地既有地震监测台网和地质灾害防治等基础投入，与各级在土地、电力、通讯等方面的要素保障，为系统落地提供了独特优势，“这里的地震地质活动特征、山区河谷地形条件，正是破解震前密码、研究次生灾害演化规律的理想样本”。

与乐山站相比，巧家站进一步强化了对西南山地灾害的针对性。其监测范围覆盖浅地表至350公里高空的垂直剖面，同时创新性地实现5个关键高度水平扰动同步捕捉，既能监测断裂带活动引发的地下扰动，也能追踪山区河谷地形影响下的大气圈、电离层变化，填补了山区复杂地形下跨圈层观测的空白。

巧家站的建设过程中，团队面临着双重特殊环境挑战——为保障相关监测设备的稳定性，站点专门规划了一个长约160米的观测山洞，用于安置测震仪、应变仪和倾斜仪等对环境要求极高的核心观测设备。而金沙江流域湿润气候加之山洞密闭环境，导致山洞内常年处于高湿状态，这一环境易造成仪器内部电路受潮短路、金属部件锈蚀，直接威胁设备运行稳定性，甚至可能导致核心观测数据中断。为破解潮湿难题，团队针对性采用特殊观测防护技术，通过多重防护手段规避高湿环境对仪器的影响，确保核心设备始终处于稳定运行状态。

此外，山洞深邃的空间结构导致授时信号难以穿透，而设备的时间同步精度直接影响跨圈层数据的关联性分析。为解决这一问题，团队创新性地采用“北斗 + 无线信号转发”双模授时方案：在山洞顶部架设北斗卫星信号接收天线，通过无线信号转发技术将精准时间信号传输至洞内各设备；确保所有观测设备的时间同步精度满足高精度观测需求，为多圈层数据的融合分析奠定了基础。

左图：巧家站概貌；右图：站内山体山洞

“巧家站的高频多普勒系统和GNSS网络，让我们能更清晰地追踪孕震过程中的能量传递轨迹。”陈界宏教授表示，系统捕捉到的持续异常信号已能覆盖地震发生前的关键孕育阶段，尤其是水平方向扰动数据的补充，可进一步细化“震前能量从地下向高空传播”的规律，未来有望为地震发生时间、地点和震级的预测提供更精准的实证依据。对于地质灾害频发的西南地区而言，这一技术突破将显著提升灾害预测预警时效与精准度，为群众转移避险争取宝贵时间。

稻城第三站：筹划建设“超级观测网”，迈向地球圈层 4D 全向监测时代

在巧家站投用的同时，陈界宏团队已经联合我天体物理中心等多个高校科研团队与单位，并启动第三座跨圈层扰动监测站的规划，计划在四川稻城西南交大联合基地增设新站点。稻城地处青藏高原东南缘，地质构造独特——位于鲜水河断裂带南延段，地壳运动活跃，且高原缺氧、低海拔梯度变化显著的环境，使其成为研究地壳隆升、圈层物质交换的重要区域。更重要的是，稻城站能与乐山、巧家两站形成“三角联动”格局，覆盖青藏高原东缘、云贵高原、横断山区等不同地质单元，填补我国西南高原地区跨圈层监测的空白。届时，“超级观测系统”将进一步升级为“超级观测网”，为保障西南地区生态安全与人民生命财产安全筑起更坚固的“科技防线”，同时也将为我们中心的天体物理交叉研究和教育提供丰富的学科资源。

稻城站址建设规划图

原文链接：扰动监测系统全球首座三维“超级观测站”落户云南巧家