中国地震局科学技术委员会                                                                 中国科学院兰州文献情报中心

美国新的地震科学中心重建方案与SCEC的愿景建议

为实现地震科学研究的变革性进步，持续引领在包括地震断层行为和地震过程等地震科学研究的前沿，美国国家科学基金会（NSF）决定采用竞争性的方式重新建设一个或多个新的地震科学中心，并公开征集对这一新中心建设的愿景、科学方向、功能设置、基础设施建设上的思路。美国南加州地震中心（SCEC）积极响应并提出了24份方案。

一、美国新的地震科学中心建设愿景征集活动

SCEC由著名地震学家安艺敬一（Keiiti Aki）在1991年创建，是面向快速发展变化的地震减灾社会需求、综合发展地震防灾科学而进行的研究体制的一次尝试。SCEC采用地震科学研究机构的科学联盟方式，在美国NSF和地质调查局（USGS）支持下开展引领性的科学研究组织工作。成立至今，SCEC在研究地震成因、评估地震灾害影响、帮助社会做好防灾和灾后重建等方面做出了全球引领性的成果。目前SCEC正处于2017年至2022年的第五个科学计划（SCEC 5）阶段。

2019年，美国NSF为推进“地震科学研究的变革性进步”，决定在2022年4月30日与SCEC在第五个科学计划的合作到期后，重新成立1至2个新的地震科学中心，继续引领在理解地震断层行为和地震过程上的科学研究前沿。2020年1月，NSF发布公告，公开征集对未来建设的新的地震科学中心的发展愿景、重点科学探索方向、功能定位和基础设施等方面的思路（https://www.nsf.gov/pubs/2020/nsf20036/nsf20036.jsp）。SCEC对此项征集活动积极响应，组织了SCEC所属科学团队/组成机构提出了多达24份建议书（白皮书，https://www.scec.org/whitepapers/2020）。

二、美国南加州地震中心（SCEC）提交的方案

对此次美国NSF公开征集和竞争性地建设未来新的地震科学中心， SCEC组织并提出了24份建议书。这些建议书的信息如下：

• 《地震基础研究的新方向》（New Directions for Fundamental Earthquake Research），提案人：Sylvain Barbot

• 《地震公共教育和备灾的集体影响方法》（A Collective Impact Approach for Earthquake Public Education and Preparedness），提案人：Mark Benthien and Jason Ballmann

• 《下一地震中心的愿景》（A Vision for the Next Earthquake Center），提案人：Yehuda Ben-Zion

• 《如何使奇迹发生：一个可持续、迅捷反应和开放式协作管理模式的跨学科地震研究中心》（How to Make the Magic Happen: Management Models for Sustained, Agile, and Open Collaboration in an Interdisciplinary Earthquake Research Center），提案人：Gregory Beroza and Judith Chester

• 《识别和减轻诱发地震活动：加利福尼亚地震中心的作用》（Identifying and Mitigating Induced Seismicity: The Role of a California Earthquake Center），提案人：Emily Brodsky

• 《高性能计算在地震系统科学研究中的重要性》（The Importance of High-Performance Computing in Earthquake System Science Research），提案人：Scott Callaghan and Philip Maechling

• 《迫切需要为超大规模的地震软件开发和数据应用搭建硬件基础设施》（Urgent Needs in Creating A Cyberinfrastructure for Extreme-scale Earthquake Software and Data），提案人：Yifeng Cui

• 《拿出更大魄力在下一地震研究中心发展动力学地震模拟器》（Taking a bold action to develop dynamic earthquake simulators in next earthquake research center(s)），提案人：Benchun Duan

• 《将北下加利福尼亚州纳入SCEC的研究区域》（White Paper for the Rationale to Include Northern Baja California in SCEC），提案人：John Fletcher, Thomas Rockwell, and Mike Oskin

• 《将地震研究中心研究区扩展至圣安德列斯断层系统北部的重要性》（The importance of expanding the Earthquake Center region to include the northern San Andreas fault system），提案人：Gareth Funning and Roland Bürgmann

• 《通过多学科整合与协作将地震研究的社会影响最大化》（Maximizing Societal Impact of Earthquake Research through Multidisciplinary Integration and Collaboration），提案人：Christine Goulet, Domniki Asimaki, Jack Baker, Craig Davis, Albert Kottke, Ricardo Taborda, and Ertugrul Taciroglu

• 《下一地震科学中心的公共模型》（Community Models in the Next Earthquake Science Center），提案人：Elizabeth Hearn, Scott Marshall, and Laurent Montesi

• 《地震研究应无地理界限》（Earthquakes Without Borders），提案人：David Jackson, Yehuda Ben-Zion, Greg Beroza, Peter Bird, Naoshi Hirata, Thomas Jordan, Warner Marzocchi, Yosihiko Ogata, David Rhoades, William Savran,Danijel Schorlemmer, Ross Stein, John Vidale, and Maximilian Werner

• 《加州地震震源过程建模：在整合数值模拟、野外和实验室研究基础上成就SCEC的发展》（Modeling earthquake source processes in California: Building on SCEC success in integrating numerical, field, and laboratory studies），提案人：Nadia Lapusta, Eric Dunham, Jean-Philippe Avouac, Gregory Beroza, Roland Bürgmann, Marine Denolle, Ahmed E. Elbanna, and Ashley Griffith

• 《水文学在地震中心中的作用》（The role of hydrology in an earthquake center），提案人：Rowena Lohman, with feedback from Emily Brodsky and Adrian Borsa

• 《地震系统科学的软件生态系统》（A Software Ecosystem for Earthquake System Science），提案人：Philip Maechling, Yehuda Ben-Zion, Jacobo Bielak, Scott Callaghan, Yifeng Cui , Kim Olsen, Andreas Plesch, and Ricardo Taborda

• 《加利福尼亚大陆边界区》（The California Continental Borderland），提案人：Jillian M. Maloney, Mark Legg, Craig Nicholson, and Thomas K. Rockwell

• 《用体验式学习和教导来拓展地震科学研究的参与度》（Experiential Learning and Mentoring to Broaden Participation in Earthquake Science），提案人：Sally McGill, Gabriela Noriega, and Mark Benthien

• 《分布式地表断层破裂的危险性研究》（Characterizing the Hazard of Distributed Surface Fault Rupture），提案人：Chris Milliner, Andrea Donnellan, Rui Chen, Jean-Philippe Avouac, James Dolan, Tim  Dawson, Yousef Bozorgnia, Alex Sarmiento, Chris Madugo, Albert Kottke,  and Christine Goulet

• 《变革性的体验式学习和职业发展经验》（Transformative Experiential Learning and Career Advancement Experiences），提案人：Gabriela Noriega, and Mark Benthien

• 《下一地震中心的实验室实验》（Laboratory experiments in the Next Earthquake Center），提案人：François Renard (University of Oslo, Norway) with contributions from Wenlu Zhu, Laurent Montesi, and Giulio di Toro (University of Padua, Italy)

• 《加快地震可预测性研究：前瞻性、开放科学和社区驱动的地震预测模型检验》（Accelerating earthquake predictability research: prospective, open-science and community-driven evaluations of earthquake forecast models），提案人：William Savran, Max Werner, Thomas Jordan, David Jackson, David Rhoades, Philip Maechling and the working group for the Collaboratory for the Study of Earthquake Predictability

• 《用于研究地震物理和地震灾害的地震模拟器》（Earthquake simulators in studies of earthquake physics and hazard），提案人：Bruce Shaw

• 《研究剥露断层对理解地震物理非常有必要》（Studying Exhumed Faults Is Necessary for Understanding Earthquake Physics），提案人：Randy Williams, Jamie Kirkpatrick, and Christie Rowe

三、未来新地震科学中心发展的主要关注点

在SCEC此次提出的24份关于新的地震科学中心建设书（白皮书）中，主要关注了如下内容：

调整未来地震科学中心的研究区域。至少7份建议提出了研究区域调整建议，包括建议将研究区拓展至圣安德列斯断层系统北部地区、向南扩展至墨西哥下加利福尼亚北部地区、应关注加利福尼亚大陆边界区、包括整个圣安德烈斯断层系统、拓展至全球范围等等。以往SCEC的研究主要关注加州南部地区，据同样建议调整SCEC研究区的、来自墨西哥恩塞纳达科学研究和高等教育中心（CICESE）的John Fletcher等人分析，这主要是因为南加州地区的断层系统复杂密集、有助于研究地震的复发模式和断层相互作用，以及南加州地区历史上的地震灾害较为严重、研究的社会需求明显。此次提出拓展研究区域建议主要的观点是，需要考虑圣安德烈斯断层系统的连续性、复杂的北美板块-太平洋板块边界带的完整性，而提出“无边界”建议的主要考虑是在南加州地区获得的大量的科学认识应在更为复杂和广阔的区域内进行应用、测试和发现新的问题。事实上，在以往聚焦南加州地区时，SCEC推进的“加州地区统一的地震破裂预测”（UCERF）系列计划已经把研究区域拓展至了整个加州地区。SCEC新任主任、南加州大学Yehuda Ben-Zion教授此次也在自己的建议中提出，将地震科学中心的研究区域拓展到北至门多西诺角（Cape Mendocino）、南至加利福尼亚湾（Gulf of California）的整个圣安德烈斯断裂系统地区很有必要。

深入推进地震可预测性和物理预测研究。地震预测是地震科学中的基础问题，也是“皇冠珍珠”型的难点问题。本次建议中，SCEC的“地震可预测性合作研究”（CSEP）计划执行团队在系统地总结了CSEP计划和UCERF系列计划等取得的科学进展基础上，提出了今后在地震可预测性研究上的5个重点科学问题：以往地震的库仑应力是否具有预测信息、时-空的b值变化有无预测大地震的能力、小地震的活动行为对大地震是否有预测能力、中小地震的时空活动行为是否有条件进行预测建模、大地震前的电离层和地球化学等更有物理意义的前兆活动。并提出应该采用“向前”预测、开放式科学和社区驱动型开发等方式进行地震预测模型的科学检验，加快推进地震可预测性研究。此外，SCEC主任Yehuda Ben-Zion教授在他的建议书中也强调了CSEP计划对UCERF系列模型用于地震预测的检验结果，及其未来在地震预测研究中的重要前景。

深化断层属性关键参数等地震物理研究。地震物理是科学评估地震风险和改善地震预测科学水平的关键。本次地震科学中心建议书中，诸多地震物理问题得到关注、提案者均强调其应是未来美国地震科学研究的重点方向。建议的重点研究内容包括：一是，断层属性的关键参数研究，包括断层的扩张、有限位移、滑移率、地震的时空变化、断层几何形状的演化、断层相互作用，进而更好地理解与地震物理有关的断层应力状态。二是，对地震震源过程进行综合建模，通过数值建模等工具，考虑地震的流体效应、流变学模型、岩石圈复杂结构和地震的非弹性过程等，提升对破坏性地震的情景构建能力，指导地震减灾行动。三是，多尺度、多物理场和多学科问题。对块体变形和断层活动行为的研究需要考虑跨越从块体到断层颗粒的十几个数量级空间尺度，需要考虑断层的从亚秒级动态破裂到数千年尺度的演化行为，需要考虑震源研究中的规模与成分不断变化的涉及多学科的耦合问题。SCEC主任Yehuda Ben-Zion教授在他的建议中也提及，应加强对大地震发生前后的近断层活动监测、发展高分辨率的断层速度模型和流变学模型等地震物理问题。

重视公共教育和科研职业能力培训。在此次未来新的地震科学中心建议中，4份建议提及应重视公共教育和科研职业能力培训。地震科学的一个重要属性是跨学科，由包括基础科学、技术、工程等众多学科交叉而成，这使得地震科学在过去的上百年间得到快速发展和不断涌现创新成果，但同时这种跨学科属性也同时具有社会公众对地震科学的理解难度较大、刚从事该领域科研的学者上手难度大等问题。在此次建议中，多份建议提出新的地震科学中心应采用体验式的学习和言传身教式的引导，加强高中生、大学本科生等群体广泛参与新的地震科学中心活动和接触地震科学研究，以及对研究生导师进行提升性的培训、为新入职科研人员倾斜更多的科技资源等建议。SCEC主任Yehuda Ben-Zion教授在他的建议中总结式地提及，新的地震科学中心应继续强调沟通、教育和宣传，措施上包括增加对新入职科研人员的培训、为资深研究人员举办研讨会，以及为确保地震科学研究的可持续性和创新性而进行的更为广泛的公众教育。

四、其他

除上述的关于研究区域调整、深化断层属性关键参数等地震物理研究、继续推进地震可预测性研究、重视公共教育和科研职业能力培训等问题外，SCEC的24份提案的内容还涉及：注水等诱发地震研究、建设高性能科学计算（HPC）和科学数据分析能力、发展地震系统科学的软件生态系统、开发公共模型和动态的地震模拟器、水文学在地震过程中的研究等诸多方向。

在众多提案中，SCEC新任主任Yehuda Ben-Zion教授的提案无疑最为引人关注。在提案中，Yehuda Ben-Zion教授总结了SCEC成立以来在推动地震科学发展上取得巨大成果的原因，包括：项目负责人机制（PI）下取得的大量的新科学发现、公共模型和社区型开发活动、开发高水平的科学计算软件工具和对观测结果的科学验证、采用系统性科学架构的方式不断吸纳其他研究结果汇入、计算科学专家和软件工程师的广泛参与、CSEP计划开启的竞争性建模和独立测试活动、对大地震及时的科学响应。此外，他还总结性地提出了未来新的地震科学中心建设发展的个人提案，内容涉及9个方面：调整地震科学中心的天然科学实验场的区域范围、开展近断层的地震观测和大地测量观测、加大地震预测研究的力度、关注浅部地壳的精细结构、浅层代表的高分辨率速度模型、关注诱发地震和地壳水文学研究、积极组织协调大地震后的科学响应、继续强调地震科学的沟通和教育培训、第三方的观测和数据服务支持。

 文：中国地震局地球物理研究所蒋长胜, 中国地质大学（北京）李红谊, 西北工业大学贾科.