楊文采找到了那個擴散“香水”的“瓶子”

曹　菲　李　晨

從香水擴散方程說起

由于觀測時空的局限性，反演的困難比正演大多了。舉例來說，如果放一小瓶香水到小房間中央，從擴散方程得知，一天之后小房間內將布滿大致均勻分布的香水分子。反演的問題是，已知屋子四周的香水分布，要問何時放的香水?或放香水的瓶子是什么形狀的?我們不禁要問：這些反過來問的問題，在數學上有沒有解答?解答是否可以很多?如果解不唯一，哪個解才是真實可靠的?這些問題，就構成了反演理論的主要研究對象。

“地球物理反演理論”受到空前關注。然而，什么是“反演”?中國大陸科學鉆探工程副總指揮、中國科學院院士、國土資源部大陸動力學重點實驗室研究員楊文采如何與“反演”有了不解之緣?1981年，時年39歲的楊文采受教育部派遣，到加拿大麥吉爾大學攻讀博士學位。那時，他已經從大學畢業16年了。即將不惑之年出國留學，楊文采說，那是因為覺得自己的知識需要更新。三年時間，楊文采不但學習地球物理，還堅持到數學、計算機等專業去聽課。就在這個時候，他認識了“反演”。

知道油氣礦產勘察及基礎調查

在認識地球的過程中，地球物理反演起到了關鍵的作用。人們在地球表面觀測地球的物理場(如引力場、磁場、電磁場等)和地震誘發的彈性波場，然后根據觀測數據推測地球內部的巖性與構造，這就是地球物理反演。楊文采不僅發展了地球物理反演系統理論與新方法，并致力于將此理論與方法廣泛地應用于油氣與礦產勘查及重大建設工程基礎調查。地球物理反演問題中，解在大多數情況下不具有唯一性，楊文采特別關注極少數理論上具有唯一解的反演問題。地震層析成像問題就是其中的典型。

20世紀80年代，他研究出基于彎曲射線追蹤的跨孔CT方法，指導了黃河小浪底水利樞紐工程地下電站基礎的層析成像，計算出了準確的波速層析圖，為后續工程所驗證，為地震層析成像工程勘察中的應用作出了示范。

物理學與地震學走到了一起

隨著現代科學與技術為驗證科學假說提供了更加先進的工具，地質學家也越來越重視預測和假設的驗證。1992年，全世界的兩百多名地球科學家聚集德國波茨坦，討論國際大陸科學鉆探計劃，準備通過遙測和鉆探來驗證地球科學家的結論。在這個計劃中物理學與地質學走到了一起，共同在理性思維原則指導下通過科學工程解決彼此的分歧。1996年，國際大陸科學鉆探組織(ICDP)成立，楊文采應邀擔任第一屆科學顧問組成員，審議世界各地科學家提出的申請書。同年他作為中國大陸科學鉆探項目的副首席科學家，負責鉆探選址和孔區調查等全部地球物理工作。

1997年4月，ICDP科學顧問組在德國開會，會上同時出現兩份在超高壓變質帶進行科學鉆探的建議書。一份是中國的建議書，另一份是美國在哈薩克斯坦打鉆的建議書。楊文采在會上的發言指出了中國申請的潛在科學意義，他的發言改變了一些專家的看法。投票結果，中國的建議獲得認可，最后得到150萬美元的資助，而美國的申請被淘汰。

同年8月，在青島召開的“中國大陸科學鉆探選址國際會議”上，楊文采以準確的地球物理資料與深入的科學分析論證了大陸科學鉆探的最佳選區，得到與會中外專家的贊同，在中國大陸科學鉆探工程的先行研究中，他提出了新的處理準則，并據此建立了深反射地震資料處理新方法技術系統，建立了中國第一個深反射地震資料處理中心。他結合物理學和地質學的理論與方法，對中國第一口大陸科學鉆探孔區的巖性、構造進行了預測，基本上為后續的鉆探工程所驗證。而在大陸科學鉆探的歷史上，地球物理學家的預測成功率是不高的。舉世聞名的前蘇聯科拉超深鉆與德國KTB，鉆前地球物理學家的預測都曾失敗過。

2005年3月，中國大陸科學鉆探工程終孔，歷時1353天，進尺5158米，取得了鉆探工程技術的重大突破，獲得了許多創新的成果和重大科學發現。