高精度地球物理學是創新未來的必然發展軌跡

滕吉文

1 中國科學院地質與地球物理研究所， 北京 100029 2 中國科學院大學， 北京 100049 3 吉林大學， 長春 100044

0 引言

近年來，在我國的報刊、報道、科學研討會上出現了一些新名詞，即“精準醫學”、“精準大氣物理”、“精準構造”、“精準地球物理”……等.“精準”就字面而言是表征精細和準確的意思，即量化的，且似具有“終極”之意，它是一個標量.在科學與技術發展的歷程上，伴隨著科技的進步，對某種現象、問題的理解和認識度是逐漸深化的，即永遠是向真諦逼近的過程，這對地球科學來講的確離“精”、“準”還有相當漫長的路要走，更需不斷深化的時序與不斷創造.為此，高精度地球物理學的命題應更為適宜，因為高精度是一個不斷提升的過程，可視其為一“矢量”.

當然，應當看到不同學科領域對精細程度的需求是很不一致的，如航天、量子通訊、空間實驗室對接、空間實驗站物資補給、深海下潛與載人深潛不僅要精細而且必須精準；最精細腦鏈接腦圖譜，醫學中的眼科與心血管手術，軍事目標攻擊亦必須精確等等.地球科學研究，特別是認識則必須向高精度“挺進”，以使定性科學、推斷科學、或然科學、解不唯一性科學等在不斷提升精度的過程中逐向半量化與量化逼近.這些均要求必須夯實基礎研究，聚焦科學前沿逐步向高精度邁進，乃是創新和自主創新的靈魂.

面臨世界科技大潮，地球科學向何處去，則是人們必須思考的問題.因為地球科學必須突破傳統以點帶線擴展成面的假設、遐想與推斷，即須不斷提升精度來達到對問題的逼近理解(滕吉文等, 2012a,c, 2016a,b,c; 滕吉文和張洪雙, 2012b； 滕吉文, 2007a,b,c, 2008, 2009a,b,2010a,b).

地球物理學是地球科學發展與量化的中堅，它從誕生至今其核心是以物理學為基石，以數學、信息科學為手段，并與相關科學門類相結合的一門學科交叉的邊緣科學，在本質上是一門應用物理學.它必須以高精度的觀測、高分辨率的數據采集和物質屬性與空間狀態的精細刻畫為“鏈條”，因為它承載著地球內部，即深部物質重新分異、調整，物質與能量交換的軌跡(滕吉文, 2003a,b,2006a,b,c, 2007a,b,c, 2008; 滕吉文等, 2008a,b).對固體地球物理學來說，它必須精細厘定地球內部物質運動的行為與樣式、動力學響應和力源機制.正如德國著名地質學家阿爾岡所言，“地質學的未來是地球物理學”.這便表明，這是高精度的地球物理學與地球動力學乃是時代的需求與發展的必然(滕吉文等, 2004a； 2006, 2008a,b,2016a,b；滕吉文, 2004b).

為此，地球物理學必須向高精度不斷提升，以達越過地平線去觸摸地球內部物質運動的動態脈搏，逐使人們深化對地球本體的認識，并構架起安全、穩定的且可保證長期供給的資源與能源及防范突發事件發生，發展的戰略后備基地與監測系統，為人類營造一個良好的生活與生存空間、并實現可持續發展！

當今“上天、下海、入地”乃人類向宇宙挑戰的三大壯舉(張文佑, 20世紀80年代前后提出)，強化第二深度空間金屬礦產資源(500～2000 m)、油、氣能源(2500～10000 m)的探查、開發和利用乃是構筑我國快速工業化和經濟騰飛的命脈(滕吉文等, 2006, 2010)，因為在這個世界上若沒有大量資源和能源的消耗則不可能創造今天的文明，也無法實現建設世界科技強國的宏圖.

1 當今科學發展的勢態與地球科學研究的現狀有待突破

科學、技術的發展必須向量化“挺進”，這是時代前進步伐的需求，也是一門科學走向成熟的標志.正如馬克思所說“一門科學只有在成功地運用數學時，才能達到真正完善的地步”.

1.1 當今科學發展的勢態

進入21世紀上葉以來，在世界科學發展的征程上越來越要求量化和高精度.這就要求必須未來不斷地創新，方能搶占學科領域的制高點.

(1)科學的高精度升華已成為世界科技發展的必然軌跡

我國在火箭發射、載人飛船、量子通訊、空間實驗室諸多方向取得了非凡的成就，天宮二號的成功發射與神舟一號的空間對接，且在軌開發一定規模的空間科學實驗及應用.它蘊含了微重力基礎物理、微重力流體物理、空間材料科學、空間生命科學、空間天文測量、空間環境監測、對地觀測、地球科學研究以及新技術實驗等八大領域.這次空間實驗室搭載的空間冷原子鐘，采用激光冷卻銣原子并與微波相互作用，有望實現3000萬年時間內僅有一秒鐘誤差的精度，可使飛行器自主守時的精度提高兩個量級.顯然，量子通訊衛星的成功發射乃導引我國進入空間科學強國之徑，這便標志著我國載人航天進入空間應用發展的新階段！空間實驗室的創建孕育著航天事業的重大突破，又如電子態全新電子器件的研發，將會有顛覆性的創造，它預示著手機今后無需充電了.

(2)精度的提升是創新的碩果

當今我國正處在科技迅猛發展的新時期，在各個科學領域創造了一系列的非凡成果.下面僅舉一、二個精度不斷提高的實例.

華中科技大學最精細腦鏈接圖譜數據居于世界領先地位，這項研究可分辨出人類腦部的每一個生命源、每一個毛細管，它對人的腦功能、智力發展均有著極為重大的作用.當今的科學界正在由或然向精細化邁進，特別是與人的生活和生存關切的對人眼、腦、心、肺等器官的診斷與手術正在一日千里的前進.

蔚藍色的海洋是生命的起源和繁盛的搖籃，也是人類繁衍生息的家園，海洋生物、海洋資源與能源、海洋與大氣、海洋與軍事和國防等等關系著資源、財富和國家領土完整.我國深海下潛技術的迅猛發展，為我國向深海、公海“挺進”所需要的精細下潛，提出令人矚目的海底藍圖.

這一系列的學科進展和成就乃精度不斷提高的產物，是科技創新的碩果.

1.2 在向高精度邁進中的地球科學研究現狀

就地球科學整體而言，距“精準”尚有一段相當漫長的路要走，距高精度與不斷量化亦尚有一段相當長的距離，即因為整個地球科學遠遠未能達到半量化或者量化.

(1)地質學.地質學具有古老的傳統和歷史、且分支學科眾多，是一門包絡甚廣的學科.它是依據地表的派生現象的調查及局域的認識，進行想象與邏輯推斷以描述為主體的一門定性科學.在年代測量上誤差可為幾個Ma到幾十個Ma乃至更大，是相當宏觀尺度上的推定.例如所言第四紀以來的活動，即是指1.8 Ma以來的構造運動，故難以表征強烈地震的近期活動與預測.在對地層時代的理解上，乃是依據不充分的、或不夠充分的邊界條件來判定或估定.當今整體上是通過鋯石測年，或與世界各地地層的層序與時代的對比給予分析與判識.為此，在地質構造學界有八大學派，如多回旋、地洼、鑲嵌、重力、斷塊、板塊等，且各成體系，而其論點與論據亦各異、理念亦當必不同.

(2)地球物理學.地球物理學的分支亦很多，乃是以多元物理場為基石的一門新興的邊緣科學，自20世紀上、中葉才蓬勃發展起來.它是以物理學為基礎，以數學、信息科學和當代高新技術為依托深化認識地球本體.為此，它必須進行高精度的觀測(包括地表、空間、海洋和井中)，采集海量的高分辨率數據，刻畫地球深部介質的物理屬性和精細結構.由于它是在強干擾背景下去拾取微弱的目標信息，故必然地注入或疊加了某種程度的干涉.同時，各分支學科的分辨率不同，不可等量權重，故其解亦難趨唯一.這就必須在基于所得數據的前提下，進行多元地球物理場的綜合研究以取得共識的響應逼近.

產生這種響應的原因是，上述觀測與采集的數據中包含了一定的誤差，如殼、幔結構研究的地震層析成像中，所拾取的震相有十分可靠的信息、較可靠的信息、不太可靠的信息乃至錯誤的少量信息，在成像后的圖像中便包含了以上有關錯誤信息，并導致圖像中的非完全真實圖像，可又難于從已取得的圖像中剔除.又如在石油地震勘探和殼、幔結構研究中的反射地震，由于得不到精確的速度值，往往是取其速度譜的均值，這當必影響歸位并可能導致成像中的必然干擾與誤差.在成像后的不確定性中還包括一系列的更難以剔除的本征要素，如觀測儀器分辨率不夠造成的模糊映像和假象；初始條件、邊界條件的不確定性，加載在難以提取的初始模型上；在天然地震觀測中不僅地震波的射線路徑漫長、穿越多相介質與構造，而是只知接收函數卻不知源函數，只利用了上行波(高速到低速介質)而未能應用下行波，以及同一份數據不同人去做、提取頻散或用不同方法去反演多會得出差異較大的結果；復雜多波波場(除P波、S波和轉換波外，還有繞(衍)射波、側面波、各種多次波等)難以“干凈”分離；反演方法和不同地球物理場所獲物理量的不匹配和人為干預參入了模型構建等.

有不少地球物理學家在理解和解釋地球物理反演結果時，往往先驗地、且嚴重地受控于地表地質與構造現象、結果及假設推斷的“限定”，而不是從地球物理場的精細反演中，在不依賴于淺表層響應和先驗性模型的情況下給出地球物理解釋，這不僅會誤導地球物理學家本身，同時亦會讓地質學家給予錯誤的理解.當今有人說，地球物理研究花錢多、周期長、見效慢、沒有用，與地質學中設想的模型不符；也有人說，勝也物探，敗也物探(原石油工業部長汪濤)；也有人說多做物探，少打“眼”(中石油)等等.在某些領域，在采用國外提出的一些模型正演時還好，可反演時往往差之千里.這表明國人對這一系列引進模型的理念、方法、技術和邊界條件尚缺乏透徹的理解和質疑，更缺乏理性的批判和自主創新理念的體現.這便雄辯地表明，地球物理觀測與所求得的結果精度尚不高，顯然當必限定了對介質物理屬性和空間結構的量化厘定.

2 高精度地球物理學是厘定量化認識的根基

當今地球物理學(其中當必包括地球動力學)承載著強化第二深度空間礦產資源和能源的探查和開發；強烈地震孕育、發生和發展的深部介質物理屬性和結構及構造環境的認知；厘定成山、成盆、成礦、成巖、成災、成核和深化認識地球本體；理解在力系作用下深部物質重新分異、調整和物質與能量的交換的研究與探索，因此必須要求地球物理學具有高精度的逼近解答.可這的確并非是一易事，而是必須在理念上、方法上、技術上高度融合和創新的進程，方可逐步得到升華.

2.1 地球物理學應具有高精度的觀測、高分辨率的數據采集和精細結構的正確刻畫

高精度地球物理學必須滿足高靈敏度、抗干擾性強，且穩定性良好的儀器精細觀測，剔除隨機干擾的高分辨率信息的數據采集，高精度樣本物性數據測量和正確反演方法的計算與成像，以取得精細、且解答基本趨于唯一的介質屬性和結構展布.

(1)創新理念.在地球物理學的發展與進程中，不僅要深化本學科的研究和探索，而且要多元吸取相鄰學科的高新科技成就，以構成新的理念和范式.這就必須在吸收和理性質疑的框架下凝練出創新性的科學問題，提出科學的、具超前思維的論點和論據，以形成引導本學科不斷前進、并搶占制高點的嶄新理念或定則.

(2)儀器與設備的自主研發.高精度地球物理學的奮進當必催生新型高精度地球物理觀測儀器，實驗設備的自主研發(滕吉文, 2005, 2006d, 2009b,2010b)，高精度地球物理學的基礎是能否獲得海量的精確地球物理實地觀測數據.物理參量的精確化或新物理量的提出與發現乃地球物理學能否達到高精度的核心所在.這是因為地球物理學在本質上是一門觀測的科學，必須采集巨量的數據并進行相應的處理以提取介質結構與屬性信息，因而可靠信息與信息量的缺乏和不足則是任何數學技巧和圖像顯示所無法彌補的(滕吉文, 2003a,b,2004b；滕吉文等，2004a).

這里應當特別指出的是，正如孔夫子所言：“工欲善其事，必先利其器”(論語).法拉第的導師戴維(Humphy Dary)亦指出，“最好的科研成果無不取決于好的儀器發展”.這也與兩軍作戰一樣，一個好的司令官在戰前必須“車馬未動，糧草先行”.

所以說，一種新理念指導下的觀測與探測儀器及設備的雛形，一個新物理量的提出和應用、一個參數精度的提高，不僅會大為促進這一學科的發展，而且往往還可能驅動開辟一個新的科學領域(滕吉文, 2006a,b,c, 2009a; 滕吉文等, 2016a,b,c).

為了適應地球內部第二深度空間的油、氣、煤能源和金屬礦產資源的勘查、開發和利用，提出精細可靠的殼幔結構等則必須突破原有框架，自主研發出大深度、高精度、穩定性強、抗干擾能力強、高靈敏度和高分辨率與大動態范圍、智能化的新型地球物理儀器和設備.

(3)高精度的數據采集需要科學的觀測系統設計

高精度的觀測系統與高分辨率的數據采集密切相關，因為對其設計與實施是能否取得高質量數據的關鍵所在.以地震勘探和地球內部探測為例，觀測系統設計應為相遇、多重相遇、追逐、多重追逐的組合陣列，以達能在互換點上提取速度、深度、時間、射線路徑、頻率和能量的互換與相疊置，即達到地震波傳播的運動學和動力學特征的復合驗證.為此，只有嚴格地遵循這一路線圖方可謂高精度的觀測，高分辨率的數據采集和反演成像.顯然，若爆炸點距大于或遠大于震相的追蹤長度，那么不管你用任何方法去反演都不可能取得可靠的精確認識，也不可能獲得高精度的介質物理屬性和對空間結構的精細刻畫.

2.2 理論、方法的深化研究和探索是邁向高精度地球物理學的必由之路

強化學科交叉和創新在科學研究發展進程中十分關鍵，扎實的基礎研究乃是建立正確理論、構筑新的科學方法的核心，嚴格、可靠的數據采樣處理是地球物理學向高精度邁進的必由之路(滕吉文等, 2012a,c；滕吉文和張洪雙，2012b).

(1)地球介質屬性的必然性.地球物理學研究的對象是地球內部各圈層的介質屬性和空間結構與其深層過程，它們多為非均勻的、各向異性的和非完全彈性體.在至今的不少部門仍然多將介質視為完全彈性、無限均勻的和各向同性的且從聲波方程出發，這對地球介質與結構來講是極大的“簡化”與近似.因此，在這種前提下所依賴的邊界條件和提取的初始模型就不可能是多元要素約束下的逼近模型.

(2)對地震震相或波列的科學定則.必須嚴格地從地球物理學的原理和定義出發，這是理性深化的基石和不可逾越的界定.

在人工源地震寬角反射/折射探測中，有一些部門將由此而呈現在記錄中的一系列震相統稱為“折射波”，并在口頭報告、論著、項目或課題報告、總結中乃至評審意見中不斷出現.在寬角反射的諸震相中有Pg，P1，P2，P3，…，Pm，Pn，這里Pg為來自結晶基底的折射波或弱回折波，P1，P2，P3，…，Pm全為反射波，只有Pn為來自殼、幔邊界的折射波或回折波.顯然將其稱為“折射波”當然是不符合物理定則的，精準的定名應為“反射/折射”為宜.

(3)地球物理學中有關地震方法的定義必須精確，譯名必須有物理內涵

近幾年來有不少地球物理學者在他們的論文、科研報告、項目申請書、報獎材料中常見有“主動源地震”和“被動源地震”之稱，似乎在我國已獲得“共識”，究其來源乃為在個別外國人的文章中提及“Active”和“Passive”地震之稱.不管中國人也好外國人也好，將人工源地震勘探和深部殼、幔速度結構探測稱為主動源地震，即其意為可按科學目標設計激發源點和接收點.把天然地震稱其為被動源地震，即是想突出它不受人為控制的波場.顯然這是不夠全面和不盡準確的，這樣的定義或翻譯都是欠妥的.

第一，名稱的科學內涵，將“Active地震”翻譯為主動源地震，將“Passive地震”翻譯為被動源地震拋棄了地球物理界對其的科學定名，認為其新穎性是欠妥的.因為它們不具備明確的物理意義和業內外人們共識易懂的科學內涵.持主動源地震者主指，研究者為達到設定目標所設計的爆炸點距、點位和觀測系統以進行所激發地震波場的有序觀測，而將天然地震激發的地震波場稱為“被動源地震”，即為人們所無法控制的地震波場響應.

第二，要嚴格內涵并準確定義.應當指出的是，在人工源地震中，不僅包含為了某一科學目而設計的爆炸點位、點距所控制下的觀測系統，而且還包括核爆炸、大型工業爆炸等，而后者則不是地球物理工作者所能設定的爆炸點與爆炸點間距、點位和觀測系統，以及何時爆炸激發地震波場而是人們必須受制于它，不屬所謂的“被動源”.又如彈藥庫爆炸，由于負荷過載而導致廠房、壩基、水庫崩塌、山體滑坡等激發的地震波場等均不是地震活動與危險區產生的地震，而完全是由于施工欠佳、老化、過載導致的，故不應屬于“天然源地震”范疇.所以說“主動源地震”和“被動源地震”缺乏明確的物理內涵，更未能包括上述各種事件，故在科學上是不嚴格的.

第三，還是稱為“人工源地震”和“天然源地震”為佳.不要再讓那些模糊的概念和不具有科學意義的各類詞匯傳播而污染地球物理的科學含義.在翻譯和利用外文名詞或術語時不要僅靠字面而直譯，而必須賦以科學的體量.這也就是說科學名詞和詞匯的表示不能違背科學內涵，更不能形態意識化.例如，Nature Green直譯為天然綠色或自然綠色，可是當你真正讀懂它的科學內涵后，則將其譯為“原生態”，這是多么科學與藝術，即富有生命力.又如，美國有一影片《Waterloo Bridge》，直譯乃“滑鐵盧橋”，而我國電影界在融會貫通地理解了該影片的藝術情節和故事主題后，將其譯為“魂斷藍橋”，這是多么令人興奮、且具魅力的翻譯啊！又如“Moring News”直譯可謂“早間新聞”，可中央臺將其譯為“朝聞天下”，多么宏偉、開放！

(4)不同體系的科學術語不可混用

在有些人的文章、報告中常見地殼、巖石層、軟流圈或地殼、巖石圈、軟流層.看上去似乎沒有什么毛病，但實則不可這樣用.因為你若稱巖石層，則對上地幔頂部的低速介質只能稱其為軟流層；反之，若將其稱為巖石圈，則上地幔頂部的低速介質就只能稱為軟流圈.又如造山帶、克拉通與地臺、地槽之間不可混用等.

(5)對創新的正確理解

近年來一系列的計劃和規劃中常見有很多創新和自主創新，也有很多首創和領跑世界等等提法.這充分表明人們對創新的理念尚未能很好地理解，似乎讓人感覺到所做的任何工作都是創新，都是該學科范疇的世界領跑者.例如有人說，我們做了多少萬千米的地球物理剖面，美國才幾萬千米，而美、英、俄、意合起來到某年也不如我國做得多，為此我國就是領跑世界！我想這個問題可以討論！因為創新、領跑是指在學術上的首創，論點與論據的原始發現與提出并被共識.應當清晰地認識到：

經費巨額投入+大體量的工作量=成果或大成果

但≠創新

更≠自主創新

經費巨額投入+大體量的工作量=成果或大成果

但≠世界領跑者

更≠世界領先

創新、自主創新、世界領先、世界領跑者在科學發展的長河中是具有特殊與深遠意義的.概括起來，它們主要是指新穎的思維、獨特的超前思維，且確具前瞻性和導向性；前所未有的創造、發明，且其科學真諦具有學術價值和廣泛的應用潛力與前景，其論點與論據組構了某科學領域發展的軌跡，且具成效與被共識.所以說，創新、自主創新、世界領先、世界領跑者絕不是前人同類研究的N次重復、邊角補充或填充了某地域性的數據，更不是工作體量的多少，而是創造性思維促進、引領了某科學領域核心科學問題的發現、生長和再造.

(6)如何正確理解科研經費投入與創新

上一段主要闡明了對創新的正確理解，那么必定會有人問，按你這樣說創新、自主創新、世界領跑者、世界領先就不需要科研經費投入和進行大體量的科研工作了？這是一種極端的說法或誤解，亦即“抬杠”.因為任何科研工作的開展、進程、創造無一不需要經費，經費少了亦難辦事，而確不是很少的經費所可及.問題是在進行某項科學研究時，該項研究的核心科學問題是什么，內涵是什么，切入點在哪里，途徑又是什么？創新、自主創新可能隱含在大量的工作或數據之中，但絕對不是以工作體量為準繩, 而是新的科學思想和超前思維.

3 如何才能使地球物理學研究的精度加速提升呢？

這是一個十分復雜的科學問題，也是一個涉及面甚廣的系統工程.因為它關系到本學科與相鄰學科的發展、學科交叉、當代高新科技成果的融入.關系到該學科領域的人才匹配，如將才、帥才和“領軍人物”的涌現，特別是該學科領域專門人才的智慧、力量和對他們的信任與重視.

3.1 首先必須厘定地球物理學在地球科學發展中的使命

中國科學院地球物理所第一任所長趙九章院士曾將科學與藝術相并提，并借用了白居易《長恨歌》中的兩句詞“上窮碧落下黃泉，兩處茫茫皆不見”來定義地球物理學.這表明，地球物理學是研究地下不為人肉眼所能看見的物質與事件及其運動的行為與軌跡，其所研究的內容均為未知的，且必須越過地平線去“撫摸”地球內部物質運動的狀態與動態“脈搏”.

(1)地表現象乃是地下深部物質與能量交換并傳至地表的派生現象.這就是說對地表派生現象的分析、研究可以對地下深處物質重新分異、調整，物質與能量交換以及所發生事件的深層過程與動力響應給予推斷，但卻不能證實其為必然的因果關系.為此，以地表地質模型為準則，去分析和解譯地球物理異常場、圖像及其邊界場效應是不可全識的.如果這樣，則當必會導致不完全正確或不正確的解譯.

(2)地球物理學家必須首先把握地球物理學在地球科學發展中要理解和厘定的科學問題，因為地球物理學所研究的對象是看不見的，而是必須通過在地表進行觀測和探測、采集海量的數據，進而通過數據處理和反演來認知地下深處物質的物理屬性和空間異常結構及形態.這樣就必須以實際觀測和探測的數據為基礎，并基于反演求得介質物理屬性和空間異常結構給出地球物理的理解，建立地球物理運動學和動力學的模型，厘定地球物理科學問題的核心所在，理解科學問題及其論點和論據.

在這樣的基點上再去結合地質與構造(包括地球化學)，并在集成與綜合的基點上給出逼近的認識與解答以構筑共識的模型，而絕不是利用高精度觀測、探測采集的高分辨率數據和地球物理精細結構的刻畫及模型量化去符合僅依地表派生現象推斷與設定的結論.如果地球物理人就要這樣做，并去講同樣的地質“故事”，那么在地球科學領域里也就不需要地球物理學了，高精度的地球物理學也就永遠消失了！

為了整個地球科學的半量化與量化，高精度的地球物理學必須逐步快速實現.這便要求：① 高靈敏度、大深度、大動態、且穩定性狀態佳的，特別是智能化的新型地球物理儀器的自主研發；② 密集觀測與探測、高分辨率數據采集和可靠信息數據體的形成；③ 提出與創建新的反演方法和解譯系統，驅使反演結果更為逼近于真實；④ 反演、建模、解譯不同物理量的集成與綜合分析；⑤ 理論扎實和經驗豐富的觀測者、數據采集者，理論與方法的研究者、反演結果與地球物理內涵識別者和它們的集成，對其深層動力過程的正確理解者，才能獲得逼近的正確解答.

3.2 地球物理學中各分支學科的互檢是取得正確理解不可缺少的環節

地球物理學的研究是在強干擾背景下提取微弱的有用信息.為此，在當剔除干擾和多元影響基點上，建立高分辨率有效信息的數據庫是十分重要的.

(1)準確認識不同巖石、礦物的物理屬性和反演模型的建立，對于地球內部而言，介質物理屬性和結構具有強烈的地域性.所以在構筑反演初始模型時必須給出科學與合理的邊界條件，而不是他人已有模型和參數的再版；在數學模擬中則必須在多要素約束下方可起到應有的效應

(2)對一個現象或某一異常的認知及確定，要通過多元的正、反演計算，迭代與復合以給出逼近的認識，所以給出高精度的物理參量十分重要.例如，在石油地震勘探中，若給不出精細的速度譜，則在歸位時就會遇到困難，而在成像后則包含了一定的錯誤，而且難以從已得圖像中剔除.為此，高精度的疊加速度和偏移速度乃是取決于能否給出一張精細疊加或偏移地震記錄圖的關鍵所在，而不是給出幾個速度值或成像后地震雙程走時圖的“相面”來確定.

(3)在前述基礎上還應進行數學和物理模擬檢驗.在一個斷裂縱橫、巖相多元、構造極為復雜地區記錄的一張雙程地震圖上，它包括了反射波、折射波、繞(衍)射波、側面波、轉換波、多次波等等，且有的震相極為模糊(特別是殼、幔結構研究中只見不連續的“影子”).在這種情況下若不進行剔噪和嚴格校正，若依模糊“影子”加地表地質構造而主觀地畫“彩色”線條，在結果中卻給出深大斷裂、裂谷、俯沖、斷離、巖漿房、地幔柱……，當必會包含了極大的不確定性、乃至錯誤，這是非常危險的.人們又不能到處用高昂經費去打深鉆井和超深鉆井來證實，所以要求地球物理學各分支學科的精度提升是十分重要的，是促進該學科發展、對地球科學中問題的理解與不斷提高其認識度，即向半量化和量化逼近的關鍵所在.

3.3 地球物理學中各觀測方法與精度

當今，在地球物理學方法中，高精度亦用的很濫，如高精度密度結構、高精度磁場觀測、高精度電性結構、高精度層析成像、高精度速度結構、最高精度的地震反射等等.有時還聽到與見到什么：精準地質構造、精準地球物理或精準地震反射等，應當說這是我們地球科學界必須努力奮斗的方向，但當今尚遠不及精準，因為人們必須清晰地理解何謂高精度，又何謂精準？在論及高精度時，當必有哪些約束？顯然天然源地震波場、電磁感應波場等很難說是高精度和精確，前者不知源函數只知接收函數，并只用了臺站下方向上的上行波，而未能利用下行波等，且其時間采樣間隔是以數十毫秒；后者解的不唯一性極強，亦難以給出兩位數的電阻率和邊界、特別是下邊界.這里尚未涉及到觀測臺站的間距和觀測環境及干擾程度，故目前尚說不上是高精度，因為并非凡地球物理觀測與反演結果都可以冠以“高精度”或“精準”.

(1)精度要求的觀測框架

在一般情況下，若人工源地震反射/折射深部探測接收點間距大于3 km，爆炸點間距大于100 km，缺乏完整觀測系統；重力場(特別在地形復雜地區)，磁力場觀測點間距大于2 km；大地電磁測深觀測點間距大于5 km；天然地震寬頻帶儀器觀測臺站間距大于10～15 km；地震反射若無測井或VSP資料，無可靠速度數據，亦未嚴格進行靜校正等，則均不屬高精度范疇，即均不應冠以高精度、更并非精準.

(2)高精度地震反射深部探測

近垂直地震反射波場記錄清晰、能量足夠強，可清晰識別震相，雙程記錄圖上所呈現的波類型(P波、Ps波、繞射波、側面波、多次波、多元波)得到分離與識別，剔除了噪聲和干擾背景.通過波動方程進行了嚴格、連續的靜校正，雙程記錄圖上顯見清晰的反射界面段和明確、可靠分層(不是模糊的跡象或似是而非的依靠人為畫線條，而必須是清晰共識的映像)，且雙程走時圖上呈現多處向上突出的多元弧形疊置已不復存在.在歸位、成像過程中具有精細的速度譜和偏移及疊加速度值，最好能有深井VSP觀測匹配.

(3)高精度地震反射/折射深部探測

全波形地震記錄清晰、能量強，清晰識別震相及波列.加強相遇和多重相遇、追逐和多重追逐觀測系統約束下，各震相波場在運動學和動力學上均可有效互換性.各震相追蹤長度應大于兩爆炸點間距離，在復雜地表地區必須嚴格進行連續的近地表上覆低速層和高度校正，并求取多層介質的高精度層速度、界面速度和平均速度，反演刻畫介質精細速度變異和層、塊結構.確定殼、幔介質中異常體(不同產狀斷層、破碎帶、低速區、高速區和起伏變化)，特別是低速層(體)的發現與厘定、延伸與尖滅，要有必需的物性數據.多波利用與波場分離及震相識別具有極為重要的作用，在整體介質屬性和結構厘定中，時間采樣間隔要達到10～15 ms，速度誤差應小于0.05 km·s-1，界面深度與起伏誤差應小于或等于1～2 km.

(4)高精度重力場觀測

在重力場觀測地區(帶)應首先從國家測繪局或總參測繪局取得標準的重力基點數據，在野外通過快速鏈接建立起具有一定密度的重力基點網.重力儀必須經室內和野外調適、檢查(特別是漂移、掉格)，在正常狀態下進行觀測，同時要進行高精度GPS定點測量(五顆衛星以上).野外采集的數據必須進行多項完整的校正，特別是精細的地形改正(包括近區與遠區)，獲取布格異常數據庫，在反演所得密度結構中密度誤差應小于或等于0.05 g·cm-3，各層界面起伏與深度誤差不應大于2 km，測點距應小于或等于1 km.重力場能較經濟地提出區域重力異常分布和變化，這是地震波場所不能及的.

(5)高精度大地電磁測深觀測

中長周期觀測點距應小于或等于5 km，觀測時間應為2日/點，長周期與超長周期觀測點距應小于或等于10 km，觀測時間應大于或等于5日/點，二維電阻率分布圖上應呈現出清晰的高阻、低阻與過渡區及界帶的電阻率值.要具有一定量巖石樣本的電性測量數據，電阻率誤差應小于或等于10 Ωm，電性結構區(帶)范圍差異不應大于或等于異常區(帶)的10 %，解的非唯一性應降低到最低(但仍會存在).對Moho界面起伏與深度厘定的邊界的誤差應小于或等于5 km，上地幔和軟流圈的深度及起伏誤差應小于或等于10 km.

(6)高精度磁場觀測

首先與周邊地域固定地磁臺站密切結合，在區域磁場背景下設立流動磁日變站.經調試、檢驗正常后的儀器進行觀測，同時收集和采集巖石樣本測量磁化強度(磁化率)，以取得觀測區不同地區的巖石磁性數據.在觀測過程中同步進行高精度GPS測量(五顆以上衛星)，在野外采集的數據必須經嚴格的各項校正.在反演過程中要求每一測點誤差應小于0.2 nT，對結晶基底埋深和起伏深度誤差不應大于或等于2 km，測點間距應小于或等于1 km.

(7)高精度天然地震觀測

在天然地震(遠震和近震)觀測中要記錄到來自各方向的、震級各異的地震體波和面波，在觀測前期，踏勘、觀測點位選定比其他方法重要.因為每一天然地震臺站均需建立臨時臺基或“臺房”，儀器要安置在深約1～2 m的基巖面上(嚴格防潮、防水)且干擾背景最小，電源方便及人員活動少的偏僻地方.臺站一一安置后需進行調試記錄，以保證儀器的正常運行.每隔1～2個月要進行臺站工作與記錄的檢查.為保證連續地記錄到所需地震事件，臺站位置可視記錄情況進行調整，臺站間的間隔為5～10 km，每一期觀測需要1.5～2年(視地震事件情況)的數據采集時間反演成像速度結構的速度誤差，對殼-幔邊界(Moho)應小于或等于0.1 km·s-1，分層界面埋深誤差不應大于或等于5 km，對上地幔軟流圈、410 km和670 km間斷面速度誤差應小于或等于0.2 km·s-1，深度誤差不應大于或等于10 km.

3.4 如何厘定高精度的地球物理觀測與探測結果

應當充分理解的是，高精度地球物理觀測是具有約束條件的，而不僅僅是加密了觀測點就是“高精度”，當然它是非常重要的因素.因為精度還必然是受到方法本身本征特征的制約，數據采集的精度以及反演方法的限定.上述3.3節所論乃僅指不同地球物理方法本身在觀測時的高精度，卻不等于其所得結果均為高精度.

(1)人工源地震反射、寬角反射/折射的觀測和反演結果相對于其他地球物理方法而言，可稱其為高精度.在人工源深部地震探測中，地震反射與寬角反射/折射各具優缺點，但卻又各具特色.

① 近垂直反射波法

a. 不足之處，難以進行波列識別與對比，不能求得精細速度值，速度譜會有較大偏差，故影響歸位和成像，特別是在復雜起伏地表和深部結構錯綜的條件下，靜校正難以準確，圖像中包含了一定量且不易剔除的干擾或錯誤，亦難以發現低速層.對下地殼，殼幔邊界厘定的分辨率尚應推敲！

b. 優越之處，由于觀測點距小(10～20 m)、激發次數多，所得波場清晰，可給出斷續的界面展布與異常構造事件.

② 寬角反射/折射波法

a. 不足之處，觀測點距相對近垂直反射要大5～10倍，由于地殼內部和上地幔頂部均為寬角反射，另還有基底弱回折波和殼、幔邊界折射波，動態范圍偏于低頻，故對巖相和淺層小幅度斷裂的分辨率不及油氣勘探中近垂直反射波法.這在石油地震勘探中最為凸顯.

b. 優越之處，由于可進行波列和波形識別、追蹤同相軸，且十分關鍵的是可以通過多重相遇和多重追逐觀測系統，利用其共反射點的波場運動學和動力學特征檢驗與核定各震相.計算求得各層介質層速度、界面速度和平均速度、即給出分層的速度結構.成像后可精細厘定低速層，分辨P波、S波Ps波和來自斷層棱邊的繞(衍)射波及斷層面上的側面波.

(2)人工源深部地震探測為高精度

① 近垂直反射與寬角反射/折射的互補

基于上述方法對殼、幔精細結構與介質屬性兩者各具特色，且各自不可替代，如在復雜殼、幔介質與構造地域，有時較高頻的近垂直反射甚至得不到可識別的波場與震相，在深處又受到分辨率的限定而較低頻的寬角反射/折射卻可獲得清晰可靠的記錄與波列.如在印度板塊與歐亞板塊的碰撞-擠壓過渡帶地區，又如近垂直反射取得的弱反射區(帶)，寬角反射/折射確可發現走時滯后與地震波能量的減弱和主頻的降低.當然，連續幾個震相與走時均呈現出一致變化時則可彌補寬角反射/折射的不足.

顯然，二者的結合必將會取得更為精細的結果，而其代價則為加大投入.

② 兩者共同特點

近垂直反射與寬角反射/折射等方法零時的計時誤差為5～10 ms，觀測點距小、深度反演精度高(1 km)，特別是寬角反射/折射充分利用了多重相遇和多重追逐完整的觀測系統，通過運動學和動力學互換原理準確厘定各震相，且可精細刻畫殼、幔介質的各速度分層界面，它們是所有地球物理觀測、處理和反演計算中能求得更精細介質屬性和結構的最佳方法.地震反射波法和地震寬角反射/折射方法所得結果屬高精度.在雙程走時圖上所含界面(中、淺層)的不連續細節上，前者優于后者.

(3)其他地球物理觀測與探測方法所得結果均不屬高精度

① 在天然地震的觀測中，不論是地震面波頻散、層析成像、接收函數、背景噪聲的利用均為利用天然源，而天然源的記錄與反演僅知接收函數而不知源函數，且僅利用了由高速介質到低速介質的上行波，即單程走時(人工源地震為利用下行波、亦利用上行波的雙程走時)，它只能得到每一臺站點下方的結構，又缺失完整的觀測系統.它難以求得較準確的速度值，時間采樣間隔為0.02～0.05 s，且提取的地震震相中包含可靠、比較可靠的以及不太可靠和少數錯誤的信息，在反演成像后其不太可靠及錯誤的信息是難以從圖像中剔除的.另外求得的地殼、上地幔結構精度亦較差(5～10 km)、又難確定異常邊界.因為天然地震反演對Moho界面和巖石圈底界面較敏感，故遠不及人工源地震反演求得的沉積建造、結晶基底、上下地殼、地幔蓋層及上地幔軟流圈中速度分布與結構的精度高.

天然地震研究殼、幔介質屬性和結構優于人工源地震的地方在于其較經濟.若能同時鋪設幾百臺流動地震儀觀測臺則可得到某面積區的結構，而人工源地震要取得面積分布的殼、幔結構則要更大的投入，但確可提升精度.為此，天然地震對結構，可快速大面積地進行地球內部的研究，與人工源地震相比卻不屬高精度.

若要提升精度，向高精度邁進則需最大限度地加密點距，接收臺網要接收來自相互交叉震源，即近似相遇觀測系統、追逐震源(即近似追逐觀測系統)的信息.提高震相識別(不僅依靠走時，而且要依靠頻譜、能量和極性)的能力，創新求取速度方法和反演方法以及多要素約束下的初始模型提取等.同時還要延長觀測時間，約觀測2年以上記錄更多的地震事件，并進行事件的嚴格篩選，才能在某種程度上提升一點精度，依然是較宏觀的結果，因為這受限于方法本身的弱點.

顯然，那種認為背景噪聲所得結果要比天然地震面波頻散、層析成像、接收函數，乃至比人工源地震所得結果的精度還要高的理解，不論在理論上、方法本身、反演過程、結構刻畫、分析與解釋均是難以為人們接受的，但它畢竟是一種研究殼、幔宏觀結構的方法，應予以應用和發展.

② 重力觀測與反演結果

當今的關鍵問題是，重力密度反演的初始模型是建立在對各層介質的密度給定(依文獻或書籍)，或按線性關系與地震波速度的相關性擬定，即并非地殼、上地幔各層介質所采集的樣本經溫、壓條件下的密度測定或逼近的密度值.反演中是依靠人工源地震所得殼、幔介質分層、分區、分塊對密度的調整、擬合以趨于與實測布格重力異常曲線的符合，所以它尚達不到人工源地震的高精度.

若要提升精度則需建立帶有地表起伏的密度結構反演方程，在地面與井中采集足夠數量的樣本進行實驗室溫、壓條件下的密度測量，并將其結果數據用于重力密度反演.同時，要加密點距，且對每一個重力觀測點均需嚴格建立在6～10 m2范圍內的平整觀測平臺，以達在一定程度上避免邊界響應，以提升結果的精度.

③ 地磁觀測與反演結果.地磁場觀測對磁性環境要求較高，因為鐵磁效應到處存在.日變校正不可能對每一測量點的環境均給予全方位校正.由于十分缺失結晶基底以上整個沉積建造巖石的磁化率數據，而反演中是利用通用值或類似巖石與礦物的鄰區參數，反演結果中包含了固有的差異，故難以取得高精度的結果.

若要提升精度，需通過一定數量樣本采集與實驗室測定，給出較充分的磁化率數據，并進行磁性結構反演.在觀測中僅靠原點觀測是不夠的，需在一個小面積，即20～30 m2范圍內進行十字交叉觀測，以其均值作為該點的磁異常nT值，同時要創新與量化地磁反演方法，以達在一定程度上提升結果的精度.

④ 大地電磁測深與反演結果

大地電磁測深的電阻率異常受到多元要素的制約，特別是在人員密集的工礦與作業地域更為嚴重，較其他地球物理方法相比其解的不唯一性較強，它與天然地震一樣，即給不出清晰的巖相和結構劃分的明顯界線，往往是一個模糊的過渡帶，特別是深層過程往往與人工源地震反演結果差別較大.但由于其經濟性，又可通過不同周期的適時觀測取得地殼、地幔電性結構的輪廓，其精度當然不及人工源地震測深，但它確是研究殼、幔電性結構的好方法.

若要提升其精度，重要的是如何取得不被干擾的電阻率數據，延長觀測時間取得穩定的數據采集，同時必須不斷改進和創建新量化的反演方法.同時要有足夠巖石的電性樣本的電阻率參數測定，并參與反演以提高成像精度，最大限度地減少解不唯一性.

由以上討論可見，相對而言當今除人工源地震探測可稱為高精度外，其他方法目前尚難以達到目標.為此，各方法如重力場、磁力場、電磁波感應場、天然地震波場均需在先驗的基礎上，對儀器設備、觀測系統、校正方法、反演方法、圖像識別、干擾剔除與理論等諸多方面進行有效的改進和創新，在逐步提升精度的基點上向高精度逼近.這是地球物理學，亦是整個地球科學不斷精細、并逐向精準邁進的基本軌跡.

(4)多元集成與綜合逼近

這是各種精度地球物理觀測、探測、數據采集、精細結構刻畫基點上的一項綜合分析與研究的過程.

①重、磁、電、熱地球物理邊界場響應的繼承與逼近;

②密度、電性、波場速度結構的集成與逼近;

③運動學和動力學標志的厘定和建模;

④在多元集成和逼近基礎上厘定對所研究科學問題的認知和新概念的提出.

3.5 厘定在多要素約束下的數學-物理模擬

在高精度地球物理探測與觀測研究進程中，正演和反演均具有重要作用，而如何建立起多要素約束下的數學-物理模擬的邊界條件和提取初始模型乃十分關鍵.

(1)簡化與理想的數學-物理模擬.在進行數學或物理模擬中往往要簡化模型，給定物理參數和邊界，因為它有益于和易于數學運算和物理模型材料的選擇及建造.這樣的結果當具有概念性、泛性與宏觀理解，對一些問題的概念認識是有益的，但難以對實際科學事件給予科學的逼近解答.

(2)多要素約束下的數學-物理模擬.如何在多要素約束下給出合理的邊界條件，即必要條件和充分條件(包括幾何與運動學和動力學相似的條件)，提取合理的、有針對性的初始模型十分關鍵.因為計算或模擬結果對實踐中所獲數據的反演結果的解譯匹配、深化理解和指導有著不可或缺的效能.

顯然，高精度地球物理學必須從理念和定義出發，基于實際觀測或探測、數據采集與處理、反演計算、厘定物理屬性與精細結構刻畫和多要素約束下地數學-物理模擬程序，它們之間的耦合乃是促進地球物理學發展和不斷提升精度的必須！

4 科學的選擇和利用人才是地球物理學向高精度前進的核心

這是一個極為普遍的理解和認知，沒有高端的科技人才任何好的設想均難以實現.為此，選拔人才和人才的高智、科學與合理利用乃是驅使地球物理學不斷向精細化逼近的內核.

4.1 地球深部資源、能源、災害和深化認識地球本體是地球物理學的本能與天職

在地表所見各類現象，如成巖、成山、成盆、成礦、成災，乃深部物質在力系作用下重新分異、調整與運移，即深部物質與能量強烈交換的產物，故僅依地表派生現象的假設或推斷及定性描述是不能理解或不能較完善地理解其緣由的.鉆井深度是有限的，僅觸及地球的“皮毛”.為此，只有地球物理學通過一系列高精度觀測與反演才能越過地平線，去“撫摸”地球內部物質的動態“脈搏”.這是因為(滕吉文, 2003a,b,2004b; 滕吉文等，2004a； 滕吉文等, 2009a,b, 2016a,b,c)：

(1)地球內部物質與能量的交換.這種深層過程和動力學響應不是在地球內部處處皆存，而是在力系作用下由于介質結構和構造的不均勻性、各向異性及變化的非線性性而導致僅在局部的特異的地帶孕育、發生和發展.為此，必須研究資源、能源、災害孕育、發生和發展的深部介質屬性、構造環境及其深層動力過程，它是一個物理-化學過程.

(2)力系作用.實際上通常人們所講的動力學乃是力系作用的一種響應，而必須深入到核-幔邊界，即研究與探索其物質組構和力源作用體系(滕吉文等, 2016a,b,c).

4.2 在地球深部研究中地球物理學家應起到中堅作用

當今，“上天、下海、入地”乃是人類向宇宙挑戰的三大壯舉(張文佑, 80年代前后提出)，第二深度空間金屬礦產資源(500～2000 m)和油、氣能源(>5000～10000 m)(滕吉文, 2006a,b,c, 2007a,b)的創見均已寫入國家深地規劃的各種計劃與申請，目標及技術路線之中！實際上人們尚未能較準確地理解第二深度空間的內涵與定義，因為第二深度空間的金屬礦產資源命題的核心是，要求地球物理的探測深度上達到5 km，在3 km深度范圍內要求所得信息達到高分辨率，以保證在第二深度空間(500～2000 m)探查與發現大型、超大型礦床和多金屬礦集區和油氣區.也有人將六、七十年代找礦勘探的一種口號，即無量綱的“攻深找育”(這是基于當時的認識、技術水平，我國的找礦規范為0～500 m的基點上提出的“口號”)，來回避全新的、量化的且具科學依據的第二深度空間的量化新理念.

當今花巨資，即數百億人民幣來探測和研究殼、幔內部結構與深層動力過程，要向第二深度空間探查金屬礦產資源和油、氣能源及近地表地下空間應用，這是擺在人們面前的一個極為重要的深部地球物理研究的復雜的巨型系統工程.

依據國家戰略需求和創新方針，這是一個亟待破解的難題，為此：

(1)應集我國多年來從事地球物理深部探測與對其屬性、結構、資源與能源，強烈地震深層過程且有雄厚積累的真正一二線的地球物理專家的智慧和能力，如中國科學院、中國地震局、自然資源部和各有關大專院、校這一領域的專家與學者.

(2)必須對國家計劃的每一個環節進行名副其實的真正論證(講優點、也講不足、還應講改進等)、答辯，制定出科學的規劃，確立研究與探索的核心科學內涵及可行目標.

(3)必須組成真正的國家隊，集國人廣大智慧.

我在有關會議上主要講述了“上天、下海、入地”的來歷，第二深度空間資源與能源新理念的科學內涵和定義，并對有人和有些部門提及自主創新“國際領先”，“世界領跑者”等提法依據自己的理解給予了定義和解讀.

應當嚴肅指出的是，納稅人拿出這么多錢用于科技事業的發展，作為科技工作者應當如何面對？不能在國家名譽下以個人或部門為主線，應當是基于這是一個國家戰略需求，又為多部門共同申請所獲，故而正確的路線應是內行、外行、老、中、青密切結合組成真正的國家隊，通過這一國家的巨資投入，建立起高精度的地球物理學，做出真正具創新性的科學貢獻！為建設世界地球物理科技強國而奮進！

5 結語

地球物理學發展至今，在整體地球科學發展的進程中越來越顯示出其不可或缺或不可替代的科學效應.當今各學科在不斷向高精度“挺進”之際，強化學科交叉、夯實基礎研究，破解科學難題并奮力創新乃地球物理學發展之必然軌跡.地球物理學必須快速向高精度發展，并驅動地球科學進入到半量化或量化階段，并逐步給出高精度及逼近彼岸的唯一性解答.

為此，強化第二深度空間金屬礦產資源，油、氣、煤能源和地震及火山孕育、發生和發展的深部介質和構造環境的研究與探索，構建起安全、穩定且可長期供給的資源與能源戰略后備基地，為人類與社會發展中災害的防范和地下空間利用等做出貢獻，此乃當今世界高精度地球物理學未來創新與發展的必然軌跡與使命！