探尋地球內(nèi)部的奧秘
——記南方科技大學理學院地球與空間科學系教授楊英杰

2023-05-13 09:26:08祝傳海

科學中國人 2023年4期

關(guān)鍵詞：研究

祝傳海

地球內(nèi)部有著如同洋蔥一般的分層結(jié)構(gòu)：以鐵鎳核心為中心，周圍有一層厚厚的地幔，再往上是一層薄薄的人類賴以生存的地殼。雖然地幔是由堅硬的巖石組成，但它的溫度非常高，可以緩慢流動，驅(qū)動地表的構(gòu)造板塊構(gòu)造運動，促使火山的噴發(fā)和地震的發(fā)生。科學家們利用地震波來“窺探”地球表面下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，揭示出內(nèi)部深層的地形雷達圖像。近年來，用于研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的地震層析成像技術(shù)取得了豐碩的成果，其中利用背景噪聲進行面波層析成像的研究也受到了廣泛關(guān)注。來自南方科技大學理學院地球與空間科學系的教授楊英杰，近20年來一直深耕于地震波和背景噪聲層析成像研究領(lǐng)域，他希望將自己學到的知識轉(zhuǎn)化為實際的科研成果，并將其應用到實際中，為國家未來的防震減災和資源勘探貢獻自己的一份力量。

遠渡重洋，上下求索

1995年，18歲的楊英杰考入中國科學技術(shù)大學，進入地球物理系學習。他從小酷愛數(shù)學和物理，高考時物理甚至考了滿分。在他的眼里，將物理與地球結(jié)合起來的地球物理專業(yè)一定是一個十分有趣、值得鉆研的專業(yè)。盡管在當時，地球物理還只是一個比較小眾的專業(yè)，但楊英杰像海綿一樣汲取著專業(yè)的知識，不斷地充實自己，努力向科學的世界靠近。

楊英杰

大學畢業(yè)后，中國科學技術(shù)大學有不少學生會選擇出國深造，楊英杰也是其中一員。“20多年前，我去海外留學主要是因為可以接觸到最前沿的科學知識，可以從國外頂尖科學家身上學習，使自己成長為一名合格的科研工作者。”楊英杰如是說道。他非常幸運地申請到了去美國布朗大學留學的機會。美國布朗大學設(shè)施完備、設(shè)備先進、技術(shù)領(lǐng)先、治學嚴謹、學風純正，是一所享譽世界的著名私立研究型大學，也是聞名世界的8所常春藤聯(lián)盟高校之一。

剛到美國，楊英杰卻感到有些失落。學習環(huán)境的巨大變化令他有些不適應，再加上他的英語交流能力較弱，這使他在剛到美國時，在學習上遇到了很大的挑戰(zhàn)。“我非常感激那時遇到的一群中國留學生，他們不辭辛勞大晚上來到機場接我，非常熱情和貼心地給我安排好了住的地方，在生活上也時常給予幫助。中國留學生都很團結(jié)，大家一起互幫互助，度過了最初的艱難時光。”楊英杰回想起過去留學的歲月，真摯地說道。

在溫暖真摯的同胞情之外，楊英杰還遇到了對他影響最大的博士生導師唐納德·福賽思（Donald Forsyth）教授，他是楊英杰在學術(shù)上最崇拜的科學家。“我的導師是美國科學院院士，年輕的時候在學術(shù)上就已經(jīng)非常有名氣了。他不屬于那種非常熱情開放的美國人，而是一個低調(diào)內(nèi)斂的人，對待研究非常認真。他一般不直接主動指點學生應該如何做科研或是教學，而是在日常的交流相處中，潛移默化地引導學生。”楊英杰表示，他從博士生導師那里感受到了一位科學家特有的品質(zhì)。

楊英杰坦言，起初他因為英語不熟練，上課聽不太懂，研究工作做得也一般，但導師卻非常有耐心，時常給予他鼓勵。“每次課題組一起做項目時，導師總是說他和我們學生一樣需要認真學習和思考我們做的科研項目，我們一樣都需要不斷探索、不斷實驗。這些話讓我感受到，我和導師的差距其實也不是那么大，只要努力我也可以有機會成為一名像老師一樣的科研工作者。”至此，楊英杰對從事科研工作的信心提振了不少。

5年的時間一晃而過，楊英杰順利拿到了布朗大學地球物理學的博士學位。在這之后，他前往美國科羅拉多大學博爾德分校進行了為期3年的博士后研究工作。博士后工作結(jié)束后，楊英杰繼續(xù)留在學校，成為一名副研究員。其間，他陸續(xù)發(fā)表了多篇論文，距離成為一名獨當一面的科研工作者越來越近。

2008年，美國發(fā)生金融危機，對科學界影響巨大，也影響了原本打算留在美國繼續(xù)從事科研工作的楊英杰。“當時我正在找大學里的教職工作，突然有一個去澳大利亞的機會，專業(yè)恰好與我的一致，于是我就抓住了這個機會。”就這樣，楊英杰離開待了整整10年的美國，踏上了去往澳大利亞的新旅程。

地震波與背景噪聲

或許，楊英杰也沒有想到，他在澳大利亞一待又是10年。在這10年里，他一直在澳大利亞麥考瑞大學工作，獲得了副教授的終身教職，成為優(yōu)秀的科研工作者。楊英杰的研究方向延續(xù)了他在美國時的工作——地震層析成像與巖石圈演化動力學研究，主要研究方向包括背景噪聲面波層析成像、遠震面波層析成像，以及多種地震數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演。

“我的研究方向與醫(yī)學上的CT類似，當人體器官有不適時，我們就需要做CT檢查來查明原因。我研究的是地震波，它可以穿透地球，是探測地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重要手段之一。也就是說，我用地震波來給地球內(nèi)部拍照，看看地球的內(nèi)部是什么樣的。”楊英杰用簡單的比喻，講解了具體的研究內(nèi)容。

傳統(tǒng)的成像方法通常是以天然地震或人工地震激發(fā)的地震波為基礎(chǔ)，對研究區(qū)域進行地震成像，但是由于天然地震多數(shù)發(fā)生在板塊邊緣或斷裂帶附近，受地質(zhì)條件和地理環(huán)境的影響，會影響地震成像的分辨率，限制對地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究。

隨著地震波研究的推進，科學家發(fā)現(xiàn)對長時間的地震背景噪聲進行互相關(guān)計算可以得到一個正負軸近似對稱的波形。對其進行處理后，可以近似得到臺站對之間的格林函數(shù)（包含了兩個臺站之間地震波在介質(zhì)中傳播的信息），通過提取頻散曲線，可以得到不同周期的群（相）速度值。基于面波層析成像，可以得到研究區(qū)域的速度結(jié)構(gòu)圖，為深部構(gòu)造研究提供了新方法。背景噪聲是指在沒有地震發(fā)生的情況下地震儀器上所記錄的隨機波動信號，是一種連續(xù)穩(wěn)定的自然源，其中包含了豐富的地下介質(zhì)信息，所以背景噪聲成像可以克服地震成像的限制。

2015年楊英杰獲得澳大利亞科學院安東·海爾斯獎?wù)?/p>

之后，有科學家通過對聲學實驗中的熱噪聲證明了格林函數(shù)可以從擴散場的相關(guān)性質(zhì)中測量，能夠清晰地反映兩點間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。2003年，地震學家首次將這一猜想運用到地震學上，他們通過研究，選擇了地震尾波進行互相關(guān)計算。對比發(fā)現(xiàn)，計算結(jié)果與理論模型合成的格林函數(shù)相一致，提取的波形具有瑞雷波（Rayleigh wave）和拉夫波（Love wave）所期望的偏振特性和群速度特征。這項實驗也同時表明，這種新型的方法可以幫助生成地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像，至此開啟了地震背景噪聲在地震波研究的先河。

經(jīng)過接近20年的發(fā)展，背景噪聲層析成像為地球內(nèi)部構(gòu)造研究提供了全新方法，成為地震學最熱門的研究方向之一。“我很幸運，能夠成為最早研究背景噪聲的人之一，并且取得了不錯的成果，產(chǎn)生了一定的影響。”楊英杰自信地說。

闊別多年，回到故土

2021年11月，楊英杰回到了闊別21年的祖國，入職南方科技大學，成為地球與空間科學系的一名教授和博士生導師。盡管在國外留學工作的時間很長，但楊英杰多年來一直與國內(nèi)高校的專家學者保持著穩(wěn)定密切的聯(lián)系。

“南方科技大學在2017年正式成立地球與空間科學系，那時我便開始關(guān)注著南方科技大學和地球與空間科學系的發(fā)展。”雖然因為新冠疫情的緣故，楊英杰的回國之路有很多曲折——先是在廣州隔離兩周，后又在深圳隔離一周，但對他來說，一切都是值得的。

回望過去20年的研究工作，楊英杰在地震層析成像方法技術(shù)及解決與巖石圈結(jié)構(gòu)相關(guān)的重大科學問題等方面取得了豐碩成果：研發(fā)了一套利用地震背景噪聲數(shù)據(jù)獲得穩(wěn)健的面波經(jīng)驗格林函數(shù)的標準處理流程，將背景噪聲層析成像技術(shù)應用到歐洲大陸，并證明背景噪聲層析成像可以約束大尺度的大陸板塊；提出了利用遠距離臺站對提取長周期面波的方法技術(shù)并驗證了用于區(qū)域面波層析成像的可行性和準確性，極大地提高了區(qū)域噪聲層析成像的探測深度和上地幔面波層析成像的分辨率；發(fā)展了時頻域相位加權(quán)疊加技術(shù)和信噪比選擇疊加技術(shù)，提高了從背景噪聲中提取面波信號的信噪比，將背景噪聲的成像能力從地殼擴展到上地幔。

以上對背景噪聲層析成像技術(shù)的創(chuàng)新和應用的重要貢獻，使楊英杰于2015年被授予澳大利亞科學院安東·海爾斯（Anton Hales）獎?wù)拢蔀樽?009年這獎?wù)略O(shè)立以來第一位獲此殊榮的中國人。

此外，楊英杰開發(fā)了聯(lián)合多種地震波數(shù)據(jù)反演地殼和上地幔結(jié)構(gòu)的新方法，拓展了地震波對地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的成像能力，為研究巖石圈演化提供了新的技術(shù)支持。他發(fā)展的雙平面波地震層析成像方法（the two-plane-wave method）在地殼和上地幔結(jié)構(gòu)探測中比傳統(tǒng)方法有更大的優(yōu)勢，已被世界各國眾多研究者廣泛采用。

不僅如此，楊英杰率先開展了背景噪聲數(shù)據(jù)聯(lián)合天然地震數(shù)據(jù)約束地球巖石圈結(jié)構(gòu)的研究工作，將這種聯(lián)合層析成像技術(shù)成功應用于北美大陸巖石圈成像，此研究成果發(fā)表的論文被他引十余次，并入選過去100年在美國地球物理學會期刊上發(fā)表的突破性優(yōu)秀研究成果。

2023年楊英杰在南方科技大學給學生授課

2016年，楊英杰主持了國家自然科學基金面上項目“利用寬頻帶背景噪聲研究大陸三維殼幔結(jié)構(gòu)：以青藏高原為例”。他利用最新的地震層析成像方法，建立了跨越整個青藏高原的地殼三維橫波速度模型，發(fā)現(xiàn)青藏高原中地殼存在大尺度低速層。模型支持地殼中廣泛分布著塑性變形帶，為判定青藏高原增長造山動力學模式提供了重要的地球物理證據(jù)。

之后，楊英杰利用背景噪聲層析成像方法刻畫了秦嶺造山帶、揚子克拉通和青藏高原交界處的三維地殼精細橫波速度結(jié)構(gòu)，揭示了位于大巴山造山帶西側(cè)和東側(cè)地殼尺度的高速堅硬塊體，為大巴山前陸弧形構(gòu)造成因提供了關(guān)鍵的深部證據(jù)。他還構(gòu)建了準噶爾地區(qū)新的地殼和上地幔三維精細橫波速度結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)準噶爾盆地下方存在西北傾向的高速異常，其形態(tài)類似一個俯沖板片，表明在準噶爾巖石圈內(nèi)部保存著一個古海洋巖石圈塊體。此研究結(jié)果表明海洋巖石圈可能被困在大陸板塊的中間并成為大陸板塊的一部分，為大陸巖石圈增生提出了一種新的模式。

雖然取得如此多的碩果，但楊英杰并沒有滿足于此，他將依托南方科技大學地球與空間科學系，繼續(xù)主攻地球巖石圈精細結(jié)構(gòu)與演化動力學過程研究，致力于為國家建設(shè)地球內(nèi)部物理和動力學學科作出重要貢獻。

師者之道，教書育人

不知不覺中，楊英杰已經(jīng)把近一半的人生獻給了科學研究事業(yè)。進行要求極高的科研工作是一個創(chuàng)新的過程，而創(chuàng)新總會有失敗的時候，很多時候苦苦追求也可能沒有收獲。“我有時也會沮喪，可能會有一段時間情緒極度低落，總覺得有問題沒有解決，有成果沒有做出來。但是，只要對某件事情抱有堅定的信念，就不害怕失敗，因為對科研的熱愛會戰(zhàn)勝一切艱難險阻。”楊英杰說，做科研最重要的品質(zhì)就是對它無限的熱愛。

在過去的11年間，楊英杰培養(yǎng)了7位優(yōu)秀博士研究生和3位博士后，目前他們都在一流的大學或研究所深造或任教。“我覺得自己在培養(yǎng)博士研究生方面已經(jīng)積累了一定經(jīng)驗，希望以后能培養(yǎng)更多優(yōu)秀的研究生和博士生，不僅為國家建設(shè)助力，也為科研傳承作出更多的貢獻。”

楊英杰認為，要培養(yǎng)一名優(yōu)秀的研究生，調(diào)動學生的內(nèi)在動力是最重要的。作為導師，要激發(fā)學生的主觀能動性，讓他們有足夠的動力推動自己前進，走向成功。楊英杰喜歡鼓勵學生，讓他們不忘初心，牢記當初做科研的初衷。“所以我比較看重的就是學生對科研的興趣和抗壓能力，因為做科研需要有樂觀的心態(tài)去接受挫折和失敗，不能鉆牛角尖，才能邁過難關(guān)。此外，我還會關(guān)注學生的大學成績，特別是數(shù)學和物理的成績，這可以幫助我了解學生基礎(chǔ)知識的水平。”楊英杰說起如何教育學生，頗有心得。

除此之外，楊英杰喜歡細心觀察學生的特點，并根據(jù)學生的不同特點，采取因材施教的方式。他說：“學生應該根據(jù)自己的技能特長進行科研，因為科研可以多種多樣，有理論研究、程序開發(fā)和實踐應用等。所以我會根據(jù)學生不同的特質(zhì)，去跟學生溝通，讓他們選擇自己擅長的方向，培養(yǎng)他們的主觀能動性。”

帶領(lǐng)學生解決更多科學上的問題，提供更多對地球物理有用的技術(shù)，為國內(nèi)地球物理領(lǐng)域培養(yǎng)更多更優(yōu)秀的學生，建設(shè)世界領(lǐng)先的地球物理學科，這是楊英杰作為老師的終生目標。

科技報國，不負期待

楊英杰回國的時間并不長，才一年多，但他對于今后的研究目標卻已經(jīng)有了想法，“我會根據(jù)國家的發(fā)展戰(zhàn)略，制訂今后的工作計劃”。

眾所周知，中國是一個地震災害多發(fā)的國家，地震活動頻度高、強度大、分布廣。據(jù)中國地震局統(tǒng)計，自1949年以來，100多次破壞性地震襲擊了我國22個省區(qū)市。一般而言，地震烈度以近似同心圓的方式從地震中心向外遞減，然而當?shù)卣鸩▊鞯脚璧貢r，由于盆地內(nèi)部是松軟的沉積層，因此會造成盆地內(nèi)地表振動時間拉長、強度放大等現(xiàn)象，產(chǎn)生地震盆地效應。

特別是從寧夏，經(jīng)甘肅東部、四川西部，直至云南的中國南北地震帶，是一條縱貫中國大陸、大致南北方向的地震密集帶。南北地震帶內(nèi)盆地分布廣泛、大城市匯聚、人口高度集中，這一地震帶范圍內(nèi)地震頻發(fā)，集中了我國有地震記錄以來一半8級以上大地震，造成了巨大人員傷亡與財產(chǎn)損失。

“比如國家要規(guī)劃新城市，運用背景噪聲層析成像技術(shù)把地下沉積層的結(jié)構(gòu)圖做出來，再通過計算機進行地震破壞力的模擬評估，避免在松軟的沉積層上建設(shè)，選擇地震影響相對較小的地方建設(shè)。”楊英杰說，為了更好地評估和減輕相關(guān)地區(qū)地震的危險性，高分辨率的巖石圈結(jié)構(gòu)尤其是精細的淺部結(jié)構(gòu)模型是準確表征地震地面運動的基礎(chǔ)，有助于評估和減輕未來地震帶來的危害，為防震減災提供重要參考。

另外，楊英杰還考慮到我國政府提出“二氧化碳排放力爭于2030年前達到‘碳達峰’，努力爭取2060年前實現(xiàn)‘碳中和’”的目標。為了在“碳達峰”“碳中和”的愿景下實現(xiàn)國民經(jīng)濟持續(xù)增長，政府目前已在綠色可持續(xù)新能源科技與工程領(lǐng)域統(tǒng)籌布局，發(fā)展綠色可持續(xù)新能源對銅、鈷、稀土、鎘、鉬等關(guān)鍵礦物的需求將持續(xù)增長，因此關(guān)鍵礦物探測與開發(fā)至關(guān)重要。地球巖石圈的形成與演化控制著巖漿和含礦流體的運動與富集，關(guān)鍵礦物勘探依賴于對巖石圈結(jié)構(gòu)與動力學過程的認識。

近年來迅速發(fā)展的地震背景噪聲層析成像方法，已經(jīng)被廣泛運用到淺層結(jié)構(gòu)的研究工作中。相比傳統(tǒng)的地球物理探測方法，基于密集臺陣的噪聲成像方法具有探測范圍廣、分辨率高、探測精度高的特點，是一種經(jīng)濟、環(huán)保的方法，這一方法有望揭示礦區(qū)地下的精細結(jié)構(gòu)和礦體分布。“我研究的地震背景噪聲層析成像技術(shù)能為精細刻畫巖石圈三維結(jié)構(gòu)提供助力，有了巖石圈的三維結(jié)構(gòu)圖，將為地球深部礦產(chǎn)勘探提供重要的線索。”楊英杰說道。

為了更好地完成以上兩方面的目標，楊英杰將組建以地震面波及背景噪聲為基礎(chǔ)的多尺度地震成像研究團隊，以基于地球物理學的探測方法技術(shù)研究，特別是多尺度的成像技術(shù)研究為核心，輔以數(shù)據(jù)處理和數(shù)值模擬技術(shù)，探究地球內(nèi)部不同尺度的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、狀態(tài)及組成，服務(wù)于地質(zhì)礦產(chǎn)資源的深部探測，為防震減災提供地球物理基礎(chǔ)。