楊文采找到了那個(gè)擴(kuò)散“香水”的“瓶子”

曹　菲　李　晨

從香水?dāng)U散方程說起

由于觀測時(shí)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(kuò)散方程得知，一天之后小房間內(nèi)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(shí)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(shù)學(xué)上有沒有解答?解答是否可以很多?如果解不唯一，哪個(gè)解才是真實(shí)可靠的?這些問題，就構(gòu)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(guān)注。然而，什么是“反演”?中國大陸科學(xué)鉆探工程副總指揮、中國科學(xué)院院士、國土資源部大陸動力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員楊文采如何與“反演”有了不解之緣?1981年，時(shí)年39歲的楊文采受教育部派遣，到加拿大麥吉爾大學(xué)攻讀博士學(xué)位。那時(shí)，他已經(jīng)從大學(xué)畢業(yè)16年了。即將不惑之年出國留學(xué)，楊文采說，那是因?yàn)橛X得自己的知識需要更新。三年時(shí)間，楊文采不但學(xué)習(xí)地球物理，還堅(jiān)持到數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等專業(yè)去聽課。就在這個(gè)時(shí)候，他認(rèn)識了“反演”。

知道油氣礦產(chǎn)勘察及基礎(chǔ)調(diào)查

在認(rèn)識地球的過程中，地球物理反演起到了關(guān)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(fā)的彈性波場，然后根據(jù)觀測數(shù)據(jù)推測地球內(nèi)部的巖性與構(gòu)造，這就是地球物理反演。楊文采不僅發(fā)展了地球物理反演系統(tǒng)理論與新方法，并致力于將此理論與方法廣泛地應(yīng)用于油氣與礦產(chǎn)勘查及重大建設(shè)工程基礎(chǔ)調(diào)查。地球物理反演問題中，解在大多數(shù)情況下不具有唯一性，楊文采特別關(guān)注極少數(shù)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(jì)80年代，他研究出基于彎曲射線追蹤的跨孔CT方法，指導(dǎo)了黃河小浪底水利樞紐工程地下電站基礎(chǔ)的層析成像，計(jì)算出了準(zhǔn)確的波速層析圖，為后續(xù)工程所驗(yàn)證，為地震層析成像工程勘察中的應(yīng)用作出了示范。

物理學(xué)與地震學(xué)走到了一起

隨著現(xiàn)代科學(xué)與技術(shù)為驗(yàn)證科學(xué)假說提供了更加先進(jìn)的工具，地質(zhì)學(xué)家也越來越重視預(yù)測和假設(shè)的驗(yàn)證。1992年，全世界的兩百多名地球科學(xué)家聚集德國波茨坦，討論國際大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃，準(zhǔn)備通過遙測和鉆探來驗(yàn)證地球科學(xué)家的結(jié)論。在這個(gè)計(jì)劃中物理學(xué)與地質(zhì)學(xué)走到了一起，共同在理性思維原則指導(dǎo)下通過科學(xué)工程解決彼此的分歧。1996年，國際大陸科學(xué)鉆探組織(ICDP)成立，楊文采應(yīng)邀擔(dān)任第一屆科學(xué)顧問組成員，審議世界各地科學(xué)家提出的申請書。同年他作為中國大陸科學(xué)鉆探項(xiàng)目的副首席科學(xué)家，負(fù)責(zé)鉆探選址和孔區(qū)調(diào)查等全部地球物理工作。

1997年4月，ICDP科學(xué)顧問組在德國開會，會上同時(shí)出現(xiàn)兩份在超高壓變質(zhì)帶進(jìn)行科學(xué)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(fā)言指出了中國申請的潛在科學(xué)意義，他的發(fā)言改變了一些專家的看法。投票結(jié)果，中國的建議獲得認(rèn)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(xué)鉆探選址國際會議”上，楊文采以準(zhǔn)確的地球物理資料與深入的科學(xué)分析論證了大陸科學(xué)鉆探的最佳選區(qū)，得到與會中外專家的贊同，在中國大陸科學(xué)鉆探工程的先行研究中，他提出了新的處理準(zhǔn)則，并據(jù)此建立了深反射地震資料處理新方法技術(shù)系統(tǒng)，建立了中國第一個(gè)深反射地震資料處理中心。他結(jié)合物理學(xué)和地質(zhì)學(xué)的理論與方法，對中國第一口大陸科學(xué)鉆探孔區(qū)的巖性、構(gòu)造進(jìn)行了預(yù)測，基本上為后續(xù)的鉆探工程所驗(yàn)證。而在大陸科學(xué)鉆探的歷史上，地球物理學(xué)家的預(yù)測成功率是不高的。舉世聞名的前蘇聯(lián)科拉超深鉆與德國KTB，鉆前地球物理學(xué)家的預(yù)測都曾失敗過。

2005年3月，中國大陸科學(xué)鉆探工程終孔，歷時(shí)1353天，進(jìn)尺5158米，取得了鉆探工程技術(shù)的重大突破，獲得了許多創(chuàng)新的成果和重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)。