張海明：把脈地震 永不止步

本刊記者　劉 賀

張海明：把脈地震 永不止步

本刊記者劉 賀

2008年汶川地震、2010年玉樹地震、2011年日本大地震……近年來地震頻發(fā)，給人類造成了不可估量的災難和損失。而地震往往在沒有預兆的情況下突然發(fā)生，大地搖晃，地裂房塌，甚至摧毀整座城市。地震之后的火災、水災、瘟疫等嚴重次生災害更是雪上加霜。

能不能對地震作出預報？目前，這對人類仍然是一個巨大挑戰(zhàn)。因為在現(xiàn)有的科學水平下，還不可能對多數(shù)破壞性地震作出預報，但也并非束手無策，在對既往發(fā)生地震的物理過程進行充分研究的基礎上，人類還是可以從中發(fā)現(xiàn)某些規(guī)律，并對未來可能發(fā)生的地震的行為作出某種程度的預測。北京大學地震學副教授張海明一直耕耘在震源研究尤其是震源動力學研究陣地中，以期在不可避免的天災中贏得主動權。

著眼地震動力學研究

張海明1994年考入北京大學進入地球物理專業(yè)學習，隨后在北大地球與空間科學學院碩博連讀，接著進行博士后研究。隨后在中國科學院研究生院（現(xiàn)中國科學院大學）任教近3年，2009年通過競聘回到母校任教。畢業(yè)后的十幾年來，他一直在國內教學和科研的舞臺上默默耕耘。雖然沒有出國深造，但北大相對自由的學術氛圍，可以讓自己根據(jù)興趣進行深入研究，張海明投入了大量精力在震源動力學方法研究上。通過多年的探索專研，他的研究成果已達到國際水平，發(fā)表了多篇國際期刊論文，并得到了國外同行的認可。

張海明非常感謝自己的研究生導師陳曉非院士。陳院士多年的指導帶領他走進了理論地震學研究的廣闊領域，并且潛移默化地對他的教學和科研態(tài)度產生影響。他多年關注于一個理論問題并深入研究的風格與導師的影響密不可分。

在陳院士的指導下，張海明在理論地震學研究領域一日千里，取得了很大進展?！把芯可缙陔A段我主要是做合成理論地震圖的相關研究，也就是根據(jù)地震波傳播的理論，把地震圖計算出來，這是進行地球介質結構反演和震源物理研究的基礎。后期我主要是進行震源動力學的研究，也就是從動力學角度研究震源的破裂過程。”張海明的博士論文研究的課題是“發(fā)展邊界積分方程方法進行地震動力學破裂過程的數(shù)值計算”。在這之前的相關研究都是基于無限空間的模型，而他把研究范圍拓展到了半空間的模式，這樣可以精確的包含地表和斷層破裂之間的耦合效應，對于破壞性的淺源大地震的研究非常重要。這是一個艱苦的研究過程，最終能取得突破，是和張海明研究生前幾年工作的積累分不開的。

沿著這樣的一條科研脈絡，張海明有條不紊地展開了關于震源動力學方面的研究。他希望能夠通過自己的工作推動震源動力學研究的發(fā)展?！爸钡浇裉?，地震在不久的將來能否被預測還是有很大爭議，但明白地震的機理一定是了解地震、做出預警、規(guī)避傷害的必須條件之一。我們知道，震源對于地面破壞的影響至關重要，而震源運動學主要是描述震源是如何運動的。如果能夠從力的機制上清楚了震源運動的原因，清楚了一個區(qū)域中應力的狀態(tài)如何影響地震震源破裂，就可以一定程度上預測這個區(qū)域中斷層上未來可能發(fā)生的震源的演化狀況，從而對地震起到預警作用?！?/p>

破壞性的淺源大地震的震源過程往往呈現(xiàn)復雜的特征。斷層系統(tǒng)本身的幾何復雜性和地表與斷層之間的耦合效應是造成這些復雜特征的重要來源。因此，細致地研究這些因素對破裂的動力學傳播過程的影響，對于深化關于震源過程的認識具有十分重要的意義。在剛剛完成的國家自然科學基金面上項目“淺源大地震復雜斷層系統(tǒng)的動力學破裂傳播的研究”中，張海明和他指導的研究生在前期有關運用邊界積分方程方法研究震源動力學破裂過程研究的基礎上，利用基于Cagniard-de Hoop方法求解的時間域Green函數(shù)及其空間導數(shù)，結合更適于刻畫任意復雜斷層系統(tǒng)幾何形狀的三角形的離散化方案，發(fā)展出一種能夠精確計算半無限空間中復雜斷層系統(tǒng)上震源動力學破裂傳播過程的邊界積分方程，并開展了半空間時間域Green的一些相關研究，例如，他們從數(shù)學的角度給出了Rayleigh波產生的機制并運用漸近分析方法解釋了Rayleigh波的性質，取得了豐碩的成果。這為他在今后的科研工作奠定了堅實的基礎，在未來的幾年中，他們將繼續(xù)以此為基礎，進一步研究實際地震的動力學傳播機制。

從超剪切破裂找突破

在采訪中，張海明表示，在接下來的科研工作中，會把主要精力放在有關超剪切破裂轉化的理論和數(shù)值研究領域。

決定地震破壞性的重要因素之一是震源破裂過程中的破裂速度及其變化。快速的破裂通常比慢速的破裂導致更多的地震災害。而破裂速度的突然改變會導致近場強地面運動中高頻分量的產生，對于近震源的地表建筑物來說，這將是造成其損壞的直接原因之一，會造成巨大的社會財產的破壞。地震破裂過程中破裂速度突然改變的典型表現(xiàn)是其由亞Rayleigh波速向超剪切波速的轉化。由于這種轉化伴隨著馬赫錐的產生，類似于超音速飛機突破聲障過程中產生的激波，將產生更為強烈的地表破壞。

張海明認為，破裂過程中出現(xiàn)超剪切轉化需要具備一定的條件。比如，地震斷層的規(guī)模、震源區(qū)的應力狀態(tài)、斷層面摩擦的本構關系等等。其中，地表和斷層形狀是影響超剪切出現(xiàn)的兩個重要因素。“我們的初步研究顯示，對于走滑型破裂，地表與斷層破裂之間的相互作用將有助于激發(fā)次生的超剪切破裂。只有對這些因素的影響有充分的了解，才能夠掌握超剪切破裂轉化的機理，從而預測對應的地震波輻射場特征，對建筑防震設施的設計才有指導意義。我開展這項研究的目的就在于此，而目前的有效途徑就是結合理論分析的數(shù)值模擬研究。所以，運用高精度、高效率的數(shù)值模擬研究方法開展地表和斷層幾何形態(tài)對地震破裂過程中超剪切破裂轉化的影響的研究是我當前震源動力學研究的一個重要課題?！?/p>

在前期研究中，張海明已成功地將傳統(tǒng)的邊界積分方程方法推廣到半無限介質中，使得可以精確地考慮地表的影響。在剛結題的面上項目研究中，繼續(xù)將該方法推廣到半無限空間中的復雜斷層系統(tǒng)中，而且已經(jīng)取得重要進展。這些工作基礎使得開展地表和斷層幾何形態(tài)對淺源大地震超剪切破裂轉化的影響的數(shù)值模擬研究成為可能。在這一研究中，張海明計劃以目前的工作為基礎，進一步開展震源動力學模擬研究，試圖了解地表和斷層幾何形態(tài)對于超剪切破裂轉化的影響，并嘗試根據(jù)模擬結果總結出超剪切破裂轉化的控制參數(shù)。

除了科研工作之外，張海明還把很大一部分精力放在了教學和指導學生上?！拔覒撌俏覀儗W院教學任務比較繁重的老師之一了?！彪m任務繁重，但張海明話語中流露出了對教學的熱愛?！白鳛橐粋€北大學生出身的老師，我很清楚，一個好的老師對于學生的重要性。無論學生將來是選擇升學、科研、工作甚至是創(chuàng)業(yè)，在學生階段都需要好的老師給他們適當?shù)闹笇Ш妥鞒霭駱?。?/p>

不懼怕困難是張海明的科研態(tài)度，他說，整個科研過程是由無數(shù)困難、瓶頸組成的，但這也正是科研的樂趣所在：當你跨越每個困難取得成果之后，那種成就感是無法言表的。張海明認為，一名合格的科研工作者不僅要有專業(yè)的知識素養(yǎng)，更要有堅韌不拔的毅力，要有持續(xù)向前的動力和決心，“這樣才有可能體會到困難被克服的喜悅?！倍救艘彩沁@樣，在研究中永不止步。