張海明：把脈地震 永不止步

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(zāi)難和損失。而地震往往在沒有預(yù)兆的情況下突然發(fā)生，大地?fù)u晃，地裂房塌，甚至摧毀整座城市。地震之后的火災(zāi)、水災(zāi)、瘟疫等嚴(yán)重次生災(zāi)害更是雪上加霜。

能不能對(duì)地震作出預(yù)報(bào)？目前，這對(duì)人類仍然是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。因?yàn)樵诂F(xiàn)有的科學(xué)水平下，還不可能對(duì)多數(shù)破壞性地震作出預(yù)報(bào)，但也并非束手無策，在對(duì)既往發(fā)生地震的物理過程進(jìn)行充分研究的基礎(chǔ)上，人類還是可以從中發(fā)現(xiàn)某些規(guī)律，并對(duì)未來可能發(fā)生的地震的行為作出某種程度的預(yù)測(cè)。北京大學(xué)地震學(xué)副教授張海明一直耕耘在震源研究尤其是震源動(dòng)力學(xué)研究陣地中，以期在不可避免的天災(zāi)中贏得主動(dòng)權(quán)。

著眼地震動(dòng)力學(xué)研究

張海明1994年考入北京大學(xué)進(jìn)入地球物理專業(yè)學(xué)習(xí)，隨后在北大地球與空間科學(xué)學(xué)院碩博連讀，接著進(jìn)行博士后研究。隨后在中國科學(xué)院研究生院（現(xiàn)中國科學(xué)院大學(xué)）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(nèi)教學(xué)和科研的舞臺(tái)上默默耕耘。雖然沒有出國深造，但北大相對(duì)自由的學(xué)術(shù)氛圍，可以讓自己根據(jù)興趣進(jìn)行深入研究，張海明投入了大量精力在震源動(dòng)力學(xué)方法研究上。通過多年的探索專研，他的研究成果已達(dá)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(rèn)可。

張海明非常感謝自己的研究生導(dǎo)師陳曉非院士。陳院士多年的指導(dǎo)帶領(lǐng)他走進(jìn)了理論地震學(xué)研究的廣闊領(lǐng)域，并且潛移默化地對(duì)他的教學(xué)和科研態(tài)度產(chǎn)生影響。他多年關(guān)注于一個(gè)理論問題并深入研究的風(fēng)格與導(dǎo)師的影響密不可分。

在陳院士的指導(dǎo)下，張海明在理論地震學(xué)研究領(lǐng)域一日千里，取得了很大進(jìn)展。“研究生早期階段我主要是做合成理論地震圖的相關(guān)研究，也就是根據(jù)地震波傳播的理論，把地震圖計(jì)算出來，這是進(jìn)行地球介質(zhì)結(jié)構(gòu)反演和震源物理研究的基礎(chǔ)。后期我主要是進(jìn)行震源動(dòng)力學(xué)的研究，也就是從動(dòng)力學(xué)角度研究震源的破裂過程?！睆埡Ｃ鞯牟┦空撐难芯康恼n題是“發(fā)展邊界積分方程方法進(jìn)行地震動(dòng)力學(xué)破裂過程的數(shù)值計(jì)算”。在這之前的相關(guān)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(yīng)，對(duì)于破壞性的淺源大地震的研究非常重要。這是一個(gè)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(luò)，張海明有條不紊地展開了關(guān)于震源動(dòng)力學(xué)方面的研究。他希望能夠通過自己的工作推動(dòng)震源動(dòng)力學(xué)研究的發(fā)展?！爸钡浇裉?，地震在不久的將來能否被預(yù)測(cè)還是有很大爭議，但明白地震的機(jī)理一定是了解地震、做出預(yù)警、規(guī)避傷害的必須條件之一。我們知道，震源對(duì)于地面破壞的影響至關(guān)重要，而震源運(yùn)動(dòng)學(xué)主要是描述震源是如何運(yùn)動(dòng)的。如果能夠從力的機(jī)制上清楚了震源運(yùn)動(dòng)的原因，清楚了一個(gè)區(qū)域中應(yīng)力的狀態(tài)如何影響地震震源破裂，就可以一定程度上預(yù)測(cè)這個(gè)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(duì)地震起到預(yù)警作用。”

破壞性的淺源大地震的震源過程往往呈現(xiàn)復(fù)雜的特征。斷層系統(tǒng)本身的幾何復(fù)雜性和地表與斷層之間的耦合效應(yīng)是造成這些復(fù)雜特征的重要來源。因此，細(xì)致地研究這些因素對(duì)破裂的動(dòng)力學(xué)傳播過程的影響，對(duì)于深化關(guān)于震源過程的認(rèn)識(shí)具有十分重要的意義。在剛剛完成的國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“淺源大地震復(fù)雜斷層系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)破裂傳播的研究”中，張海明和他指導(dǎo)的研究生在前期有關(guān)運(yùn)用邊界積分方程方法研究震源動(dòng)力學(xué)破裂過程研究的基礎(chǔ)上，利用基于Cagniard-de Hoop方法求解的時(shí)間域Green函數(shù)及其空間導(dǎo)數(shù)，結(jié)合更適于刻畫任意復(fù)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(jì)算半無限空間中復(fù)雜斷層系統(tǒng)上震源動(dòng)力學(xué)破裂傳播過程的邊界積分方程，并開展了半空間時(shí)間域Green的一些相關(guān)研究，例如，他們從數(shù)學(xué)的角度給出了Rayleigh波產(chǎn)生的機(jī)制并運(yùn)用漸近分析方法解釋了Rayleigh波的性質(zhì)，取得了豐碩的成果。這為他在今后的科研工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，在未來的幾年中，他們將繼續(xù)以此為基礎(chǔ)，進(jìn)一步研究實(shí)際地震的動(dòng)力學(xué)傳播機(jī)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(huì)把主要精力放在有關(guān)超剪切破裂轉(zhuǎn)化的理論和數(shù)值研究領(lǐng)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?？焖俚钠屏淹ǔ１嚷俚钠屏褜?dǎo)致更多的地震災(zāi)害。而破裂速度的突然改變會(huì)導(dǎo)致近場(chǎng)強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)中高頻分量的產(chǎn)生，對(duì)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(huì)造成巨大的社會(huì)財(cái)產(chǎn)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(zhuǎn)化。由于這種轉(zhuǎn)化伴隨著馬赫錐的產(chǎn)生，類似于超音速飛機(jī)突破聲障過程中產(chǎn)生的激波，將產(chǎn)生更為強(qiáng)烈的地表破壞。

張海明認(rèn)為，破裂過程中出現(xiàn)超剪切轉(zhuǎn)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(yīng)力狀態(tài)、斷層面摩擦的本構(gòu)關(guān)系等等。其中，地表和斷層形狀是影響超剪切出現(xiàn)的兩個(gè)重要因素?！拔覀兊某醪窖芯匡@示，對(duì)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(duì)這些因素的影響有充分的了解，才能夠掌握超剪切破裂轉(zhuǎn)化的機(jī)理，從而預(yù)測(cè)對(duì)應(yīng)的地震波輻射場(chǎng)特征，對(duì)建筑防震設(shè)施的設(shè)計(jì)才有指導(dǎo)意義。我開展這項(xiàng)研究的目的就在于此，而目前的有效途徑就是結(jié)合理論分析的數(shù)值模擬研究。所以，運(yùn)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(duì)地震破裂過程中超剪切破裂轉(zhuǎn)化的影響的研究是我當(dāng)前震源動(dòng)力學(xué)研究的一個(gè)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(zhì)中，使得可以精確地考慮地表的影響。在剛結(jié)題的面上項(xiàng)目研究中，繼續(xù)將該方法推廣到半無限空間中的復(fù)雜斷層系統(tǒng)中，而且已經(jīng)取得重要進(jìn)展。這些工作基礎(chǔ)使得開展地表和斷層幾何形態(tài)對(duì)淺源大地震超剪切破裂轉(zhuǎn)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(jì)劃以目前的工作為基礎(chǔ)，進(jìn)一步開展震源動(dòng)力學(xué)模擬研究，試圖了解地表和斷層幾何形態(tài)對(duì)于超剪切破裂轉(zhuǎn)化的影響，并嘗試根據(jù)模擬結(jié)果總結(jié)出超剪切破裂轉(zhuǎn)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(xué)和指導(dǎo)學(xué)生上?！拔覒?yīng)該是我們學(xué)院教學(xué)任務(wù)比較繁重的老師之一了?！彪m任務(wù)繁重，但張海明話語中流露出了對(duì)教學(xué)的熱愛?！白鳛橐粋€(gè)北大學(xué)生出身的老師，我很清楚，一個(gè)好的老師對(duì)于學(xué)生的重要性。無論學(xué)生將來是選擇升學(xué)、科研、工作甚至是創(chuàng)業(yè)，在學(xué)生階段都需要好的老師給他們適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)和作出榜樣。”

不懼怕困難是張海明的科研態(tài)度，他說，整個(gè)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(dāng)你跨越每個(gè)困難取得成果之后，那種成就感是無法言表的。張海明認(rèn)為，一名合格的科研工作者不僅要有專業(yè)的知識(shí)素養(yǎng)，更要有堅(jiān)韌不拔的毅力，要有持續(xù)向前的動(dòng)力和決心，“這樣才有可能體會(huì)到困難被克服的喜悅。”而他本人也是這樣，在研究中永不止步。