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(lái)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(méi)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(wú)策，在對(duì)既往發(fā)生地震的物理過(guò)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(lái)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(guó)科學(xué)院研究生院（現(xiàn)中國(guó)科學(xué)院大學(xué)）任教近3年，2009年通過(guò)競(jìng)聘回到母校任教。畢業(yè)后的十幾年來(lái)，他一直在國(guó)內(nèi)教學(xué)和科研的舞臺(tái)上默默耕耘。雖然沒(méi)有出國(guó)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(guò)多年的探索專研，他的研究成果已達(dá)到國(guó)際水平，發(fā)表了多篇國(guó)際期刊論文，并得到了國(guó)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(wèn)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(lái)，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(guò)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(guò)程的數(shù)值計(jì)算”。在這之前的相關(guān)研究都是基于無(wú)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(guò)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(guò)自己的工作推動(dòng)震源動(dòng)力學(xué)研究的發(fā)展。“直到今天，地震在不久的將來(lái)能否被預(yù)測(cè)還是有很大爭(zhēng)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(lái)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?！?/p>

破壞性的淺源大地震的震源過(guò)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(lái)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(guò)程的影響，對(duì)于深化關(guān)于震源過(guò)程的認(rèn)識(shí)具有十分重要的意義。在剛剛完成的國(guó)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(guò)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(wú)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(guò)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(lái)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(lái)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(guò)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(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(lái)說(shuō)，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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(wú)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(wú)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(yǔ)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(wú)論學(xué)生將來(lái)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?！?/p>

不懼怕困難是張海明的科研態(tài)度，他說(shuō)，整個(gè)科研過(guò)程是由無(wú)數(shù)困難、瓶頸組成的，但這也正是科研的樂(lè)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(wú)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?！倍救艘彩沁@樣，在研究中永不止步。