解析“運(yùn)動(dòng)”的地球
——記同濟(jì)大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院副教授柳暢

□ 宋 潔

高山峽谷、海洋湖泊，人們常常贊譽(yù)，它們是大自然的鬼斧神工，卻甚少去探究這些風(fēng)景形成過(guò)程的奧秘。比如說(shuō)，有著“世界屋脊”之稱的青藏高原，其地質(zhì)歷史可以追溯到距今4億～5億年的奧陶紀(jì)；作為世界最大活火山的富士山，因?yàn)?萬(wàn)多年前的熔巖噴發(fā)，有了新與舊的區(qū)別；愛(ài)琴海是一個(gè)藍(lán)色系海洋，除了美不勝收，這片海域周圍的島嶼因板塊碰撞而形成了“星羅棋布”的格局……

旅游的時(shí)候，大多數(shù)人在單純地欣賞風(fēng)景，但也有例外，譬如同濟(jì)大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院副教授柳暢。身為地球動(dòng)力學(xué)的研究人員，他已經(jīng)形成職業(yè)習(xí)慣，一邊領(lǐng)略大好風(fēng)光，一邊思考盛景背后的地球科學(xué)問(wèn)題?！暗厍騽?dòng)力學(xué)，很容易從字面意義來(lái)理解，就是地球的介質(zhì)與力之間的響應(yīng)在地球的運(yùn)動(dòng)上如何體現(xiàn)。通俗地講，就是地球上自然現(xiàn)象形成的推動(dòng)力是什么？這些力又從何而來(lái)？”

他解釋說(shuō)，地球在不停的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，給人類帶來(lái)了美好景觀的同時(shí)，也給人類帶來(lái)了災(zāi)害。滄海桑田、高山峽谷、地震與火山等自然現(xiàn)象的背后均有其存在機(jī)理。有些現(xiàn)象是地球上不同板塊之間的相互匯聚-擠壓而形成，有些又是板塊的破裂-分離-擴(kuò)張所致；而導(dǎo)致板塊運(yùn)動(dòng)、變形的力源又各不相同。借助現(xiàn)代地球物理手段來(lái)理解地球的運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程，解析地球運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的自然現(xiàn)象背后的動(dòng)力學(xué)來(lái)源與成因，正是他們孜孜以求的。

奔向自由的科學(xué)研究

柳暢說(shuō)，從事地球動(dòng)力學(xué)研究是他給自己選擇的最好的人生道路。

1998年，他進(jìn)入江漢石油學(xué)院（現(xiàn)長(zhǎng)江大學(xué)）應(yīng)用地球物理學(xué)專業(yè)學(xué)習(xí)，在不斷加深對(duì)地球科學(xué)知識(shí)的理解過(guò)程中，他漸漸培養(yǎng)出了濃厚的地球物理學(xué)研究興趣。

“那時(shí)候，我們的學(xué)習(xí)還是側(cè)重于淺層地球物理儲(chǔ)層勘探方面的知識(shí)，為國(guó)家石油、礦藏等資源和能源探測(cè)服務(wù)?！辈贿^(guò)，柳暢當(dāng)時(shí)的興趣更多地在于對(duì)宏觀大地構(gòu)造問(wèn)題的理解。他坦言，也正是因?yàn)檫@樣才于后來(lái)考入中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），從事固體地球物理學(xué)的學(xué)習(xí)與研究。

真正讓柳暢決定選擇從事地球動(dòng)力學(xué)研究的，是一場(chǎng)學(xué)術(shù)講座。在一次學(xué)術(shù)會(huì)議上，他聽(tīng)了石耀霖院士關(guān)于“地震發(fā)生機(jī)理與地震活動(dòng)性”的一場(chǎng)學(xué)術(shù)報(bào)告?！澳菆?chǎng)報(bào)告對(duì)我非常重要，報(bào)告里面所體現(xiàn)出的地球動(dòng)力學(xué)研究的重要性與趣味性，完全吸引了我。”2005年碩士畢業(yè)，在通過(guò)兩年多的工作收入解決了家庭的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題之后，他就毫不猶豫地辭去了當(dāng)時(shí)的工作，準(zhǔn)備中國(guó)科學(xué)院的博士生入學(xué)考試。

“博士生入學(xué)面試的那天，石耀霖院士問(wèn)我讀博士的原因。我回答的是‘我想將來(lái)像你們一樣，能夠自由地進(jìn)行科學(xué)研究’?！蹦鞘橇鴷扯嗄暌詠?lái)熱切的愿望。

九層之臺(tái)起于壘土

既然選擇了科學(xué)研究，就要秉承著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對(duì)待每一項(xiàng)工作。在介紹工作內(nèi)容的時(shí)候，柳暢同樣會(huì)出于對(duì)研究特性的考量，盡可能用通俗的例子、準(zhǔn)確的語(yǔ)言表達(dá)。

他說(shuō)，他們通常會(huì)在地球動(dòng)力學(xué)前面冠以“計(jì)算”的定語(yǔ)。這是因?yàn)?，他們所開(kāi)展的研究主要是對(duì)地球動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的定量分析，需要依靠嚴(yán)格的數(shù)學(xué)物理方法，以及現(xiàn)代高性能計(jì)算技術(shù)。

“比如說(shuō)，對(duì)于地震發(fā)生機(jī)理問(wèn)題的分析。我們首先要綜合前人地球物理勘探與地質(zhì)勘查的研究成果，對(duì)斷裂帶區(qū)域的地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解。在此基礎(chǔ)之上，建立斷裂帶區(qū)域的巖石圈數(shù)值模型，再結(jié)合大地測(cè)量學(xué)所確定的區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)速率為模型的邊界條件，然后針對(duì)該模型來(lái)求解相應(yīng)問(wèn)題的數(shù)學(xué)物理方程，分析模型中若干物理量的變化(比如應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等)。最后，通過(guò)這些物理量所提供的關(guān)鍵信息，來(lái)分析地震發(fā)生的成因機(jī)理?！?/p>

地震給人類帶來(lái)了無(wú)窮的災(zāi)難。地震預(yù)報(bào)是人們長(zhǎng)期以來(lái)一直關(guān)注的話題，同時(shí)也是地球科學(xué)研究中的重點(diǎn)與難點(diǎn)問(wèn)題。柳暢認(rèn)為，我國(guó)的地震預(yù)報(bào)，目前僅僅是依靠基于地震前兆現(xiàn)象的經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)和統(tǒng)計(jì)規(guī)律預(yù)報(bào)，還沒(méi)有基于物理規(guī)律的數(shù)值地震預(yù)報(bào)。而數(shù)值地震預(yù)報(bào)的一個(gè)重要前提，就是對(duì)于地震發(fā)生機(jī)理的根本性的理解。

從事地震發(fā)生機(jī)理的研究有一種使命感。帶著這種使命感，柳暢對(duì)地球動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域展開(kāi)了深入的探索。博士期間，他輾轉(zhuǎn)于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算地球動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和法國(guó)巴黎高等師范學(xué)院，體驗(yàn)不同文化教育背景的博士培養(yǎng)模式，汲取地學(xué)不同專業(yè)領(lǐng)域科學(xué)家的工作經(jīng)驗(yàn)。

他成功參與到國(guó)家級(jí)大項(xiàng)目“深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究-SinoProbe”的專題“巖石圈三維結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬”研究當(dāng)中，選擇中國(guó)大陸區(qū)域若干大地震為研究對(duì)象，通過(guò)建立龍門山斷裂帶與華北盆地兩個(gè)區(qū)域的精細(xì)結(jié)構(gòu)的巖石圈模型，數(shù)值模擬了不同斷裂帶區(qū)域的震間應(yīng)力積累過(guò)程；系統(tǒng)地分析、比較了龍門山斷裂帶的2008年7.9級(jí)汶川地震發(fā)生機(jī)理，以及華北盆地的1976年7.8級(jí)唐山地震、1967年6.3級(jí)河間地震、1966年7.2級(jí)邢臺(tái)地震、1697年8.0級(jí)三河-平谷地震的發(fā)生機(jī)理；發(fā)現(xiàn)在地殼莫霍Moho面隆起處（地殼薄弱地帶）與地殼流變結(jié)構(gòu)的突變地帶，構(gòu)造應(yīng)力會(huì)集中積累，導(dǎo)致地震容易發(fā)生。

這些發(fā)現(xiàn)更新了板內(nèi)地震成因機(jī)理的相關(guān)認(rèn)知，為國(guó)際與國(guó)內(nèi)同行的相關(guān)地震學(xué)研究提供了重要的借鑒，在一定程度上促進(jìn)了地震成因機(jī)理領(lǐng)域的發(fā)展。這些研究成果匯總在他的博士畢業(yè)論文中，并陸續(xù)在Physics of the Earth and Planetary Interiors等國(guó)際重要SCI期刊上發(fā)表。2012年9月，當(dāng)柳暢站在答辯臺(tái)上結(jié)束了他的博士論文答辯時(shí)，答辯委員會(huì)主席滕吉文院士對(duì)他說(shuō)：“從你博士期間出色的研究工作來(lái)看，我覺(jué)得你將來(lái)完全有能力在地球動(dòng)力學(xué)研究的這條路上走得更遠(yuǎn)?！?/p>

看向更高處，往更遠(yuǎn)處去

2013年，柳暢在收獲博士學(xué)位證書的同時(shí)，還收到了一份來(lái)自加拿大卡爾加里大學(xué)“Eyes High”Fellowship學(xué)者計(jì)劃的工作邀請(qǐng)?！癊yes High”的字面釋義，是看向更高處。柳暢更喜歡在后邊加上一句“往更遠(yuǎn)處去”。他也確實(shí)是這樣做的，在經(jīng)歷國(guó)外與國(guó)內(nèi)幾所不同實(shí)驗(yàn)室的研究工作之后，最終，他找到了合適的工作機(jī)會(huì)與項(xiàng)目資助，可以在博士論文的研究基礎(chǔ)之上，繼續(xù)深入地開(kāi)展龍門山斷裂地震發(fā)生機(jī)理的研究工作。

得益于國(guó)家自然科學(xué)基金委與國(guó)家科技部的資助，柳暢順利完成了“龍門山斷裂帶西南段地震空區(qū)地震危險(xiǎn)性的三維數(shù)值模擬”等項(xiàng)目研究。在過(guò)去幾年中，他通過(guò)地球動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬研究，解決了“為何汶川地震發(fā)生在地表應(yīng)變率如此之低的龍門山斷裂帶”這一重要科學(xué)問(wèn)題；還對(duì)龍門山斷裂帶西南段的兩個(gè)地震空區(qū)的地震危險(xiǎn)性進(jìn)行了詳細(xì)分析，為當(dāng)?shù)氐姆勒饻p災(zāi)工作給出了理論指導(dǎo)。

在與石耀霖院士的合作過(guò)程中，他們提出了估算地震復(fù)發(fā)周期的一種新方法——從地震應(yīng)力積累與地震應(yīng)力降的角度，數(shù)值模擬了2008年7.9級(jí)汶川地震的應(yīng)力演化過(guò)程，估算龍門山斷裂帶7.9級(jí)地震的復(fù)發(fā)周期在4200年～6500年；與其他方法比較，該方法對(duì)大震復(fù)發(fā)周期有更好的約束。這一方法為將來(lái)的數(shù)值地震預(yù)報(bào)工作搭下很好的理論基礎(chǔ)框架。這些研究成果也已經(jīng)在國(guó)際重要SCI期刊Journal of Geophysical Research-Solid Earth和Journal of Geodynamics上發(fā)表，為地震預(yù)報(bào)工作帶來(lái)了新的思路。

這些豐富的原創(chuàng)性研究成果的獲得，是柳暢出色的科研能力的表現(xiàn)。對(duì)于他的下一步研究“基于精細(xì)斷層結(jié)構(gòu)的鮮水河-小江-龍門山斷裂帶系應(yīng)力演化與地震危險(xiǎn)性的三維數(shù)值模擬研究”，國(guó)家自然科學(xué)基金委又給予了為期4年的持續(xù)資助。

鼓勵(lì)求知是教育的關(guān)鍵詞

在柳暢看來(lái)，地球動(dòng)力學(xué)研究涉及甚廣，他在每一次研究中的困難克服都離不開(kāi)團(tuán)隊(duì)的支持。他對(duì)他的合作團(tuán)隊(duì)——中國(guó)科學(xué)院計(jì)算地球動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、悉尼大學(xué)的EarthByte Group表達(dá)了感謝，同時(shí)也希望國(guó)內(nèi)有更多的新鮮血液加入到地球動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域“大家庭”。

“相對(duì)于地球物理其他分支學(xué)科而言，我國(guó)從事地球動(dòng)力學(xué)研究的人員還是太少太少。”這份對(duì)人才的渴望，充分體現(xiàn)在柳暢對(duì)教育的用心程度上。每年，他都會(huì)給本科生和研究生上“板塊構(gòu)造學(xué)”與“地球動(dòng)力學(xué)”這兩門專業(yè)課。課后，柳暢會(huì)鼓勵(lì)學(xué)生積極與他聯(lián)系，一起討論科研問(wèn)題，以及將來(lái)讀研究生的問(wèn)題。

在他的認(rèn)知中，興趣是科研工作最好的指引者，如果說(shuō)大學(xué)教育有一個(gè)目標(biāo)的話，該目標(biāo)就是鼓勵(lì)學(xué)生懂得如何去提出問(wèn)題和探求其答案?！翱茖W(xué)研究的這條道路上，雖然困難重重，總會(huì)有意想不到。但是，興趣與探求未知的渴望是克服一切困難的源動(dòng)力?！睂?duì)于學(xué)生培養(yǎng)，他重視發(fā)現(xiàn)科學(xué)問(wèn)題的敏銳性和分析問(wèn)題的邏輯思維能力，同時(shí)也積極幫助他們提升寫作能力，讓每個(gè)學(xué)生都可以自由表達(dá)自己的學(xué)術(shù)思想、充分傳遞與分享科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，并能享受科學(xué)其中之美。

在進(jìn)一步的發(fā)展規(guī)劃中，柳暢的工作重點(diǎn)依舊是對(duì)地震發(fā)生機(jī)理的探索。尤其當(dāng)?shù)弥?019年12月5日，在河北唐山市豐南區(qū)發(fā)生了4.5級(jí)地震。他更加希望自己將來(lái)的工作，能為科學(xué)界更早地實(shí)現(xiàn)數(shù)值地震預(yù)報(bào)，人類免受地震災(zāi)難痛苦做出一點(diǎn)貢獻(xiàn)。