感知地球脈動

人類從幾千年前就開始研究如何預(yù)測地震，中國古代就有“觀星測震”“觀地測震”之說。自20世紀(jì)60年代起，中國、日本、美國、俄羅斯等國家就開始進行地震預(yù)報研究，但至今地震預(yù)報特別是短臨預(yù)報仍是世界級科學(xué)難題。

2023年2月6日，土耳其東南部7.8級強震，讓土敘兩國超過5萬人不幸遇難，150萬人無家可歸。土敘地震讓世界的目光再一次聚焦地震災(zāi)害和地震預(yù)測。千百年來，人類到底為何難以預(yù)測突如其來的地震？

“目前，人類對于地震發(fā)生機理的了解依然有限?！敝袊卣饘W(xué)會構(gòu)造物理專委會副主任、香港中文大學(xué)理學(xué)院地球與環(huán)境科學(xué)系副教授楊宏峰在接受新華社采訪時說，“大多數(shù)破壞性地震發(fā)生在地表之下10～20千米深度，直接探測非常困難，并且大多數(shù)破壞性地震的復(fù)發(fā)周期很長，使得觀測時間有限的現(xiàn)代地震學(xué)研究缺乏大量數(shù)據(jù)做參考，這些都為精準(zhǔn)地震預(yù)測帶來挑戰(zhàn)?！?/p>

有人曾這樣形容，科學(xué)研究是在崎嶇小道上攀登，而楊宏峰的科研歷程則更像是在人跡罕至的小徑上摸索前行——雖然艱難，他自己卻甘之如飴。在他看來，給地球把脈，就有機會為人類預(yù)警，他希望能為推動我國地震科學(xué)研究、震害評估及預(yù)防領(lǐng)域的發(fā)展貢獻一份力量。

一邊質(zhì)疑，一邊堅持

1978年，楊宏峰出生在遼寧海城。據(jù)說這里曾是一片汪洋大海，后因地質(zhì)結(jié)構(gòu)變遷漸成陸地，故取名為海城。不過，人們對于海城記憶最深刻的應(yīng)數(shù)“2.4海城大地震”——對這次地震的預(yù)報是目前世界公認(rèn)有科學(xué)意義的成功地震預(yù)報。

1975年2月4日，海城發(fā)生7.3級強震，極震區(qū)面積為760平方千米。這次地震發(fā)生在人口稠密、工業(yè)發(fā)達(dá)的地區(qū)，但因為我國地震部門對這次地震做出了預(yù)報，當(dāng)?shù)卣皶r采取了有力的防震措施，使地震災(zāi)害大大減輕，除房屋建筑遭到破壞外，大多數(shù)人都提前撤離，傷亡極大減少。

“父輩們每每提及這次地震，在傷感的同時又感慨這份幸運。因為地震的成功預(yù)報，拯救了很多人的生命，這也成為我后來從事地球科學(xué)的淵源之一?！?996年，楊宏峰以優(yōu)異的成績考入中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，攻讀地球物理專業(yè)。彼時的他求知若渴，在知識的海洋里肆意遨游。這段學(xué)習(xí)經(jīng)歷也為他以后的科研工作奠定了堅實的基礎(chǔ)。直到今天，他依然清晰記得本科階段最喜歡的學(xué)科是物理和數(shù)學(xué)，以及老師講授的傅里葉級數(shù)和傅里葉變換等精彩內(nèi)容?！耙凰鶅?yōu)秀的大學(xué)培養(yǎng)本科生，主要是打牢基礎(chǔ)、拓寬眼界。我們不可能在每一個領(lǐng)域都能成為專家，很多課程與我們之后科研方向的關(guān)聯(lián)可能也并不是很大，但還是要盡量去了解更多的知識?！?/p>

碩士畢業(yè)后，楊宏峰經(jīng)歷了短暫的通信公司工作歷練，最終確認(rèn)了自己的科研興趣，“相比朝九晚五、一成不變的生活，我還是更加熱愛科研”。2005年，他決定辭去工作，赴美深造?！爱?dāng)時美國開設(shè)地球科學(xué)學(xué)科的院校很多，研究氛圍極為濃厚，這使我能夠接觸到不同方向、不同行業(yè)間的交叉信息，這對學(xué)生拓寬眼界和深入理解科學(xué)問題非常重要。”楊宏峰說。

在美國圣路易斯大學(xué)攻讀博士期間，楊宏峰主要針對美國加州頻繁的地震，利用小孔徑密集地震臺陣開展相關(guān)探索研究。這也成為他學(xué)術(shù)生涯的開端，為之后的科研道路推開了第一扇門?！暗卣鸲际前l(fā)生在斷裂帶上的，我們要想搞清楚地震發(fā)生的機理，就必須研究斷裂帶本身?！钡驗楸藭r數(shù)據(jù)的空間覆蓋度有限，研究具有很大的挑戰(zhàn)性?！靶】讖脚_陣的長度可能只有幾百米，剛好跨越斷裂帶的寬度，但在當(dāng)時關(guān)注于此的人并不多。針對這樣的小尺度結(jié)構(gòu)，當(dāng)時的手段也很有限，所以若想研究斷裂帶結(jié)構(gòu)，必須找到一個新的方法。”楊宏峰說，這就是后來的高頻波形模擬技術(shù)誕生的原因。當(dāng)時要模擬高頻的波形非常困難，這就如同人們在演唱高音的時候很難控制音準(zhǔn)，一般人甚至根本唱不上去。高頻波形模擬同樣如此，一到高頻就會有很多復(fù)雜現(xiàn)象?！拔一苏?年時間進行攻關(guān)”，楊宏峰坦言這個過程非常煎熬，因為3年一直在做同一件事，并且遲遲沒有取得讓自己滿意的成果。“我也曾無數(shù)次地問自己，我該堅持下去嗎？”最終，他還是選擇了堅持下去。

人們常說，科學(xué)常是在千百次失敗后最后一次成功的。功夫不負(fù)有心人，一次地震給楊宏峰的研究帶來了轉(zhuǎn)機?！澳翘?，距離我讀書的城市大約300千米處發(fā)生了5.2級的地震，在凌晨4時37分，我從夢中驚醒，即刻趕去學(xué)校請教導(dǎo)師、整理數(shù)據(jù)、做研究、寫論文……”一系列的迅捷反應(yīng)不僅成就他發(fā)表了博士期間第一篇第一作者論文，而且他還從此次地震中發(fā)展出了利用目錄地震波形作為模版檢測小地震的新方法，這種方法目前已經(jīng)被學(xué)界廣泛使用。緊接著，他在高頻波形模擬方面也獲得了突破——在美國南加州圣哈辛托斷裂帶上的小孔徑密集臺陣記錄中，發(fā)現(xiàn)了斷裂帶的繞射波，并成功實現(xiàn)了高頻波形擬合。憑借博士期間的出色表現(xiàn)，他獲得美國研究院優(yōu)秀博士論文提名獎。

求學(xué)往事讓楊宏峰記憶猶新，他說：“如果說本科是在廣度上打基礎(chǔ)，那博士階段就是往深度上去攻堅。我們探索未知，就仿佛在一條黑暗綿長的隧道中前行，必須面對各種不確定性，唯有大膽質(zhì)疑、小心求證，才有可能找到出口。”在他看來，科研沒有捷徑，更不會像行外人看上去那樣一帆風(fēng)順。“我現(xiàn)在常常會用這段經(jīng)歷來激勵自己的學(xué)生，自我懷疑并不可怕，但一定要放平心態(tài)，堅持自己的研究方向，一步一個腳印，踏踏實實堅持下去，不能輕言放棄。突然有一天，你會發(fā)現(xiàn)，成果出來了。那種感覺就像是撥云見日一般，一切都會迎刃而解。”

格物致知，躬行實踐

2010年博士畢業(yè)后，楊宏峰選擇到伍茲霍爾海洋研究所開展博士后研究工作。在那里，他接觸到一個與以前研究方向大不相同的全新領(lǐng)域——地震破裂動力學(xué)。相較于以往利用地震記錄研究地下結(jié)構(gòu)或是地震過程，破裂動力學(xué)需要綜合考慮各種因素，例如數(shù)值模擬技術(shù)、實驗室?guī)r石實驗結(jié)果及野外觀測等，這需要楊宏峰去學(xué)習(xí)更多的新知識和熟悉更多的新領(lǐng)域。經(jīng)過一年多時間的不懈努力，仰望過無數(shù)次凌晨離開辦公室的星空，也克服了不少常人難以想象的困難后，他順利入門，成為這個領(lǐng)域的研究學(xué)者之一。

在伍茲霍爾海洋研究所這樣一個世界領(lǐng)先的研究機構(gòu)工作是楊宏峰職業(yè)生涯中難忘的經(jīng)歷。在那里，他有機會結(jié)識一批世界一流的海洋科學(xué)家，他們淵博的知識、對科學(xué)研究的認(rèn)真態(tài)度、執(zhí)著探索的科研精神都潛移默化地影響著楊宏峰，成為不斷激發(fā)他繼續(xù)前進的動力，也為他日后瞄準(zhǔn)前沿科學(xué)問題，開展俯沖帶相關(guān)研究打下了基礎(chǔ)。

2013年，在伍茲霍爾海洋研究所完成博士后研究工作之后，楊宏峰加盟佐治亞理工學(xué)院，作為研究人員工作了1年。2014年，在結(jié)束了美國的研究工作之后，他毅然決定回國，選擇的落腳點便是香港中文大學(xué)。

彼時，香港中文大學(xué)剛剛開設(shè)地球科學(xué)系統(tǒng)課程，在當(dāng)時的香港甚至還沒有人研究地震學(xué)?！跋胍觥谝粋€吃螃蟹’的人，就必須面對一些從未遇到過的困難”，沒有任何前車之鑒，當(dāng)時的楊宏峰要一邊自己籌備課程、組建團隊、申請基金，一邊針對課題攻堅克難?！耙徊讲阶呱险墸@一走就是3年，我和同事們不斷調(diào)整課程的內(nèi)容、難度與長度，最終形成了今天的教學(xué)體系。”其間，他還不斷嘗試與北京大學(xué)、浙江大學(xué)、中山大學(xué)等名校一起合作，開展野外教學(xué)合作，拓寬學(xué)生視野。

“香港是一個具有雙面性的城市，它不僅是我們印象中的金融中心，高樓林立，也有人文的一面。”楊宏峰說。的確，香港中文大學(xué)的校園面山靠海，承載了70多年的書院歷史，以“結(jié)合傳統(tǒng)與現(xiàn)代，融會中國與西方”為使命，守候著一方科學(xué)與人文凈土。在這樣的校園中，他傳道授業(yè)、獎掖后學(xué)，傳承著導(dǎo)師的教育精神。精誠所至，金石為開。通過兩年多的努力，教學(xué)工作逐漸步入正軌，楊宏峰也將更多精力傾注在實踐中。

“格物致知、躬行實踐是獲取真理的不二法門。”楊宏峰深知，現(xiàn)場研究和野外勘測對于地球科學(xué)來說非常重要。2016年年底，他帶領(lǐng)團隊，將目光投向了地球的最深處——位于馬里亞納海溝的“挑戰(zhàn)者深淵”。據(jù)悉，位于馬里亞納海溝的“挑戰(zhàn)者深淵”水深達(dá)10.9千米，極少有設(shè)備可以突破極端壓力進行近距離觀測。因此，揭開它的神秘面紗成為許多科學(xué)家的終極夢想?！榜R里亞納海溝是太平洋板塊向菲律賓海板塊下方俯沖而形成，呈鐮刀狀，具有許多特殊的構(gòu)造特點。這里有古老而陡峭的俯沖板片和分布甚廣的泥火山，但是沒有8級以上的大地震?！睘榻议_深海的奧秘，楊宏峰與國際團隊合作對馬里亞納南段俯沖帶進行了一系列包括物理海洋學(xué)、沉積物采樣、重磁測量、主動源和被動源海底地震儀在內(nèi)的多學(xué)科實驗。其中海底地震儀實驗采用了國產(chǎn)地震儀，在半年后成功回收，成為世界上首次成功在“挑戰(zhàn)者深淵”附近進行的海底地震數(shù)據(jù)采集實驗。

這項研究具有深遠(yuǎn)的科學(xué)意義，也帶來了豐碩的成果。合作機構(gòu)包括中國科學(xué)院南海海洋研究所、中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所及圣路易斯華盛頓大學(xué)，同時項目也先后獲得香港研究資助局“優(yōu)配研究基金”的兩期資助?！氨粍釉春５椎卣饍x可以測量海底震動并用來探測地下結(jié)構(gòu)?！毖芯繄F隊利用被動源海底地震數(shù)據(jù)提取地震和環(huán)境噪聲的信號，對馬里亞納南部的地下結(jié)構(gòu)進行了地震成像?！榜R里亞納南部沒有成熟的火山，但是通過已知的地震波速度結(jié)構(gòu)，我們發(fā)現(xiàn)俯沖板塊攜帶的水會被帶到地球的更深處，會影響地底深處的物質(zhì)成分和物質(zhì)循環(huán)?！睏詈攴逭f。

事實上，除了馬里亞納，楊宏峰還研究了莫克蘭、卡斯卡迪亞和中美洲俯沖帶。2018年，他參加了首次中國-巴基斯坦莫克蘭海溝的科學(xué)考察航次，開展大地震和海嘯的相關(guān)研究并獲得了重要的科研數(shù)據(jù)。

掌聲伴隨著汗水，成果伴隨著耕耘。時光流逝，團隊成員陸陸續(xù)續(xù)開始出成果，這令楊宏峰倍感欣慰，“這意味著大家對科學(xué)問題的認(rèn)識越來越深入”。同樣在2018年，他帶領(lǐng)團隊又在云南大理附近的程海斷裂帶上布設(shè)了一條平均臺站間距僅50米、總長約8千米的線性密集地震臺陣。“斷裂帶在地震發(fā)生過程中有很大影響，如放大地表震動、促進地震破裂的傳播等。研究斷裂帶結(jié)構(gòu)可以加深對大地震發(fā)生的整個過程、影響因素及長期發(fā)展演化的認(rèn)識，也有助于地震災(zāi)害的評估和防御。”

地震的本質(zhì)是斷層兩側(cè)的快速滑動，而一個斷層帶主要由斷層核和周邊低速帶構(gòu)成。楊宏峰介紹說，程海斷裂帶位于地震活躍的中國云南省西部，屬于青藏高原東南緣大理-麗江地區(qū)滇西北裂陷帶的東部邊界斷裂。其中包含了多組走向不同、活動性質(zhì)各異的次級斷層，屬于典型的復(fù)合型斷裂帶。楊宏峰團隊此次布設(shè)的超密集臺陣為研究程海斷裂精細(xì)結(jié)構(gòu)提供了非常難得的機遇。因為，研究斷裂帶的難點之一是如何有效約束斷層低速帶的深度。隨著全球密集地震臺陣的布設(shè)，發(fā)展出了越來越多的高精度成像新方法，用來研究低速斷裂帶結(jié)構(gòu)。“這項研究也是對我博士科研清單遺漏的一處彌補，我們得到的高質(zhì)量數(shù)據(jù)給團隊帶來了豐碩的成果?！?/p>

楊宏峰團隊首先采用噪聲成像獲取了斷裂帶下方的淺層速度結(jié)構(gòu)，又發(fā)展了一系列新方法，如改進的接收函數(shù)方法等。與傳統(tǒng)的單臺站方法比較，反演結(jié)果具有更好的穩(wěn)定性及連續(xù)性。此外，團隊還發(fā)展了基于密集臺陣的頻譜比法來約束斷層帶中心區(qū)域?qū)挾??！半S著全球密集地震臺陣的發(fā)展，密集臺陣的新算法研發(fā)將成為趨勢，此次提出的算法是一個非常有效的研究淺層低速帶結(jié)構(gòu)的工具，未來可用于研究斷裂帶及沉積盆地結(jié)構(gòu)?！睏詈攴逭f。

踏遍青山，求索大地

“隨著人類對地球科學(xué)研究的深入，現(xiàn)代地球科學(xué)家通過多種手段，已經(jīng)對可能發(fā)生大地震的地區(qū)進行了較好的了解?！痹缭?015年，楊宏峰就和合作者一起考察了我國新疆地區(qū)的多處高山低谷。

作為我國重要的能源基地，新疆也是多震省區(qū)之一。在實地考察新疆北部曾發(fā)生過8級富蘊大地震的卡拉先格爾地震斷裂帶的同時，楊宏峰開始關(guān)注天山北麓呼圖壁地下儲氣庫的地質(zhì)安全。

地下儲氣庫是目前各國最常用的天然氣儲存方式之一，將長輸管道輸送來的商品天然氣重新注入地下空間，“冬春采氣、夏秋注氣”，有效保障了各國能源需求。然而，以儲存量大、機動性強、安全系數(shù)高為特點的地下儲氣庫并非從未發(fā)生過安全問題。2015年10月，美國阿里索峽谷儲氣庫發(fā)生持續(xù)甲烷泄漏事故，直到近4個月后，這座擁有100多座儲氣井的儲氣庫才被永久封閉。此次泄漏總量估計達(dá)到10萬噸，2000多戶人家不得不背井離鄉(xiāng)，總損失更是超過10億美元，被稱為美國歷史上最大的環(huán)境災(zāi)難之一。

“我國是能源消費大國。伴隨著低碳時代的到來，人們對天然氣這種綠色能源的需求將大幅增加。然而，地表3千米之下的儲氣庫在注采過程中，很容易引發(fā)地震?！睏詈攴逭f，這類地震可能并不強烈，只有3～4級，但卻可能影響儲氣庫封存的完整性，給國家能源安全造成風(fēng)險?！氨Ｕ夏茉窗踩菄倚枨螅鳛榈厍蚩蒲泄ぷ髡叩奈覀儾荒苄涫峙杂^。”而據(jù)楊宏峰介紹，之所以他們將研究目標(biāo)鎖定在新疆呼圖壁儲氣庫，是因為此處設(shè)計總庫容為107億立方米，是我國首個百億立方米儲氣庫，也是西氣東輸二線的首座儲氣庫。這里除了要保障新疆北疆多個地區(qū)的冬季供暖用氣外，儲氣庫天然氣還會通過西氣東輸管道輸送到北京、上海等地，保障沿線地區(qū)居民生活和企業(yè)生產(chǎn)需要。

此外，伴隨著能源開發(fā)的深入，楊宏峰的研究也從2018年開始，逐漸轉(zhuǎn)向了頁巖氣開采研究領(lǐng)域。作為一種非常規(guī)天然氣，一種公認(rèn)的清潔高效的新能源，頁巖氣近年來得到了世界各國的廣泛關(guān)注與開發(fā)。楊宏峰希望，自己能更深入地研究地震發(fā)生機理，為我國新能源的開發(fā)提供更多科學(xué)的依據(jù)。

位于四川的威遠(yuǎn)-長寧頁巖氣田是國家頁巖氣發(fā)展綜合示范區(qū)，研究這一地區(qū)的地震特征對于頁巖氣的安全生產(chǎn)具有重要意義。于是，楊宏峰便以此為切入點，帶領(lǐng)團隊采用地震學(xué)、大地測量等數(shù)據(jù)，結(jié)合密集地震臺陣觀測，利用機器學(xué)習(xí)方法進行地震檢測、開展高精度地震定位、層析成像、斷層厘定、震源參數(shù)反演等研究。

針對地區(qū)發(fā)生的2019年榮縣地震序列，楊宏峰團隊利用高質(zhì)量的多方數(shù)據(jù)確認(rèn)了引發(fā)地震的斷層——兩個前震發(fā)生在位于志留紀(jì)頁巖層內(nèi)的一條拆離斷層上。而主震則發(fā)生在向西傾的墨林場斷層上，深度只有1.5千米，十分罕見。“利用水力壓裂技術(shù)注入高壓水讓頁巖產(chǎn)生裂縫以提高頁巖氣產(chǎn)量的方法，可能會引發(fā)地震，這在加拿大、美國、英國都發(fā)生過。但在如此淺的深度發(fā)生4級以上地震，非常稀少?！睏詈攴鍒F隊的這項成果不僅有助于深入了解地震的物理機制，也對頁巖氣田所面臨的地震風(fēng)險有重要的啟示意義。

“創(chuàng)新不是炒冷飯。別人做過的科研工作，跟風(fēng)去做絕不是創(chuàng)新?！睏詈攴逭J(rèn)為，創(chuàng)新必須是全新的方法、技術(shù)或科研視角。他認(rèn)為，做科研一定要有與時俱進的精神、革故鼎新的勇氣和堅韌不拔的定力，這是科研工作者必須具備的素質(zhì)。

作為一名年輕的教授，雖然教齡不長，但楊宏峰很了解如今學(xué)生內(nèi)心的需求，希望成為一名優(yōu)秀的“領(lǐng)路人”。在學(xué)生眼中，他亦師亦友，他會用自己的經(jīng)歷告訴學(xué)生“要在紛繁復(fù)雜中找到科研方向，要在興趣驅(qū)動下堅持做科研，不僅要享受科研的幸福感，也要有自己的業(yè)余愛好”。他是這么說的，也是這么做的。在新冠疫情期間，楊宏峰花了大量時間寫公眾號，向公眾科普地震知識。日常，他會通過跑步、爬山調(diào)劑自己的工作。

盡管地震預(yù)報仍然是世界性科學(xué)難題之一，但相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家從沒有放棄過持續(xù)攻關(guān)?！澳壳埃覀兛梢詫崿F(xiàn)的是通過結(jié)合一些已知的地震規(guī)律，預(yù)估某一斷裂帶發(fā)生地震的可能性和震級大小，也可以計算出某一區(qū)域遭受強震的可能性和時間尺度等。然而，這些仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以實現(xiàn)對地震三要素（時間、地點、震級）的精準(zhǔn)預(yù)測，這是地球科學(xué)領(lǐng)域被譽為‘圣杯’的目標(biāo)。為了達(dá)成這個目標(biāo)，科研人員需要更深入地剖析地震物理過程?！睂詈攴鍋碚f，這也是他畢生追求的目標(biāo)和科研初心。

專家簡介

楊宏峰，香港中文大學(xué)理學(xué)院地球與環(huán)境科學(xué)系副教授，國家高層次人才計劃入選者，中國地球物理學(xué)會海洋地球物理專業(yè)委員會委員、大陸動力學(xué)專業(yè)委員會委員、中國地震學(xué)會地震學(xué)專業(yè)委員會委員、地震預(yù)報專業(yè)委員會委員、構(gòu)造物理專業(yè)委員會副主任，同時擔(dān)任《地震研究通訊》（Seismological Research Letters）、《地震學(xué)報》（Earthquake Science）、《地震研究進展》（Earthquake Research Advances）副主編及多家雜志編委。

他長期從事地震震源物理、俯沖帶動力學(xué)，斷裂帶結(jié)構(gòu)演化、誘發(fā)地震等相關(guān)研究。曾獲2018年度中國地球物理學(xué)會傅承義青年科技獎，2021年度中國海洋技術(shù)獎特等獎，2023年賽斯默微密集臺陣開拓探索獎，以及2016年度《地球物理研究通訊》（Geophys. Res. Lett.）優(yōu)秀審稿人、2020—2022年度《地球與行星物理》（Earth and Planetary Physics）優(yōu)秀編委、2021年度《地震學(xué)報》（Earthquake Science）突出貢獻副主編、2022年度《地震研究進展》（Earthquake Research Advances）優(yōu)秀編委等榮譽稱號，到目前為止在高影響因子國際期刊上發(fā)表論文90余篇。