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楊英杰 | 探尋地球內部的奧秘

點擊：  作者：祝傳海    來源：科學中國人微信號  發布時間:2023-06-30 21:10:43

 

▲楊英杰

 

地球內部有著如同洋蔥一般的分層結構：以鐵鎳核心為中心，周圍有一層厚厚的地幔，再往上是一層薄薄的人類賴以生存的地殼。雖然地幔是由堅硬的巖石組成，但它的溫度非常高，可以緩慢流動，驅動地表的構造板塊構造運動，促使火山的噴發和地震的發生。科學家們利用地震波來“窺探”地球表面下的內部結構，揭示出內部深層的地形雷達圖像。近年來，用于研究地球內部結構的地震層析成像技術取得了豐碩的成果，其中利用背景噪聲進行面波層析成像的研究也受到了廣泛關注。來自南方科技大學理學院地球與空間科學系的教授楊英杰，近20年來一直深耕于地震波和背景噪聲層析成像研究領域，他希望將自己學到的知識轉化為實際的科研成果，并將其應用到實際中，為國家未來的防震減災和資源勘探貢獻自己的一份力量。

 

遠渡重洋，上下求索

 

1995年，18歲的楊英杰考入中國科學技術大學，進入地球物理系學習。他從小酷愛數學和物理，高考時物理甚至考了滿分。在他的眼里，將物理與地球結合起來的地球物理專業一定是一個十分有趣、值得鉆研的專業。盡管在當時，地球物理還只是一個比較小眾的專業，但楊英杰像海綿一樣汲取著專業的知識，不斷地充實自己，努力向科學的世界靠近。

 

大學畢業后，中國科學技術大學有不少學生會選擇出國深造，楊英杰也是其中一員。“20多年前，我去海外留學主要是因為可以接觸到最前沿的科學知識，可以從國外頂尖科學家身上學習，使自己成長為一名合格的科研工作者。”楊英杰如是說道。他非常幸運地申請到了去美國布朗大學留學的機會。美國布朗大學設施完備、設備先進、技術領先、治學嚴謹、學風純正，是一所享譽世界的著名私立研究型大學，也是聞名世界的8所常春藤聯盟高校之一。

 

剛到美國，楊英杰卻感到有些失落。學習環境的巨大變化令他有些不適應，再加上他的英語交流能力較弱，這使他在剛到美國時，在學習上遇到了很大的挑戰。“我非常感激那時遇到的一群中國留學生，他們不辭辛勞大晚上來到機場接我，非常熱情和貼心地給我安排好了住的地方，在生活上也時常給予幫助。中國留學生都很團結，大家一起互幫互助，度過了最初的艱難時光。”楊英杰回想起過去留學的歲月，真摯地說道。

 

在溫暖真摯的同胞情之外，楊英杰還遇到了對他影響最大的博士生導師唐納德·福賽思（Donald Forsyth）教授，他是楊英杰在學術上最崇拜的科學家。“我的導師是美國科學院院士，年輕的時候在學術上就已經非常有名氣了。他不屬于那種非常熱情開放的美國人，而是一個低調內斂的人，對待研究非常認真。他一般不直接主動指點學生應該如何做科研或是教學，而是在日常的交流相處中，潛移默化地引導學生。”楊英杰表示，他從博士生導師那里感受到了一位科學家特有的品質。

 

楊英杰坦言，起初他因為英語不熟練，上課聽不太懂，研究工作做得也一般，但導師卻非常有耐心，時常給予他鼓勵。“每次課題組一起做項目時，導師總是說他和我們學生一樣需要認真學習和思考我們做的科研項目，我們一樣都需要不斷探索、不斷實驗。這些話讓我感受到，我和導師的差距其實也不是那么大，只要努力我也可以有機會成為一名像老師一樣的科研工作者。”至此，楊英杰對從事科研工作的信心提振了不少。

 

5年的時間一晃而過，楊英杰順利拿到了布朗大學地球物理學的博士學位。在這之后，他前往美國科羅拉多大學博爾德分校進行了為期3年的博士后研究工作。博士后工作結束后，楊英杰繼續留在學校，成為一名副研究員。其間，他陸續發表了多篇論文，距離成為一名獨當一面的科研工作者越來越近。

 

2008年，美國發生金融危機，對科學界影響巨大，也影響了原本打算留在美國繼續從事科研工作的楊英杰。“當時我正在找大學里的教職工作，突然有一個去澳大利亞的機會，專業恰好與我的一致，于是我就抓住了這個機會。”就這樣，楊英杰離開待了整整10年的美國，踏上了去往澳大利亞的新旅程。

 

地震波與背景噪聲

 

或許，楊英杰也沒有想到，他在澳大利亞一待又是10年。在這10年里，他一直在澳大利亞麥考瑞大學工作，獲得了副教授的終身教職，成為優秀的科研工作者。楊英杰的研究方向延續了他在美國時的工作——地震層析成像與巖石圈演化動力學研究，主要研究方向包括背景噪聲面波層析成像、遠震面波層析成像，以及多種地震數據的聯合反演。

 

 

▲2015年楊英杰獲得澳大利亞科學院安東·海爾斯獎章

 

“我的研究方向與醫學上的CT類似，當人體器官有不適時，我們就需要做CT檢查來查明原因。我研究的是地震波，它可以穿透地球，是探測地球內部結構的重要手段之一。也就是說，我用地震波來給地球內部拍照，看看地球的內部是什么樣的。”楊英杰用簡單的比喻，講解了具體的研究內容。

 

傳統的成像方法通常是以天然地震或人工地震激發的地震波為基礎，對研究區域進行地震成像，但是由于天然地震多數發生在板塊邊緣或斷裂帶附近，受地質條件和地理環境的影響，會影響地震成像的分辨率，限制對地球內部結構的研究。

 

隨著地震波研究的推進，科學家發現對長時間的地震背景噪聲進行互相關計算可以得到一個正負軸近似對稱的波形。對其進行處理后，可以近似得到臺站對之間的格林函數（包含了兩個臺站之間地震波在介質中傳播的信息），通過提取頻散曲線，可以得到不同周期的群（相）速度值。基于面波層析成像，可以得到研究區域的速度結構圖，為深部構造研究提供了新方法。背景噪聲是指在沒有地震發生的情況下地震儀器上所記錄的隨機波動信號，是一種連續穩定的自然源，其中包含了豐富的地下介質信息，所以背景噪聲成像可以克服地震成像的限制。之后，有科學家通過對聲學實驗中的熱噪聲證明了格林函數可以從擴散場的相關性質中測量，能夠清晰地反映兩點間的內部結構。2003年，地震學家首次將這一猜想運用到地震學上，他們通過研究，選擇了地震尾波進行互相關計算。對比發現，計算結果與理論模型合成的格林函數相一致，提取的波形具有瑞雷波（Rayleigh wave）和拉夫波（Love wave）所期望的偏振特性和群速度特征。這項實驗也同時表明，這種新型的方法可以幫助生成地球內部結構的圖像，至此開啟了地震背景噪聲在地震波研究的先河。

 

經過接近20年的發展，背景噪聲層析成像為地球內部構造研究提供了全新方法，成為地震學最熱門的研究方向之一。“我很幸運，能夠成為最早研究背景噪聲的人之一，并且取得了不錯的成果，產生了一定的影響。”楊英杰自信地說。 

 

闊別多年，回到故土

 

2021年11月，楊英杰回到了闊別21年的祖國，入職南方科技大學，成為地球與空間科學系的一名教授和博士生導師。盡管在國外留學工作的時間很長，但楊英杰多年來一直與國內高校的專家學者保持著穩定密切的聯系。

 

“南方科技大學在2017年正式成立地球與空間科學系，那時我便開始關注著南方科技大學和地球與空間科學系的發展。”雖然因為新冠疫情的緣故，楊英杰的回國之路有很多曲折——先是在廣州隔離兩周，后又在深圳隔離一周，但對他來說，一切都是值得的。

 

回望過去20年的研究工作，楊英杰在地震層析成像方法技術及解決與巖石圈結構相關的重大科學問題等方面取得了豐碩成果：研發了一套利用地震背景噪聲數據獲得穩健的面波經驗格林函數的標準處理流程，將背景噪聲層析成像技術應用到歐洲大陸，并證明背景噪聲層析成像可以約束大尺度的大陸板塊；提出了利用遠距離臺站對提取長周期面波的方法技術并驗證了用于區域面波層析成像的可行性和準確性，極大地提高了區域噪聲層析成像的探測深度和上地幔面波層析成像的分辨率；發展了時頻域相位加權疊加技術和信噪比選擇疊加技術，提高了從背景噪聲中提取面波信號的信噪比，將背景噪聲的成像能力從地殼擴展到上地幔。

 

以上對背景噪聲層析成像技術的創新和應用的重要貢獻，使楊英杰于2015年被授予澳大利亞科學院安東·海爾斯（Anton Hales）獎章，成為自2009年這獎章設立以來第一位獲此殊榮的中國人。

 

此外，楊英杰開發了聯合多種地震波數據反演地殼和上地幔結構的新方法，拓展了地震波對地球內部結構的成像能力，為研究巖石圈演化提供了新的技術支持。他發展的雙平面波地震層析成像方法（the two-plane-wave method）在地殼和上地幔結構探測中比傳統方法有更大的優勢，已被世界各國眾多研究者廣泛采用。

 

不僅如此，楊英杰率先開展了背景噪聲數據聯合天然地震數據約束地球巖石圈結構的研究工作，將這種聯合層析成像技術成功應用于北美大陸巖石圈成像，此研究成果發表的論文被他引十余次，并入選過去100年在美國地球物理學會期刊上發表的突破性優秀研究成果。

 

2016年，楊英杰主持了國家自然科學基金面上項目“利用寬頻帶背景噪聲研究大陸三維殼幔結構：以青藏高原為例”。他利用最新的地震層析成像方法，建立了跨越整個青藏高原的地殼三維橫波速度模型，發現青藏高原中地殼存在大尺度低速層。模型支持地殼中廣泛分布著塑性變形帶，為判定青藏高原增長造山動力學模式提供了重要的地球物理證據。

 

之后，楊英杰利用背景噪聲層析成像方法刻畫了秦嶺造山帶、揚子克拉通和青藏高原交界處的三維地殼精細橫波速度結構，揭示了位于大巴山造山帶西側和東側地殼尺度的高速堅硬塊體，為大巴山前陸弧形構造成因提供了關鍵的深部證據。他還構建了準噶爾地區新的地殼和上地幔三維精細橫波速度結構，研究發現準噶爾盆地下方存在西北傾向的高速異常，其形態類似一個俯沖板片，表明在準噶爾巖石圈內部保存著一個古海洋巖石圈塊體。此研究結果表明海洋巖石圈可能被困在大陸板塊的中間并成為大陸板塊的一部分，為大陸巖石圈增生提出了一種新的模式。

 

雖然取得如此多的碩果，但楊英杰并沒有滿足于此，他將依托南方科技大學地球與空間科學系，繼續主攻地球巖石圈精細結構與演化動力學過程研究，致力于為國家建設地球內部物理和動力學學科作出重要貢獻。 

 

師者之道，教書育人

 

不知不覺中，楊英杰已經把近一半的人生獻給了科學研究事業。進行要求極高的科研工作是一個創新的過程，而創新總會有失敗的時候，很多時候苦苦追求也可能沒有收獲。“我有時也會沮喪，可能會有一段時間情緒極度低落，總覺得有問題沒有解決，有成果沒有做出來。但是，只要對某件事情抱有堅定的信念，就不害怕失敗，因為對科研的熱愛會戰勝一切艱難險阻。”楊英杰說，做科研最重要的品質就是對它無限的熱愛。

 

在過去的11年間，楊英杰培養了7位優秀博士研究生和3位博士后，目前他們都在一流的大學或研究所深造或任教。“我覺得自己在培養博士研究生方面已經積累了一定經驗，希望以后能培養更多優秀的研究生和博士生，不僅為國家建設助力，也為科研傳承作出更多的貢獻。”

 

 

▲2023年楊英杰在南方科技大學給學生授課

 

楊英杰認為，要培養一名優秀的研究生，調動學生的內在動力是最重要的。作為導師，要激發學生的主觀能動性，讓他們有足夠的動力推動自己前進，走向成功。楊英杰喜歡鼓勵學生，讓他們不忘初心，牢記當初做科研的初衷。“所以我比較看重的就是學生對科研的興趣和抗壓能力，因為做科研需要有樂觀的心態去接受挫折和失敗，不能鉆牛角尖，才能邁過難關。此外，我還會關注學生的大學成績，特別是數學和物理的成績，這可以幫助我了解學生基礎知識的水平。”楊英杰說起如何教育學生，頗有心得。

 

除此之外，楊英杰喜歡細心觀察學生的特點，并根據學生的不同特點，采取因材施教的方式。他說：“學生應該根據自己的技能特長進行科研，因為科研可以多種多樣，有理論研究、程序開發和實踐應用等。所以我會根據學生不同的特質，去跟學生溝通，讓他們選擇自己擅長的方向，培養他們的主觀能動性。”

 

帶領學生解決更多科學上的問題，提供更多對地球物理有用的技術，為國內地球物理領域培養更多更優秀的學生，建設世界領先的地球物理學科，這是楊英杰作為老師的終生目標。

 

科技報國，不負期待

 

楊英杰回國的時間并不長，才一年多，但他對于今后的研究目標卻已經有了想法，“我會根據國家的發展戰略，制訂今后的工作計劃”。

 

眾所周知，中國是一個地震災害多發的國家，地震活動頻度高、強度大、分布廣。據中國地震局統計，自1949年以來，100多次破壞性地震襲擊了我國22個省區市。一般而言，地震烈度以近似同心圓的方式從地震中心向外遞減，然而當地震波傳到盆地時，由于盆地內部是松軟的沉積層，因此會造成盆地內地表振動時間拉長、強度放大等現象，產生地震盆地效應。

 

特別是從寧夏，經甘肅東部、四川西部，直至云南的中國南北地震帶，是一條縱貫中國大陸、大致南北方向的地震密集帶。南北地震帶內盆地分布廣泛、大城市匯聚、人口高度集中，這一地震帶范圍內地震頻發，集中了我國有地震記錄以來一半8級以上大地震，造成了巨大人員傷亡與財產損失。

 

“比如國家要規劃新城市，運用背景噪聲層析成像技術把地下沉積層的結構圖做出來，再通過計算機進行地震破壞力的模擬評估，避免在松軟的沉積層上建設，選擇地震影響相對較小的地方建設。”楊英杰說，為了更好地評估和減輕相關地區地震的危險性，高分辨率的巖石圈結構尤其是精細的淺部結構模型是準確表征地震地面運動的基礎，有助于評估和減輕未來地震帶來的危害，為防震減災提供重要參考。

 

另外，楊英杰還考慮到我國政府提出“二氧化碳排放力爭于2030年前達到‘碳達峰’，努力爭取2060年前實現‘碳中和’”的目標。為了在“碳達峰”“碳中和”的愿景下實現國民經濟持續增長，政府目前已在綠色可持續新能源科技與工程領域統籌布局，發展綠色可持續新能源對銅、鈷、稀土、鎘、鉬等關鍵礦物的需求將持續增長，因此關鍵礦物探測與開發至關重要。地球巖石圈的形成與演化控制著巖漿和含礦流體的運動與富集，關鍵礦物勘探依賴于對巖石圈結構與動力學過程的認識。

 

近年來迅速發展的地震背景噪聲層析成像方法，已經被廣泛運用到淺層結構的研究工作中。相比傳統的地球物理探測方法，基于密集臺陣的噪聲成像方法具有探測范圍廣、分辨率高、探測精度高的特點，是一種經濟、環保的方法，這一方法有望揭示礦區地下的精細結構和礦體分布。“我研究的地震背景噪聲層析成像技術能為精細刻畫巖石圈三維結構提供助力，有了巖石圈的三維結構圖，將為地球深部礦產勘探提供重要的線索。”楊英杰說道。

 

為了更好地完成以上兩方面的目標，楊英杰將組建以地震面波及背景噪聲為基礎的多尺度地震成像研究團隊，以基于地球物理學的探測方法技術研究，特別是多尺度的成像技術研究為核心，輔以數據處理和數值模擬技術，探究地球內部不同尺度的結構、構造、狀態及組成，服務于地質礦產資源的深部探測，為防震減災提供地球物理基礎。

 

“為應對當前人類社會發展中所面臨的來自于自然環境、資源與災害方面的嚴峻挑戰提供科學技術支持，是我作為科研工作者應該做的事情，也是我的初心和使命。”楊英杰的話語擲地有聲。

 

來源：科學中國人微信號