杨英杰 | 探寻地球内部的奥秘

点击：  作者：祝传海    来源：科学中国人微信号  发布时间:2023-06-30 21:10:43

 

▲杨英杰

 

地球内部有着如同洋葱一般的分层结构：以铁镍核心为中心，周围有一层厚厚的地幔，再往上是一层薄薄的人类赖以生存的地壳。虽然地幔是由坚硬的岩石组成，但它的温度非常高，可以缓慢流动，驱动地表的构造板块构造运动，促使火山的喷发和地震的发生。科学家们利用地震波来“窥探”地球表面下的内部结构，揭示出内部深层的地形雷达图像。近年来，用于研究地球内部结构的地震层析成像技术取得了丰硕的成果，其中利用背景噪声进行面波层析成像的研究也受到了广泛关注。来自南方科技大学理学院地球与空间科学系的教授杨英杰，近20年来一直深耕于地震波和背景噪声层析成像研究领域，他希望将自己学到的知识转化为实际的科研成果，并将其应用到实际中，为国家未来的防震减灾和资源勘探贡献自己的一份力量。

 

远渡重洋，上下求索

 

1995年，18岁的杨英杰考入中国科学技术大学，进入地球物理系学习。他从小酷爱数学和物理，高考时物理甚至考了满分。在他的眼里，将物理与地球结合起来的地球物理专业一定是一个十分有趣、值得钻研的专业。尽管在当时，地球物理还只是一个比较小众的专业，但杨英杰像海绵一样汲取着专业的知识，不断地充实自己，努力向科学的世界靠近。

 

大学毕业后，中国科学技术大学有不少学生会选择出国深造，杨英杰也是其中一员。“20多年前，我去海外留学主要是因为可以接触到最前沿的科学知识，可以从国外顶尖科学家身上学习，使自己成长为一名合格的科研工作者。”杨英杰如是说道。他非常幸运地申请到了去美国布朗大学留学的机会。美国布朗大学设施完备、设备先进、技术领先、治学严谨、学风纯正，是一所享誉世界的著名私立研究型大学，也是闻名世界的8所常春藤联盟高校之一。

 

刚到美国，杨英杰却感到有些失落。学习环境的巨大变化令他有些不适应，再加上他的英语交流能力较弱，这使他在刚到美国时，在学习上遇到了很大的挑战。“我非常感激那时遇到的一群中国留学生，他们不辞辛劳大晚上来到机场接我，非常热情和贴心地给我安排好了住的地方，在生活上也时常给予帮助。中国留学生都很团结，大家一起互帮互助，度过了最初的艰难时光。”杨英杰回想起过去留学的岁月，真挚地说道。

 

在温暖真挚的同胞情之外，杨英杰还遇到了对他影响最大的博士生导师唐纳德·福赛思（Donald Forsyth）教授，他是杨英杰在学术上最崇拜的科学家。“我的导师是美国科学院院士，年轻的时候在学术上就已经非常有名气了。他不属于那种非常热情开放的美国人，而是一个低调内敛的人，对待研究非常认真。他一般不直接主动指点学生应该如何做科研或是教学，而是在日常的交流相处中，潜移默化地引导学生。”杨英杰表示，他从博士生导师那里感受到了一位科学家特有的品质。

 

杨英杰坦言，起初他因为英语不熟练，上课听不太懂，研究工作做得也一般，但导师却非常有耐心，时常给予他鼓励。“每次课题组一起做项目时，导师总是说他和我们学生一样需要认真学习和思考我们做的科研项目，我们一样都需要不断探索、不断实验。这些话让我感受到，我和导师的差距其实也不是那么大，只要努力我也可以有机会成为一名像老师一样的科研工作者。”至此，杨英杰对从事科研工作的信心提振了不少。

 

5年的时间一晃而过，杨英杰顺利拿到了布朗大学地球物理学的博士学位。在这之后，他前往美国科罗拉多大学博尔德分校进行了为期3年的博士后研究工作。博士后工作结束后，杨英杰继续留在学校，成为一名副研究员。其间，他陆续发表了多篇论文，距离成为一名独当一面的科研工作者越来越近。

 

2008年，美国发生金融危机，对科学界影响巨大，也影响了原本打算留在美国继续从事科研工作的杨英杰。“当时我正在找大学里的教职工作，突然有一个去澳大利亚的机会，专业恰好与我的一致，于是我就抓住了这个机会。”就这样，杨英杰离开待了整整10年的美国，踏上了去往澳大利亚的新旅程。

 

地震波与背景噪声

 

或许，杨英杰也没有想到，他在澳大利亚一待又是10年。在这10年里，他一直在澳大利亚麦考瑞大学工作，获得了副教授的终身教职，成为优秀的科研工作者。杨英杰的研究方向延续了他在美国时的工作——地震层析成像与岩石圈演化动力学研究，主要研究方向包括背景噪声面波层析成像、远震面波层析成像，以及多种地震数据的联合反演。

 

 

▲2015年杨英杰获得澳大利亚科学院安东·海尔斯奖章

 

“我的研究方向与医学上的CT类似，当人体器官有不适时，我们就需要做CT检查来查明原因。我研究的是地震波，它可以穿透地球，是探测地球内部结构的重要手段之一。也就是说，我用地震波来给地球内部拍照，看看地球的内部是什么样的。”杨英杰用简单的比喻，讲解了具体的研究内容。

 

传统的成像方法通常是以天然地震或人工地震激发的地震波为基础，对研究区域进行地震成像，但是由于天然地震多数发生在板块边缘或断裂带附近，受地质条件和地理环境的影响，会影响地震成像的分辨率，限制对地球内部结构的研究。

 

随着地震波研究的推进，科学家发现对长时间的地震背景噪声进行互相关计算可以得到一个正负轴近似对称的波形。对其进行处理后，可以近似得到台站对之间的格林函数（包含了两个台站之间地震波在介质中传播的信息），通过提取频散曲线，可以得到不同周期的群（相）速度值。基于面波层析成像，可以得到研究区域的速度结构图，为深部构造研究提供了新方法。背景噪声是指在没有地震发生的情况下地震仪器上所记录的随机波动信号，是一种连续稳定的自然源，其中包含了丰富的地下介质信息，所以背景噪声成像可以克服地震成像的限制。之后，有科学家通过对声学实验中的热噪声证明了格林函数可以从扩散场的相关性质中测量，能够清晰地反映两点间的内部结构。2003年，地震学家首次将这一猜想运用到地震学上，他们通过研究，选择了地震尾波进行互相关计算。对比发现，计算结果与理论模型合成的格林函数相一致，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。这项实验也同时表明，这种新型的方法可以帮助生成地球内部结构的图像，至此开启了地震背景噪声在地震波研究的先河。

 

经过接近20年的发展，背景噪声层析成像为地球内部构造研究提供了全新方法，成为地震学最热门的研究方向之一。“我很幸运，能够成为最早研究背景噪声的人之一，并且取得了不错的成果，产生了一定的影响。”杨英杰自信地说。 

 

阔别多年，回到故土

 

2021年11月，杨英杰回到了阔别21年的祖国，入职南方科技大学，成为地球与空间科学系的一名教授和博士生导师。尽管在国外留学工作的时间很长，但杨英杰多年来一直与国内高校的专家学者保持着稳定密切的联系。

 

“南方科技大学在2017年正式成立地球与空间科学系，那时我便开始关注着南方科技大学和地球与空间科学系的发展。”虽然因为新冠疫情的缘故，杨英杰的回国之路有很多曲折——先是在广州隔离两周，后又在深圳隔离一周，但对他来说，一切都是值得的。

 

回望过去20年的研究工作，杨英杰在地震层析成像方法技术及解决与岩石圈结构相关的重大科学问题等方面取得了丰硕成果：研发了一套利用地震背景噪声数据获得稳健的面波经验格林函数的标准处理流程，将背景噪声层析成像技术应用到欧洲大陆，并证明背景噪声层析成像可以约束大尺度的大陆板块；提出了利用远距离台站对提取长周期面波的方法技术并验证了用于区域面波层析成像的可行性和准确性，极大地提高了区域噪声层析成像的探测深度和上地幔面波层析成像的分辨率；发展了时频域相位加权叠加技术和信噪比选择叠加技术，提高了从背景噪声中提取面波信号的信噪比，将背景噪声的成像能力从地壳扩展到上地幔。

 

以上对背景噪声层析成像技术的创新和应用的重要贡献，使杨英杰于2015年被授予澳大利亚科学院安东·海尔斯（Anton Hales）奖章，成为自2009年这奖章设立以来第一位获此殊荣的中国人。

 

此外，杨英杰开发了联合多种地震波数据反演地壳和上地幔结构的新方法，拓展了地震波对地球内部结构的成像能力，为研究岩石圈演化提供了新的技术支持。他发展的双平面波地震层析成像方法（the two-plane-wave method）在地壳和上地幔结构探测中比传统方法有更大的优势，已被世界各国众多研究者广泛采用。

 

不仅如此，杨英杰率先开展了背景噪声数据联合天然地震数据约束地球岩石圈结构的研究工作，将这种联合层析成像技术成功应用于北美大陆岩石圈成像，此研究成果发表的论文被他引十余次，并入选过去100年在美国地球物理学会期刊上发表的突破性优秀研究成果。

 

2016年，杨英杰主持了国家自然科学基金面上项目“利用宽频带背景噪声研究大陆三维壳幔结构：以青藏高原为例”。他利用最新的地震层析成像方法，建立了跨越整个青藏高原的地壳三维横波速度模型，发现青藏高原中地壳存在大尺度低速层。模型支持地壳中广泛分布着塑性变形带，为判定青藏高原增长造山动力学模式提供了重要的地球物理证据。

 

之后，杨英杰利用背景噪声层析成像方法刻画了秦岭造山带、扬子克拉通和青藏高原交界处的三维地壳精细横波速度结构，揭示了位于大巴山造山带西侧和东侧地壳尺度的高速坚硬块体，为大巴山前陆弧形构造成因提供了关键的深部证据。他还构建了准噶尔地区新的地壳和上地幔三维精细横波速度结构，研究发现准噶尔盆地下方存在西北倾向的高速异常，其形态类似一个俯冲板片，表明在准噶尔岩石圈内部保存着一个古海洋岩石圈块体。此研究结果表明海洋岩石圈可能被困在大陆板块的中间并成为大陆板块的一部分，为大陆岩石圈增生提出了一种新的模式。

 

虽然取得如此多的硕果，但杨英杰并没有满足于此，他将依托南方科技大学地球与空间科学系，继续主攻地球岩石圈精细结构与演化动力学过程研究，致力于为国家建设地球内部物理和动力学学科作出重要贡献。 

 

师者之道，教书育人

 

不知不觉中，杨英杰已经把近一半的人生献给了科学研究事业。进行要求极高的科研工作是一个创新的过程，而创新总会有失败的时候，很多时候苦苦追求也可能没有收获。“我有时也会沮丧，可能会有一段时间情绪极度低落，总觉得有问题没有解决，有成果没有做出来。但是，只要对某件事情抱有坚定的信念，就不害怕失败，因为对科研的热爱会战胜一切艰难险阻。”杨英杰说，做科研最重要的品质就是对它无限的热爱。

 

在过去的11年间，杨英杰培养了7位优秀博士研究生和3位博士后，目前他们都在一流的大学或研究所深造或任教。“我觉得自己在培养博士研究生方面已经积累了一定经验，希望以后能培养更多优秀的研究生和博士生，不仅为国家建设助力，也为科研传承作出更多的贡献。”

 

 

▲2023年杨英杰在南方科技大学给学生授课

 

杨英杰认为，要培养一名优秀的研究生，调动学生的内在动力是最重要的。作为导师，要激发学生的主观能动性，让他们有足够的动力推动自己前进，走向成功。杨英杰喜欢鼓励学生，让他们不忘初心，牢记当初做科研的初衷。“所以我比较看重的就是学生对科研的兴趣和抗压能力，因为做科研需要有乐观的心态去接受挫折和失败，不能钻牛角尖，才能迈过难关。此外，我还会关注学生的大学成绩，特别是数学和物理的成绩，这可以帮助我了解学生基础知识的水平。”杨英杰说起如何教育学生，颇有心得。

 

除此之外，杨英杰喜欢细心观察学生的特点，并根据学生的不同特点，采取因材施教的方式。他说：“学生应该根据自己的技能特长进行科研，因为科研可以多种多样，有理论研究、程序开发和实践应用等。所以我会根据学生不同的特质，去跟学生沟通，让他们选择自己擅长的方向，培养他们的主观能动性。”

 

带领学生解决更多科学上的问题，提供更多对地球物理有用的技术，为国内地球物理领域培养更多更优秀的学生，建设世界领先的地球物理学科，这是杨英杰作为老师的终生目标。

 

科技报国，不负期待

 

杨英杰回国的时间并不长，才一年多，但他对于今后的研究目标却已经有了想法，“我会根据国家的发展战略，制订今后的工作计划”。

 

众所周知，中国是一个地震灾害多发的国家，地震活动频度高、强度大、分布广。据中国地震局统计，自1949年以来，100多次破坏性地震袭击了我国22个省区市。一般而言，地震烈度以近似同心圆的方式从地震中心向外递减，然而当地震波传到盆地时，由于盆地内部是松软的沉积层，因此会造成盆地内地表振动时间拉长、强度放大等现象，产生地震盆地效应。

 

特别是从宁夏，经甘肃东部、四川西部，直至云南的中国南北地震带，是一条纵贯中国大陆、大致南北方向的地震密集带。南北地震带内盆地分布广泛、大城市汇聚、人口高度集中，这一地震带范围内地震频发，集中了我国有地震记录以来一半8级以上大地震，造成了巨大人员伤亡与财产损失。

 

“比如国家要规划新城市，运用背景噪声层析成像技术把地下沉积层的结构图做出来，再通过计算机进行地震破坏力的模拟评估，避免在松软的沉积层上建设，选择地震影响相对较小的地方建设。”杨英杰说，为了更好地评估和减轻相关地区地震的危险性，高分辨率的岩石圈结构尤其是精细的浅部结构模型是准确表征地震地面运动的基础，有助于评估和减轻未来地震带来的危害，为防震减灾提供重要参考。

 

另外，杨英杰还考虑到我国政府提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到‘碳达峰’，努力争取2060年前实现‘碳中和’”的目标。为了在“碳达峰”“碳中和”的愿景下实现国民经济持续增长，政府目前已在绿色可持续新能源科技与工程领域统筹布局，发展绿色可持续新能源对铜、钴、稀土、镉、钼等关键矿物的需求将持续增长，因此关键矿物探测与开发至关重要。地球岩石圈的形成与演化控制着岩浆和含矿流体的运动与富集，关键矿物勘探依赖于对岩石圈结构与动力学过程的认识。

 

近年来迅速发展的地震背景噪声层析成像方法，已经被广泛运用到浅层结构的研究工作中。相比传统的地球物理探测方法，基于密集台阵的噪声成像方法具有探测范围广、分辨率高、探测精度高的特点，是一种经济、环保的方法，这一方法有望揭示矿区地下的精细结构和矿体分布。“我研究的地震背景噪声层析成像技术能为精细刻画岩石圈三维结构提供助力，有了岩石圈的三维结构图，将为地球深部矿产勘探提供重要的线索。”杨英杰说道。

 

为了更好地完成以上两方面的目标，杨英杰将组建以地震面波及背景噪声为基础的多尺度地震成像研究团队，以基于地球物理学的探测方法技术研究，特别是多尺度的成像技术研究为核心，辅以数据处理和数值模拟技术，探究地球内部不同尺度的结构、构造、状态及组成，服务于地质矿产资源的深部探测，为防震减灾提供地球物理基础。

 

“为应对当前人类社会发展中所面临的来自于自然环境、资源与灾害方面的严峻挑战提供科学技术支持，是我作为科研工作者应该做的事情，也是我的初心和使命。”杨英杰的话语掷地有声。

 

来源：科学中国人微信号