杨文采找到了那个扩散“香水”的“瓶子”

曹　菲　李　晨

从香水扩散方程说起

由于观测时空的局限性，反演的困难比正演大多了。举例来说，如果放一小瓶香水到小房间中央，从扩散方程得知，一天之后小房间内将布满大致均匀分布的香水分子。反演的问题是，已知屋子四周的香水分布，要问何时放的香水?或放香水的瓶子是什么形状的?我们不禁要问：这些反过来问的问题，在数学上有没有解答?解答是否可以很多?如果解不唯一，哪个解才是真实可靠的?这些问题，就构成了反演理论的主要研究对象。

“地球物理反演理论”受到空前关注。然而，什么是“反演”?中国大陆科学钻探工程副总指挥、中国科学院院士、国土资源部大陆动力学重点实验室研究员杨文采如何与“反演”有了不解之缘?1981年，时年39岁的杨文采受教育部派遣，到加拿大麦吉尔大学攻读博士学位。那时，他已经从大学毕业16年了。即将不惑之年出国留学，杨文采说，那是因为觉得自己的知识需要更新。三年时间，杨文采不但学习地球物理，还坚持到数学、计算机等专业去听课。就在这个时候，他认识了“反演”。

知道油气矿产勘察及基础调查

在认识地球的过程中，地球物理反演起到了关键的作用。人们在地球表面观测地球的物理场(如引力场、磁场、电磁场等)和地震诱发的弹性波场，然后根据观测数据推测地球内部的岩性与构造，这就是地球物理反演。杨文采不仅发展了地球物理反演系统理论与新方法，并致力于将此理论与方法广泛地应用于油气与矿产勘查及重大建设工程基础调查。地球物理反演问题中，解在大多数情况下不具有唯一性，杨文采特别关注极少数理论上具有唯一解的反演问题。地震层析成像问题就是其中的典型。

20世纪80年代，他研究出基于弯曲射线追踪的跨孔CT方法，指导了黄河小浪底水利枢纽工程地下电站基础的层析成像，计算出了准确的波速层析图，为后续工程所验证，为地震层析成像工程勘察中的应用作出了示范。

物理学与地震学走到了一起

随着现代科学与技术为验证科学假说提供了更加先进的工具，地质学家也越来越重视预测和假设的验证。1992年，全世界的两百多名地球科学家聚集德国波茨坦，讨论国际大陆科学钻探计划，准备通过遥测和钻探来验证地球科学家的结论。在这个计划中物理学与地质学走到了一起，共同在理性思维原则指导下通过科学工程解决彼此的分歧。1996年，国际大陆科学钻探组织(ICDP)成立，杨文采应邀担任第一届科学顾问组成员，审议世界各地科学家提出的申请书。同年他作为中国大陆科学钻探项目的副首席科学家，负责钻探选址和孔区调查等全部地球物理工作。

1997年4月，ICDP科学顾问组在德国开会，会上同时出现两份在超高压变质带进行科学钻探的建议书。一份是中国的建议书，另一份是美国在哈萨克斯坦打钻的建议书。杨文采在会上的发言指出了中国申请的潜在科学意义，他的发言改变了一些专家的看法。投票结果，中国的建议获得认可，最后得到150万美元的资助，而美国的申请被淘汰。

同年8月，在青岛召开的“中国大陆科学钻探选址国际会议”上，杨文采以准确的地球物理资料与深入的科学分析论证了大陆科学钻探的最佳选区，得到与会中外专家的赞同，在中国大陆科学钻探工程的先行研究中，他提出了新的处理准则，并据此建立了深反射地震资料处理新方法技术系统，建立了中国第一个深反射地震资料处理中心。他结合物理学和地质学的理论与方法，对中国第一口大陆科学钻探孔区的岩性、构造进行了预测，基本上为后续的钻探工程所验证。而在大陆科学钻探的历史上，地球物理学家的预测成功率是不高的。举世闻名的前苏联科拉超深钻与德国KTB，钻前地球物理学家的预测都曾失败过。

2005年3月，中国大陆科学钻探工程终孔，历时1353天，进尺5158米，取得了钻探工程技术的重大突破，获得了许多创新的成果和重大科学发现。