以物理丈量地球 以智慧挖掘石油

肖贞林

地球物理学是一门应用性很强的基础学科，它的研究成果支持着众多在国民经济建设中具有重要意义的产业部门或高科技领域。例如，勘探和开发利用石油与天然气、预测与预防（或防治）诸如地震、火山等自然灾害，保护与监测地球生态环境，保障航天飞行安全等。为应对石油储备战略，解决一系列严峻的挑战性问题，地球物理学家正积极投入研究，同济大学海洋高等研究院冯波研究员就是其中一员。

冯波参加2018年SEG（国际经济地质学家协会）国际会议

攻坚克难 行走在创新前沿

同济大学海洋与地球科学学院坐落于上海市四平路1239号，穿过热闹的学校大门和广场通道，一座崭新的海洋楼安静地耸立在校园一角。在青翠色树木的映衬下，通体雪白的楼体显得生机勃勃。

冯波在这里有一间办公室，屋内陈设不多，但都摆放得整整齐齐。尤其显眼的是，办公桌后面的资料柜里摆放着满满当当的各类书籍和装订成册的专业文献。

“我国石油的对外依存度早就超过了60%！石油作为战略资源的重要性不言而喻。”采访刚一开始，冯波就说出了资料堆积的根本原因，“勘探地震学作为一门应用性学科，就是要为资源勘探提供理论指导的。”经过多年的地震勘探，地下构造简单的油气藏早已勘探完毕，剩下的都是难啃的硬骨头。而要啃掉别人都没啃下的硬骨头，提高油气资源的探明程度，需要在基础研究方面不断向前推进。

但冯波偏偏不怕啃硬骨头。学生时期，他从山东考生中，一跃考入同济大学海洋与地球科学学院地质系。大学期间，他始终保持全院第一的优异成绩。大二结束后，班主任杨锴教授看中了他数学和物理学方面的扎实基础，于是推荐他转入地球物理专业，做基础性理论研究。在地球物理系学习两年后，本科毕业时，冯波获得了同济大学优秀毕业设计奖。

2007年，冯波被保送至同济大学地球物理系读研究生，师从地震成像领域的著名学者王华忠教授。2009年年初，因为表现优异，他提前获批攻博。博士毕业后，他的学位论文获同济大学优秀博士论文奖，不仅如此，在同济大学110年校庆之际，作为110篇优秀博士论文之一，他的博士论文入选同济博士论丛并被同济大学出版社正式出版。

纵然如此，冯波的读书生涯也并非一直顺风顺水，只是他从不缺“啃硬骨头”的勇气。他啃的第一个硬骨头就是博士研究课题。当初，博士研读，别人3年就毕业了，而他整整用了6年。据冯波介绍，研究生前3年，他跟随导师在地震勘探代表性方向做训练。在此期间，他对地震勘探研究方向有了较为全面的了解，并逐渐确立了自己的研究方向。“我的博士论文主要利用波动方程反演地下介质的速度结构。通俗地讲，就类似于医学上通过C T来检测人体器官病变，我的研究也是利用波动方程对地球做C T，利用地表观测的地震信号去推测地表下岩石的几何结构和物性参数。”

然而波动方程解是速度场的非线性函数。冯波介绍说，论文所研究的问题是从（地面）观测到的地震信号，重建地下三维速度场。从数学上讲，这是一个典型的非线性反问题。然而对于大规模的强非线性反问题，目前数学上尚未发展出有效的数值求解方法。所以，如何处理强非线性反问题成为论文研究的关键。

为此，冯波探索了很久，但始终收效甚微。他苦闷地说道：“虽然系统的文献调研和国际学术会议的参与，让我对不同学派的学术思想及其局限性了然于胸，但相当长一段时间内，仍然苦于提不出一套自己的解决方案，只能复现别人的工作，这让我十分沮丧。”

博士选题的卡壳，让冯波的研究一度中断，也走了很多弯路。这也侧面证明，他攻读地球物理学博士学位的道路上，还有很多高峰需要征服。尤其是原创性研究，是博士阶段的挑战，也是优秀博士最直接的证明。在导师的建议和指导下，冯波又花了近两年时间消化知识，并慢慢整理出自己的研究思路和见解。“我逐渐知道问题该从哪个地方入手，如何一步步解决。”

冯波的导师王华忠教授曾指出，建立地震信号的主要特征与模型主要结构特征的映射关系，是解决反问题的根本。因此冯波想，既然数学上没有完美的解决方法，那就从物理角度出发，寻找合适的求解思路。这次冯波没有再一根筋地硬碰硬，而是转换研究思路，基于地震信号波场特征及其控制方程，将强非线性反问题拆解为一系列凸性较好（即相对更容易求解）的子问题，降低原问题的求解难度从而逐步逼近最优解。

在跨越了研究障碍后，冯波的研究开始稳步向前推进，直至读满6年博士。虽然比别人多花了3年时间，但这6年的“脱皮”磨砺，也让冯波的知识系统更加完整，解决问题更加独立。

“说实在的，对于博士论文，我还是抱有莫大遗憾的。因为在实用化方面，直至博士毕业都尚未提出令人满意的解决方案。”虽然论文送审一次通过，但追求完美的冯波显然并不甘心。后来，在美国加州大学圣克鲁斯分校进行博士后研究的第一年，他通过和合作导师吴如山教授的不断探讨，终于在波动方程反演实用化问题上取得了实质性突破。

“很感谢我的合作导师——欧洲科学院院士、加州大学圣克鲁斯分校模拟与成像实验室主任吴如山教授。在与吴教授的多次讨论中，我在地震信号特征表达的基础上，通过扩展成像条件在成像域间接测量反射地震信号运动学差异性，绕过了在数据域直接测量反射信号差异性的这一难点，使得之前困扰我的实用化问题，一下就迎刃而解了。”冯波高兴地说。

除了了却博士遗憾，在博士后工作期间，冯波还提出了适用于描述地震信号在强扰动介质中前向散射传播的广义Rytov近似理论。

冯波介绍说，经典的波动方程非线性反问题依赖于波动方程线性化近似，因此要求初始解必须非常接近真实解才能保证反问题收敛。传统的波动方程线性化近似通常基于一阶B o r n近似（即弱散射近似），要求模型参数扰动量及异常体的尺度都非常小。然而这样的要求在实际应用中是非常苛刻的，因此经典的波动方程反演理论难以实用化。

“这就导致高端的理论解决不了实际问题，而能解决实际问题的理论，精度又不高，达不到现在勘探目标的需求，因此我要解决的问题是，如何在先进的理论和实用之间架起桥梁，让高端的理论能够真正解决实际问题。”苦思冥想后，冯波的研究思路是直接处理散射波相位扰动，将波动方程Rytov变换得到的非线性Recatti方程引入前向散射波场的WKBJ近似，从而得到了一种新的波动方程线性化近似形式：即广义Rytov近似。因无须模型参数小扰动假设，广义Rytov近似克服了“弱散射近似”的制约，大幅降低了波动方程反问题对初始模型的依赖性。

凭借这项基础性研究成果，回国之后，冯波成功拿到了国家自然科学基金面上项目。

“当然，我在地震波散射方面取得的基础性研究成果，与吴老师的指导密不可分。在我提出解决思路后，吴老师凭借扎实的物理功底，对方法进行了进一步理论升华，这才有了用于探索强扰动介质中的强非线性反问题的求解思路。”冯波谦虚地说。

积蓄力量在速度建模领域华丽绽放

在美国加州大学圣克鲁斯分校结束访学后，冯波选择回国。他认为，石油勘探行业，从大的方面讲，可以提高我国油气资源的探明度，降低石油对外依存度；从小的方面讲，能够实现自我价值。“所以作为一个中国人，必须要为中国的科研事业奉献一份自己的力量。”

在同济大学海洋地质国家重点实验室，冯波所在的研究团队——波现象与智能反演成像（WPI）研究组主要致力于解决我国油气勘探领域（特别是地震信号分析和反演成像）中“卡脖子”的关键理论和技术问题。研究组由冯波的导师王华忠教授创建，目前研究组有教授2人、研究员1人、博士研究生13人、硕士研究生5人，人才力量雄厚。

冯波介绍说，勘探地震主要是从观测得到的地震数据，推测地下介质的岩性参数甚至含油气储层参数。整个地震资料处理的流程很长，其中最重要的就是参数建模（主要包括纵横波速度、各向异性参数等）。因为有了相对准确的宏观模型，才能实现精确的地震成像，才能方便地质学家判断含油气储层的埋藏位置。

在整个勘探领域，与国外相比，国内学者的研究成果与国外差距很小，但在原创性和实用化两方面仍有一定差距。冯波解释说，国外知名研究组都有自己明确的学术导向，而国内很多高校和研究单位虽然第一时间实现别人的成果，并进一步展开深入研究，但仍然缺乏原创性的研究成果和学术理念。此外，国外石油服务公司会把理论转化为成果，即商业软件产品，而在国内，发表文章的学者很多，但真正能转化为实际应用的成果却不多。“所以，既然选择了这个专业，就要解决原创和实用性问题，让研究成果真正服务于社会，才能做到心满意足。”

在原创性科研原则督促下，冯波提出了高效的地震波场逆时重建方法。他介绍说，震源波场逆时重建方法无须存储整个地震波场，只需要在存储数值边界处的地震波场，即可实现震源波场的精确重建。借助该方法，波动方程逆时偏移和波动方程速度反演等依赖波场逆时传播的方法得以高效实现。目前，该方法已被收录于主流期刊Journal of Geophysics and Engineering，并被广泛引用。

在实用化问题上，他还提出了基于高维地震信号特征表达方法的反射波层析速度建模理论，通过自动提取地震信号的运动学特征，实现全自动化的反射波速度建模。结合原创性的“广义R y t o v近似”理论构建波动方程敏感度核函数，为探索强扰动介质中的波动方程强非线性反问题求解提供了一种新的研究思路。该研究成果作为特邀报告参加了2018年国际研讨会（“Seismic-Wave Scattering, Imaging and Inversion”International workshop，July 19-21，2018），并随后在业内主流期刊上发表一系列原创性文章。

“在研究生涯中，导师王华忠教授做学术做科研的态度对我影响很大。”冯波介绍说，他鼓励学生探索问题，不迷信学术权威；要求有独立思考的能力，不人云亦云，一定要问自己“你认为，这个问题应该怎么解决”，而不是一张口就谈别人的解决思路，要有自己的思想和判断。

“所以从青年基金到面上基金再到浦江人才计划，这3项研究具有明显的延续性，它们共同解决速度建模不同阶段的问题。”从初始速度建模到中深层反射建模再到宽带建模，冯波在既定的方向上稳步向前推进，不断解决速度建模领域中的瓶颈问题。

与导师王华忠教授（左）在2019—SEG年会会场门口的合影

研究无止境 未来不设限

冯波说：“当你有能力的时候，你就要承担自己的社会责任。”所以下一步，他将实行“两只脚”并行战略。一方面是将先进的理论方法向实用化推进，进行产业升级；另一方面是将近年来火热的人工智能方法应用于石油勘探领域，推进当前的地震波速度反演技术体系向“自动化”和“智能化”的转变，解决我国地震勘探领域（尤其是高精度速度建模）中“卡脖子”的关键技术，促进油气资源的新发现。

“未来，我的主要工作还是将在国外取得的研究成果服务于国内的油气资源勘探，当然如果有能力，也希望可以把我们的影响力输出国外。”冯波畅想道。

“科研中最大的乐趣莫过于你解决了别人解决不了的问题。目前而言，每个领域或者研究方向存在的问题，做过一段时间文献调研的人都了解。但是谁能提出解决方案，就要看个人的积累了，比如你的知识结构、悟性，甚至机遇等。”科研高峰很多，难啃的硬骨头也很多，但冯波并不畏惧；相反，他正像一个精力充沛的猎手一样，瞄准猎物，等待时机，进行一场硬碰硬的对决。