發布時間：2021-05-15所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要地球物理學在整個地球科學研究與探索中占有重要地位，突破該領域以描述、推斷為主體的框架，并逐步向量化或半量化前進確為必然.地球物理學逐步向高精度升華乃深化理解各有關科學問題的時代需求.基于物理學概念，從定義出發促使多學科交叉和不斷創新，是
摘要地球物理學在整個地球科學研究與探索中占有重要地位，突破該領域以描述、推斷為主體的框架，并逐步向量化或半量化前進確為必然.地球物理學逐步向高精度升華乃深化理解各有關科學問題的時代需求.基于物理學概念，從定義出發促使多學科交叉和不斷創新，是地球物理學能否搶占地球科學制高點的核心所在.為此，真正意義上的高精度觀測、高分辨率的數據采集和精細結構的刻畫構成了高精度地球物理學的基石，是深化理解地球科學中有關殼幔形成、演化問題的深層次的內核.本文通過較系統地分析和研究提出，(1)地球科學研究進程中的定性描述和依據于淺表層過程與現象的推斷有待突破;(2)夯實與把握基礎科學理論是高精度地球物理學捕獲真諦的“鑰匙”;(3)高精度地球物理學是深化認識地球本體和逼近彼岸的基石.
關鍵詞高精度地球物理學;多學科交叉;科學理念;科學真諦;發展軌跡
0引言
近年來，在我國的報刊、報道、科學研討會上出現了一些新名詞，即“精準醫學”、“精準大氣物理”、“精準構造”、“精準地球物理”……等.“精準”就字面而言是表征精細和準確的意思，即量化的，且似具有“終極”之意，它是一個標量.在科學與技術發展的歷程上，伴隨著科技的進步，對某種現象、問題的理解和認識度是逐漸深化的，即永遠是向真諦逼近的過程，這對地球科學來講的確離“精”、“準”還有相當漫長的路要走，更需不斷深化的時序與不斷創造.為此，高精度地球物理學的命題應更為適宜，因為高精度是一個不斷提升的過程，可視其為一“矢量”
.當然，應當看到不同學科領域對精細程度的需求是很不一致的，如航天、量子通訊、空間實驗室對接、空間實驗站物資補給、深海下潛與載人深潛不僅要精細而且必須精準;最精細腦鏈接腦圖譜，醫學中的眼科與心血管手術，軍事目標攻擊亦必須精確等等.地球科學研究，特別是認識則必須向高精度“挺進”，以使定性科學、推斷科學、或然科學、解不唯一性科學等在不斷提升精度的過程中逐向半量化與量化逼近.這些均要求必須夯實基礎研究，聚焦科學前沿逐步向高精度邁進，乃是創新和自主創新的靈魂.
面臨世界科技大潮，地球科學向何處去，則是人們必須思考的問題.因為地球科學必須突破傳統以點帶線擴展成面的假設、遐想與推斷，即須不斷提升精度來達到對問題的逼近理解(滕吉文等，2012a，c，2016a，b，c;滕吉文和張洪雙，2012b;滕吉文，2007a，b，c，2008，2009a，b，2010a，b).
地球物理學是地球科學發展與量化的中堅，它從誕生至今其核心是以物理學為基石，以數學、信息科學為手段，并與相關科學門類相結合的一門學科交叉的邊緣科學，在本質上是一門應用物理學.它必須以高精度的觀測、高分辨率的數據采集和物質屬性與空間狀態的精細刻畫為“鏈條”，因為它承載著地球內部，即深部物質重新分異、調整，物質與能量交換的軌跡(滕吉文，2003a，b，2006a，b，c，2007a，b，c，2008;滕吉文等，2008a，b).對固體地球物理學來說，它必須精細厘定地球內部物質運動的行為與樣式、動力學響應和力源機制.正如德國著名地質學家阿爾岡所言，“地質學的未來是地球物理學”.這便表明，這是高精度的地球物理學與地球動力學乃是時代的需求與發展的必然(滕吉文等，2004a;2006，2008a，b，2016a，b;滕吉文，2004b).
為此，地球物理學必須向高精度不斷提升，以達越過地平線去觸摸地球內部物質運動的動態脈搏，逐使人們深化對地球本體的認識，并構架起安全、穩定的且可保證長期供給的資源與能源及防范突發事件發生，發展的戰略后備基地與監測系統，為人類營造一個良好的生活與生存空間、并實現可持續發展!
當今“上天、下海、入地”乃人類向宇宙挑戰的三大壯舉(張文佑，20世紀80年代前后提出)，強化第二深度空間金屬礦產資源(500～2000m)、油、氣能源(2500～10000m)的探查、開發和利用乃是構筑我國快速工業化和經濟騰飛的命脈(滕吉文等，2006，2010)，因為在這個世界上若沒有大量資源和能源的消耗則不可能創造今天的文明，也無法實現建設世界科技強國的宏圖.
1當今科學發展的勢態與地球科學研究的現狀有待突破
科學、技術的發展必須向量化“挺進”，這是時代前進步伐的需求，也是一門科學走向成熟的標志.正如馬克思所說“一門科學只有在成功地運用數學時，才能達到真正完善的地步”
.1.1當今科學發展的勢態
進入21世紀上葉以來，在世界科學發展的征程上越來越要求量化和高精度.這就要求必須未來不斷地創新，方能搶占學科領域的制高點.
(1)科學的高精度升華已成為世界科技發展的必然軌跡
我國在火箭發射、載人飛船、量子通訊、空間實驗室諸多方向取得了非凡的成就，天宮二號的成功發射與神舟一號的空間對接，且在軌開發一定規模的空間科學實驗及應用.它蘊含了微重力基礎物理、微重力流體物理、空間材料科學、空間生命科學、空間天文測量、空間環境監測、對地觀測、地球科學研究以及新技術實驗等八大領域.這次空間實驗室搭載的空間冷原子鐘，采用激光冷卻銣原子并與微波相互作用，有望實現3000萬年時間內僅有一秒鐘誤差的精度，可使飛行器自主守時的精度提高兩個量級.顯然，量子通訊衛星的成功發射乃導引我國進入空間科學強國之徑，這便標志著我國載人航天進入空間應用發展的新階段!空間實驗室的創建孕育著航天事業的重大突破，又如電子態全新電子器件的研發，將會有顛覆性的創造，它預示著手機今后無需充電了.
(2)精度的提升是創新的碩果
當今我國正處在科技迅猛發展的新時期，在各個科學領域創造了一系列的非凡成果.下面僅舉一、二個精度不斷提高的實例.
華中科技大學最精細腦鏈接圖譜數據居于世界領先地位，這項研究可分辨出人類腦部的每一個生命源、每一個毛細管，它對人的腦功能、智力發展均有著極為重大的作用.當今的科學界正在由或然向精細化邁進，特別是與人的生活和生存關切的對人眼、腦、心、肺等器官的診斷與手術正在一日千里的前進.
蔚藍色的海洋是生命的起源和繁盛的搖籃，也是人類繁衍生息的家園，海洋生物、海洋資源與能源、海洋與大氣、海洋與軍事和國防等等關系著資源、財富和國家領土完整.我國深海下潛技術的迅猛發展，為我國向深海、公海“挺進”所需要的精細下潛，提出令人矚目的海底藍圖.
這一系列的學科進展和成就乃精度不斷提高的產物，是科技創新的碩果.
1.2在向高精度邁進中的地球科學研究現狀
就地球科學整體而言，距“精準”尚有一段相當漫長的路要走，距高精度與不斷量化亦尚有一段相當長的距離，即因為整個地球科學遠遠未能達到半量化或者量化.
(1)地質學.地質學具有古老的傳統和歷史、且分支學科眾多，是一門包絡甚廣的學科.它是依據地表的派生現象的調查及局域的認識，進行想象與邏輯推斷以描述為主體的一門定性科學.在年代測量上誤差可為幾個Ma到幾十個Ma乃至更大，是相當宏觀尺度上的推定.例如所言第四紀以來的活動，即是指1.8Ma以來的構造運動，故難以表征強烈地震的近期活動與預測.在對地層時代的理解上，乃是依據不充分的、或不夠充分的邊界條件來判定或估定.當今整體上是通過鋯石測年，或與世界各地地層的層序與時代的對比給予分析與判識.為此，在地質構造學界有八大學派，如多回旋、地洼、鑲嵌、重力、斷塊、板塊等，且各成體系，而其論點與論據亦各異、理念亦當必不同.
(2)地球物理學.地球物理學的分支亦很多，乃是以多元物理場為基石的一門新興的邊緣科學，自20世紀上、中葉才蓬勃發展起來.它是以物理學為基礎，以數學、信息科學和當代高新技術為依托深化認識地球本體.為此，它必須進行高精度的觀測(包括地表、空間、海洋和井中)，采集海量的高分辨率數據，刻畫地球深部介質的物理屬性和精細結構.由于它是在強干擾背景下去拾取微弱的目標信息，故必然地注入或疊加了某種程度的干涉.同時，各分支學科的分辨率不同，不可等量權重，故其解亦難趨唯一.這就必須在基于所得數據的前提下，進行多元地球物理場的綜合研究以取得共識的響應逼近.
相關期刊推薦：《地球物理學進展》(雙月刊)1986年創刊，主要報道國內外地球物理學研究的最新進展和成果，探討地球物理學的發展戰略，評價地球物理學科的現狀和發展趨勢。設有：固體地球物理、地球物理勘探、工程環境地球物理、簡報等欄目。
產生這種響應的原因是，上述觀測與采集的數據中包含了一定的誤差，如殼、幔結構研究的地震層析成像中，所拾取的震相有十分可靠的信息、較可靠的信息、不太可靠的信息乃至錯誤的少量信息，在成像后的圖像中便包含了以上有關錯誤信息，并導致圖像中的非完全真實圖像，可又難于從已取得的圖像中剔除.又如在石油地震勘探和殼、幔結構研究中的反射地震，由于得不到精確的速度值，往往是取其速度譜的均值，這當必影響歸位并可能導致成像中的必然干擾與誤差.在成像后的不確定性中還包括一系列的更難以剔除的本征要素，如觀測儀器分辨率不夠造成的模糊映像和假象;初始條件、邊界條件的不確定性，加載在難以提取的初始模型上;在天然地震觀測中不僅地震波的射線路徑漫長、穿越多相介質與構造，而是只知接收函數卻不知源函數，只利用了上行波(高速到低速介質)而未能應用下行波，以及同一份數據不同人去做、提取頻散或用不同方法去反演多會得出差異較大的結果;復雜多波波場(除P波、S波和轉換波外，還有繞(衍)射波、側面波、各種多次波等)難以“干凈”分離;反演方法和不同地球物理場所獲物理量的不匹配和人為干預參入了模型構建等.
有不少地球物理學家在理解和解釋地球物理反演結果時，往往先驗地、且嚴重地受控于地表地質與構造現象、結果及假設推斷的“限定”，而不是從地球物理場的精細反演中，在不依賴于淺表層響應和先驗性模型的情況下給出地球物理解釋，這不僅會誤導地球物理學家本身，同時亦會讓地質學家給予錯誤的理解.當今有人說，地球物理研究花錢多、周期長、見效慢、沒有用，與地質學中設想的模型不符;也有人說，勝也物探，敗也物探(原石油工業部長汪濤);也有人說多做物探，少打“眼”(中石油)等等.在某些領域，在采用國外提出的一些模型正演時還好，可反演時往往差之千里.這表明國人對這一系列引進模型的理念、方法、技術和邊界條件尚缺乏透徹的理解和質疑，更缺乏理性的批判和自主創新理念的體現.這便雄辯地表明，地球物理觀測與所求得的結果精度尚不高，顯然當必限定了對介質物理屬性和空間結構的量化厘定.
2高精度地球物理學是厘定量化認識的根基
當今地球物理學(其中當必包括地球動力學)承載著強化第二深度空間礦產資源和能源的探查和開發;強烈地震孕育、發生和發展的深部介質物理屬性和結構及構造環境的認知;厘定成山、成盆、成礦、成巖、成災、成核和深化認識地球本體;理解在力系作用下深部物質重新分異、調整和物質與能量的交換的研究與探索，因此必須要求地球物理學具有高精度的逼近解答.可這的確并非是一易事，而是必須在理念上、方法上、技術上高度融合和創新的進程，方可逐步得到升華.
2.1地球物理學應具有高精度的觀測、高分辨率的數據采集和精細結構的正確刻畫
高精度地球物理學必須滿足高靈敏度、抗干擾性強，且穩定性良好的儀器精細觀測，剔除隨機干擾的高分辨率信息的數據采集，高精度樣本物性數據測量和正確反演方法的計算與成像，以取得精細、且解答基本趨于唯一的介質屬性和結構展布.
(1)創新理念.在地球物理學的發展與進程中，不僅要深化本學科的研究和探索，而且要多元吸取相鄰學科的高新科技成就，以構成新的理念和范式.這就必須在吸收和理性質疑的框架下凝練出創新性的科學問題，提出科學的、具超前思維的論點和論據，以形成引導本學科不斷前進、并搶占制高點的嶄新理念或定則.
(2)儀器與設備的自主研發.高精度地球物理學的奮進當必催生新型高精度地球物理觀測儀器，實驗設備的自主研發(滕吉文，2005，2006d，2009b，2010b)，高精度地球物理學的基礎是能否獲得海量的精確地球物理實地觀測數據.物理參量的精確化或新物理量的提出與發現乃地球物理學能否達到高精度的核心所在.這是因為地球物理學在本質上是一門觀測的科學，必須采集巨量的數據并進行相應的處理以提取介質結構與屬性信息，因而可靠信息與信息量的缺乏和不足則是任何數學技巧和圖像顯示所無法彌補的(滕吉文，2003a，b，2004b;滕吉文等，2004a).
這里應當特別指出的是，正如孔夫子所言：“工欲善其事，必先利其器”(論語).法拉第的導師戴維(HumphyDary)亦指出，“最好的科研成果無不取決于好的儀器發展”.這也與兩軍作戰一樣，一個好的司令官在戰前必須“車馬未動，糧草先行”.
所以說，一種新理念指導下的觀測與探測儀器及設備的雛形，一個新物理量的提出和應用、一個參數精度的提高，不僅會大為促進這一學科的發展，而且往往還可能驅動開辟一個新的科學領域(滕吉文，2006a，b，c，2009a;滕吉文等，2016a，b，c).
為了適應地球內部第二深度空間的油、氣、煤能源和金屬礦產資源的勘查、開發和利用，提出精細可靠的殼幔結構等則必須突破原有框架，自主研發出大深度、高精度、穩定性強、抗干擾能力強、高靈敏度和高分辨率與大動態范圍、智能化的新型地球物理儀器和設備.
(3)高精度的數據采集需要科學的觀測系統設計
高精度的觀測系統與高分辨率的數據采集密切相關，因為對其設計與實施是能否取得高質量數據的關鍵所在.以地震勘探和地球內部探測為例，觀測系統設計應為相遇、多重相遇、追逐、多重追逐的組合陣列，以達能在互換點上提取速度、深度、時間、射線路徑、頻率和能量的互換與相疊置，即達到地震波傳播的運動學和動力學特征的復合驗證.為此，只有嚴格地遵循這一路線圖方可謂高精度的觀測，高分辨率的數據采集和反演成像.顯然，若爆炸點距大于或遠大于震相的追蹤長度，那么不管你用任何方法去反演都不可能取得可靠的精確認識，也不可能獲得高精度的介質物理屬性和對空間結構的精細刻畫.
2.2理論、方法的深化研究和探索是邁向高精度地球物理學的必由之路
強化學科交叉和創新在科學研究發展進程中十分關鍵，扎實的基礎研究乃是建立正確理論、構筑新的科學方法的核心，嚴格、可靠的數據采樣處理是地球物理學向高精度邁進的必由之路(滕吉文等，2012a，c;滕吉文和張洪雙，2012b).
(1)地球介質屬性的必然性.地球物理學研究的對象是地球內部各圈層的介質屬性和空間結構與其深層過程，它們多為非均勻的、各向異性的和非完全彈性體.在至今的不少部門仍然多將介質視為完全彈性、無限均勻的和各向同性的且從聲波方程出發，這對地球介質與結構來講是極大的“簡化”與近似.因此，在這種前提下所依賴的邊界條件和提取的初始模型就不可能是多元要素約束下的逼近模型.
(2)對地震震相或波列的科學定則.必須嚴格地從地球物理學的原理和定義出發，這是理性深化的基石和不可逾越的界定.
在人工源地震寬角反射/折射探測中，有一些部門將由此而呈現在記錄中的一系列震相統稱為“折射波”，并在口頭報告、論著、項目或課題報告、總結中乃至評審意見中不斷出現.在寬角反射的諸震相中有Pg，P1，P2，P3，…，Pm，Pn，這里Pg為來自結晶基底的折射波或弱回折波，P1，P2，P3，…，Pm全為反射波，只有Pn為來自殼、幔邊界的折射波或回折波.顯然將其稱為“折射波”當然是不符合物理定則的，精準的定名應為“反射/折射”為宜.
(3)地球物理學中有關地震方法的定義必須精確，譯名必須有物理內涵
近幾年來有不少地球物理學者在他們的論文、科研報告、項目申請書、報獎材料中常見有“主動源地震”和“被動源地震”之稱，似乎在我國已獲得“共識”，究其來源乃為在個別外國人的文章中提及“Active”和“Passive”地震之稱.不管中國人也好外國人也好，將人工源地震勘探和深部殼、幔速度結構探測稱為主動源地震，即其意為可按科學目標設計激發源點和接收點.把天然地震稱其為被動源地震，即是想突出它不受人為控制的波場.顯然這是不夠全面和不盡準確的，這樣的定義或翻譯都是欠妥的.
第一，名稱的科學內涵，將“Active地震”翻譯為主動源地震，將“Passive地震”翻譯為被動源地震拋棄了地球物理界對其的科學定名，認為其新穎性是欠妥的.因為它們不具備明確的物理意義和業內外人們共識易懂的科學內涵.持主動源地震者主指，研究者為達到設定目標所設計的爆炸點距、點位和觀測系統以進行所激發地震波場的有序觀測，而將天然地震激發的地震波場稱為“被動源地震”，即為人們所無法控制的地震波場響應.
第二，要嚴格內涵并準確定義.應當指出的是，在人工源地震中，不僅包含為了某一科學目而設計的爆炸點位、點距所控制下的觀測系統，而且還包括核爆炸、大型工業爆炸等，而后者則不是地球物理工作者所能設定的爆炸點與爆炸點間距、點位和觀測系統，以及何時爆炸激發地震波場而是人們必須受制于它，不屬所謂的“被動源”.又如彈藥庫爆炸，由于負荷過載而導致廠房、壩基、水庫崩塌、山體滑坡等激發的地震波場等均不是地震活動與危險區產生的地震，而完全是由于施工欠佳、老化、過載導致的，故不應屬于“天然源地震”范疇.所以說“主動源地震”和“被動源地震”缺乏明確的物理內涵，更未能包括上述各種事件，故在科學上是不嚴格的.——論文作者：滕吉文
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