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用执着的精神揭开 地球物理科学的神秘面纱 ——记中国科学院地球物理研究所副研究员陈祖安

来源:《中国高新科技》期刊社 时间:2018-11-12

科学技术的发展极大地提高和促进了人类利用地球和探索地球的能力。在特定阶段从事特定的生产生活过程中,人类逐渐认识地球、逐步掌握地球科学规律与探测技术,从而更好地利用地球。这其中,地球物理学显得尤为重要,它通过运用物理学的原理和方法,对地球的各种物理场分布及其变化进行观测,探索地球本体及近地空间的介质结构、物质组成、形成与演化,研究与其相关的各种自然现象及其变化规律,从而进一步为探测地球内部结构与构造、寻找能源、资源与环境监测提供理论、方法和技术,为灾害预报提供重要依据,是地球科学中与人类生存环境息息相关的一门学科。在众多地球物理学科研工作者中,中国科学院地球物理研究所副研究员陈祖安,取得了不凡的成绩,有效推动了学科发展。

陈祖安,博士,副研究员,生于1963年6月。1982年大学毕业于兰州大学数学力学系,同年考入中国科学院研究生院读研究生,并于1986年获硕士学位。毕业后开始在中国科学院地球物理研究所工作,期间获研究所岩石力学和地球动力学专业博士学位,1998年5~11月在加拿大卡尔加里大学做访问学者,2003年9月在美国佐治亚理工学院进行了为期一个月的访问研究,2006年及2009年在美国缅因州立大学分别进行了为期两个月的合作访问研究工作,拓展了国际视野。陈祖安长期从事地壳环境下岩石的物理和力学性质及地球动力学数值模拟的研究工作,先后在国内外学术刊物发表论文50篇,其中国际SCI 9篇、国内SCI 12篇、国内EI 4篇;曾主持国家自然科学基金项目3项:大陆活动地块DDA+FEM三维流变分析方法的研究(40174016)、昆仑山大震发生与青藏高原构造块体系统稳定性的三维流变DDA+FEM数值模拟(40574017)和地壳中岩浆驱动断裂传播过程的理论分析与数值模拟及对长白山火山的应用(40874046);成都理工大学地质灾害防治国家重点实验室专题项目1项:汶川大震发生及其对青藏川滇构造块体系统地震危险性影响数值模,在业界颇具盛名。

 

执着探寻,带头进行学科建设

地球物理学学科中的地震学和地磁学两个领域有着悠久的历史,在这两方面我国均为先驱。我国古书籍中就记载有早至公元前20世纪关于极光的现象。东汉张衡在公元132年设计制造了世界上最早的地震仪——候风地动仪。我国约于10世纪就已将指南针用于航海......

作为一门应用性很强的基础学科,地球物理学的研究成果有力地增进了人类对所生息的地球及其周围空间环境的科学认识,而且支持着众多的国民经济建设中具有重要意义的产业部门或高科技领域。当代地球物理学面临严峻的挑战,如自然灾害、能源需求急增、资源短缺、环境恶化、人口增长对土地的压力等均直接威胁着人类的生存与进步,空间开发国际竞争则直接关系到国家安全和利益。地球物理学家必须投入研究,解决一系列严峻的挑战性问题,为确保人类社会的可持续发展作出贡献。

陈祖安在多年的地球物理学研究过程中见证了改革开放以来这一学科的巨大变化。如今,随着计算机的发展,地球物理学在发展的过程中能够更加全面地考虑问题,计算方法也得到大大的改进,因此更加精准,其中,通过大型计算机进行数字反演和数字模拟都得到了飞速发展,并取得了众多科研成果。

另外,科技的进步,也让陈祖安等地球科学研究者能够综合各方面的数据,对地质、地球化学,地球物理学及地球内部有了更加清晰的认识。

陈祖安用通俗的语言介绍地球物理学,称其就是通过物理的方法研究地球内部的结构、运动以及一些地质现象的成因、发生过程的学科。例如通过地震反演的方法研究地球内部的结构,通过数字模拟的方法研究地球内部的动力学过程,包括地幔对流、火山、地震等现象产生的原因。另外板块俯冲、板块构造、板块运动等也都是地球物理学研究的内容。地球物理学研究的意义就在于通过物理的理论揭示地球内部的实质,照亮地球内部的结构,搞清楚地球是如何构成和演变的。

陈祖安多年来一直致力于地球物理科学中地壳岩石物理力学性质和岩石圈地球动力学数值模拟研究工作。因为他大学的专业是力学,所以主要通过力学的一些原理和地理的计算方法来计算研究地球内部的一系列问题,包括地幔柱和岩石圈的相互作用等。研究领域为大陆地震破裂与周边块体边界稳定性的关系、岩浆在岩石圈中运移的力学机制及运移过程的数值模拟。他在国内首次提出了岩脉压临界蠕变扩展的岩浆运移模型;结合有限元、差分法和非连续变形分析方法,对岩浆在已有断裂中运移进行了三维数值模拟;运用有限元和非连续变形的三维程序对青藏高原所发生的玛尼、昆仑山和汶川等大震之间的联系及对周边块体边界的影响进行了数值分析。这些工作有力地促进了力学在地学中的应用,其相关结论丰富了地震学和地球动力学的研究成果。

 

国际视野,拓展地球物理学新思路   

在加拿大、美国的交流和学习研究期间,陈祖安接触了众多领域内的外国学者,共同的交流和研究,不仅让他拓宽了学术思路,同时,凭借着国外先进的科研条件获取了很多新的材料和信息,找到了一些解决学科问题的新方法和新思路。

回国后,陈祖安承担了多项国家级科研项目,其中,印象最为深刻的是和地震局林邦慧老师合作研究华北地区和青藏高原的地震活动,特别是汶川地震的发生对周边块体的危险性影响的研究,很好地揭示了地震之间的一些相互关系。  

在该项目中,陈祖安和科研团队运用非连续变形分析法与三维有限元法相结合的方法,以GPS资料作为位移速率和震源机制的约束条件,通过数值模拟研究了青藏高原及其东侧邻区构造地块的运动、变形、相互作用及其与近30年来发生于该区的大地震之间的关系。该研究中不仅引入了以应力与摩擦强度的比值定义的断层“失稳危险度”,还通过数值模拟计算得到了研究区地壳块体边界断层的失稳危险度分布。

结果表明,失稳危险度高的地段与近期该区发生的MS≥7.0地震所在的位置基本一致,其中龙门山断裂带上包括汶川和芦山大地震的发震断层均为失稳危险度最高值地区。计算得到的应变率强度分布图显示,青藏高原东部边缘整条地带均为应变率强度的陡变带,特别是以龙门山断裂带上的陡变最为明显,其西侧应变率强度为东侧的近4倍,而且,这个带位于宽度相同、走向与龙门山断裂带相一致的高应变能密度带中,表明这两次大地震前,作为其发震断层的龙门山断裂带已积累了相当高的应变能,失稳危险度高,处于力学上的不稳定状态。

团队成员还通过模拟计算得到在上地壳层中,2001年昆仑山口西MS8.1地震引起汶川、芦山地震发震断层的库仑破裂应力增加约0.016MPa,相当于龙门山断裂带约两年的应力积累,也就是说,使汶川、芦山地震发震断层的失稳破裂提前了约两年。此外,关于2008年汶川MS8.0地震的模拟计算表明,汶川地震的发生也使包括芦山地震发震断层的龙门山断裂带西南段和东昆仑断裂带东南端的库仑破裂应力增大,应变能积累增强,这说明汶川MS8.0地震的发生对已处于失稳危险度较高状态的2013年芦山地震和2017年九寨沟地震发震断层的提前失稳破裂起到了促进作用。

目前,陈祖安还承担着两个国家基金项目:关于峨嵋山地幔柱与岩石圈的相互作用的数值模拟研究;关于碳酸盐溶体对橄榄岩的流变性的影响的试验研究。基于这些研究项目,他将继续致力于研究地球内部岩石的变形、破坏对于地球介质的性质影响,用来解释一些地球物理各种异常现象的发生原因,希望为我国地球物理科学的发展贡献力量。

 

“一带一路”,共建地球科学“朋友圈”   

科学无国界,地球科学更是如此。由于各国所处的地域地质构造、成矿地质背景、生态环境及其他多种因素不尽一致,导致各国的地球科学发展水平、资源禀赋、生态环境状况等存在差异。正如陈祖安所说,地球科学就像它的名字一样,和全世界各个地方的地质、地球物理都息息相关,是一个全球性的问题。目前国外发达国家在地球科学领域发展的非常先进,因此,与全世界的科学家们建立起一些联系,互相学习,互相促进,是很有必要的,可以有效促进我国地球科学学科的发展,更快地提升我国地球科研队伍的科研水平。

另外,人才的培养对于地球科学发展至关重要,而随着学科交叉的不断加速,陈祖安认为,作为该领域的人才,首先要具备一定的数学和物理基础,以及较强的计算机能力,目前还要懂得一些地质、地球化学知识,并能够建立一些模型,最后通过计算把这些地质成果和物理原理结合起来,深入挖掘地球内部的一些规律。 

随着“一带一路”战略规划的提出,陈祖安相信,积极培养地球物理学科人才,加强与世界各国地学机构之间的密切合作,建立起全世界的地球科学“朋友圈”,大力宣传普及地球科学知识,才能实现共同应对经济发展对地球产生影响的难题,从而更好地促使人类科学利用地球、管理地球、保护地球。

 

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