——记香港中文大学理学院地球与环境科学系副教授杨宏峰

郑 心　户 万

　　人类从几千年前就开始研究如何预测地震，中国古代就有“观星测震”“观地测震”之说。自20世纪60年代起，中国、日本、美国、俄罗斯等国家就开始进行地震预报研究，但至今地震预报特别是短临预报仍是世界级科学难题。

　　2023年2月6日，土耳其东南部7.8级强震，让土叙两国超过5万人不幸遇难，150万人无家可归。土叙地震让世界的目光再一次聚焦地震灾害和地震预测。千百年来，人类到底为何难以预测突如其来的地震？

　　“目前，人类对于地震发生机理的了解依然有限。”中国地震学会构造物理专委会副主任、香港中文大学理学院地球与环境科学系副教授杨宏峰在接受新华社采访时说，“大多数破坏性地震发生在地表之下10～20千米深度，直接探测非常困难，并且大多数破坏性地震的复发周期很长，使得观测时间有限的现代地震学研究缺乏大量数据做参考，这些都为精准地震预测带来挑战。”

　　有人曾这样形容，科学研究是在崎岖小道上攀登，而杨宏峰的科研历程则更像是在人迹罕至的小径上摸索前行——虽然艰难，他自己却甘之如饴。在他看来，给地球把脉，就有机会为人类预警，他希望能为推动我国地震科学研究、震害评估及预防领域的发展贡献一份力量。

一边质疑，一边坚持

　　1978年，杨宏峰出生在辽宁海城。据说这里曾是一片汪洋大海，后因地质结构变迁渐成陆地，故取名为海城。不过，人们对于海城记忆最深刻的应数“2.4海城大地震”——对这次地震的预报是目前世界公认有科学意义的成功地震预报。

　　1975年2月4日，海城发生7.3级强震，极震区面积为760平方千米。这次地震发生在人口稠密、工业发达的地区，但因为我国地震部门对这次地震做出了预报，当地政府及时采取了有力的防震措施，使地震灾害大大减轻，除房屋建筑遭到破坏外，大多数人都提前撤离，伤亡极大减少。

　　“父辈们每每提及这次地震，在伤感的同时又感慨这份幸运。因为地震的成功预报，拯救了很多人的生命，这也成为我后来从事地球科学的渊源之一。”1996年，杨宏峰以优异的成绩考入中国科学技术大学，攻读地球物理专业。彼时的他求知若渴，在知识的海洋里肆意遨游。这段学习经历也为他以后的科研工作奠定了坚实的基础。直到今天，他依然清晰记得本科阶段最喜欢的学科是物理和数学，以及老师讲授的傅里叶级数和傅里叶变换等精彩内容。“一所优秀的大学培养本科生，主要是打牢基础、拓宽眼界。我们不可能在每一个领域都能成为专家，很多课程与我们之后科研方向的关联可能也并不是很大，但还是要尽量去了解更多的知识。”

　　硕士毕业后，杨宏峰经历了短暂的通信公司工作历练，最终确认了自己的科研兴趣，“相比朝九晚五、一成不变的生活，我还是更加热爱科研”。2005年，他决定辞去工作，赴美深造。“当时美国开设地球科学学科的院校很多，研究氛围极为浓厚，这使我能够接触到不同方向、不同行业间的交叉信息，这对学生拓宽眼界和深入理解科学问题非常重要。”杨宏峰说。

　　在美国圣路易斯大学攻读博士期间，杨宏峰主要针对美国加州频繁的地震，利用小孔径密集地震台阵开展相关探索研究。这也成为他学术生涯的开端，为之后的科研道路推开了第一扇门。“地震都是发生在断裂带上的，我们要想搞清楚地震发生的机理，就必须研究断裂带本身。”但因为彼时数据的空间覆盖度有限，研究具有很大的挑战性。“小孔径台阵的长度可能只有几百米，刚好跨越断裂带的宽度，但在当时关注于此的人并不多。针对这样的小尺度结构，当时的手段也很有限，所以若想研究断裂带结构，必须找到一个新的方法。”杨宏峰说，这就是后来的高频波形模拟技术诞生的原因。当时要模拟高频的波形非常困难，这就如同人们在演唱高音的时候很难控制音准，一般人甚至根本唱不上去。高频波形模拟同样如此，一到高频就会有很多复杂现象。“我花了整整3年时间进行攻关”，杨宏峰坦言这个过程非常煎熬，因为3年一直在做同一件事，并且迟迟没有取得让自己满意的成果。“我也曾无数次地问自己，我该坚持下去吗？”最终，他还是选择了坚持下去。

　　人们常说，科学常是在千百次失败后最后一次成功的。功夫不负有心人，一次地震给杨宏峰的研究带来了转机。“那天，距离我读书的城市大约300千米处发生了5.2级的地震，在凌晨4时37分，我从梦中惊醒，即刻赶去学校请教导师、整理数据、做研究、写论文……”一系列的迅捷反应不仅成就他发表了博士期间第一篇第一作者论文，而且他还从此次地震中发展出了利用目录地震波形作为模版检测小地震的新方法，这种方法目前已经被学界广泛使用。紧接着，他在高频波形模拟方面也获得了突破——在美国南加州圣哈辛托断裂带上的小孔径密集台阵记录中，发现了断裂带的绕射波，并成功实现了高频波形拟合。凭借博士期间的出色表现，他获得美国研究院优秀博士论文提名奖。

求学往事让杨宏峰记忆犹新，他说：“如果说本科是在广度上打基础，那博士阶段就是往深度上去攻坚。我们探索未知，就仿佛在一条黑暗绵长的隧道中前行，必须面对各种不确定性，唯有大胆质疑、小心求证，才有可能找到出口。”在他看来，科研没有捷径，更不会像行外人看上去那样一帆风顺。“我现在常常会用这段经历来激励自己的学生，自我怀疑并不可怕，但一定要放平心态，坚持自己的研究方向，一步一个脚印，踏踏实实坚持下去，不能轻言放弃。突然有一天，你会发现，成果出来了。那种感觉就像是拨云见日一般，一切都会迎刃而解。”

格物致知，躬行实践

　　2010年博士毕业后，杨宏峰选择到伍兹霍尔海洋研究所开展博士后研究工作。在那里，他接触到一个与以前研究方向大不相同的全新领域——地震破裂动力学。相较于以往利用地震记录研究地下结构或是地震过程，破裂动力学需要综合考虑各种因素，例如数值模拟技术、实验室岩石实验结果及野外观测等，这需要杨宏峰去学习更多的新知识和熟悉更多的新领域。经过一年多时间的不懈努力，仰望过无数次凌晨离开办公室的星空，也克服了不少常人难以想象的困难后，他顺利入门，成为这个领域的研究学者之一。

　　在伍兹霍尔海洋研究所这样一个世界领先的研究机构工作是杨宏峰职业生涯中难忘的经历。在那里，他有机会结识一批世界一流的海洋科学家，他们渊博的知识、对科学研究的认真态度、执着探索的科研精神都潜移默化地影响着杨宏峰，成为不断激发他继续前进的动力，也为他日后瞄准前沿科学问题，开展俯冲带相关研究打下了基础。

　　2013年，在伍兹霍尔海洋研究所完成博士后研究工作之后，杨宏峰加盟佐治亚理工学院，作为研究人员工作了1年。2014年，在结束了美国的研究工作之后，他毅然决定回国，选择的落脚点便是香港中文大学。

　　彼时，香港中文大学刚刚开设地球科学系统课程，在当时的香港甚至还没有人研究地震学。“想要做‘第一个吃螃蟹’的人，就必须面对一些从未遇到过的困难”，没有任何前车之鉴，当时的杨宏峰要一边自己筹备课程、组建团队、申请基金，一边针对课题攻坚克难。“一步步走上正轨，这一走就是3年，我和同事们不断调整课程的内容、难度与长度，最终形成了今天的教学体系。”其间，他还不断尝试与北京大学、浙江大学、中山大学等名校一起合作，开展野外教学合作，拓宽学生视野。

　　“香港是一个具有双面性的城市，它不仅是我们印象中的金融中心，高楼林立，也有人文的一面。”杨宏峰说。的确，香港中文大学的校园面山靠海，承载了70多年的书院历史，以“结合传统与现代，融会中国与西方”为使命，守候着一方科学与人文净土。在这样的校园中，他传道授业、奖掖后学，传承着导师的教育精神。精诚所至，金石为开。通过两年多的努力，教学工作逐渐步入正轨，杨宏峰也将更多精力倾注在实践中。

　　“格物致知、躬行实践是获取真理的不二法门。”杨宏峰深知，现场研究和野外勘测对于地球科学来说非常重要。2016年年底，他带领团队，将目光投向了地球的最深处——位于马里亚纳海沟的“挑战者深渊”。据悉，位于马里亚纳海沟的“挑战者深渊”水深达10.9千米，极少有设备可以突破极端压力进行近距离观测。因此，揭开它的神秘面纱成为许多科学家的终极梦想。“马里亚纳海沟是太平洋板块向菲律宾海板块下方俯冲而形成，呈镰刀状，具有许多特殊的构造特点。这里有古老而陡峭的俯冲板片和分布甚广的泥火山，但是没有8级以上的大地震。”为揭开深海的奥秘，杨宏峰与国际团队合作对马里亚纳南段俯冲带进行了一系列包括物理海洋学、沉积物采样、重磁测量、主动源和被动源海底地震仪在内的多学科实验。其中海底地震仪实验采用了国产地震仪，在半年后成功回收，成为世界上首次成功在“挑战者深渊”附近进行的海底地震数据采集实验。

　　这项研究具有深远的科学意义，也带来了丰硕的成果。合作机构包括中国科学院南海海洋研究所、中国科学院地质与地球物理研究所及圣路易斯华盛顿大学，同时项目也先后获得香港研究资助局“优配研究基金”的两期资助。“被动源海底地震仪可以测量海底震动并用来探测地下结构。”研究团队利用被动源海底地震数据提取地震和环境噪声的信号，对马里亚纳南部的地下结构进行了地震成像。“马里亚纳南部没有成熟的火山，但是通过已知的地震波速度结构，我们发现俯冲板块携带的水会被带到地球的更深处，会影响地底深处的物质成分和物质循环。”杨宏峰说。

　　事实上，除了马里亚纳，杨宏峰还研究了莫克兰、卡斯卡迪亚和中美洲俯冲带。2018年，他参加了首次中国-巴基斯坦莫克兰海沟的科学考察航次，开展大地震和海啸的相关研究并获得了重要的科研数据。

　　掌声伴随着汗水，成果伴随着耕耘。时光流逝，团队成员陆陆续续开始出成果，这令杨宏峰倍感欣慰，“这意味着大家对科学问题的认识越来越深入”。同样在2018年，他带领团队又在云南大理附近的程海断裂带上布设了一条平均台站间距仅50米、总长约8千米的线性密集地震台阵。“断裂带在地震发生过程中有很大影响，如放大地表震动、促进地震破裂的传播等。研究断裂带结构可以加深对大地震发生的整个过程、影响因素及长期发展演化的认识，也有助于地震灾害的评估和防御。”

　　地震的本质是断层两侧的快速滑动，而一个断层带主要由断层核和周边低速带构成。杨宏峰介绍说，程海断裂带位于地震活跃的中国云南省西部，属于青藏高原东南缘大理-丽江地区滇西北裂陷带的东部边界断裂。其中包含了多组走向不同、活动性质各异的次级断层，属于典型的复合型断裂带。杨宏峰团队此次布设的超密集台阵为研究程海断裂精细结构提供了非常难得的机遇。因为，研究断裂带的难点之一是如何有效约束断层低速带的深度。随着全球密集地震台阵的布设，发展出了越来越多的高精度成像新方法，用来研究低速断裂带结构。“这项研究也是对我博士科研清单遗漏的一处弥补，我们得到的高质量数据给团队带来了丰硕的成果。”

　　杨宏峰团队首先采用噪声成像获取了断裂带下方的浅层速度结构，又发展了一系列新方法，如改进的接收函数方法等。与传统的单台站方法比较，反演结果具有更好的稳定性及连续性。此外，团队还发展了基于密集台阵的频谱比法来约束断层带中心区域宽度。“随着全球密集地震台阵的发展，密集台阵的新算法研发将成为趋势，此次提出的算法是一个非常有效的研究浅层低速带结构的工具，未来可用于研究断裂带及沉积盆地结构。”杨宏峰说。

踏遍青山，求索大地

　　“随着人类对地球科学研究的深入，现代地球科学家通过多种手段，已经对可能发生大地震的地区进行了较好的了解。”早在2015年，杨宏峰就和合作者一起考察了我国新疆地区的多处高山低谷。

　　作为我国重要的能源基地，新疆也是多震省区之一。在实地考察新疆北部曾发生过8级富蕴大地震的卡拉先格尔地震断裂带的同时，杨宏峰开始关注天山北麓呼图壁地下储气库的地质安全。

　　地下储气库是目前各国最常用的天然气储存方式之一，将长输管道输送来的商品天然气重新注入地下空间，“冬春采气、夏秋注气”，有效保障了各国能源需求。然而，以储存量大、机动性强、安全系数高为特点的地下储气库并非从未发生过安全问题。2015年10月，美国阿里索峡谷储气库发生持续甲烷泄漏事故，直到近4个月后，这座拥有100多座储气井的储气库才被永久封闭。此次泄漏总量估计达到10万吨，2000多户人家不得不背井离乡，总损失更是超过10亿美元，被称为美国历史上最大的环境灾难之一。

　　“我国是能源消费大国。伴随着低碳时代的到来，人们对天然气这种绿色能源的需求将大幅增加。然而，地表3千米之下的储气库在注采过程中，很容易引发地震。”杨宏峰说，这类地震可能并不强烈，只有3～4级，但却可能影响储气库封存的完整性，给国家能源安全造成风险。“保障能源安全是国家需求，作为地球科研工作者的我们不能袖手旁观。”而据杨宏峰介绍，之所以他们将研究目标锁定在新疆呼图壁储气库，是因为此处设计总库容为107亿立方米，是我国首个百亿立方米储气库，也是西气东输二线的首座储气库。这里除了要保障新疆北疆多个地区的冬季供暖用气外，储气库天然气还会通过西气东输管道输送到北京、上海等地，保障沿线地区居民生活和企业生产需要。

　　此外，伴随着能源开发的深入，杨宏峰的研究也从2018年开始，逐渐转向了页岩气开采研究领域。作为一种非常规天然气，一种公认的清洁高效的新能源，页岩气近年来得到了世界各国的广泛关注与开发。杨宏峰希望，自己能更深入地研究地震发生机理，为我国新能源的开发提供更多科学的依据。

　　位于四川的威远-长宁页岩气田是国家页岩气发展综合示范区，研究这一地区的地震特征对于页岩气的安全生产具有重要意义。于是，杨宏峰便以此为切入点，带领团队采用地震学、大地测量等数据，结合密集地震台阵观测，利用机器学习方法进行地震检测、开展高精度地震定位、层析成像、断层厘定、震源参数反演等研究。

　　针对地区发生的2019年荣县地震序列，杨宏峰团队利用高质量的多方数据确认了引发地震的断层——两个前震发生在位于志留纪页岩层内的一条拆离断层上。而主震则发生在向西倾的墨林场断层上，深度只有1.5千米，十分罕见。“利用水力压裂技术注入高压水让页岩产生裂缝以提高页岩气产量的方法，可能会引发地震，这在加拿大、美国、英国都发生过。但在如此浅的深度发生4级以上地震，非常稀少。”杨宏峰团队的这项成果不仅有助于深入了解地震的物理机制，也对页岩气田所面临的地震风险有重要的启示意义。

　　“创新不是炒冷饭。别人做过的科研工作，跟风去做绝不是创新。”杨宏峰认为，创新必须是全新的方法、技术或科研视角。他认为，做科研一定要有与时俱进的精神、革故鼎新的勇气和坚韧不拔的定力，这是科研工作者必须具备的素质。

　　作为一名年轻的教授，虽然教龄不长，但杨宏峰很了解如今学生内心的需求，希望成为一名优秀的“领路人”。在学生眼中，他亦师亦友，他会用自己的经历告诉学生“要在纷繁复杂中找到科研方向，要在兴趣驱动下坚持做科研，不仅要享受科研的幸福感，也要有自己的业余爱好”。他是这么说的，也是这么做的。在新冠疫情期间，杨宏峰花了大量时间写公众号，向公众科普地震知识。日常，他会通过跑步、爬山调剂自己的工作。

　　尽管地震预报仍然是世界性科学难题之一，但相关领域的科学家从没有放弃过持续攻关。“目前，我们可以实现的是通过结合一些已知的地震规律，预估某一断裂带发生地震的可能性和震级大小，也可以计算出某一区域遭受强震的可能性和时间尺度等。然而，这些仍远远不足以实现对地震三要素（时间、地点、震级）的精准预测，这是地球科学领域被誉为‘圣杯’的目标。为了达成这个目标，科研人员需要更深入地剖析地震物理过程。”对杨宏峰来说，这也是他毕生追求的目标和科研初心。

专家简介

　　杨宏峰，香港中文大学理学院地球与环境科学系副教授，国家高层次人才计划入选者，中国地球物理学会海洋地球物理专业委员会委员、大陆动力学专业委员会委员、中国地震学会地震学专业委员会委员、地震预报专业委员会委员、构造物理专业委员会副主任，同时担任《地震研究通讯》（Seismological Research Letters）、《地震学报》（Earthquake Science）、《地震研究进展》（Earthquake Research Advances）副主编及多家杂志编委。

　　他长期从事地震震源物理、俯冲带动力学，断裂带结构演化、诱发地震等相关研究。曾获2018年度中国地球物理学会傅承义青年科技奖，2021年度中国海洋技术奖特等奖，2023年赛斯默微密集台阵开拓探索奖，以及2016年度《地球物理研究通讯》（Geophys. Res. Lett.）优秀审稿人、2020—2022年度《地球与行星物理》（Earth and Planetary Physics）优秀编委、2021年度《地震学报》（Earthquake Science）突出贡献副主编、2022年度《地震研究进展》（Earthquake Research Advances）优秀编委等荣誉称号，到目前为止在高影响因子国际期刊上发表论文90余篇。