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锲而不舍金石可镂
据统计,地球上每年约发生500多万次地震,其中绝大多数太小或太远,一般难以察觉,而真正对人类造成严重危害的大规模地震,在人们发觉时又往往为时已晚.
2016年,英国《自然·通讯》杂志发表的一项研究称,科学家首次检测到一种在地震波到达之前就可观测到的重力信号,这种信号有望改进地震预警时间,推动地震和海啸预警系统研究取得新进展.
其实,在地震研究领域,科学家们对重力学的研究有着悠久的历史,但由于其在理论研究方面没有什么新的突破,便造成了对这一方向的研究越来越偏向小众化,对于科研人员的吸引力也大大降低了.和大多数人不同的是,一直以来中国地震局地球物理研究所研究员陈石,就致力于重力学的探索与研究,并将在这一领域实现新的突破作为自己的心愿,从未有过改变.
与“地球物理”研究结缘
物理学是一门闪耀着美的光辉的科学,它的美体现在物理学理论的内容和形式上,也体现在物理学研究的过程中.从中学开始,陈石就对物理这一学科产生了深厚的兴趣.也许是机缘巧合,他被长安大学应用地球物理专业录取,经过4年的深入学习,他发现：地球物理学作为通过定量的物理方法研究地球内部结构的一门综合性学科,不仅具有很强的实际应用价值,且散发着独特的魅力.
为继续求学,博士期间,陈石来到了北京,在中国科学院研究生院固体地球物理专业学习期间积蓄了更加丰富的科研经验.2009年博士毕业后,他选择到中国地震局地球物理研究所继续开展自己的科研之路.在近8年的工作过程中,陈石不断通过改进和优化陆地高精度重力测量技术,开展地壳介质变化产生的时变微重力信号研究,通过对地表监测到的重力微变化,来计算和反演地壳内部物质状态特征,进而为探索控制地震孕育发生全周期的物理机制提供地球物理依据.
在研究过程中,陈石发现在地球物理领域很多基础理论的创新和前沿都集中在国外.为了能够在研究层面有进一步的提高,并在模型与机理解释方面进行深入探索,2012年,他申请并获得了国家留学基金资助,前往美国密苏里大学地球科学系进行了一年的交流访问,师承国际著名地球动力学家刘勉教授.一年的学习,让他对运用不同的地球物理方法来解决动力学问题,有了更加深刻的认识.针对2015年4月25尼泊尔8.1级地震,他利用震前高精度绝对重力测量获得的时变微重力信号联合G N S S观测结果,通过构建数值模型对地震前的地壳介质变化和区域特征等参数进行了反演,并给予了合理的物理解释,该成果发表在国际著名地球物理杂志Geophysical Research Letters 上.
为了能进一步提高陆地重力观测的数据处理精度,他还曾两次前往日本统计数理研究所进行研究交流.通过统计学和误差分析方法,他与庄建仓博士联合基于贝叶斯原理,重新设计了流动重力数据平差方程.经过3年多的不懈努力,从算法设计到程序编写,最终通过了模拟和实际数据测试,证明了该方法可以有效解决相对重力仪的非线性零漂等问题,可以切实提高重力测量平差的精度.这些经历与孜孜不倦的探索,都为他今后的科研工作奠定了坚实的基础.
科研成果丰硕
成功往往是量变引起质变的过程,而陈石也始终坚信着只要坚持不懈地在这一方向上进行探索,就能创造出理想的科研成果.多年来,他一直选择围绕地震问题开展微重力学研究,这个研究方向在国际上并非热门领域,除了地震局有人开展相关研究外,几乎再难找到同行,想要申请到国家级课题更是困难.
2012年,陈石申请并幸运地获得了国家自然科学基金青年科学基金项目资助,开展了题为“强震之前重力场特征及其震质中的估定”的专项研究,并和其课题组成员围绕该问题展开了一系列的深入探索.
在这一研究中,他们在现如今的科技手段不能准确对地震进行预报的背景下,围绕2008年汶川8.0级地震和2013年芦山7.0级地震为代表的震例,对地震前后重力测量数据进行了仔细“解剖”,他们发现在这些地震发生之前确实存在一定程度的区域性重力场微变化现象,从物理机制上,他们继续引用并完善了“震质中”概念模型,进一步分析这种震前重力变化与地震的关系.陈石说：“对“震质中”的估定是因为在地震之前地壳内有会有区域发生一定的“物质运移”,科学家们在地表对重力变化进行测量后,其重力变化最大的地方就会和质量变化最大的地方相对应,通过研究两者之间的关系就有可能在地震前为判断发震地点提供物理依据.”他们就是通过这种方法,采用“以场求源、场源结合”的思路对重力测量数据进行深入研究,并优选合理的物理机制对这种重力场变化进行解释.
现如今,中国在重力观测仪器装备上已经有了质的飞跃,而陈石所在的课题组也在国家自然科学基金、国家地震科技支撑计划、基本科研业务费等项目的资助下,装备了精良的重力仪器,他们现已设计出了一种新型的“场地微重力综合观测系统”,可聚焦潜在的发震构造位置,提取深部场源重力信号,为研究深地壳介质变形和可靠地震前兆信息,提供物理观测支撑.这一切都为陈石及其团队接来下的研究之路,增添了极大的自信.
克服困难 执着向前
科学研究中困难无处不在,而团队是让陈石不断向前的动力.现如今,他所在的由8位成员所组成的重力学方法研究课题组,正是其进行科研工作的中坚力量,团队成员们对于围绕地震问题开展微重力相关科学研究均抱有很大热忱,与他们一起进行科学研究,陈石倍感踏实.
可持续性的科学研究,离不开人才的培养,在培养学生方面,陈石一直提倡“兴趣是最好的导师”,他坚信：学生只要通过精心培养都能够得到成长.在如今浮躁的科研环境下,他时刻提醒学生要明白做科研的意义所在,不要盲目跟随所谓的热点,要坚持自己的方向.此外,他还希望学生能够走到实践中去,清晰地知道观测数据如何获取,有哪些不确定性存在,了解当前国内外研究的热点和难点,找准科研方向,不随波逐流,只有这样才能让自己真正地置身到科研世界中去.
现如今,在陈石团队所做的科研工作中,首要解决的问题是对重力信号进行精确的测量,想要完成这一工作,精密的重力测量仪器是必不可少的.但是,重力测量仪器十分昂贵,测量相对重力的仪器至少要一百多万元,测量绝对重力的仪器要三四百万元,且目前中国现有的绝对重力观测设备屈指可数,为了克服这种困难,陈石和其团队成员一直在通过优化的观测系统,改进数据处理方法,最大程度利用课题组已拥有的仪器资源,为获取更更加精准的高精度重力场变化信号而努力.
事实上,开展地震预测相关的科学研究所遇到的困难远不仅于此,从上世纪90年代就有科学家在Science 上发表文章称地震是不可预测的.从而,在国际上也就掀起了地震预测非常困难的舆论风潮.与日本、美国等的震情不同,中国发震构造复杂,地震形势严峻,小震巨灾,防灾减灾任务艰巨.开展具有诊断性的地震物理前兆探索,刻不容缓.但是,在中国开展与地震预报相关的研究课题来源相对较少,项目的前期投入与见效程度长期以来也不能令人满意,很多人也对此逐渐失去了信心.不可否认的是,在中国地震局几十年的研究经验中,对于诊断性地震前兆现象的探索也取得了一些有价值的发现,随着观测仪器精度的提高,也使科学家们能够观测到更多的现象,对于未来的地震观测道路,陈石及其团队成员们仍保有着极大的信心.
时光飞逝,从事科学研究多年来,陈石感触良多.他始终认为做科研是以兴趣驱使的,既然选择了就不应轻言放弃,虽然在这一路上人来人往,但他却一直在坚持着并将此作为自己的信念与追求,不忘初心.“锲而不舍,金‘石’可镂”,这便是对陈石科研之路的最好诠释.科
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