发布时间：2021-05-15所属分类：科技论文浏览：1次
摘 要： 摘要地球物理学在整个地球科学研究与探索中占有重要地位，突破该领域以描述、推断为主体的框架，并逐步向量化或半量化前进确为必然.地球物理学逐步向高精度升华乃深化理解各有关科学问题的时代需求.基于物理学概念，从定义出发促使多学科交叉和不断创新，是
摘要地球物理学在整个地球科学研究与探索中占有重要地位，突破该领域以描述、推断为主体的框架，并逐步向量化或半量化前进确为必然.地球物理学逐步向高精度升华乃深化理解各有关科学问题的时代需求.基于物理学概念，从定义出发促使多学科交叉和不断创新，是地球物理学能否抢占地球科学制高点的核心所在.为此，真正意义上的高精度观测、高分辨率的数据采集和精细结构的刻画构成了高精度地球物理学的基石，是深化理解地球科学中有关壳幔形成、演化问题的深层次的内核.本文通过较系统地分析和研究提出，(1)地球科学研究进程中的定性描述和依据于浅表层过程与现象的推断有待突破;(2)夯实与把握基础科学理论是高精度地球物理学捕获真谛的“钥匙”;(3)高精度地球物理学是深化认识地球本体和逼近彼岸的基石.
关键词高精度地球物理学;多学科交叉;科学理念;科学真谛;发展轨迹
0引言
近年来，在我国的报刊、报道、科学研讨会上出现了一些新名词，即“精准医学”、“精准大气物理”、“精准构造”、“精准地球物理”……等.“精准”就字面而言是表征精细和准确的意思，即量化的，且似具有“终极”之意，它是一个标量.在科学与技术发展的历程上，伴随着科技的进步，对某种现象、问题的理解和认识度是逐渐深化的，即永远是向真谛逼近的过程，这对地球科学来讲的确离“精”、“准”还有相当漫长的路要走，更需不断深化的时序与不断创造.为此，高精度地球物理学的命题应更为适宜，因为高精度是一个不断提升的过程，可视其为一“矢量”
.当然，应当看到不同学科领域对精细程度的需求是很不一致的，如航天、量子通讯、空间实验室对接、空间实验站物资补给、深海下潜与载人深潜不仅要精细而且必须精准;最精细脑链接脑图谱，医学中的眼科与心血管手术，军事目标攻击亦必须精确等等.地球科学研究，特别是认识则必须向高精度“挺进”，以使定性科学、推断科学、或然科学、解不唯一性科学等在不断提升精度的过程中逐向半量化与量化逼近.这些均要求必须夯实基础研究，聚焦科学前沿逐步向高精度迈进，乃是创新和自主创新的灵魂.
面临世界科技大潮，地球科学向何处去，则是人们必须思考的问题.因为地球科学必须突破传统以点带线扩展成面的假设、遐想与推断，即须不断提升精度来达到对问题的逼近理解(滕吉文等，2012a，c，2016a，b，c;滕吉文和张洪双，2012b;滕吉文，2007a，b，c，2008，2009a，b，2010a，b).
地球物理学是地球科学发展与量化的中坚，它从诞生至今其核心是以物理学为基石，以数学、信息科学为手段，并与相关科学门类相结合的一门学科交叉的边缘科学，在本质上是一门应用物理学.它必须以高精度的观测、高分辨率的数据采集和物质属性与空间状态的精细刻画为“链条”，因为它承载着地球内部，即深部物质重新分异、调整，物质与能量交换的轨迹(滕吉文，2003a，b，2006a，b，c，2007a，b，c，2008;滕吉文等，2008a，b).对固体地球物理学来说，它必须精细厘定地球内部物质运动的行为与样式、动力学响应和力源机制.正如德国著名地质学家阿尔冈所言，“地质学的未来是地球物理学”.这便表明，这是高精度的地球物理学与地球动力学乃是时代的需求与发展的必然(滕吉文等，2004a;2006，2008a，b，2016a，b;滕吉文，2004b).
为此，地球物理学必须向高精度不断提升，以达越过地平线去触摸地球内部物质运动的动态脉搏，逐使人们深化对地球本体的认识，并构架起安全、稳定的且可保证长期供给的资源与能源及防范突发事件发生，发展的战略后备基地与监测系统，为人类营造一个良好的生活与生存空间、并实现可持续发展!
当今“上天、下海、入地”乃人类向宇宙挑战的三大壮举(张文佑，20世纪80年代前后提出)，强化第二深度空间金属矿产资源(500～2000m)、油、气能源(2500～10000m)的探查、开发和利用乃是构筑我国快速工业化和经济腾飞的命脉(滕吉文等，2006，2010)，因为在这个世界上若没有大量资源和能源的消耗则不可能创造今天的文明，也无法实现建设世界科技强国的宏图.
1当今科学发展的势态与地球科学研究的现状有待突破
科学、技术的发展必须向量化“挺进”，这是时代前进步伐的需求，也是一门科学走向成熟的标志.正如马克思所说“一门科学只有在成功地运用数学时，才能达到真正完善的地步”
.1.1当今科学发展的势态
进入21世纪上叶以来，在世界科学发展的征程上越来越要求量化和高精度.这就要求必须未来不断地创新，方能抢占学科领域的制高点.
(1)科学的高精度升华已成为世界科技发展的必然轨迹
我国在火箭发射、载人飞船、量子通讯、空间实验室诸多方向取得了非凡的成就，天宫二号的成功发射与神舟一号的空间对接，且在轨开发一定规模的空间科学实验及应用.它蕴含了微重力基础物理、微重力流体物理、空间材料科学、空间生命科学、空间天文测量、空间环境监测、对地观测、地球科学研究以及新技术实验等八大领域.这次空间实验室搭载的空间冷原子钟，采用激光冷却铷原子并与微波相互作用，有望实现3000万年时间内仅有一秒钟误差的精度，可使飞行器自主守时的精度提高两个量级.显然，量子通讯卫星的成功发射乃导引我国进入空间科学强国之径，这便标志着我国载人航天进入空间应用发展的新阶段!空间实验室的创建孕育着航天事业的重大突破，又如电子态全新电子器件的研发，将会有颠覆性的创造，它预示着手机今后无需充电了.
(2)精度的提升是创新的硕果
当今我国正处在科技迅猛发展的新时期，在各个科学领域创造了一系列的非凡成果.下面仅举一、二个精度不断提高的实例.
华中科技大学最精细脑链接图谱数据居于世界领先地位，这项研究可分辨出人类脑部的每一个生命源、每一个毛细管，它对人的脑功能、智力发展均有着极为重大的作用.当今的科学界正在由或然向精细化迈进，特别是与人的生活和生存关切的对人眼、脑、心、肺等器官的诊断与手术正在一日千里的前进.
蔚蓝色的海洋是生命的起源和繁盛的摇篮，也是人类繁衍生息的家园，海洋生物、海洋资源与能源、海洋与大气、海洋与军事和国防等等关系着资源、财富和国家领土完整.我国深海下潜技术的迅猛发展，为我国向深海、公海“挺进”所需要的精细下潜，提出令人瞩目的海底蓝图.
这一系列的学科进展和成就乃精度不断提高的产物，是科技创新的硕果.
1.2在向高精度迈进中的地球科学研究现状
就地球科学整体而言，距“精准”尚有一段相当漫长的路要走，距高精度与不断量化亦尚有一段相当长的距离，即因为整个地球科学远远未能达到半量化或者量化.
(1)地质学.地质学具有古老的传统和历史、且分支学科众多，是一门包络甚广的学科.它是依据地表的派生现象的调查及局域的认识，进行想象与逻辑推断以描述为主体的一门定性科学.在年代测量上误差可为几个Ma到几十个Ma乃至更大，是相当宏观尺度上的推定.例如所言第四纪以来的活动，即是指1.8Ma以来的构造运动，故难以表征强烈地震的近期活动与预测.在对地层时代的理解上，乃是依据不充分的、或不够充分的边界条件来判定或估定.当今整体上是通过锆石测年，或与世界各地地层的层序与时代的对比给予分析与判识.为此，在地质构造学界有八大学派，如多回旋、地洼、镶嵌、重力、断块、板块等，且各成体系，而其论点与论据亦各异、理念亦当必不同.
(2)地球物理学.地球物理学的分支亦很多，乃是以多元物理场为基石的一门新兴的边缘科学，自20世纪上、中叶才蓬勃发展起来.它是以物理学为基础，以数学、信息科学和当代高新技术为依托深化认识地球本体.为此，它必须进行高精度的观测(包括地表、空间、海洋和井中)，采集海量的高分辨率数据，刻画地球深部介质的物理属性和精细结构.由于它是在强干扰背景下去拾取微弱的目标信息，故必然地注入或叠加了某种程度的干涉.同时，各分支学科的分辨率不同，不可等量权重，故其解亦难趋唯一.这就必须在基于所得数据的前提下，进行多元地球物理场的综合研究以取得共识的响应逼近.
相关期刊推荐：《地球物理学进展》(双月刊)1986年创刊，主要报道国内外地球物理学研究的最新进展和成果，探讨地球物理学的发展战略，评价地球物理学科的现状和发展趋势。设有：固体地球物理、地球物理勘探、工程环境地球物理、简报等栏目。
产生这种响应的原因是，上述观测与采集的数据中包含了一定的误差，如壳、幔结构研究的地震层析成像中，所拾取的震相有十分可靠的信息、较可靠的信息、不太可靠的信息乃至错误的少量信息，在成像后的图像中便包含了以上有关错误信息，并导致图像中的非完全真实图像，可又难于从已取得的图像中剔除.又如在石油地震勘探和壳、幔结构研究中的反射地震，由于得不到精确的速度值，往往是取其速度谱的均值，这当必影响归位并可能导致成像中的必然干扰与误差.在成像后的不确定性中还包括一系列的更难以剔除的本征要素，如观测仪器分辨率不够造成的模糊映像和假象;初始条件、边界条件的不确定性，加载在难以提取的初始模型上;在天然地震观测中不仅地震波的射线路径漫长、穿越多相介质与构造，而是只知接收函数却不知源函数，只利用了上行波(高速到低速介质)而未能应用下行波，以及同一份数据不同人去做、提取频散或用不同方法去反演多会得出差异较大的结果;复杂多波波场(除P波、S波和转换波外，还有绕(衍)射波、侧面波、各种多次波等)难以“干净”分离;反演方法和不同地球物理场所获物理量的不匹配和人为干预参入了模型构建等.
有不少地球物理学家在理解和解释地球物理反演结果时，往往先验地、且严重地受控于地表地质与构造现象、结果及假设推断的“限定”，而不是从地球物理场的精细反演中，在不依赖于浅表层响应和先验性模型的情况下给出地球物理解释，这不仅会误导地球物理学家本身，同时亦会让地质学家给予错误的理解.当今有人说，地球物理研究花钱多、周期长、见效慢、没有用，与地质学中设想的模型不符;也有人说，胜也物探，败也物探(原石油工业部长汪涛);也有人说多做物探，少打“眼”(中石油)等等.在某些领域，在采用国外提出的一些模型正演时还好，可反演时往往差之千里.这表明国人对这一系列引进模型的理念、方法、技术和边界条件尚缺乏透彻的理解和质疑，更缺乏理性的批判和自主创新理念的体现.这便雄辩地表明，地球物理观测与所求得的结果精度尚不高，显然当必限定了对介质物理属性和空间结构的量化厘定.
2高精度地球物理学是厘定量化认识的根基
当今地球物理学(其中当必包括地球动力学)承载着强化第二深度空间矿产资源和能源的探查和开发;强烈地震孕育、发生和发展的深部介质物理属性和结构及构造环境的认知;厘定成山、成盆、成矿、成岩、成灾、成核和深化认识地球本体;理解在力系作用下深部物质重新分异、调整和物质与能量的交换的研究与探索，因此必须要求地球物理学具有高精度的逼近解答.可这的确并非是一易事，而是必须在理念上、方法上、技术上高度融合和创新的进程，方可逐步得到升华.
2.1地球物理学应具有高精度的观测、高分辨率的数据采集和精细结构的正确刻画
高精度地球物理学必须满足高灵敏度、抗干扰性强，且稳定性良好的仪器精细观测，剔除随机干扰的高分辨率信息的数据采集，高精度样本物性数据测量和正确反演方法的计算与成像，以取得精细、且解答基本趋于唯一的介质属性和结构展布.
(1)创新理念.在地球物理学的发展与进程中，不仅要深化本学科的研究和探索，而且要多元吸取相邻学科的高新科技成就，以构成新的理念和范式.这就必须在吸收和理性质疑的框架下凝练出创新性的科学问题，提出科学的、具超前思维的论点和论据，以形成引导本学科不断前进、并抢占制高点的崭新理念或定则.
(2)仪器与设备的自主研发.高精度地球物理学的奋进当必催生新型高精度地球物理观测仪器，实验设备的自主研发(滕吉文，2005，2006d，2009b，2010b)，高精度地球物理学的基础是能否获得海量的精确地球物理实地观测数据.物理参量的精确化或新物理量的提出与发现乃地球物理学能否达到高精度的核心所在.这是因为地球物理学在本质上是一门观测的科学，必须采集巨量的数据并进行相应的处理以提取介质结构与属性信息，因而可靠信息与信息量的缺乏和不足则是任何数学技巧和图像显示所无法弥补的(滕吉文，2003a，b，2004b;滕吉文等，2004a).
这里应当特别指出的是，正如孔夫子所言：“工欲善其事，必先利其器”(论语).法拉第的导师戴维(HumphyDary)亦指出，“最好的科研成果无不取决于好的仪器发展”.这也与两军作战一样，一个好的司令官在战前必须“车马未动，粮草先行”.
所以说，一种新理念指导下的观测与探测仪器及设备的雏形，一个新物理量的提出和应用、一个参数精度的提高，不仅会大为促进这一学科的发展，而且往往还可能驱动开辟一个新的科学领域(滕吉文，2006a，b，c，2009a;滕吉文等，2016a，b，c).
为了适应地球内部第二深度空间的油、气、煤能源和金属矿产资源的勘查、开发和利用，提出精细可靠的壳幔结构等则必须突破原有框架，自主研发出大深度、高精度、稳定性强、抗干扰能力强、高灵敏度和高分辨率与大动态范围、智能化的新型地球物理仪器和设备.
(3)高精度的数据采集需要科学的观测系统设计
高精度的观测系统与高分辨率的数据采集密切相关，因为对其设计与实施是能否取得高质量数据的关键所在.以地震勘探和地球内部探测为例，观测系统设计应为相遇、多重相遇、追逐、多重追逐的组合阵列，以达能在互换点上提取速度、深度、时间、射线路径、频率和能量的互换与相叠置，即达到地震波传播的运动学和动力学特征的复合验证.为此，只有严格地遵循这一路线图方可谓高精度的观测，高分辨率的数据采集和反演成像.显然，若爆炸点距大于或远大于震相的追踪长度，那么不管你用任何方法去反演都不可能取得可靠的精确认识，也不可能获得高精度的介质物理属性和对空间结构的精细刻画.
2.2理论、方法的深化研究和探索是迈向高精度地球物理学的必由之路
强化学科交叉和创新在科学研究发展进程中十分关键，扎实的基础研究乃是建立正确理论、构筑新的科学方法的核心，严格、可靠的数据采样处理是地球物理学向高精度迈进的必由之路(滕吉文等，2012a，c;滕吉文和张洪双，2012b).
(1)地球介质属性的必然性.地球物理学研究的对象是地球内部各圈层的介质属性和空间结构与其深层过程，它们多为非均匀的、各向异性的和非完全弹性体.在至今的不少部门仍然多将介质视为完全弹性、无限均匀的和各向同性的且从声波方程出发，这对地球介质与结构来讲是极大的“简化”与近似.因此，在这种前提下所依赖的边界条件和提取的初始模型就不可能是多元要素约束下的逼近模型.
(2)对地震震相或波列的科学定则.必须严格地从地球物理学的原理和定义出发，这是理性深化的基石和不可逾越的界定.
在人工源地震宽角反射/折射探测中，有一些部门将由此而呈现在记录中的一系列震相统称为“折射波”，并在口头报告、论著、项目或课题报告、总结中乃至评审意见中不断出现.在宽角反射的诸震相中有Pg，P1，P2，P3，…，Pm，Pn，这里Pg为来自结晶基底的折射波或弱回折波，P1，P2，P3，…，Pm全为反射波，只有Pn为来自壳、幔边界的折射波或回折波.显然将其称为“折射波”当然是不符合物理定则的，精准的定名应为“反射/折射”为宜.
(3)地球物理学中有关地震方法的定义必须精确，译名必须有物理内涵
近几年来有不少地球物理学者在他们的论文、科研报告、项目申请书、报奖材料中常见有“主动源地震”和“被动源地震”之称，似乎在我国已获得“共识”，究其来源乃为在个别外国人的文章中提及“Active”和“Passive”地震之称.不管中国人也好外国人也好，将人工源地震勘探和深部壳、幔速度结构探测称为主动源地震，即其意为可按科学目标设计激发源点和接收点.把天然地震称其为被动源地震，即是想突出它不受人为控制的波场.显然这是不够全面和不尽准确的，这样的定义或翻译都是欠妥的.
第一，名称的科学内涵，将“Active地震”翻译为主动源地震，将“Passive地震”翻译为被动源地震抛弃了地球物理界对其的科学定名，认为其新颖性是欠妥的.因为它们不具备明确的物理意义和业内外人们共识易懂的科学内涵.持主动源地震者主指，研究者为达到设定目标所设计的爆炸点距、点位和观测系统以进行所激发地震波场的有序观测，而将天然地震激发的地震波场称为“被动源地震”，即为人们所无法控制的地震波场响应.
第二，要严格内涵并准确定义.应当指出的是，在人工源地震中，不仅包含为了某一科学目而设计的爆炸点位、点距所控制下的观测系统，而且还包括核爆炸、大型工业爆炸等，而后者则不是地球物理工作者所能设定的爆炸点与爆炸点间距、点位和观测系统，以及何时爆炸激发地震波场而是人们必须受制于它，不属所谓的“被动源”.又如弹药库爆炸，由于负荷过载而导致厂房、坝基、水库崩塌、山体滑坡等激发的地震波场等均不是地震活动与危险区产生的地震，而完全是由于施工欠佳、老化、过载导致的，故不应属于“天然源地震”范畴.所以说“主动源地震”和“被动源地震”缺乏明确的物理内涵，更未能包括上述各种事件，故在科学上是不严格的.——论文作者：滕吉文
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