肖貞林

地球物理學(xué)是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的基礎(chǔ)學(xué)科，它的研究成果支持著眾多在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中具有重要意義的產(chǎn)業(yè)部門或高科技領(lǐng)域。例如，勘探和開發(fā)利用石油與天然氣、預(yù)測與預(yù)防（或防治）諸如地震、火山等自然災(zāi)害，保護(hù)與監(jiān)測地球生態(tài)環(huán)境，保障航天飛行安全等。為應(yīng)對石油儲備戰(zhàn)略，解決一系列嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)性問題，地球物理學(xué)家正積極投入研究，同濟(jì)大學(xué)海洋高等研究院馮波研究員就是其中一員。

馮波參加2018年SEG（國際經(jīng)濟(jì)地質(zhì)學(xué)家協(xié)會）國際會議

攻堅克難 行走在創(chuàng)新前沿

同濟(jì)大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院坐落于上海市四平路1239號，穿過熱鬧的學(xué)校大門和廣場通道，一座嶄新的海洋樓安靜地聳立在校園一角。在青翠色樹木的映襯下，通體雪白的樓體顯得生機(jī)勃勃。

馮波在這里有一間辦公室，屋內(nèi)陳設(shè)不多，但都擺放得整整齊齊。尤其顯眼的是，辦公桌后面的資料柜里擺放著滿滿當(dāng)當(dāng)?shù)母黝悤脱b訂成冊的專業(yè)文獻(xiàn)。

“我國石油的對外依存度早就超過了60%！石油作為戰(zhàn)略資源的重要性不言而喻?！辈稍L剛一開始，馮波就說出了資料堆積的根本原因，“勘探地震學(xué)作為一門應(yīng)用性學(xué)科，就是要為資源勘探提供理論指導(dǎo)的?！苯?jīng)過多年的地震勘探，地下構(gòu)造簡單的油氣藏早已勘探完畢，剩下的都是難啃的硬骨頭。而要啃掉別人都沒啃下的硬骨頭，提高油氣資源的探明程度，需要在基礎(chǔ)研究方面不斷向前推進(jìn)。

但馮波偏偏不怕啃硬骨頭。學(xué)生時期，他從山東考生中，一躍考入同濟(jì)大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院地質(zhì)系。大學(xué)期間，他始終保持全院第一的優(yōu)異成績。大二結(jié)束后，班主任楊鍇教授看中了他數(shù)學(xué)和物理學(xué)方面的扎實基礎(chǔ)，于是推薦他轉(zhuǎn)入地球物理專業(yè)，做基礎(chǔ)性理論研究。在地球物理系學(xué)習(xí)兩年后，本科畢業(yè)時，馮波獲得了同濟(jì)大學(xué)優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計獎。

2007年，馮波被保送至同濟(jì)大學(xué)地球物理系讀研究生，師從地震成像領(lǐng)域的著名學(xué)者王華忠教授。2009年年初，因為表現(xiàn)優(yōu)異，他提前獲批攻博。博士畢業(yè)后，他的學(xué)位論文獲同濟(jì)大學(xué)優(yōu)秀博士論文獎，不僅如此，在同濟(jì)大學(xué)110年校慶之際，作為110篇優(yōu)秀博士論文之一，他的博士論文入選同濟(jì)博士論叢并被同濟(jì)大學(xué)出版社正式出版。

縱然如此，馮波的讀書生涯也并非一直順風(fēng)順?biāo)皇撬麖牟蝗薄翱杏补穷^”的勇氣。他啃的第一個硬骨頭就是博士研究課題。當(dāng)初，博士研讀，別人3年就畢業(yè)了，而他整整用了6年。據(jù)馮波介紹，研究生前3年，他跟隨導(dǎo)師在地震勘探代表性方向做訓(xùn)練。在此期間，他對地震勘探研究方向有了較為全面的了解，并逐漸確立了自己的研究方向?！拔业牟┦空撐闹饕貌▌臃匠谭囱莸叵陆橘|(zhì)的速度結(jié)構(gòu)。通俗地講，就類似于醫(yī)學(xué)上通過C T來檢測人體器官病變，我的研究也是利用波動方程對地球做C T，利用地表觀測的地震信號去推測地表下巖石的幾何結(jié)構(gòu)和物性參數(shù)。”

然而波動方程解是速度場的非線性函數(shù)。馮波介紹說，論文所研究的問題是從（地面）觀測到的地震信號，重建地下三維速度場。從數(shù)學(xué)上講，這是一個典型的非線性反問題。然而對于大規(guī)模的強(qiáng)非線性反問題，目前數(shù)學(xué)上尚未發(fā)展出有效的數(shù)值求解方法。所以，如何處理強(qiáng)非線性反問題成為論文研究的關(guān)鍵。

為此，馮波探索了很久，但始終收效甚微。他苦悶地說道：“雖然系統(tǒng)的文獻(xiàn)調(diào)研和國際學(xué)術(shù)會議的參與，讓我對不同學(xué)派的學(xué)術(shù)思想及其局限性了然于胸，但相當(dāng)長一段時間內(nèi)，仍然苦于提不出一套自己的解決方案，只能復(fù)現(xiàn)別人的工作，這讓我十分沮喪。”

博士選題的卡殼，讓馮波的研究一度中斷，也走了很多彎路。這也側(cè)面證明，他攻讀地球物理學(xué)博士學(xué)位的道路上，還有很多高峰需要征服。尤其是原創(chuàng)性研究，是博士階段的挑戰(zhàn)，也是優(yōu)秀博士最直接的證明。在導(dǎo)師的建議和指導(dǎo)下，馮波又花了近兩年時間消化知識，并慢慢整理出自己的研究思路和見解。“我逐漸知道問題該從哪個地方入手，如何一步步解決。”

馮波的導(dǎo)師王華忠教授曾指出，建立地震信號的主要特征與模型主要結(jié)構(gòu)特征的映射關(guān)系，是解決反問題的根本。因此馮波想，既然數(shù)學(xué)上沒有完美的解決方法，那就從物理角度出發(fā)，尋找合適的求解思路。這次馮波沒有再一根筋地硬碰硬，而是轉(zhuǎn)換研究思路，基于地震信號波場特征及其控制方程，將強(qiáng)非線性反問題拆解為一系列凸性較好（即相對更容易求解）的子問題，降低原問題的求解難度從而逐步逼近最優(yōu)解。

在跨越了研究障礙后，馮波的研究開始穩(wěn)步向前推進(jìn)，直至讀滿6年博士。雖然比別人多花了3年時間，但這6年的“脫皮”磨礪，也讓馮波的知識系統(tǒng)更加完整，解決問題更加獨立。

“說實在的，對于博士論文，我還是抱有莫大遺憾的。因為在實用化方面，直至博士畢業(yè)都尚未提出令人滿意的解決方案?！彪m然論文送審一次通過，但追求完美的馮波顯然并不甘心。后來，在美國加州大學(xué)圣克魯斯分校進(jìn)行博士后研究的第一年，他通過和合作導(dǎo)師吳如山教授的不斷探討，終于在波動方程反演實用化問題上取得了實質(zhì)性突破。

“很感謝我的合作導(dǎo)師——歐洲科學(xué)院院士、加州大學(xué)圣克魯斯分校模擬與成像實驗室主任吳如山教授。在與吳教授的多次討論中，我在地震信號特征表達(dá)的基礎(chǔ)上，通過擴(kuò)展成像條件在成像域間接測量反射地震信號運動學(xué)差異性，繞過了在數(shù)據(jù)域直接測量反射信號差異性的這一難點，使得之前困擾我的實用化問題，一下就迎刃而解了?！瘪T波高興地說。

除了了卻博士遺憾，在博士后工作期間，馮波還提出了適用于描述地震信號在強(qiáng)擾動介質(zhì)中前向散射傳播的廣義Rytov近似理論。

馮波介紹說，經(jīng)典的波動方程非線性反問題依賴于波動方程線性化近似，因此要求初始解必須非常接近真實解才能保證反問題收斂。傳統(tǒng)的波動方程線性化近似通?；谝浑AB o r n近似（即弱散射近似），要求模型參數(shù)擾動量及異常體的尺度都非常小。然而這樣的要求在實際應(yīng)用中是非?？量痰模虼私?jīng)典的波動方程反演理論難以實用化。

“這就導(dǎo)致高端的理論解決不了實際問題，而能解決實際問題的理論，精度又不高，達(dá)不到現(xiàn)在勘探目標(biāo)的需求，因此我要解決的問題是，如何在先進(jìn)的理論和實用之間架起橋梁，讓高端的理論能夠真正解決實際問題。”苦思冥想后，馮波的研究思路是直接處理散射波相位擾動，將波動方程Rytov變換得到的非線性Recatti方程引入前向散射波場的WKBJ近似，從而得到了一種新的波動方程線性化近似形式：即廣義Rytov近似。因無須模型參數(shù)小擾動假設(shè)，廣義Rytov近似克服了“弱散射近似”的制約，大幅降低了波動方程反問題對初始模型的依賴性。

憑借這項基礎(chǔ)性研究成果，回國之后，馮波成功拿到了國家自然科學(xué)基金面上項目。

“當(dāng)然，我在地震波散射方面取得的基礎(chǔ)性研究成果，與吳老師的指導(dǎo)密不可分。在我提出解決思路后，吳老師憑借扎實的物理功底，對方法進(jìn)行了進(jìn)一步理論升華，這才有了用于探索強(qiáng)擾動介質(zhì)中的強(qiáng)非線性反問題的求解思路。”馮波謙虛地說。

積蓄力量在速度建模領(lǐng)域華麗綻放

在美國加州大學(xué)圣克魯斯分校結(jié)束訪學(xué)后，馮波選擇回國。他認(rèn)為，石油勘探行業(yè)，從大的方面講，可以提高我國油氣資源的探明度，降低石油對外依存度；從小的方面講，能夠?qū)崿F(xiàn)自我價值?！八宰鳛橐粋€中國人，必須要為中國的科研事業(yè)奉獻(xiàn)一份自己的力量?！?/p>

在同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國家重點實驗室，馮波所在的研究團(tuán)隊——波現(xiàn)象與智能反演成像（WPI）研究組主要致力于解決我國油氣勘探領(lǐng)域（特別是地震信號分析和反演成像）中“卡脖子”的關(guān)鍵理論和技術(shù)問題。研究組由馮波的導(dǎo)師王華忠教授創(chuàng)建，目前研究組有教授2人、研究員1人、博士研究生13人、碩士研究生5人，人才力量雄厚。

馮波介紹說，勘探地震主要是從觀測得到的地震數(shù)據(jù)，推測地下介質(zhì)的巖性參數(shù)甚至含油氣儲層參數(shù)。整個地震資料處理的流程很長，其中最重要的就是參數(shù)建模（主要包括縱橫波速度、各向異性參數(shù)等）。因為有了相對準(zhǔn)確的宏觀模型，才能實現(xiàn)精確的地震成像，才能方便地質(zhì)學(xué)家判斷含油氣儲層的埋藏位置。

在整個勘探領(lǐng)域，與國外相比，國內(nèi)學(xué)者的研究成果與國外差距很小，但在原創(chuàng)性和實用化兩方面仍有一定差距。馮波解釋說，國外知名研究組都有自己明確的學(xué)術(shù)導(dǎo)向，而國內(nèi)很多高校和研究單位雖然第一時間實現(xiàn)別人的成果，并進(jìn)一步展開深入研究，但仍然缺乏原創(chuàng)性的研究成果和學(xué)術(shù)理念。此外，國外石油服務(wù)公司會把理論轉(zhuǎn)化為成果，即商業(yè)軟件產(chǎn)品，而在國內(nèi)，發(fā)表文章的學(xué)者很多，但真正能轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用的成果卻不多。“所以，既然選擇了這個專業(yè)，就要解決原創(chuàng)和實用性問題，讓研究成果真正服務(wù)于社會，才能做到心滿意足?！?/p>

在原創(chuàng)性科研原則督促下，馮波提出了高效的地震波場逆時重建方法。他介紹說，震源波場逆時重建方法無須存儲整個地震波場，只需要在存儲數(shù)值邊界處的地震波場，即可實現(xiàn)震源波場的精確重建。借助該方法，波動方程逆時偏移和波動方程速度反演等依賴波場逆時傳播的方法得以高效實現(xiàn)。目前，該方法已被收錄于主流期刊Journal of Geophysics and Engineering，并被廣泛引用。

在實用化問題上，他還提出了基于高維地震信號特征表達(dá)方法的反射波層析速度建模理論，通過自動提取地震信號的運動學(xué)特征，實現(xiàn)全自動化的反射波速度建模。結(jié)合原創(chuàng)性的“廣義R y t o v近似”理論構(gòu)建波動方程敏感度核函數(shù)，為探索強(qiáng)擾動介質(zhì)中的波動方程強(qiáng)非線性反問題求解提供了一種新的研究思路。該研究成果作為特邀報告參加了2018年國際研討會（“Seismic-Wave Scattering, Imaging and Inversion”International workshop，July 19-21，2018），并隨后在業(yè)內(nèi)主流期刊上發(fā)表一系列原創(chuàng)性文章。

“在研究生涯中，導(dǎo)師王華忠教授做學(xué)術(shù)做科研的態(tài)度對我影響很大?！瘪T波介紹說，他鼓勵學(xué)生探索問題，不迷信學(xué)術(shù)權(quán)威；要求有獨立思考的能力，不人云亦云，一定要問自己“你認(rèn)為，這個問題應(yīng)該怎么解決”，而不是一張口就談別人的解決思路，要有自己的思想和判斷。

“所以從青年基金到面上基金再到浦江人才計劃，這3項研究具有明顯的延續(xù)性，它們共同解決速度建模不同階段的問題?！睆某跏妓俣冉５街猩顚臃瓷浣Ｔ俚綄拵Ы?，馮波在既定的方向上穩(wěn)步向前推進(jìn)，不斷解決速度建模領(lǐng)域中的瓶頸問題。

與導(dǎo)師王華忠教授（左）在2019—SEG年會會場門口的合影

研究無止境 未來不設(shè)限

馮波說：“當(dāng)你有能力的時候，你就要承擔(dān)自己的社會責(zé)任?！彼韵乱徊剑麑嵭小皟芍荒_”并行戰(zhàn)略。一方面是將先進(jìn)的理論方法向?qū)嵱没七M(jìn)，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級；另一方面是將近年來火熱的人工智能方法應(yīng)用于石油勘探領(lǐng)域，推進(jìn)當(dāng)前的地震波速度反演技術(shù)體系向“自動化”和“智能化”的轉(zhuǎn)變，解決我國地震勘探領(lǐng)域（尤其是高精度速度建模）中“卡脖子”的關(guān)鍵技術(shù)，促進(jìn)油氣資源的新發(fā)現(xiàn)。

“未來，我的主要工作還是將在國外取得的研究成果服務(wù)于國內(nèi)的油氣資源勘探，當(dāng)然如果有能力，也希望可以把我們的影響力輸出國外?！瘪T波暢想道。

“科研中最大的樂趣莫過于你解決了別人解決不了的問題。目前而言，每個領(lǐng)域或者研究方向存在的問題，做過一段時間文獻(xiàn)調(diào)研的人都了解。但是誰能提出解決方案，就要看個人的積累了，比如你的知識結(jié)構(gòu)、悟性，甚至機(jī)遇等?！笨蒲懈叻搴芏?，難啃的硬骨頭也很多，但馮波并不畏懼；相反，他正像一個精力充沛的獵手一樣，瞄準(zhǔn)獵物，等待時機(jī)，進(jìn)行一場硬碰硬的對決。