张海明：把脉地震 永不止步

刘贺

2008年汶川地震、2010年玉树地震、2011年日本大地震……近年来地震频发，给人类造成了不可估量的灾难和损失。而地震往往在没有预兆的情况下突然发生，大地摇晃，地裂房塌，甚至摧毁整座城市。地震之后的火灾、水灾、瘟疫等严重次生灾害更是雪上加霜。

能不能对地震作出预报？目前，这对人类仍然是一个巨大挑战。因为在现有的科学水平下，还不可能对多数破坏性地震作出预报，但也并非束手无策，在对既往发生地震的物理过程进行充分研究的基础上，人类还是可以从中发现某些规律，并对未来可能发生的地震的行为作出某种程度的预测。北京大学地震学副教授张海明一直耕耘在震源研究尤其是震源动力学研究阵地中，以期在不可避免的天灾中赢得主动权。

着眼地震动力学研究

张海明1994年考入北京大学进入地球物理专业学习，随后在北大地球与空间科学学院硕博连读，接着进行博士后研究。随后在中国科学院研究生院（现中国科学院大学）任教近3年，2009年通过竞聘回到母校任教。毕业后的十几年来，他一直在国内教学和科研的舞台上默默耕耘。虽然没有出国深造，但北大相对自由的学术氛围，可以让自己根据兴趣进行深入研究，张海明投入了大量精力在震源动力学方法研究上。通过多年的探索专研，他的研究成果已达到国际水平，发表了多篇国际期刊论文，并得到了国外同行的认可。

张海明非常感谢自己的研究生导师陈晓非院士。陈院士多年的指导带领他走进了理论地震学研究的广阔领域，并且潜移默化地对他的教学和科研态度产生影响。他多年关注于一个理论问题并深入研究的风格与导师的影响密不可分。

在陈院士的指导下，张海明在理论地震学研究领域一日千里，取得了很大进展。“研究生早期阶段我主要是做合成理论地震图的相关研究，也就是根据地震波传播的理论，把地震图计算出来，这是进行地球介质结构反演和震源物理研究的基础。后期我主要是进行震源动力学的研究，也就是从动力学角度研究震源的破裂过程。”张海明的博士论文研究的课题是“发展边界积分方程方法进行地震动力学破裂过程的数值计算”。在这之前的相关研究都是基于无限空间的模型，而他把研究范围拓展到了半空间的模式，这样可以精确的包含地表和断层破裂之间的耦合效应，对于破坏性的浅源大地震的研究非常重要。这是一个艰苦的研究过程，最终能取得突破，是和张海明研究生前几年工作的积累分不开的。

沿着这样的一条科研脉络，张海明有条不紊地展开了关于震源动力学方面的研究。他希望能够通过自己的工作推动震源动力学研究的发展。“直到今天，地震在不久的将来能否被预测还是有很大争议，但明白地震的机理一定是了解地震、做出预警、规避伤害的必须条件之一。我们知道，震源对于地面破坏的影响至关重要，而震源运动学主要是描述震源是如何运动的。如果能够从力的机制上清楚了震源运动的原因，清楚了一个区域中应力的状态如何影响地震震源破裂，就可以一定程度上预测这个区域中断层上未来可能发生的震源的演化状况，从而对地震起到预警作用。”

破坏性的浅源大地震的震源过程往往呈现复杂的特征。断层系统本身的几何复杂性和地表与断层之间的耦合效应是造成这些复杂特征的重要来源。因此，细致地研究这些因素对破裂的动力学传播过程的影响，对于深化关于震源过程的认识具有十分重要的意义。在刚刚完成的国家自然科学基金面上项目“浅源大地震复杂断层系统的动力学破裂传播的研究”中，张海明和他指导的研究生在前期有关运用边界积分方程方法研究震源动力学破裂过程研究的基础上，利用基于Cagniard-de Hoop方法求解的时间域Green函数及其空间导数，结合更适于刻画任意复杂断层系统几何形状的三角形的离散化方案，发展出一种能够精确计算半无限空间中复杂断层系统上震源动力学破裂传播过程的边界积分方程，并开展了半空间时间域Green的一些相关研究，例如，他们从数学的角度给出了Rayleigh波产生的机制并运用渐近分析方法解释了Rayleigh波的性质，取得了丰硕的成果。这为他在今后的科研工作奠定了坚实的基础，在未来的几年中，他们将继续以此为基础，进一步研究实际地震的动力学传播机制。

从超剪切破裂找突破

在采访中，张海明表示，在接下来的科研工作中，会把主要精力放在有关超剪切破裂转化的理论和数值研究领域。

决定地震破坏性的重要因素之一是震源破裂过程中的破裂速度及其变化。快速的破裂通常比慢速的破裂导致更多的地震灾害。而破裂速度的突然改变会导致近场强地面运动中高频分量的产生，对于近震源的地表建筑物来说，这将是造成其损坏的直接原因之一，会造成巨大的社会财产的破坏。地震破裂过程中破裂速度突然改变的典型表现是其由亚Rayleigh波速向超剪切波速的转化。由于这种转化伴随着马赫锥的产生，类似于超音速飞机突破声障过程中产生的激波，将产生更为强烈的地表破坏。

张海明认为，破裂过程中出现超剪切转化需要具备一定的条件。比如，地震断层的规模、震源区的应力状态、断层面摩擦的本构关系等等。其中，地表和断层形状是影响超剪切出现的两个重要因素。“我们的初步研究显示，对于走滑型破裂，地表与断层破裂之间的相互作用将有助于激发次生的超剪切破裂。只有对这些因素的影响有充分的了解，才能够掌握超剪切破裂转化的机理，从而预测对应的地震波辐射场特征，对建筑防震设施的设计才有指导意义。我开展这项研究的目的就在于此，而目前的有效途径就是结合理论分析的数值模拟研究。所以，运用高精度、高效率的数值模拟研究方法开展地表和断层几何形态对地震破裂过程中超剪切破裂转化的影响的研究是我当前震源动力学研究的一个重要课题。”

在前期研究中，张海明已成功地将传统的边界积分方程方法推广到半无限介质中，使得可以精确地考虑地表的影响。在刚结题的面上项目研究中，继续将该方法推广到半无限空间中的复杂断层系统中，而且已经取得重要进展。这些工作基础使得开展地表和断层几何形态对浅源大地震超剪切破裂转化的影响的数值模拟研究成为可能。在这一研究中，张海明计划以目前的工作为基础，进一步开展震源动力学模拟研究，试图了解地表和断层几何形态对于超剪切破裂转化的影响，并尝试根据模拟结果总结出超剪切破裂转化的控制参数。

除了科研工作之外，张海明还把很大一部分精力放在了教学和指导学生上。“我应该是我们学院教学任务比较繁重的老师之一了。”虽任务繁重，但张海明话语中流露出了对教学的热爱。“作为一个北大学生出身的老师，我很清楚，一个好的老师对于学生的重要性。无论学生将来是选择升学、科研、工作甚至是创业，在学生阶段都需要好的老师给他们适当的指导和作出榜样。”

不惧怕困难是张海明的科研态度，他说，整个科研过程是由无数困难、瓶颈组成的，但这也正是科研的乐趣所在：当你跨越每个困难取得成果之后，那种成就感是无法言表的。张海明认为，一名合格的科研工作者不仅要有专业的知识素养，更要有坚韧不拔的毅力，要有持续向前的动力和决心，“这样才有可能体会到困难被克服的喜悦。”而他本人也是这样，在研究中永不止步。