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一步一个脚印 探秘“地球运动”

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2017-12-25 16:13  来源:科技日报   
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  一步一个脚印探秘“地球运动”——记中国科学院大学地球科学学院研究员李忠海

  人物点击李忠海,中国科学院大学地球科学学院研究员,博士生导师。主攻地球动力学数值模拟方向,以理论计算和软件程序开发为基础,以大尺度数值模拟为主要手段,以大洋俯冲至大陆碰撞的动力学过程为研究对象。现已开发数值模拟软件一套及可视化软件数套。2005年本科毕业于同济大学海洋地质系;2010年博士毕业于南京大学地球科学系;2007—2009年,苏黎世联邦理工学院(ETH),地球物理系联合培养博士;2010—2012年,法国国家科研中心(CNRS),流体力学实验室(FAST)博士后。中国地质调查局第三批“青年地质英才”;中央组织部第五批“青年千人计划”;国土资源部第二批“杰出青年科技人才”;2016年获国家自然科学基金“优秀青年科学基金”。

  -聚焦

  2017年11月28日,位于印度尼西亚巴厘岛地区的阿贡火山发生了自21日以来规模最大、持续时间最长的喷发,造成十多万名国际游客受到影响。

  事实上,不论是火山喷发,还是地震频发,或是南北极磁场的变化,以及大陆板块的运动漂移,这些都是隐藏在地球深处的内部运动在地表形成的表象,它们也时时刻刻影响着人类的生产和生活。

  如何探究地球深部的运动规律?火山地震等地质灾害的发生发展过程是否可以模拟还原?地球深部的运动奥秘怎样才能直观展现?而这些正是李忠海一直致力研究的问题。

  身为中国科学院大学地球科学学院研究员的李忠海博士,其主攻方向就是地球动力学数值模拟。多年来,他以理论计算和软件程序开发为基础,以大尺度数值模拟为主要手段,以大洋俯冲至大陆碰撞的动力学过程为研究对象,不断提出和解决新问题,促进了相关学科的发展,并取得了多项具有国际影响力的创新性研究成果。在这条探秘地球运动的道路上,他说:“会脚踏实地,一步一步走下去。”

  坚守十年为兴趣而前行

  什么是计算地球动力学?

  李忠海作了通俗易懂的解释:“从字面意义上来讲,就是研究地球,和我们种庄稼一样修理地球,研究地球内部的运行机制,我们的目的是要了解地球内部是怎么运行的。”地球在演化过程中,会形成各种能源或矿产资源,这和我们的生活息息相关;但不可避免,同时也会带来各种不同程度的地质灾害。而弄清楚地球内部的运行机制,正是李忠海的研究对象和目标。

  要用什么样的方法或手段来实现研究呢?李忠海说:“我们通过数值模拟,换句话说也叫数字仿真,就是建立一个地球模型或者某一个区域的模型,通过一些实验观测到的数据把它给参数化,然后放在一些大型的并行计算机上去运算,来模拟地球的演化过程。”

  要完成这项工作,李忠海说需要三样东西,“一是软件,二是硬件,三是在软件和硬件的基础上建立模型。”毋庸置疑,软件至关重要。“这也是我当年在法国做博士后那两年努力的原因,那两年是最苦的两年。”李忠海坦言。

  走上研究地球动力学这条路,对李忠海来说则是一场意外,用他自己的话来说“一波三折”。

  2001年,李忠海冲着土木建筑专业报考了上海同济大学。众所周知,同济大学是我国著名的建筑老八校之一,最初李忠海选择的是土木建筑专业,而因差阳错的是他被分到了海洋学院,大学四年学习的都是与海洋相关的知识。

  既选之,则安之。大学毕业时凭着优异成绩,李忠海被保送到南京大学攻读研究生,因为偏爱物理,他决定转向地球物理专业。即使这时,他仍然没有想好要走“科研”这条路。因为一向性格开朗外向的李忠海,认为自己应该在企业或职场上更能发挥自己的优势或做出更大的成绩;而“科研”这个冷板凳,则需要十年磨一剑。

  幸运的是,在南京大学学习了两年之后,李忠海于2007年参加了当时国家建设高水平大学的第一批出国项目,从此开始了在瑞士苏黎世理工学院的2年学习和研究。意外的是,也就是从这个时候起,他正式踏上了研究“地球运动”的道路,因为他在计算地球动力学领域找到了自己的兴趣点。

  兴趣是最好的老师,李忠海也一直在坚持做自己感兴趣的事和研究。从2007年至今整整10年,这10年也是李忠海科研路上一个小小的节点。在这10年里,他一门心思做了科研这件事。

  收获颇丰获多项新成果

  锲而不舍,金石可镂。10年来,在大洋俯冲动力学、大陆深俯冲及超高压变质作用、洋/陆转换带俯冲—碰撞动力学研究方向上,李忠海脚踏实地,更求新求变。正因为10年的专注和积累,突破和创新,如今,在专业研究领域李忠海和其团队已取得了多项具有国际影响力的创新成果。

  成果之一——“大洋俯冲动力学及俯冲带地震波各向异性”。

  大洋俯冲带是板块构造最重要的组成部分之一,其动力学过程的研究是固体地球科学的重要课题。

  李忠海和其团队采用边界元算法,开发了一套三维地球动力学数值模拟软件。该程序既可用于模拟大尺度的俯冲动力学、地幔形变等,又可用于计算微尺度的地幔矿物晶格优选定向及合成地震剪切波分裂等。

  此外,他们还解决了大洋板块俯冲动力学的多个关键问题。同时,他们还采用不同俯冲板块的几何学特征进行了系统的数值模拟,建立了俯冲带地震波各向异性的演化模型。相关研究成果得到了国际同行的一致好评,如美国加州大学圣地亚哥分校的科学家评论道:“该工作无论在数值模拟还是相关的地质分析方面,都具有非常高的质量,它终结了一些长久以来悬而未决的研究问题,是我近来读到的最好的论文之一”。

  成果之二——“大陆深俯冲及超高压变质作用的数值模拟”。

  大陆板块通常紧接着相邻的大洋俯冲的完结而开始俯冲和碰撞,在大陆碰撞的早期阶段,最重要的事件之一就是高压/超高压变质岩石的形成和折返,这是过去30年里地球科学领域最重大的发现之一,但是其动力学机制一直存在较大的分歧,是尚待解决的重大科学问题。

  李忠海和其团队在甄别大量地质观测结果的基础上,针对重要的地质难题,建立了新的大陆深俯冲和折返过程的基本数值模型,并开展了一系列的动力学模拟研究。他们不仅厘定了大陆俯冲带的压力演化特征及构造增压作用的效应,还揭示了俯冲角度对变质岩石折返的控制作用及其对印/藏碰撞的启示,同时还验证了苏鲁超高压变质带的多期次折返模式并揭示其动力学机制。相关研究成果被国际同行广泛引用,并受邀发表了2篇相关综述论文。

  成果之三——“洋/陆转换带俯冲—碰撞动力学”。

  在自然界中所有的会聚大陆板块都有侧向边界,并经常与周围的大洋板块相邻,发生互动。例如中—东特提斯构造带自西向东分别是地中海的大洋俯冲带、扎格罗斯大陆碰撞带、Makran大洋俯冲带、喜马拉雅大陆碰撞带以及东南亚的大洋俯冲带。

  这种洋/陆转换带俯冲/碰撞的动力学演化是联系大洋俯冲和大陆碰撞的关键点,也是板块会聚动力学领域一个重要的前沿问题。李忠海和其团队在不断攻克难点的同时,建立了新的三维数值模型,还发现了喜马拉雅造山带东缘深部结构探测新结果与数值模型相吻合。

  相关研究成果同样得到国际同行的好评:“该论文是最早的关于大陆碰撞的真正意义的三维高分辨率的数值模型之一”;“这是一项具有开创性、前沿性的工作”。同时,该研究成果提供了大尺度板块会聚动力学研究的一个新的思路,迅速得到了国际上多个研究组的跟进。

  脚踏实地一步步走下去

  在这个人人都在谈创新的时代,李忠海对创新有着自己的理解。

  他说,“创新固然重要,但更重要的是扎扎实实的一步一步往前走,每走一小步我觉得都是创新。”的确,李忠海是这样做的,同时他也这样培养自己的学生。

  对于未来规划,李忠海坚定表示,会沿着现在的路继续走下去。“要立足中国,更要放眼世界。”在产学研合作方面,李忠海说:“也希望我们的技术方法能够在企业中得到应用,目前已展开和企业的合作。”

  “做实实在在的事,在专业方向上把我们的团队打造成世界一流团队,并且脚踏实地的一步一步走下去,这就是我们的初衷。”李忠海的话朴实而又笃定。


(责任编辑:孙鹏)
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