“反演”是什么？

文章来源： http://www.cas.cn/html/Dir/2006/11/06/14/58/21.htm

他建立了应用地球物理反演理论框架 ——专访中国大陆科学钻探工程副总指挥、中国科学院院士杨文采

科学时报     作者：曹菲　李晨

在空间上，地球表面为坚硬的岩石所覆盖，没有人能看到15公里以下的岩石在原位是什么样子。即使在地面上，人们也不可能清楚地观察到炼钢炉内部发生的冶炼或烧制过程的细节，而只能在局限的时空内观察到这些不可及过程的一些信息。通过这些受局限的观察信息推演相关过程发生的原因或机制，就称为“反演”。由于事件或过程发生在先，而结果或信息接收在后，对自然事件或过程发生的描述和预测被称为“正演”，而根据结果或信息反推事件发生的过程或机制称为“反演”。     日前，在深圳召开的第八届中国国际高新技术成果交易会上，中国大陆科学钻探工程获取的系列科技创新成果吸引了众多观众的眼球，受到社会各界的关注和好评。     中国大陆科学钻探工程科钻一井位于连云港市东海县，是当前实施的全球大陆科学钻探计划20个项目中最大最深的科学钻井，也是中国和亚洲的第一科学钻井。为什么在东海县选址？这要归功于中国大陆科学钻探工程副总指挥、中国科学院院士、国土资源部大陆动力学重点实验室研究员杨文采建立的“应用地球物理反演理论框架”。     把数学尖端知识应用到地球物理中去     “地球物理反演理论”受到空前关注。然而，什么是“反演”？杨文采如何与“反演”有了不解之缘？     1981年，时年39岁的杨文采受教育部派遣，到加拿大麦吉尔大学攻读博士学位。那时，他已经从大学毕业16年了。即将不惑之年出国留学，杨文采说，那是因为觉得自己的知识需要更新。三年时间，杨文采不但学习地球物理，还坚持到数学、计算机等专业去听课。就在这个时候，他认识了“反演”。     杨文采向记者解释了“反演”这个艰深的数学概念，他说：“人类对自然事件发生、发展和演变的观察在时空上是非常局限的。例如，人类社会只有几百万年的历史，而地球存在了至少46亿年，没有人能看到青藏高原的隆起或白垩纪恐龙的灭绝。在空间上，地球表面为坚硬的岩石所覆盖，没有人能看到15公里以下的岩石在原位是什么样子。即使在地面上，人们也不可能清楚地观察到炼钢炉内部发生的冶炼或烧制过程的细节，而只能在局限的时空内观察到这些不可及过程的一些信息。通过这些受局限的观察信息推演相关过程发生的原因或机制，就称为'反演’。由于事件或过程发生在先，而结果或信息接收在后，对自然事件或过程发生的描述和预测被称为'正演’，而根据结果或信息反推事件发生的过程或机制称为'反演’。总之，反演是一门关于扩大人类知识领域、指导人们正确地逆向思维的学问。”     他进一步解释说：“在经典的数理科学中，正演一般是通过实验确定本构方程，通过简约关联因素建立模型，它包括初始条件、边界条件和约束变量关系的数学物理方程三部分。对于大多数已知的数学物理方程来说，一旦初始和边界条件给定，事件的发展就可以通过方程准确地预测出来。当然，事情的发展也常常发生例外，如果方程是非线性的，而初始条件又有一点点误差，事情的发展也许会难以预测，就像预报七天后会下暴雨，并不需要现在就停止售机票那样，人们对长期预测的可信度是心中有数的。总之，有了数学物理方程的理论与方法，科学家可以对许多事件的发展有把握，即有较高的预测准确度。”     “由于观测时空的局限性，反演的困难比正演大多了。举例来说，如果放一小瓶香水到小房间中央，从扩散方程知，一天之后小房间内将布满大致均匀分布的香水分子。反演的问题是，已知屋子四周的香水分布，要问何时放的香水？或放香水的瓶子是什么形状的？我们不禁要问：这些反过来问的问题，在数学上有没有解答？解答是否可以很多？如果解不唯一，哪个解才是真实可靠的？这些问题，就构成了反演理论的主要研究对象。”     在认识地球的过程中，地球物理反演起到了关键的作用。人们在地球表面观测地球的物理场(如引力场，磁场，电磁场等)和地震诱发的弹性波场，然后根据观测数据推测地球内部的岩性与构造，这就是地球物理反演。     1984年学成回国后，杨文采应聘在北京大学讲授“地球物理反演方法”，并且继续从事应用地球物理学中反演方法的研究。建立起适用于地震、重磁等各种地球物理勘查方法的统一的反演理论框架和一整套广义线性反演方法，并对其稳健性作了深入的探讨。他针对地壳物质高度不均匀的情况，提出适用于大扰动和非水平层状介质中声波方程反演的级联法。     1989年，他出版了专著《地球物理反演与地震层析成像》，系统地总结了他在这方面的研究成果。     20世纪90年代，杨文采从混沌理论出发，探索非线性地震反演的规律性，发现非线性地震反演过程的混沌行为，开拓了非线性地震反演的新方向。他的论文当年就为英美地学数据库所收录，并为美日信息期刊文摘选登。     就这样，学地球物理的杨文采，把艰深的数学理论应用到了地球物理研究中。     指导油气矿产勘查及基础调查     杨文采不仅发展了地球物理反演系统理论与新方法，并致力于将此理论与方法广泛地应用于油气与矿产勘查及重大建设工程基础调查。地球物理反演问题中，解在大多数情况下不具有唯一性，杨文采特别关注极少数理论上具有唯一解的反演问题。地震层析成像问题就是其中的典型。     20世纪80年代，他研究出基于弯曲射线追踪的跨孔CT方法，指导了黄河小浪底水利枢纽工程地下电站基础的层析成像，计算出了准确的波速层析图，为后续工程所验证，为地震层析成像工程勘察中的应用作出了示范。     1991年，小丰满水电站年久失修，大坝出现病害，需要修复。日本工程人员采集了数据，但没有能圈出病害的部位。杨文采针对传统地震CT算法的缺陷与工程地震的特点，研究出改进的阻尼最小二乘QR分解算法，大大提高了地震层析成像方法的精度与稳健性。用这种方法指导小丰满电站大坝病害检测，圈定了大堤病害的范围。     杨文采还解决了冀东油田储层跨孔地震层析追踪、北京机场高速路立交桥墩质量监测等一系列疑难工程，把地震层析成像迅速推向实用。1990年，他应中国工程勘察协会的邀请，为地震层析成像工程应用编写了规范性手册。     物理学与地质学走到了一起     随着现代科学与技术为验证科学假说提供了更加先进的工具，地质学家也越来越重视预测和假设的验证。1992年，全世界的两百多名地球科学家聚集德国波茨坦，讨论国际大陆科学钻探计划，准备通过遥测和钻探来验证地球科学家的结论。在这个计划中物理学与地质学走到了一起，共同在理性思维原则指导下通过科学工程解决彼此的分歧。1996年，国际大陆科学钻探组织(ICDP)成立，杨文采应邀担任第一届科学顾问组成员，审议世界各地科学家提出的申请书。同年他作为中国大陆科学钻探项目的副首席科学家，负责钻探选址和孔区调查等全部地球物理工作。     1997年4月，ICDP科学顾问组在德国开会，会上同时出现两份在超高压变质带进行科学钻探的建议书，一份是中国的建议书，另一份是美国在哈萨克斯坦打钻的建议书，杨文采在会上的发言指出了中国申请的潜在科学意义，他的发言改变了一些专家的看法。投票结果，中国的建议获得认可，最后得到150万美元的资助，而美国的申请被淘汰。     同年8月，在青岛召开的“中国大陆科学钻探选址国际会议”上，杨文采以准确的地球物理资料与深入的科学分析论证了大陆科学钻探的最佳选区，得到与会中外专家的赞同，在中国大陆科学钻探工程的先行研究中，他提出了新的处理准则，并据此建立了深反射地震资料处理新方法技术系统，建立了中国第一个深反射地震资料处理中心。他结合物理学和地质学的理论与方法，对中国第一口大陆科学钻探孔区的岩性、构造进行了预测，基本上为后续的钻探工程所验证。而在大陆科学钻探的历史上，地球物理学家的预测成功率是不高的。举世闻名的前苏联科拉超深钻与德国KTB，钻前地球物理学家的预测都曾失败过。     2005年3月，中国大陆科学钻探工程终孔，历时1353天，进尺5158米，取得了钻探工程技术的重大突破，获得了许多创新的成果和重大科学发现。     大陆深钻首席科学家许志琴说：“杨文采在地球物理反演领域作出重要贡献。建立了反演(数据解译为地质构造)的理论框架。他的理论与方法有效地应用于矿产勘察及岩石圈基础调查，在大陆科学钻探的科学选址中，地球物理探测成果的起了关键作用。首次在超高压变质地区开展了三维反射地震调查，为5公里科探钻孔岩心检验。”