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石头专访 | 地学界的“影像大师”张海江教授:我给地球拍CT

石头专访 | 地学界的“影像大师”张海江教授:我给地球拍CT
2021年04月30日 20:00 新浪网 作者 石头科普工作室

  图1 | 地球内部结构图

  (图源:Calvin Hamilton, Solar Views,

  http://www.solarviews.com/cap/earth/earthfg2.htm)

  地下的世界究竟是什么样的?在凡尔纳的《地心游记》中,人们通过冰岛的斯奈菲尔火山口进入地下,看到了巨大的海洋,古老的生物,以及炙热的熔岩。而在现实生活中,进入地球内部几乎是一件不可能完成的事情,因为地球内部具有超高的温度和压力(在地下约35km的陆壳与上地幔的边界处,压力可达10000个大气压,温度可达400℃)。如何揭开地球深部的“神秘面纱”?中国科大的张海江老师深谙地球内部的成像之道,一起来一探究竟吧

  地学界的“影像大师”

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  张海江老师目前致力于发展先进的地球物理学成像方法,尤其是地震学成像方法,来研究不同尺度的地下结构,他发展的双差地震成像算法被广泛地应用于地震学领域。提及自己的研究方向,张老师生动形象地将“地震学成像”比作“医学成像”:

  “医学成像是利用一些物理学方法研究人体内部的结构,而地震学成像是利用一些物理学方法研究地球的内部结构”。但是与医学成像相比,地球物理成像的难度更高,想象一下,医学成像的传感器可以布置在人体的周围,但是对地球物理成像来说,我们用到的是地震或者电磁方法,传感器一般只能布置在地球的表面或者有限的钻孔中因此,要获得地下精细结构我们必须研究更先进的成像算法。”

  因此,称张海江老师为地学界的“影像大师也毫不夸张。利用先进的地震成像算法,他和他的团队实现了对发震构造的“解剖”,为认识中强地震发震机理提供了关键的技术手段,并在地震断层和俯冲带成像等领域取得了一系列具有国际影响力的成果。

  图2 | 中国东北地区五大连池尾山火山下方基于三维电阻率成像给出的岩浆囊分布

  (张海江老师供图)

  得一提的是,张海江老师及其团队利用大地电磁成像,首次获得了五大连池火山区尾山下方20公里深的三维高分辨率电阻率结构,并精细刻画了尾山火山的地壳岩浆系统分布形态及估算了岩浆囊的部分熔融程度,该成果在2020年6月1日发表在国际地学领域知名期刊《Geology》上。

  在摸索中获得兴趣

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  张海江老师对大学生活也有自己的心得。当代的大学生普遍对自己的未来没有清晰的规划,针对这一现象,张老师认为大学生应该在不断摸索中获得兴趣

  “我觉得无论是我们上大学的时候还是现在,大学生对将来的路基本上都是很迷茫的,对于’未来的路该怎么走’、’最适合我的路到底是什么’,大家基本上都处于一种摸索的状态。但是我觉得不管在什么时期,在你还不太清楚你未来要做什么的时候,最重要的一点是你要把握当下,利用好当前环境所能提供的资源不断提升自我,在这个过程中你慢慢就会发现自己感兴趣的地方,然后不断地投入进去,越做越有成就感。”

  在摸索中获得兴趣”,张老师本身就是这句话的践行者。张老师坦言自己上大学之前对地球科学几乎一无所知,就连对地理也仅是略知一二。但是随着对地球科学的不断探索和逐渐深入,张老师的兴趣逐渐变得浓厚起来。从长春地质学院获得本科及硕士学位,随后到美国威斯康辛大学继续读PhD以及担任麻省理工学院科研人员,再到如今在中国科大任教,张老师一步一个脚印,不断深入、探索,也获得了越来越多的兴趣和成就感。

  很多人觉得搞地球科学需要经常出野外,这是一件很苦的事情。张老师却以之为乐

  很多美丽的地方都跟地球科学有关。九寨沟为什么这么漂亮?那是因为历史上的地震对它产生了一种改造作用,比如产生了堰塞湖。实际上很多我们研究的地方都是很美的地方,所以在某种程度上我们是在边工作边旅游。”

  图3 | 张海江老师在野外工作

  张老师的话语中无不透露着对地球科学的热爱,能在自己热爱的领域不断打拼并有所成就,不正是人生最大的追求吗!

  留得青山在,不怕没柴烧

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  近期中山大学年仅45岁的生命科学学院院长赵勇等中青年科学家因病不幸离世的消息让人深感惋惜,提及此,张老师认为从长远来看,科研人员一定要学会平衡自己的生活与科研,并适当地减轻自己的压力,“因为活的更久,你才能作出更大的贡献。张老师给科研工作者建议了两个行之有效的方法:

  ① “要提前规划好自己的时间。科研工作者既有承担科研任务的压力,又要承担家庭的重担,所以要做好科研和家庭之间的平衡。科研工作是永远也做不完的,所以我们要提前规划好自己的时间,这样可以留出一点时间进行体育锻炼,或是专心陪陪家人。”

  ② “做科研要保持一颗平常心,一定不要太有功利心、不要为了达到某种目的去做,因为如果你没达到那个目的,你就会产生一种挫败感,再加上你平常科研太累,人其实很容易垮掉。一定要把科研作为你的一个兴趣,这样你就不会觉得它对你是一种负担。”

  事实上,张老师认为中国科大本科生的学习也应该如此,不要有功利心,要学会感受学习的乐趣,这样才能让自己持久地学下去,获得更多的知识。

  脚踏实地、勇敢创新、交叉研究

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  当被问及科研工作者需要具备哪些优秀的品质时,张老师认为科研工作者既要“脚踏实地,又要“勇敢创新”,并尝试“交叉研究

  所谓“脚踏实地”,是指科研工作者做事情不能浮躁,不能弄虚作假,如果想让自己的研究成果具有公信力,我们需要花费大量的时间和精力去做好每一步(“采集数据”、“处理数据”、“解释数据”等),不能初步研究结果刚出来就着急去发表文章,而是要深入剖析结果的意义;同时,科研工作者也要“勇敢创新”,张老师认为做科研不能别人做什么自己就跟着做什么,而是要有一定的创新性,能够在某些方面起到引领作用。

  最后,张老师认为科研工作者要加强“交叉研究”,不要把眼光只局限在自己的领域,要拓宽自己的视野,这样才能够全面而深入地剖析问题。

  在之前的一项研究中,张老师通过对华南地区的重力和地震联合成像,发现了中下地壳存在一个高速异常带。为了解释这种现象,张老师一方面和做地球动力学的冷伟老师合作,通过动力学模拟发现,这个高速异常带是海南地幔柱如同蜡烛一样烘烤板块后留下的痕迹;另一方面,通过地球化学数据得到了地表火山岩的年龄随距海南地幔柱距离的变化,进一步验证了华南板块与海南地幔柱之间的相对运动关系。张老师坦言,如果不进行这种交叉研究,很难有这种深入的见解。

  给中国科大学生的建议

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  图4 | 张海江老师与学生

  ①对于本科生,虽然学校转专业很自由,但是不要盲目跟风转专业,要有自己的决断力。如果你同时喜欢数学、物理并热爱自然,那么地球物理是一个很好的选择

  要充分利用好学校资源,不要虚度光阴。考上中国科大只是代表一个阶段性的成功,而大学期间所学到的对你的人生才起着更加至关重要的作用。因此,中国科大学生要充分利用学校能提供的资源,不断提升自我。

  要培养自己的人文素养,提高自己的情商。每个人都是社会的一份子,不可能与社会孤立开来,因此中国科大学生要多学会与人打交道,提高自己的情商。

  对于研究生,一定要多读文献,这样才能对自己研究的方向有深入的了解,否则自己的起点和效率将变得很低,有可能你花了很久做的东西别人已经做过了。多了解别人在做什么,这样才能在别人的基础上有所创新。

  人物简介

  图5 | 张海江教授

  张海江,中国科学技术大学地球物理教授,科技部中青年科技创新领军人才,入选国家创新人才计划(青年项目)。2003年12月获得University of Wisconsin-Madison (UW-Madison)地震学和地球物理学博士学位。2004-2007年在UW-Madison担任助理和副研究员,2007至2012年在麻省理工学院担任Research Scientist。已发表SCI论文上百篇,包括Nature Geoscience, Nature Communications, Geology, GRL, EPSL, JGR, GJI等,Google学术引用次数超过4100次,H-index是34。在2010-2013期间担任BSSA的Associate Editor,并自2016年起担任JGR-Solid Earth和GSA-Bulletin的Associate Editor。

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  撰稿/美编:怪伽cc

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