以物理丈量地球 以智慧挖掘石油

肖貞林

地球物理學是一門應用性很強的基礎學科，它的研究成果支持著眾多在國民經濟建設中具有重要意義的產業部門或高科技領域。例如，勘探和開發利用石油與天然氣、預測與預防（或防治）諸如地震、火山等自然災害，保護與監測地球生態環境，保障航天飛行安全等。為應對石油儲備戰略，解決一系列嚴峻的挑戰性問題，地球物理學家正積極投入研究，同濟大學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（國際經濟地質學家協會）國際會議

攻堅克難 行走在創新前沿

同濟大學海洋與地球科學學院坐落于上海市四平路1239號，穿過熱鬧的學校大門和廣場通道，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勃勃。

馮波在這里有一間辦公室，屋內陳設不多，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當的各類書籍和裝訂成冊的專業文獻。

“我國石油的對外依存度早就超過了60%！石油作為戰略資源的重要性不言而喻。”采訪剛一開始，馮波就說出了資料堆積的根本原因，“勘探地震學作為一門應用性學科，就是要為資源勘探提供理論指導的。”經過多年的地震勘探，地下構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，需要在基礎研究方面不斷向前推進。

但馮波偏偏不怕啃硬骨頭。學生時期，他從山東考生中，一躍考入同濟大學海洋與地球科學學院地質系。大學期間，他始終保持全院第一的優異成績。大二結束后，班主任楊鍇教授看中了他數學和物理學方面的扎實基礎，于是推薦他轉入地球物理專業，做基礎性理論研究。在地球物理系學習兩年后，本科畢業時，馮波獲得了同濟大學優秀畢業設計獎。

2007年，馮波被保送至同濟大學地球物理系讀研究生，師從地震成像領域的著名學者王華忠教授。2009年年初，因為表現優異，他提前獲批攻博。博士畢業后，他的學位論文獲同濟大學優秀博士論文獎，不僅如此，在同濟大學110年校慶之際，作為110篇優秀博士論文之一，他的博士論文入選同濟博士論叢并被同濟大學出版社正式出版。

縱然如此，馮波的讀書生涯也并非一直順風順水，只是他從不缺“啃硬骨頭”的勇氣。他啃的第一個硬骨頭就是博士研究課題。當初，博士研讀，別人3年就畢業了，而他整整用了6年。據馮波介紹，研究生前3年，他跟隨導師在地震勘探代表性方向做訓練。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。“我的博士論文主要利用波動方程反演地下介質的速度結構。通俗地講，就類似于醫學上通過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構和物性參數。”

然而波動方程解是速度場的非線性函數。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。從數學上講，這是一個典型的非線性反問題。然而對于大規模的強非線性反問題，目前數學上尚未發展出有效的數值求解方法。所以，如何處理強非線性反問題成為論文研究的關鍵。

為此，馮波探索了很久，但始終收效甚微。他苦悶地說道：“雖然系統的文獻調研和國際學術會議的參與，讓我對不同學派的學術思想及其局限性了然于胸，但相當長一段時間內，仍然苦于提不出一套自己的解決方案，只能復現別人的工作，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。這也側面證明，他攻讀地球物理學博士學位的道路上，還有很多高峰需要征服。尤其是原創性研究，是博士階段的挑戰，也是優秀博士最直接的證明。在導師的建議和指導下，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構特征的映射關系，是解決反問題的根本。因此馮波想，既然數學上沒有完美的解決方法，那就從物理角度出發，尋找合適的求解思路。這次馮波沒有再一根筋地硬碰硬，而是轉換研究思路，基于地震信號波場特征及其控制方程，將強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解。

在跨越了研究障礙后，馮波的研究開始穩步向前推進，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，直至博士畢業都尚未提出令人滿意的解決方案。”雖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，在美國加州大學圣克魯斯分校進行博士后研究的第一年，他通過和合作導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性突破。

“很感謝我的合作導師——歐洲科學院院士、加州大學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的基礎上，通過擴展成像條件在成像域間接測量反射地震信號運動學差異性，繞過了在數據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。”馮波高興地說。

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擾動介質中前向散射傳播的廣義Rytov近似理論。

馮波介紹說，經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。傳統的波動方程線性化近似通常基于一階B o r n近似（即弱散射近似），要求模型參數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用中是非常苛刻的，因此經典的波動方程反演理論難以實用化。

“這就導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，達不到現在勘探目標的需求，因此我要解決的問題是，如何在先進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。因無須模型參數小擾動假設，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。

憑借這項基礎性研究成果，回國之后，馮波成功拿到了國家自然科學基金面上項目。

“當然，我在地震波散射方面取得的基礎性研究成果，與吳老師的指導密不可分。在我提出解決思路后，吳老師憑借扎實的物理功底，對方法進行了進一步理論升華，這才有了用于探索強擾動介質中的強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域華麗綻放

在美國加州大學圣克魯斯分校結束訪學后，馮波選擇回國。他認為，石油勘探行業，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，能夠實現自我價值。“所以作為一個中國人，必須要為中國的科研事業奉獻一份自己的力量。”

在同濟大學海洋地質國家重點實驗室，馮波所在的研究團隊——波現象與智能反演成像（WPI）研究組主要致力于解決我國油氣勘探領域（特別是地震信號分析和反演成像）中“卡脖子”的關鍵理論和技術問題。研究組由馮波的導師王華忠教授創建，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據，推測地下介質的巖性參數甚至含油氣儲層參數。整個地震資料處理的流程很長，其中最重要的就是參數建模（主要包括縱橫波速度、各向異性參數等）。因為有了相對準確的宏觀模型，才能實現精確的地震成像，才能方便地質學家判斷含油氣儲層的埋藏位置。

在整個勘探領域，與國外相比，國內學者的研究成果與國外差距很小，但在原創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術導向，而國內很多高校和研究單位雖然第一時間實現別人的成果，并進一步展開深入研究，但仍然缺乏原創性的研究成果和學術理念。此外，國外石油服務公司會把理論轉化為成果，即商業軟件產品，而在國內，發表文章的學者很多，但真正能轉化為實際應用的成果卻不多。“所以，既然選擇了這個專業，就要解決原創和實用性問題，讓研究成果真正服務于社會，才能做到心滿意足。”

在原創性科研原則督促下，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，只需要在存儲數值邊界處的地震波場，即可實現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。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特征，實現全自動化的反射波速度建模。結合原創性的“廣義R y t o v近似”理論構建波動方程敏感度核函數，為探索強擾動介質中的波動方程強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），并隨后在業內主流期刊上發表一系列原創性文章。

“在研究生涯中，導師王華忠教授做學術做科研的態度對我影響很大。”馮波介紹說，他鼓勵學生探索問題，不迷信學術權威；要求有獨立思考的能力，不人云亦云，一定要問自己“你認為，這個問題應該怎么解決”，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性，它們共同解決速度建模不同階段的問題。”從初始速度建模到中深層反射建模再到寬帶建模，馮波在既定的方向上穩步向前推進，不斷解決速度建模領域中的瓶頸問題。

與導師王華忠教授（左）在2019—SEG年會會場門口的合影

研究無止境 未來不設限

馮波說：“當你有能力的時候，你就要承擔自己的社會責任。”所以下一步，他將實行“兩只腳”并行戰略。一方面是將先進的理論方法向實用化推進，進行產業升級；另一方面是將近年來火熱的人工智能方法應用于石油勘探領域，推進當前的地震波速度反演技術體系向“自動化”和“智能化”的轉變，解決我國地震勘探領域（尤其是高精度速度建模）中“卡脖子”的關鍵技術，促進油氣資源的新發現。

“未來，我的主要工作還是將在國外取得的研究成果服務于國內的油氣資源勘探，當然如果有能力，也希望可以把我們的影響力輸出國外。”馮波暢想道。

“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，每個領域或者研究方向存在的問題，做過一段時間文獻調研的人都了解。但是誰能提出解決方案，就要看個人的積累了，比如你的知識結構、悟性，甚至機遇等。”科研高峰很多，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，瞄準獵物，等待時機，進行一場硬碰硬的對決。