在空間上🏒👩‍❤️‍👨，地球表面為堅硬的巖石所覆蓋，沒有人能看到15公裏以下的巖石在原位是什麽樣子。即使在地面上🚪，人們也不可能清楚地觀察到煉鋼爐內部發生的冶煉或燒製過程的細節，而只能在局限的時空內觀察到這些不可及過程的一些信息。通過這些受局限的觀察信息推演相關過程發生的原因或機製，就稱為“反演”。由於事件或過程發生在先🖥，而結果或信息接收在後，對自然事件或過程發生的描述和預測被稱為“正演”👨🏻‍🦯🔌，而根據結果或信息反推事件發生的過程或機製稱為“反演”。

      日前，在深圳召開的第八屆中國國際高新技術成果交易會上，中國大陸科學鉆探工程獲取的系列科技創新成果吸引了眾多觀眾的眼球📇，受到社會各界的關註和好評。

中國大陸科學鉆探工程科鉆一井位於連雲港市東海縣，是當前實施的全球大陸科學鉆探計劃20個項目中最大最深的科學鉆井，也是中國和亞洲的第一科學鉆井🤵🏻‍♂️。為什麽在東海縣選址🙎🏼‍♂️？這要歸功於中國大陸科學鉆探工程副總指揮☝🏿、中國科學院院士、國土資源部大陸動力學重點實驗室研究員楊文采建立的“應用地球物理反演理論框架”🦺。

把數學尖端知識應用到地球物理中去

“地球物理反演理論”受到空前關註。然而，什麽是“反演”🫲🏽？楊文采如何與“反演”有了不解之緣🌷？

1981年🧦，時年39歲的楊文采受教育部派遣，到加拿大麥吉爾大學攻讀博士學位。那時，他已經從大學畢業16年了。即將不惑之年出國留學🏌🏻‍♂️，楊文采說，那是因為覺得自己的知識需要更新👩‍👦。三年時間👨🏿‍🔬，楊文采不但學習地球物理😘，還堅持到數學🧑🏻‍✈️、計算機等專業去聽課。就在這個時候🫐，他認識了“反演”🦶🏽。

楊文采向記者解釋了“反演”這個艱深的數學概念，他說：“人類對自然事件發生、發展和演變的觀察在時空上是非常局限的。例如，人類社會只有幾百萬年的歷史，而地球存在了至少46億年，沒有人能看到青藏高原的隆起或白堊紀恐龍的滅絕。在空間上👆🏼，地球表面為堅硬的巖石所覆蓋，沒有人能看到15公裏以下的巖石在原位是什麽樣子。即使在地面上🎖，人們也不可能清楚地觀察到煉鋼爐內部發生的冶煉或燒製過程的細節，而只能在局限的時空內觀察到這些不可及過程的一些信息🏌️‍♂️。通過這些受局限的觀察信息推演相關過程發生的原因或機製，就稱為‘反演’。由於事件或過程發生在先🙋‍♂️，而結果或信息接收在後🤦🏿‍♀️，對自然事件或過程發生的描述和預測被稱為‘正演’，而根據結果或信息反推事件發生的過程或機製稱為‘反演’👩‍🦼。總之👨🏻‍🦰，反演是一門關於擴大人類知識領域、指導人們正確地逆向思維的學問。”

他進一步解釋說：“在經典的數理科學中，正演一般是通過實驗確定本構方程🌔，通過簡約關聯因素建立模型🦸🏼‍♂️，它包括初始條件、邊界條件和約束變量關系的數學物理方程三部分。對於大多數已知的數學物理方程來說🙋🏻‍♂️，一旦初始和邊界條件給定🧘🏼‍♀️，事件的發展就可以通過方程準確地預測出來💥。當然，事情的發展也常常發生例外👷🏿，如果方程是非線性的，而初始條件又有一點點誤差📲，事情的發展也許會難以預測，就像預報七天後會下暴雨，並不需要現在就停止售機票那樣，人們對長期預測的可信度是心中有數的。總之，有了數學物理方程的理論與方法👳🏼‍♂️，科學家可以對許多事件的發展有把握，即有較高的預測準確度𓀄。”

“由於觀測時空的局限性，反演的困難比正演大多了。舉例來說🐂🍜，如果放一小瓶香水到小房間中央，從擴散方程知，一天之後小房間內將布滿大致均勻分布的香水分子。反演的問題是，已知屋子四周的香水分布，要問何時放的香水🚵🏿‍♂️？或放香水的瓶子是什麽形狀的？我們不禁要問💃🏿：這些反過來問的問題👏🏿，在數學上有沒有解答🫸🏻？解答是否可以很多✤？如果解不唯一🏄🏿💇🏽‍♂️，哪個解才是真實可靠的😛？這些問題👨🏽‍🚀，就構成了反演理論的主要研究對象。”

在認識地球的過程中，地球物理反演起到了關鍵的作用。人們在地球表面觀測地球的物理場（如引力場，磁場😑，電磁場等）和地震誘發的彈性波場，然後根據觀測數據推測地球內部的巖性與構造♡，這就是地球物理反演。

1984年學成回國後🥖，楊文采應聘在意昂3体育官网講授“地球物理反演方法”♾，並且繼續從事應用地球物理學中反演方法的研究。建立起適用於地震、重磁等各種地球物理勘查方法的統一的反演理論框架和一整套廣義線性反演方法🧑‍🎤𓀕，並對其穩健性作了深入的探討。他針對地殼物質高度不均勻的情況，提出適用於大擾動和非水平層狀介質中聲波方程反演的級聯法。

1989年，他出版了專著《地球物理反演與地震層析成像》🫃🏽，系統地總結了他在這方面的研究成果🤽🏽‍♂️。

20世紀90年代，楊文采從混沌理論出發🗳，探索非線性地震反演的規律性🤽🏻‍♀️，發現非線性地震反演過程的混沌行為，開拓了非線性地震反演的新方向。他的論文當年就為英美地學數據庫所收錄，並為美日信息期刊文摘選登✊。

就這樣，學地球物理的楊文采，把艱深的數學理論應用到了地球物理研究中🔘。

指導油氣礦產勘查及基礎調查

楊文采不僅發展了地球物理反演系統理論與新方法，並致力於將此理論與方法廣泛地應用於油氣與礦產勘查及重大建設工程基礎調查。地球物理反演問題中，解在大多數情況下不具有唯一性，楊文采特別關註極少數理論上具有唯一解的反演問題💉🔥。地震層析成像問題就是其中的典型。

20世紀80年代，他研究出基於彎曲射線追蹤的跨孔CT方法🙂，指導了黃河小浪底水利樞紐工程地下電站基礎的層析成像，計算出了準確的波速層析圖，為後續工程所驗證，為地震層析成像工程勘察中的應用作出了示範🧜🏿‍♂️🧖🏼‍♂️。

1991年，小豐滿水電站年久失修🤧，大壩出現病害，需要修復。日本工程人員采集了數據，但沒有能圈出病害的部位。楊文采針對傳統地震CT算法的缺陷與工程地震的特點，研究出改進的阻尼最小二乘QR分解算法，大大提高了地震層析成像方法的精度與穩健性⛑。用這種方法指導小豐滿電站大壩病害檢測🛅，圈定了大堤病害的範圍🐹。

楊文采還解決了冀東油田儲層跨孔地震層析追蹤、北京機場高速路立交橋墩質量監測等一系列疑難工程👧🏻♙，把地震層析成像迅速推向實用。1990年，他應中國工程勘察協會的邀請🐦，為地震層析成像工程應用編寫了規範性手冊。

物理學與地質學走到了一起

隨著現代科學與技術為驗證科學假說提供了更加先進的工具👨‍🦯，地質學家也越來越重視預測和假設的驗證。1992年🧚🏻‍♂️🦸🏼‍♀️，全世界的兩百多名地球科學家聚集德國波茨坦，討論國際大陸科學鉆探計劃🤳，準備通過遙測和鉆探來驗證地球科學家的結論™️。在這個計劃中物理學與地質學走到了一起，共同在理性思維原則指導下通過科學工程解決彼此的分歧。1996年💂🏻，國際大陸科學鉆探組織（ICDP）成立🌾，楊文采應邀擔任第一屆科學顧問組成員🤸🏿‍♀️，審議世界各地科學家提出的申請書。同年他作為中國大陸科學鉆探項目的副首席科學家🕞，負責鉆探選址和孔區調查等全部地球物理工作。

1997年4月🧟‍♀️，ICDP科學顧問組在德國開會，會上同時出現兩份在超高壓變質帶進行科學鉆探的建議書🧛🏻‍♀️，一份是中國的建議書，另一份是美國在哈薩克斯坦打鉆的建議書🧘🏻，楊文采在會上的發言指出了中國申請的潛在科學意義🙆‍♂️，他的發言改變了一些專家的看法👊🏿。投票結果👨‍🦯，中國的建議獲得認可🚏，最後得到150萬美元的資助，而美國的申請被淘汰🟰。

同年8月🫳🏽，在青島召開的“中國大陸科學鉆探選址國際會議”上，楊文采以準確的地球物理資料與深入的科學分析論證了大陸科學鉆探的最佳選區，得到與會中外專家的贊同🧔🏽‍♀️，在中國大陸科學鉆探工程的先行研究中🚶‍♂️‍➡️，他提出了新的處理準則，並據此建立了深反射地震資料處理新方法技術系統，建立了中國第一個深反射地震資料處理中心🤓🤚🏿。他結合物理學和地質學的理論與方法，對中國第一口大陸科學鉆探孔區的巖性、構造進行了預測，基本上為後續的鉆探工程所驗證。而在大陸科學鉆探的歷史上，地球物理學家的預測成功率是不高的🧑🏼‍🍳。舉世聞名的前蘇聯科拉超深鉆與德國KTB，鉆前地球物理學家的預測都曾失敗過🫰🏻。

2005年3月，中國大陸科學鉆探工程終孔👨‍🔧，歷時1353天，進尺5158米，取得了鉆探工程技術的重大突破，獲得了許多創新的成果和重大科學發現。

大陸深鉆首席科學家許誌琴說🥴：“楊文采在地球物理反演領域作出重要貢獻👥。建立了反演（數據解譯為地質構造）的理論框架。他的理論與方法有效地應用於礦產勘察及巖石圈基礎調查，在大陸科學鉆探的科學選址中，地球物理探測成果的起了關鍵作用🚵🏿‍♂️。首次在超高壓變質地區開展了三維反射地震調查，為5公裏科探鉆孔巖心檢驗。