曾融生:中国地球深部构造研究的开拓人
曾融生是我国著名的地球物理学家。近半个世纪,他在开拓我国地球物理科学事业上成绩卓著,尤其是开辟我国地球深部构造的研究做出重大贡献。国内外学术界对他的学术成 就评价很高,许多学术机构和团体聘请或选举他担任领导职务。1980年他当选为中国科学院学部委员,他还担任国务院学位委员会第二、三届学科评议组成员、第二、三届国家自 然科学奖励委员会委员、中国地球物理学会副理事长、国家地震局地球物理研究所学位委员会主任,他还当选为国际岩石圈计划岩石圈构造和组成委员会委员、可控源地震学国际 委员会委员、国际地幔软流圈研究组成员、IASPEL中国分会主席,还受聘为荷兰《地球动力学》(Journal of Geodynamics)杂志编委等等。
1991年他的小传被载入英国剑桥国际传记中心出版的《有成就的人》(第15版),同年,美国传记协会也邀请将他的传略收入《世界5000名人录》(第三版)。
一、求学时代
曾融生1924年8月土6日生于福建省平潭县大坪村,其父曾文基曾任美以美基督教会牧师。他自幼就养成对事认真,对人诚挚的作风。那时的平潭岛虽然穷困、闭塞,但说来也怪 ,很是出了一些学识渊博的学者,如冯雪琳(女,留学美国,取得数学博士学位)、林牟信(博士,曾但任联合国官员)、高名凯(留学法国,语言学家,曾任燕京大学教授)、周贞英( 女,生物学家,华南女子大学教授)和杨昌栋等。他们在事业上奋斗向上的精神和所取得的成就,给了曾融生幼小的心灵以深刻的影响。
他先在平潭读小学、初中,1938年14岁时考进福州英华中学读高中。那时,日本帝国主义大举侵犯我国,战火已烧到福建沿海,日本军舰在福州海口游弋。这年秋的一个深夜, 他在睡梦中被人唤醒,说是日本鬼子打进了福州二起来一看,万寿桥上逃难的人群东奔西跑,乱作一团,后来慢慢平静下来,原来日本侵略军并未登陆,虚惊了一场,不过学校已 作好向闽北搬迁的准备,校长陈芝美已去选址,不久英华中学迁到顺昌县洋口镇。
英华中学是一所教会学校,对英语学习的要求很高,开始的时候他颇感吃力,但凭着勤奋努力,很快就赶了上去,而且数学、物理的考试都名列前茅。他给陈芝美、林观德等老 师留下了深刻的印象。
读完高一后,他的同班同学都参加了“民训”、“民教”工作(当时教育部门要求,凡高中学生都要参加此项工作),他因年纪太小没有参加,只好卷起简 单的行装到福清龙田融美附小教了一年书。那一年的生活很艰苦,他住在一座破庙里,夜里一盏油灯伴着他批改作业,每天三顿地瓜煮稀饭就着炒豆渣或盐水煮蚬仔。他年纪小, 个子也矮,有些学生比他还高。据他自己说:“那年的教学生活,对了解社会,了解人生,增长独立生活能力,不无裨益。”1940年他回到英华中学继续上学,1942年 毕业,以优异的成绩被保送到厦门大学(当时已迁到长汀)数理系学习。
当时厦门大学虽然称不上是全国第一流的高等学府,但萨本栋校长聘请了一些名教授(如周长宁、谢玉铭等),开设了一些当时国内只有少数几所大学开设的课程,如近代物理、 数理方程、高等电磁学等,而且图书馆的藏书颇多,就在那样极端困难的条件下,他还可以读到原版的英文期刊和书报。曾融生从名教授和图书馆藏书中获益良多,特别是从萨本 栋校长那严谨而豁达的治学精神中深获教益。
入学那一年,曾融生获得嘉庚奖学金,除了交纳伙食外,还能剩下一点零用钱。萨校长亲自教授微积分课程,对学生要求甚严,每周都要进行一次测验。谢玉铭教普通物理,系 主任周长宁教电磁学,后来又开高等电磁学课程。颜戍己先生开高等物理实验课。
他在厦门大学时,除必修课外还先后选修了近代物理、高等电磁学和数理方程等课程,打下了扎实的数理基础。在各门课程中,颜戍己先生教的高等物理实验课给他留下深刻的 印象。颜先生不是按常规先由实验员排好实验,再由学生去做,而是要求学生自己设计实验,学生都必须自己动脑动手,曾融生现在回忆起来,仍觉得颜先生这种培养学生独立思 考和动手能力的教学方法使他受益匪浅,大有助于他后来所从事的科研实验工作。
临近毕业时,同学们都互赠纪念品以表惜别,但他的毕业论文指导老师周长宁教授却说“现在不必说‘再见’,以后大家科研有成就,发表论文时才是真正的 ‘再相见”’。这对曾融生也是很大的激励。
1946年,曾融生毕业后留在厦门大学数理系作一年助教。一年时间虽然不长,但为后来从事科研和教学工作,打下了良好的基础。
二、跨进科学研究之门
1947年,曾融生来到北平,经朋友介绍进了北平研究院物理研究所给顾功叙先生当助手。顾功叙自1938年从美国留学回国至那时,已从事地球物理勘探研究工作近十年,已是比 较知名的地球物理勘探专家,正在利用中国境内已有的重力加速度观测资料,进行大陆均衡研究工作。曾融生来所后帮助顾先生进行计算分析工作。他虽然对地球物理科学还很陌 生,但由于数理根底较深厚,英语程度较高,加上勤奋好学,一面工作一面钻研有关地球物理科学的中外文献、著作,很快便适应了新的工作。1949年顾功叙和他在《地球物理学 报》上连续发表了题为《中国境内208处重力加速度测点之海陆均衡变差》的论文。我曾问他:“这篇论文算不算您的处女作?”他笑了笑说:“当时我在地球物理 科学的研究上还达不到进行独立创造的水平,该文的主要思路和方法都是顾先生的。”
1948年,解放战争已接近最后胜利,物理研究所一些进步人士在地下党领导下组织所内一些年青同事学习《新民主主义论》、《论联合政府》等进步书籍,进行迎接解放的工作 ,曾融生也参加了。不久,北平和平解放,他以欣喜的心情迎来了新的生活。
解放初期,国家建设迫切需要开展地球物理勘探工作,而当时从事这方面工作的只有少数几个人,力量极为薄弱。曾融生作为顾功叙的助手,先后参加采用地电方法勘选官厅水 库的坝址和举办地球物理勘探短期训练班等工作。
勘探训练班的学员有20人是从全国400多名高中毕业生中选拔的,另有10余人是辅仁大学物理系毕业生。顾、曾两位先生对他们进行基本训练后就带往东北长春、鞍山等地进行 野外实地勘探(重力、地磁方法)实践,一边指导他们实际操作,一边辅导上课。这些学生后来多数成为冶金工业部地球物理勘探的主要骨干。
1950年中国科学院成立后,对原中央研究院和北平研究院属下的各研究单位进行调整和重新组建,原中央研究院气象研究所和中央地质调查所地震部分以及北平研究院物理研究 所的地球物理勘探部分合并成立中国科学院地球物理研究所。下分四个组,曾融生在物理探矿组。他先后到鞍山和湖北大冶进行磁法探矿。在大冶距尖林山山顶数米处发现有一磁 异常。他建议打一口钻井来验证,当时的地质总工程师谢家荣与苏联专家采纳了他的建议,决定打钻,打到40米深处时果然发现了含铁层。
1953年,曾融生主要从事电阻率仪器的改进实验研究。他感到原在官厅水库勘测坝址所用的电阻率仪器过于笨重,操作甚为不便,因而想到采用电子线路来改进电阻率仪器,经 过反复实验研究,当时何泽庆作他助手,并得到清华大学孟昭英教授的指点,终于试验成功。后在《地球物理学报》上发表了题为《真空管地电阻探矿仪》一篇论文。他认为,这 是他独立从事地球物理实验研究以来第一篇论文,也可算是他的处女作。就在这年,他与志同道合的戴爱云女士结了婚。戴原在金陵女子大学医预系读书,院系调整时转到南京大 学生物系,毕业后分配在一所中学教书,现在也是一位颇有造诣的生物学家。
1953年,傅承义先生兼任北京地质学院教授并主持地球物理勘探教研室,曾融生也参加了这项开创性的工作,协助傅先生指导学生实验课。1956年,他又随傅承义教授到北京大 学组建固体地球物理教研室,并在那里讲授地球物理勘探课程,1957年曾融生升任副研究员。
三、开创我国地球深部构造的研究
1958年以前,我国还没有开展地球深部构造的研究工作,也没有这方面的研究力量,然而探求地球深部的奥秘,无论就其理论意义或是实际价值而言都是十分重要的。1958年中 国科学院地球物理研究所在石油工业部的支持下,决定在柴达木盆地利用低频勘探仪探测埋藏深度达10公里以上的基岩面,同时对地壳深部构造进行研究。地球物理所派他负责这 项课题并带队前往。当时探测这样厚地壳的工程,不仅在国内是首举,而且在国外也很罕见。曾融生主持这项工作,取得十分可喜的成果。在盆地西部的鱼卡——甘森 和东部的大柴旦——喀尔木两条剖面上,分别获得较好的基岩首波、大角度反射波、回折波以及不同类型的多次波等重要震相,由此得到我国第一批比较详细的地壳速 度分层。1960——1961年他又在甘肃景泰地区利用矿山爆破获得地壳深界面反射波和其他震相,再次做出地壳内部的速度分布。在这两次探测中,他首先发现一种与一 般反射波性质不同的波,其视速度特大,视速度随距离的变化不大,且有较明显的终点,其时距曲线与一般深界面反射波的时距曲线相交。他分析这种大角度反射地震波并用它来 研究地壳和地球深部结构,进一步发现西北地壳中20一30公里处存在一个有速度梯度的高速夹层。夹层的速度司以高达8公里/秒,厚度为3—6公里。他还计算出甘肃地区的 地壳厚度为51公里,柴达木盆地为52公里。这两个地区虽属不同构造单元,但他们的高速夹层的性质十分相似。这一研究不仅在国内属于首创,在国际上当时也处于领先地位。他 曾在《地球物理学报》上连续发表了《柴达木盆地低频地震探测结晶基底的工作方法》、《柴达木盆地西部地壳深界面反射波》和《我国西北地区地壳中的高速夹层》等多篇重要 论文。
1960年,中国科学院地球物理研究所对各研究室进行调整。原第四研究室(物理探矿室)的大部分人员被抽调去从事地球物理火箭、卫星遥测系统的研制工作,所剩人员无几。嗣 后经调整充实,改为地壳物理研究室(九室),由顾功叙副所长兼室主任,室内常务工作由曾融生主持。他根据地壳物理的研究方向,重新组织了地壳深部探测、高温高压和模拟实 验、利用天然地震研究地球深部构以及重力等研究组。
地壳物理研究室在西北、苏北等地开展地壳深部构造的探测工作,经数年努力取得一些成果;九室的高龙生等人与上海大隆机器厂合作,研制成功70000大气压,1600℃超高压 、高温年轮式装置,获中国科学院优秀成果奖。继而在此基础上研制出30000大气压大空间锥式液体介质超高压设备,并测量了一批大陆岩石标本在不同压力下的弹性波速度。这一 成果曾被列为中国科学院的重大科技成果。
那时,曾融生除担负研究室的组织领导工作外,还在中国科技大学兼授地壳物理课程。他首次在我国利用地震面波——瑞利波的相速度研究中国大陆不同地区的地壳 厚度。他利用西南太平洋新不列颠岛发生的两次地震在我国土2个基本地震台记录到的瑞利波,计算出我国不同地区的相速度,从而首次得到我国不同地区的地壳厚度:中朝地台的 地壳构造相当均匀,厚度约为45公里;西安一兰州一包头、鄂尔多斯地台地壳较厚,为53公里,兰州一西安一成都地区的地壳厚度为48公里;成都一拉萨一兰州地区与昆明一拉萨 一成都地区的地形高度虽相差无几,但地壳厚度却相差甚多,前者仅为52公里,而后者达74公里;佘山-南京-广州地区的地壳构造比较特殊,厚度只有19公里。从结果看他认为: 一般来说,地形较高的地方,地壳厚度也较大,但并不完全按照比例,另外,西南地区地壳较厚(平均44公里),长江沿岸地区地壳较薄(34—37公里),这与地质构造单元的分 区相符合。他从所得的地壳厚度与地面地形的关系中得出结论:华北和华南分别属于两个不同块体,虽然它们各自已达到地壳重力的均衡状态,但它们的标准地壳厚度以及密度分 布各不相同。
1965年,为支援西南“三线”的建设,地球物理研究所决定在昆明建立分所(后被中国科学院定为直属所,称“中国科学院昆明地球物理研究所”)。曾融 生所在的研究室迁往昆明,他担任昆明地球物理所第一研究室(地震室)和第三研究室(地壳物理室)主任。昆明地球物理所头一年边建所边开展工作,在很短的时间内建成西南区域 地震台网;在西昌、会理、渡口以及西昌一召觉一带利用爆破地震研究地壳深部构造;对西南地区进行强震宏观和地震地质调查;为攀枝花钢铁企业建设地区提供了地震基本烈度 鉴定,取得优异的成绩。但好景不长,第二年就爆发了“文化大革命”,工作被迫停顿,曾融生也被扣上了“反动学术权威”的帽子,以莫须有的罪名遭到 批斗,在精神上和肉体上受到摧残,后来竟被囚进“牛棚”。就在那些严峻的日子里,他仍未放弃科学研究工作,不断地思考钻研。《莫霍界面的重力补偿和地壳结构 的基本模式》一文的思路,就是他在“牛棚”里形成的。后来经过修改补充,于1973年正式发表。该文明确指出:地壳是由许多物理性质互不相同的块体拼组而成,每 一块体本身的物理性质比较均匀,而且在莫霍界面处已达重力均衡状态;不同块体之间,不仅物性不同,而且在莫霍界面处未能达到重力均衡和重力补偿状态。这说明不同块体之 间存在某种阻挡的机制,这种机制自地面一直延伸到莫霍界面以下。不同块体之间的分界线,在地面上出现深源构造带,其上有酸性或基性的侵入岩分布。不同块体之间由于重力 的不均衡,在莫霍界面附近可能产生数百巴以上的侧应力。他还谈到:“由块体拼组而成的地壳基本结构模式,不是我的新发现,不过,我应用地球物理的方法,能够不附加 其他假设而单独地得到这个地壳结构的基本模式,从而排斥了地质学家可能设想的其他地壳基本结构模式。
只要有足够的地震台站网,我所用的方法可以有效地确定不同地壳块体的分界线以及各自地壳块体的物理参数。”这一模式,后来在国内外许多学者的研究结果中得到证 明。
粉碎“四人帮”时,曾融生已回到北京地球物理研究所。1978年他升任研究员并担任地球内部构造研究室主任。党的十一届二中全会后,他潜心研究大陆岩石圈构造 和地震成因等问题。在华北一些地区,他根据地震深部探测的首波资料发现地幔顶部是高速、低速相间的结构。他还致力于唐山地震区深部构造和地震成因的研究,并利用人工振 动源激发的地壳深反射波研究华北地区的地壳构造。
1979年,他作为中国代表团成员参加在澳大利亚堪培拉举行的国际大地测量与地球物理联合会(IUGG)第17届大会,宣读了他的著作《北京地区地壳构造的初步研究》,1980年赴 美参加在公园城召开的可控源地震学国际学术会议,会上他作了题为《沙特阿拉伯地震测深资料的初步解释》的学术报告,1982年赴英参加欧洲地球物理学年会并应邀赴德参加第 一次瓦格纳学术会议,1983年又去德国汉堡参加国际大地测量与地球物理联合会第18届大会,并受聘担任“岩石圈变形”讨论会召集人。
1984年,他的66万字的巨著《固体地球物理学导论》由科学出版社出版。这部书广泛收集并系统整理了国外理论和观测方面的最新资料,并介绍了我国地球物理工作者对地球内 部的研究成果。全书共分16章,全面讨论了有关地球内部的研究方法,重点探讨其结梅、组成,深入研究地球动力学及其对地球表面的影响,并以其他行星的探测结果同地球进行 对比。它是我国第一部完整而系统地论述固体地球物理理论和应用的重要论著。它的面世受到地学界普遍高度重视。他相继用中、英文发表的《岩石圈下部的速度结构》,提出了 岩石圈内及莫霍界面处存在薄层的证据。这种现象在某些地区深部探测的深反射剖面中已被证实。
他不仅在研究所内带领他的学生和助手悉心研究地球深部结构,而且多次建议国家制订一个切实可行的统一计划,在全国范围内有计划有步骤地开展地球深部的探测工作。国家 地震局于1979年组织一个工业爆破协调组(现名“深地震测深技术协调小组织”),曾融生以极大的热情给予指导。协调小组后来在华北、西当北、西南、东南等地区作 了数万公里测深剖面,在地壳结构的研究上取得不少新成果,对进一步探索地球深部构造具有很大作用。
四、在地震学研究的贡献
曾融生除了在地球深部构造研究的开拓卓有建树外,在地震学的研究,特别是对震源状态、发震过程和地震成因等研究上也做出不少贡献。
1974年5月11 日云南永善一大关发生7.1级强烈地震,他细致地研究了该地震的记录图,发现这次地震的主震具有多重性。后来他又搜集和详细分析全国各主要地震台对这次地 震的记录图纸,进一步发现该地震的主震是由10个以上的破裂点(即震源)组成,其中7个可以测定出震源参数。在地震开始的2—3秒钟内,只发生几次较小的破裂,其能量仅 相当于5级以下的地震,此后的60秒钟内相继出现4次大的破裂,其能量可达7级。这些震源点不规则地分布在长约60公里的范围内。根据破裂点的时间和位置分布,它们似乎是随机 地发生在一个脆弱带中,而不象是一个破裂从断层一端传递到另一端,即破裂顺序不是沿一定的方向进行。这说明永善一大关地震主震的发生和地壳内部物质的膨胀或收缩有密切 关系,这一发现对解释发震过程有重要意义。
1976年唐山大地震后,他怀着强烈的责任感,深入探讨华北地区,尤其是京、津、唐、张地区和唐山震源区的深部构造,广泛深入地研究震源状态、发震过程和地震成因等问题 。他根据对唐山地震区的深地震测深资料的分析,得出唐山地区地壳结构的特点及其与强震发生的明显关系。
为了进一步研究唐山地区深部地壳构造与唐山大地震孕育和发生的关系,他带领研究组同石油部物探局协作,于1985年在唐山震区完成了64公里长的深反射剖面的野外观测,获 取高分辨率的地壳结构的详细资料。结果表明:唐山强震的发生与当地地壳构造的复杂性和强烈的横向差异密切相关。
1987年,他又对唐山—张家口一线的地震进行定位分析,推断这里的地壳具有上部脆性,下部塑性的特性,其过渡带的深度约20公里。大地震都发生在脆性的高强度的地 壳中部,地震活动的下界即是脆性至塑性的过渡带。他通过唐山震中区的地震测深以及深反射剖面,揭示出唐山震源区的浅部及深部构造图象,指出:开平地壳断裂位于唐山震源 东缘,它的错动产生水平地形变;陡河正断层位于震源上方,自地面向下延伸5公里,它的错动产生垂直地形变;地壳中部的震源区是脆性和柔性的过渡带,这里岩层的形变与它上 方的介质不同,据此他提出唐山地震成因的模式:地幔热物质自开平地壳断裂上升,它使断裂中的物质软化,因此在区域水平压应力的作用下,易于发生错动,热物质的上升同时 在地壳上部产生附加的拉张力,产生正断层错动,而在地壳中部产生附加的压应力,使震源的介质加速破坏。
他对唐山大震的震源区进行如此深入细致的研究,在我国堪称创举,对研究今后大地震的工作,具有重要的指导意义。
五、年近古稀 壮志不已
如今,他虽已年近古稀,却全无老态,精力仍很充沛。1987年他为摆脱大量繁杂的行政事务,专心致力于科研工作,辞去了地球物理所地球内部构造研究室主任职务,推荐他年 富力强的得意门生王椿镛继任。自己带领学生继续深入研究华北盆地强震震源模型和成因,提出华北盆地强震以及凹陷形成的新模型,即在水平板块构造应力场的背景中,上地幔 热物质向地壳下部入侵,它所产生扰动应力场不仅在横向是不均匀的,而且在垂向也是不均匀的。它能在地壳上部产生足够大的伸张应力场,同时在地壳中部或下部产生水平切应 力场,由于地壳中力学性质随深度而改变,所以强震可能是由中部地壳的塑性形变以及上部地壳的脆性断层所组成,地震的破裂可能是双层破裂或多层破裂的。他提出的唐山和华 北地震震源模型为华北等地强震的研究工作奠定坚实的基础。
这几年他还以极大的热情从事青藏高原地球深部构造和物理性质的研究。他认为,青藏高原的隆起及板块的碰撞是当代地学界最令人瞩目的问题,而深部构造研究是解决大陆构 造学最有力的工具,他始终注意研究这一特殊地区的深部构造问题,并根据地震面波及体波的层析成象结果,提出印度次大陆向欧亚大陆碰撞的新模型。
199l—1992年,他同美国同行吴大铭教授等人合作在青藏高原设置一组宽频带,大动态的数字地震观测台网。由美方提供11套目前世界最先进的PASSCAL数字地震仪,沿喀 尔木一拉萨南北向布设若干处,沿拉萨东西向布设若干处,经一年的观测,已记录远近地震上千次。
他为这项计划花费了很多心血,从筹措资金,拟订计划,安排研究力量直到组织现场观测,可以说是全力以赴。1992年,他还亲自前往喀尔木观测现场,并登上昆仑山。
迄至1992年,仪器观测工作已经结束,取得大量珍贵资料,他经过初步分析对青藏高原内部岩石圈构造与应力状态的横向变化有了新的认识,并于1992年先后在香港和北京的国 际学术会议上提出报告。人们期望在资料进一步的处理和分析的基础上,对青藏高原的隆起和大陆碰撞会有更新的认识。
曾融生的科学生涯已经走过46个春秋,他并不满足过去对地球物理科学所取得的成就,仍在不断探索,奋进不已。