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地质与力学的结合——深切怀念王仁教授

何国琦
北京大学球与空间科学学院,北京 100871

1970年代初,王仁教授从北京大学江西干校农场回校。为了发展力学与地质学之间的交叉学科,王仁先生毅然从力学系转到原地质地理系工作。由于王仁先生的带动,同时或稍后来到原地质地理系的力学系教师有10位左右之多,其中包括了在力学不同方向上从事理论和实验研究的高水平人员。由于如此豪华阵容的力学师资转而从事地学领域的教学和科研,力学与地质学相结合的新方向成为了北大地学最活跃、最有成绩的方向之一。这个方向,不仅为国家培养了一批基础理论知识雄厚、具有从事跨学科研究和较高创新能力的人;而且,在地震地质、地球构造动力学等领域积累了大批高水平的科研著述和教材,在国内外形成了较大的影响。作为学科带头人,王仁教授在培养年轻人、开创新的研究方向和组织国内外学术交流等方面呕心沥血,无私地奉献了他的后半生。为了纪念王仁先生,也为了记述地质地理系(1978年以后是地质学系)那一段的历史,总结学科建设的经验,本文将我所知道的一些情况叙述出来,供后人参考。

从1973年到1976年唐山大地震之前,是王仁先生为力学与地质学相结合打基础的阶段。1970年代初,我还在地热组,常年在野外工作,很少回校,但是知道王仁教授来系,并知道他是我国著名的力学权威。1973年我被调回到地质力学专业,在技物楼的一间办公室里,第一次见到了王仁教授。他的谦和、热情和坦诚给我留下了深刻的印象。王仁先生和当时大都还是青年人的地质学教师相处非常融洽。为了学科之间的相互沟通,他一方面帮助地质教师更好地了解力学基础知识;另一方面,自己也热情参加学生的地质实习和野外考察。通过共同编写教材,力学与地质学教师彼此之间有了交流学术的机会,探讨地质学与力学结合途径的其它活动也很多。在王仁先生倡导和积极参与下,岩石力学、光弹等实验室的建设也都有了很快的进展。回想起来,那几年的大环境仍然动荡,但地质力学专业集体,由于王仁先生等的到来和有了新的学科方向、目标,却表现出了相当大的活力。王仁先生这一段的工作,为此后力学与地质学相结合方向的进一步发展,打下了良好的基础。

1976年7月26日的唐山大地震,为北大地质地理系力学与地质学相结合新方向的发展提供了新机遇。唐山大地震震动了整个华北大地,人民的生命财产遭受了巨大损失。大地震之后,数以亿计的人口仍生活在惊恐之中。当时,摆在政府和百姓面前最尖锐的问题是,接下来还会发生什么? 为了“躲”地震,人们居住在临时搭建的杭震棚中,正常的生产和生活秩序完全被破坏了。就在地震后的一天,王仁先生、我和几位其他教师,在北大22楼前“躲”地震的时候,大家很自然地讨论起了当时人们最为关注的这个问题。当时我们都被一种强烈的使命感所激动,认为不能这样消极地“躲”,应该利用我们所掌握的理论和方法,探讨华北地区强地震后的地震活动趋势和规律。地质教师想到的是在构造地质学中早己有之的模拟实验方法。这种方法在研究某一地区应力场时的一般的做法是,首先利用合适的材料做成模型,然后调整边界条件和边界力,目的是能够在模型上重现与模拟地区相一致的变形特征。模型材料的选择和变形时空尺度的分析应能符合一定的相似原理。这类实验的主要目的是,想得到具有某种变形特征地区的受力情况和变形过程。然而,当时要解决的是,在华北地区的某点(唐山),以地震的形式释放了大量能量后,在边界条件和边界力都基本不变的情况下,华北地区的应力场将如何调整和变化。显然,这种调整和变化决定着大震后的地震活动趋势和规律。这实际上是要将传统模拟实验的目的反过来,模拟实验的方法和程序跟着也要有重大改变。根据我们当时所掌握的知识,这种实验方法是无先例可寻的。想法能不能实现? 王仁先生经过思考后,坚定地说“能够实现”。接着他提出用有限元方法进行数值模拟的设想。具体的是,在反映华北断裂系统特征的地质模型上进行单元划分,通过设定断裂和非断裂单元的力学参数得到力学模型,然后再通过调整边界条件和边界力,使模拟的唐山地区达到应力最集中的状态。在以上系列步骤完成后,在模拟的唐山地区施以反向力或用降低摩擦系数的方法,以达到释放应力(模拟地震发生)的目的,此后,从模型上将得到华北其它地区应力变化的情况。经讨论,一条完整的研究思路和方法就这样形成了。大家认同了王仁先生的设想后,都非常兴奋,立即分头行动起来。地质教师,运用新得到的卫星影像和原来就掌握的地质资料,很快拿出了反映华北断裂系统特征的地质模型;根据这个模型,王仁先生等很快建立了华北构造应力场的数学力学模型;此后,他亲自连夜上机,实现模拟实验过程。这样,只经过短短几天时间的奋战,就得到了初步实验结果。结果是,唐山地震后,在河北、山西的几个地点有强度不大的新应力集中区,也就是说,华北地震应力场并不是全面缓解,但也不是全面紧张。我们带着此项结果,参加了国家地震局于当年8月上句召开的华北震情会商会,并作了报告,引起与会者的注意。不久,北大的地质力学专业,以该实验为主要方法,参加了由北京市科协组织的京津塘地区地震会战项目,继续改进该实验研究的方法,获得了更加理想的结果。与此同时,还在北大连续举办三期规模较大的学习班,使该方法在一段时间里,在地震局系统得到了推广应用。1990年代,王仁先生的学生与美国学者合作,运用类似的研究思路和方法,对美国圣安德列斯断裂区大地震后的应力场变化进行了研究,其结果在美国著名刊物“科学”上发表。这从另一个侧面,说明了该项实验技术所具有的重大创新意义和生命力。

回顾那一段日子,总是使我激动和感慨。几个方面的因素结合起来,才造就了那段令人怀念的历史。首先是数以亿计人民的关切所造成的一种巨大的社会需求;其次是王仁先生等在北大原地质地理系定了力学与地质学相结合的初步基础;再有,可能也是最重要的,是由王仁先生所代表的科学家应有的急人民之所急、勇于创新和崇高的身精神。在实践的过程中,学科的交叉本身也发展到了一个新阶段。在此后的许多年里,王仁先生领导的集体,在改进地球力学模型,探讨地球构造运动动力来源和解决地震地质和工程等实际问题方面,做了大量开创性和基础性的工作。在这个过程中,该集体不仅自身快速成长,而且培养了大批优秀人才;所积累的丰富科研成果和高水平教材为后人留下了一笔应该继承的巨大财富。王仁先生晚年创建了北大地球动力学研究中心,继续开展大规模国际、国内学术交流,使地球构造动力学学科走向成熟,并赢得了很高的知名度。

30年前,大批力学教师来到原地质地理系(也包括同时来到的几位化学方面的教师),并不完全是有意识的学科重组,其意义在当时也并未被完全认识。回过头来看这件事对逐渐形成北大地质学系的特色,从而也对我国地学学科的发展,有非常重要的意义。总结这方面的经验,不仅对于当前的学科建设有现实意义,而且也是对王仁先生最好的纪念。

王仁先生是我的良师益友,对我的提携和帮助很多。1982年,当我在改革开放后,第一次应邀为某国外著名刊物准备文稿时,王仁先生不仅为我修改摘要,还亲自用打字机将摘要打出来,使我能及时完成任务。此外,我还有幸在王仁先生的提携下、与他合作,完成过若干重要的文章。我感到遗憾的是,由于我个人教学、科研任务的变更,1990年代后期以来,我与王仁先生科研合作的机会越来越少了。这对我来说,造成了难以弥补的损失。然而,他对我工作的指导与帮助是一贯的,这方面的事例不胜枚举。王仁先生离开我们已经一年了,但他的音容笑貌时时浮现在我面前。特别是在他重病缠身,极度虚弱的情况下,仍然豁达乐观、坚持工作的身影更使我终生难忘。王仁先生人格高尚,是一位真正的科学家和纯粹的人,他永远是我们学习的榜样。


以上内容出自:《仁厚笃实的一生:王仁先生纪念文集》,气象出版社,2002 年