1、1国家自然科学奖公示内容( 2018 年度)项目名称：球形地球模型的地震位错理论及其应用Dislocation theory and its applications for a spherical earth主要完成人：孙文科（中国科学院大学） 、付广裕（中国地震局地震预测研究所） 、周新（中国科学院大学） 、徐长仪（中国科学院大学） 、董杰（中国科学院大学）提名者：中国科学院提名意见：加强地震基础理论研究，特别是开展断层破裂与地表变形之间关系的研究，是我国防震减灾工作的重大需求，对于推进基础地震理论进步，提升防震减灾科技支撑能力，推动大地震预测预报等工作具有重要科学意义。然而，目前被广泛使
2、用的基于半无限空间介质模型的地震位错理论存在物理/几何模型假设的重大缺陷，使得在大地震研究和地球动力学等应用中产生严重失真。为了解决这个重要理论问题，该项目经历二十多年攻关，建立了一整套基于球形地球模型的地震位错理论新体系，具有原创性和系统性，揭示了地震引起的全球变形规律，取得了具有国际影响力的原创性科研成果。该项目在世界上首次定义了地震位错 Love 数和地震变形格林函数，解决了同震重力变化、同震位移/应变、渐近解、三维不均匀地球模型的同震形变等一系列理论问题，形成了基于球形地球模型的地震位错理论新体系，发表了国内外在准静态地震位错理论方面的唯一专著地震位错理论 。由于球形地球位错理论具有研
3、究全球动力学变化的潜力，该项目拓展了上述理论的应用范围，进一步建立了同震垂线偏差变化、地震引起的地球膨胀和质心偏移等一系列新理论，开辟了研究地球动力学变化的新方向。该项目成果是近年来地震理论研究工作的重大进展之一，已在国内外引起广泛关注和认可，并推动了地震理论基础研究的进步。郑重推荐该项目为国家自然科学奖候选者。提名该项目为国家自然科学奖 2 等奖。2项目简介我国是世界上地震灾害最严重的国家之一，近年来重大地震灾害频发，对人民生命财产安全造成了极大的损害。 国家综合防灾减灾规划(2016-2020)要求“加强防灾减灾救灾科技支撑能力建设” ，彰显了地震科技对防震减灾事业的支撑作用。地震是断层瞬
4、间错动造成释放能量致灾的，位错理论是研究地震发生机理最重要的理论之一，是防震减灾工作的重要基石，是震源机制、地球内部构造、地震预报等基本物理问题和各种大地测量、地球物理观测数据之间的连接纽带、理论基础。该项目研究发现，原有的被广泛使用的半无限空间介质模型的位错理论存在其物理模型与球形地球的偏差太大导致计算误差过大的缺陷，在大地震研究和地球动力学等应用研究中会严重失真。因此，创建基于球形地球模型的地震位错理论并开展关键问题的相关应用研究，对于推进基础地震理论进步，提升防震减灾科技支撑能力，推动大地震预测预报等工作具有重要作用，也是我国防震减灾工作的重大需求。该项目在国家基金委、科技部、人力资源部
5、等项目的支持下，经历二十多年攻关，建立了一整套基于球形地球模型的地震位错理论新体系，具有原创性和系统性，全面提升了位错理论的理论完备性，揭示了地震引起的全球变形规律，取得了具有国际影响力的原创性科研成果：1、建立了新的地震位错理论。定义了地震位错 Love 数和地震变形格林函数，提出了解决球形地球模型的地震变形问题的基本思路和研究方案，解决了同震重力变化理论问题，同震位移/应变问题，地震变形渐近解问题，三维不均匀地球模型的同震形变问题，同时为震后形变研究提供了理论架构、思路和基础；项目第一完成人把上述理论单元进行了系统性总结，整理形成了位错理论新体系，发表了国内外在准静态地震位错理论方面的唯一
6、专著地震位错理论。2、拓展了上述理论的应用研究。发展了基于新位错理论的断层反演新方法；建立了同震垂线偏差变化理论，研究了 GRACE 卫星对地震重力变化的监测潜力，拓展了其应用范围；提出了地震引起的地球膨胀和质心偏移理论，计算了全球地震对三维地球自转参数与动力学因子变化的影响，推进了全球地震变形及其动力学变化研究，开辟了利用大地测量数据研究地球动力学变化的新方向。该 项 目 成 果 是 近 年 来 地 震 理 论 研 究 工 作 的 重 大 进 展 之 一 ， 已在国内外引起广泛关注和认可，推动了地震理论基础研究的进步。出版专著 1 部，发表 103篇科学论文(含 46 篇 SCI 论文)，成
7、果被 Science、JGR、GRL、地球物理学报等国内外重要期刊引用，并成为 Bomford 奖获得者 Tanaka 博士和国家杰出青年基金获得者汪汉胜博士主要贡献的理论基础。第一完成人因其贡献获国家特聘专家(“千人计划 ”)，获中国地球物理学会科技创新一等奖、中科院“朱李月华优秀教师”奖、 “优秀研究生指导教师”奖，其他完成人获“赵九章中青年优3秀科学奖” 、 “傅承义青年科技奖” 、 “李善邦青年优秀地震科技论文奖” 、中国科学院百篇优秀博士论文奖等奖项，形成了一支该领域有国际影响力的科研团队。客观评价（限 2 页。围绕科学发现点的原创性、科学价值、国内外自然科学界公认度以及推动学科发展
8、的作用进行客观、真实、准确评价。填写的评价意见要有客观依据，主要包括国内外同行在重要学术刊物、学术专著和重要国际学术会议等公开发表的学术性评价意见，国内外重要科技奖励等，可在附件中提供证明材料。非公开资料（如私人信函等）不能作为评价依据。 ）本项目包括了五位完成人的博士论文及其后续拓展研究成果，所有这些研究均围绕球形地球模型的地震位错相关问题展开，建立了一整套地震位错理论，具有原创性和系统性。著名地震学家阿部胜征教授对孙文科的博士论文给出如下评价：世界上首次解决了球体位错产生的重力位和重力变化问题，对将来与位错相关的形变数据的高精度解析、大地水准面变化、震源反演等研究均具有重大影响，论文在地震
9、引起重力变化研究领域做出了重要贡献(评价 1)。著名大地测量学家大久保修平(Okubo)教授对付广裕的博士论文给出如下评价：世界上首次基于三维不均匀地球模型，研究了地球外部力源(潮汐)和内部力源(地震)引起的重力变化，具有重要的科学价值(评价 2)。周新因其博士论文在位错理论应用研究上的突出贡献被中国科学院大学评为 2013 年优秀毕业生。董杰因其关于位错理论研究的博士论文被授予国家奖学金。徐长仪的博士论文获得 2015 年优秀毕业生称号，同时获得中科院院长奖，其博士论文被评为2016 年度中国科学院百篇优秀博士学位论文(评价 3)。本项目是一项原创性基础理论研究，第一完成人的一篇论文得到了匿
10、名审稿人的高度评价，认为该论文“Essentially, the paper is clear, good, very interesting and new.”以及“This paper is very timely, and represents a substantial contribution which may find wide applications in crustal deformation studies”。关于三维不均匀地球模型的位错理论研究及潮汐研究的结果，被美国科学家 Ito 加拿大科学家4Hayes 等(2006)、法国科学家 Panet 等(2007)、以及美
11、国科学家 Schultz 等(2016)也对该研究结果给予了肯定，并把该研究作为重力卫星检测能力的依据(评价 8、9、10)。以著名大地测量学家 Roland Pail 为首的一个国际科学家工作小组于 2015 年向 IUGG 提交关于新一代重力卫星的建议书观测质量迁移加深理解全球变化 ，其中引用/采用了上述研究成果，为新一代重力卫星设计提出科学依据，同时建议加强重力观测(评价 11)。项目组提出的球形地球位错理论为研究震后形变问题提供了可能性，开创了新的研究方向。汪汉胜博士在研究震后变形中完全采用了孙文科理论的基本思路和数值技巧，使得计算震后大地水准面与重力变化成为可能(评价 12)。Tan
12、aka 博士在其论文中完全基于孙文科理论的思路和方法，并大篇幅引用其核心公式，建立起震后位移与重力变化理论(评价 13)，并因此获得国际大地测量联合会的 Bomford 奖。2011 日本东北 Mw9.0 地震发生后，孙文科走进中央电视台 CCTV10走进科学栏目，同时在中国科协作大会报告，科普球体位错理论，展示其团队的科研成果，解读日本大地震，起到为民众解惑，安定人心的社会作用(评价 14)。在科学出版基金的支持下，孙文科总结了前期科研成果，于 2012 年发表了专著地震位错理论 ，许厚泽院士、陈运泰院士和石耀霖院士推荐出版并为该书作序。许厚泽院士认为：孙文科“首次在国际上解决了球形地球模型
13、的同震形变（包括位移、重力、应变）问题。近几年来，又和他的博士团队一起，利用变分方法研究了极为困难的三维地球模型的同震形变问题，从而在地震位错导致的同震形变研究领域，成为国际上一位有造诣和影响的科学家。 ”(评价15)。石耀霖院士认为：“这些研究需要建立在精细完善的位错理论之上，而位错理论则是这些基本物理问题和各种大地测量和地球物理观测数据之间的连接纽带、理论基础。因此，位错理论的重要性不言而喻。 ”“直到今日，半无限空间介质模型的位错理论仍然被广泛使用，尽管它具有数学上的简洁性和解析性，然而由于这样的物理模型与球形地球差异太大，完全忽略了地球的几何形状甚至层状构造，使其计算结果因忽略曲率和成
14、状构造而产生较大误差，同时在地球表面上的应用范围也是有限的。本书所提出和讨论的球形地球模型的位错理论正是解决了这些问题。 ”(评价 16)。由于在地震位错理论研究领域的系统性贡献，孙文科获得中国地球物理学会首届科学技术奖科技创新一等奖 (评价 17)，中国科学院“优秀研究生指导教师”奖(评价 18)及国务院政府特殊津贴(评价 19)；付广裕获得了中国地球物理学会科学技术奖科技进步二等奖(评价 20)， “赵九章优秀中青年科学奖”和“傅承义青年科技奖” (评价 21)。最后，Bomford 奖获得者/东京大学 Okubo 教授对孙文科研究团队申请“国家自然科学奖”表达了坚定支持，他推荐说，孙文科
15、及其研究团队基于球体地球模型，世界上首次建立了一整套位错理论，并成功地开展了一系列地球物理5应用研究。如果没有这套理论，将很难对近期发生的 9 级及以上大地震引起的形变和重力变化进行合理的解释(评价 22)。 代表性论文专著目录（不超过 8 篇）序号论文专著名称/刊名/作者影响因子年卷页码（ xx 年 xx 卷xx 页）发表时间（年月 日）通讯作者（含共同）第一作者（含共同）国内作者SCI他引次数他引总次数论文署名单位是否包含国外单位1地震位错理论 /科学出版社 /孙文科著2012 年, 260 页2012年 1月 1日孙文科孙文科孙文科 / / 否2Geodetic observations
16、 detecting coseismic displacements and gravity changes caused by the Mw = 9.0 Tohoku-Oki earthquake /J. Geophys. Res. / Zhou, X., W. Sun, B. Zhao, G. Fu, J. Dong, and Z. Nie3.32012,117, B05408, doi:10.1029/2011JB0088492012年 5月12日Zhou, X.Zhou, X.周新，孙文科，赵斌，付广裕，董杰，聂兆生14 20 否63Gravity and GPS measuremen
17、ts reveal mass loss beneath the Tibetan Plateau: Geodetic evidence of increasing crustal thickness /Geophys. Res. Lett. /Sun, W., Q. Wang, H. Li, Y. Wang, S. Okubo, D. Shao, D. Liu, and G. Fu 4.22009, 36, L02303, doi:10.1029/ 2008GL0365122009年 1月20日Sun, W.Sun, W.孙文科，王琪，李辉，王勇，邵德胜，付广裕22 35 是4Effects o
18、f the layer structure, self-gravity and curvature on coseismic deformations/ Geophys. J. Int./ Dong J., W. Sun, X. Zhou, R. Wang2.6 2014, 199(3), 144214512014年10月 4日J. DongJ. Dong董杰，孙文科，周新4 9 否5地球横向不均匀结构对地表以及空间固定点同震重力变化的影响 /地球物理学报 /付广裕, 孙文科0.8 2012,55(8): 2728-27462012年 8月20日付广裕付广裕付广裕, 孙文科2 5 否6重力卫星
19、 GRACE检测出 2010 年智利 Mw8.8 地震的同震重力变化 /地球物理学报 /周新，孙文科，付广裕0.8 2011, 54 (7): 1745-17492011年 7月20日周新 周新周新，孙文科，付广裕2 12 否77Coseismic deflection change of the vertical caused by the 2011 Tohoku-Oki earthquake (Mw9.0) /Geophys. J. Int. / Sun W. and X. Zhou2.6 2012, 189, 9379552012年 5月 1日Sun W.Sun W.孙文科，周新1 6
20、否8Earthquake-origin expansion of the Earth inferred from a spherical-Earth elastic dislocation theory/ Geophys. J. Int./ Xu C., W. Sun2.6 2014, 199(3), 165516612014年10月15日Xu C.Xu C.徐长仪，孙文科2 2 否合 计 47 89承诺：上述论文专著用于提名国家自然科学奖的情况，已征得未列入项目主要完成人的 作 者 的 同 意 。 知识产权归国内所有，且不存在争议。第一完成人签名：8主要完成人情况姓 名 孙文科 排 名 1
21、技术职称 教授工作单位 中国科学院大学 行政职务 地学院副院长所 在 地 北京完成单位 中国科学院大学单位性质 高等院校对本项目主要学术贡献：项目第一完成人，创建了基于球形地球模型的地震位错理论，证明了地球曲率和层状构造影响的重要性，定义了“地震位错 Love 数”及其“地震变形格林函数 ”，拓展了利用大地测量数据研究地球动力学问题的新方向，推进了全球地震变形及其动力学变化过程研究，在全球地震变形和重力变化的理论、观测与解释方面取得了系统性、原创性成果。在所有科学发现中均有贡献。姓 名 付广裕 排 名 2 技术职称 研究员工作单位 中国地震局地震预测研究所 行政职务 形变室副主任所 在 地 北
22、京完成单位 中国地震局地震预测研究所单位性质 科研机构对本项目主要学术贡献：基于三维不均匀地球模型，采用变分方法，成功解决了地球内部力源(震源) 的变形问题，建立了三维地球模型的地震位错理论，完善了三维不均匀地球模型的潮汐变形理论，定量分析了地球的横向不均匀结构对同震位移以及重力变化的影响。姓 名 周新 排 名 3 技术职称 助理研究员工作单位 中国地震局地壳应力研究所 行政职务 无所 在 地 北京完成单位 中国科学院大学单位性质 高等院校对本项目主要学术贡献：基于球体位错理论，结合贝叶斯框架，发展了断层滑移反演方法，首次应用于 2011 年日本东北大地震断层滑动分布反演，成功解释了该地震的
23、GPS 和重力卫星观测资料，其反演方法及计算程序被广泛应用。9姓 名 徐长仪 排名 4 技术职称 助理研究员工作单位 中国地震局地震预测研究所 行政职务 无所在地 北京完成单位 中国科学院大学单位性质 高等院校对本项目主要学术贡献：基于球形地球位错理论，以全球发生的地震为对象，首次研究了同震形变造成地球膨胀问题，估算了全球地震对三维自转参数、动力学因子(J 2)长期变化，解决了传统方法无法解决的同震重力势能和旋转动能释放问题。姓 名 董杰 排名 5 技术职称 博士后工作单位 中国科学院大学 行政职务 无所 在 地 北京完成单位 中国科学院大学单位性质 高等院校对本项目主要学术贡献：基于球形地球位错理论的格林函数，解决了地表震源的奇异问题，系统分析了层状构造、重力及曲率对地震变形的影响，首次研究了地震引起的地球质心移动问题，并给出了地震位错引起的地球内部变形计算公式。10完成人合作关系说明项目组成员中，主要完成人付广裕、周新、徐长仪和董杰都是孙文科教授的博士毕业生，主要研究工作都是在孙文科教授的指导下完成。承诺：本人作为项目第一完成人，对本项目完成人合作关系及上述内容的真实性负责，特此声明。第一完成人签名：
