2021-10-12
2021年是我国著名的力学家、地球动力学家和教育家、中国科学院院士、北京大学力学与工程科学系及地球物理学系教授王仁先生诞辰百年.王仁先生为我国的塑性力学与地球动力学的发展做出了奠基性和开拓性的贡献；是我国将力学同构造地质学和地震学相结合的先驱.
王仁1921年1月2日生于浙江省吴兴县.1943年毕业于西南联合大学航空工程系并获得工学学士学位.1948年赴美国西雅图华盛顿大学航空工程系深造，师从国际著名非线性力学专家罗森堡（R.M.Rosenberg）教授.1950年被推荐到由国际著名塑性力学教授W.Prager创办的布朗大学应用数学部深造，1953年获得应用数学专业哲学博士学位.历任布朗大学应用力学部的副研究员和美国芝加哥伊利诺伊理工学院力学系助理教授.
1955年回国.王仁先生应周培源教授邀请到北京大学数学力学系任教.他与叶开沅和董铁宝等一起创建了北京大学固体力学教研室.“文化大革命”期间（1971年）被分配到北京大学地质地理系地质力学专业工作.他积极开展力学在地质学中的普及和应用的工作，并结合实际地质问题，编写了我国第一部供地质系本科生学习的《固体力学基础》教材，率先在我国大学中的地质系开设固体力学课和设立模拟地质构造变形的光弹实验室，以及研究岩石破裂机理的岩石力学实验室.
1970年代王仁先生用变形体力学首次给出了分层（13层和15层）快速和慢速地球模型的理论解，对李四光提出的全球构造运动的驱动力源与地球自转速率的变化问题进行了定量分析，揭示了短期和长期地球自转速率变化对应力场和地表变形场影响的大小和量级，以及驱动全球构造运动的可能性.这个理论为研究日月引潮力对地震的触发莫定了理论基础.
1976年唐山大地震后，王仁先生提出了模拟地震迁移与危险区预测的思想和方法，利用中国历史地震、地球物理、地质构造等资料和弹塑性有限元方法，先后研究了1966年邢台大地震后到唐山地震5次大地震和唐山大地震前700余年华北地区14个历史大地震的迁移规律，根据这些地震迁移得到的构造应力场结果，推演出唐山大地震后京津地区处在地震安全度增加地区.这个结果回答了当时人们普遍关心的这个地区的大地震危险性问题.这项研究在1979年巴黎召开的国际地震预报会和1981年国际地震与地球内部物理学协会（IASPEI）上进行了报告，引起了与会者的极大关注，开创了地球物理方法之外的研究地震迁移与危险区预测的新方法，这个方法要比现在国际上流行的类似方法（地震触发库仑应力变化方法）至少早10年.
1980年代王仁先生提出了利用震源机制解给出的地震释放主应力方向、大地测量和应力测量等数据，联合反演板块运动学和动力学参数的方法.利用这个方法反演得到了东亚构造应力场和北美板块的速度场和应力场以及相应的板块边界的运动速率和其底部的拖曳力.在岩石力学实验方面，同国家地震局地球物理所合作，王仁先生等利用激光全息干涉，观测和研究单轴压缩的割缝大理岩岩样在软化阶段的变形特征，发现会出现与以往不同的逆向宏观剪切破坏；并用研究组开发的弹塑性有限元程序（NOLM）再现了整个变形过程，从理论上对这个结果给出了合理解释.开启了我国岩石力学试验与塑性力学数值模拟结合的工作.王仁先生等还将损伤力学引入到岩石力学实验中，研究了岩石试件表面裂纹的发展变化及其与外载和预制缺陷之间的关系，并以实验观测和分维统计分析结果为依据，建立了岩石分维损伤本构模型，用来模拟各种岩石材料变形和大尺度地球动力学问题的分析计算.
王仁先生十分关注地球科学人才培养事业，推动北京大学地球与科学学院的创办.在他的努力下，北京大学地球与空间科学学院终于在2001年创立.王仁先生是当之无愧的北京大学地球与空间科学学院的创始人.
1986年以后，王仁先生虽然大部分时间在国家自然科学基金委员会从事领导和顾问工作，但是他始终没有离开科研、教学和培养研究生的第一线，直到2001年4月8日他生命的最后一刻.
王仁先生在地球动力学领域的研究工作，获得了国内外同行的赞誉和重视，他被国际著名地震学家安艺敬一（K.Aki）誉为“中国地球动力学之父”.鉴于王仁先生在科学上的成就和杰出贡献，2000年荣获何梁何利科学与技术进步奖.
为了缅怀王仁先生，我们组织了“纪念王仁院士百年诞辰地球动力学研讨会”专栏，专栏文章涉及板块动力学、地幔对流、计算地球动力学、地震学、行星动力学和岩石力学领域的一些综述和进展以及新方法.
王仁先生仁厚笃实，慎思勤勉，光明正大，艰苦朴素，平易近人.王仁先生在地球动力学研究中的一系列重要思想、方法，培育出了一大批今天在国内外地球动力学领域的杰出学者和工作者.“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”.让我们继承和发扬王仁先生脚踏实地、锐意进取、不断创新、助人为乐的精神，为地球动力学领域做出新的更大贡献.
王仁1921年1月2日生于浙江省吴兴县.1943年毕业于西南联合大学航空工程系并获得工学学士学位.1948年赴美国西雅图华盛顿大学航空工程系深造，师从国际著名非线性力学专家罗森堡（R.M.Rosenberg）教授.1950年被推荐到由国际著名塑性力学教授W.Prager创办的布朗大学应用数学部深造，1953年获得应用数学专业哲学博士学位.历任布朗大学应用力学部的副研究员和美国芝加哥伊利诺伊理工学院力学系助理教授.
1955年回国.王仁先生应周培源教授邀请到北京大学数学力学系任教.他与叶开沅和董铁宝等一起创建了北京大学固体力学教研室.“文化大革命”期间（1971年）被分配到北京大学地质地理系地质力学专业工作.他积极开展力学在地质学中的普及和应用的工作，并结合实际地质问题，编写了我国第一部供地质系本科生学习的《固体力学基础》教材，率先在我国大学中的地质系开设固体力学课和设立模拟地质构造变形的光弹实验室，以及研究岩石破裂机理的岩石力学实验室.
1970年代王仁先生用变形体力学首次给出了分层（13层和15层）快速和慢速地球模型的理论解，对李四光提出的全球构造运动的驱动力源与地球自转速率的变化问题进行了定量分析，揭示了短期和长期地球自转速率变化对应力场和地表变形场影响的大小和量级，以及驱动全球构造运动的可能性.这个理论为研究日月引潮力对地震的触发莫定了理论基础.
1976年唐山大地震后，王仁先生提出了模拟地震迁移与危险区预测的思想和方法，利用中国历史地震、地球物理、地质构造等资料和弹塑性有限元方法，先后研究了1966年邢台大地震后到唐山地震5次大地震和唐山大地震前700余年华北地区14个历史大地震的迁移规律，根据这些地震迁移得到的构造应力场结果，推演出唐山大地震后京津地区处在地震安全度增加地区.这个结果回答了当时人们普遍关心的这个地区的大地震危险性问题.这项研究在1979年巴黎召开的国际地震预报会和1981年国际地震与地球内部物理学协会（IASPEI）上进行了报告，引起了与会者的极大关注，开创了地球物理方法之外的研究地震迁移与危险区预测的新方法，这个方法要比现在国际上流行的类似方法（地震触发库仑应力变化方法）至少早10年.
1980年代王仁先生提出了利用震源机制解给出的地震释放主应力方向、大地测量和应力测量等数据，联合反演板块运动学和动力学参数的方法.利用这个方法反演得到了东亚构造应力场和北美板块的速度场和应力场以及相应的板块边界的运动速率和其底部的拖曳力.在岩石力学实验方面，同国家地震局地球物理所合作，王仁先生等利用激光全息干涉，观测和研究单轴压缩的割缝大理岩岩样在软化阶段的变形特征，发现会出现与以往不同的逆向宏观剪切破坏；并用研究组开发的弹塑性有限元程序（NOLM）再现了整个变形过程，从理论上对这个结果给出了合理解释.开启了我国岩石力学试验与塑性力学数值模拟结合的工作.王仁先生等还将损伤力学引入到岩石力学实验中，研究了岩石试件表面裂纹的发展变化及其与外载和预制缺陷之间的关系，并以实验观测和分维统计分析结果为依据，建立了岩石分维损伤本构模型，用来模拟各种岩石材料变形和大尺度地球动力学问题的分析计算.
王仁先生十分关注地球科学人才培养事业，推动北京大学地球与科学学院的创办.在他的努力下，北京大学地球与空间科学学院终于在2001年创立.王仁先生是当之无愧的北京大学地球与空间科学学院的创始人.
1986年以后，王仁先生虽然大部分时间在国家自然科学基金委员会从事领导和顾问工作，但是他始终没有离开科研、教学和培养研究生的第一线，直到2001年4月8日他生命的最后一刻.
王仁先生在地球动力学领域的研究工作，获得了国内外同行的赞誉和重视，他被国际著名地震学家安艺敬一（K.Aki）誉为“中国地球动力学之父”.鉴于王仁先生在科学上的成就和杰出贡献，2000年荣获何梁何利科学与技术进步奖.
为了缅怀王仁先生，我们组织了“纪念王仁院士百年诞辰地球动力学研讨会”专栏，专栏文章涉及板块动力学、地幔对流、计算地球动力学、地震学、行星动力学和岩石力学领域的一些综述和进展以及新方法.
王仁先生仁厚笃实，慎思勤勉，光明正大，艰苦朴素，平易近人.王仁先生在地球动力学研究中的一系列重要思想、方法，培育出了一大批今天在国内外地球动力学领域的杰出学者和工作者.“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”.让我们继承和发扬王仁先生脚踏实地、锐意进取、不断创新、助人为乐的精神，为地球动力学领域做出新的更大贡献.
王仁先生在地震预报中的开拓性工作 － 石耀霖, 胡才博 摘要 全文
中国是一个多地震和强地震的国家，地震预报是当代科学最具挑战性的课题之一.王仁先生从20世纪70年代起开展了前瞻性和开拓性的工作，他的思想的科学性已经被半个世纪以来的地震科学进展所证明.本文简要回顾了王仁先生关于地震预报的科学思想和实践，以及这些思想在近年来取得的突出进展，展望了今后数值地震预报在高性能计算物理模型驱动和机器学习数据驱动下的发展前景.
一种通过共轭地震确定地壳的内摩擦特性的方法 － 王安简, 陈运泰 摘要 全文
应用国内外24个具有"X"形或"L"形（不完整的"X"形）共轭破裂特征的地震资料，以及云南鲁甸、盈江两次共轭破裂地震的详细重定位数据，运用库仑破坏准则揭示的脆性破裂的共轭破裂角与介质的内摩擦系数之间的关系，测定与计算了地震共轭角与地壳的内摩擦系数，探讨了库仑破坏准则与安德逊破裂理论应用于宏观尺度破裂即天然地震问题.结果表明，在国际、国内不同地区不同年代的多次共轭破裂地震中，共轭角与内摩擦系数的优势分布分别为65°~75°与0.27~0.47.在同一地区或相近地区发生的地震，其共轭角与内摩擦系数在数值上也相近.库仑破坏准则与破裂的安德逊理论，不但适用于实验室的小样本岩石破裂实验结果，而且适用于宏观尺度破裂即天然地震.通过共轭角的测定，可以确定地壳的内摩擦系数，是一种增进对地壳的内摩擦特性的认识的简易、直接的方法.
俯冲带大断层的强度是地球动力学的一个重要问题.过去20年来，学界对这一问题的认识有了根本性的改变.本文将简单介绍近期这一研究的核心科学内容、主要方法和结果.宏观估计这种断层大尺度平均强度的有效方法只有两种：一是用弧前地壳应力观测约束横向挤压力从而推算大断层强度，二是用弧前地表热流观测约束断层摩擦生热量从而推算大断层强度.目前的研究结果表明：首先，这些断层极弱，其有效摩擦系数一般在0.03左右，有些可能略大于0.1，这一结果也解释了为什么俯冲带不是造山带.其次，发生特大地震的大断层是最弱的，充分表明大地震不需要高强度断层和高应力，而需要易于破裂传播扩展的地质条件.另外，大地震发生时断层的应力降与强度相比，既不是微乎其微，也远不到百分之百.导致大断层极弱的地质原因还尚不明确.一般认为需要相当高的孔隙液压，但是断层泥中的软弱含水矿物可能也起关键作用.
汶川地震失稳机制的数值模拟研究 － 李平恩, 廖力, 奉建州 摘要 全文
考虑断层的软化特性，建立垂直于龙门山断裂带并包含四川盆地和川西高原在内的汶川地震不稳定性地震力学模型.采用有限元方法计算得到了描述整个岩石力学系统稳定性状态和过程的平衡路径曲线.在此基础上，采用稳定性理论研究了汶川地震从孕育到发生的过程，讨论了断层倾角和断层材料参数对地震失稳的影响.数值模拟结果显示，系统只存在稳定的断层无震滑动和不稳定的地震失稳2种状态.断层倾角、初始内摩擦系数、初始黏聚力和强度曲线形状参数的增加会导致系统趋向不稳定的地震失稳状态.而强度曲线胖度参数的增加有助于系统进入稳定的断层缓慢无震滑动状态.地震失稳前，在平衡路径曲线的应力峰值点和失稳点之间，断层错动加速，应变能开始释放并且应力开始减小，是失稳的前兆.最后在失稳点发生应力突跳，地震发生，其间伴随应变能的急剧释放、应力降和断层突然错动.无论是稳定的断层无震滑动还是不稳定的地震失稳，系统重新进入应力和应变能增加状态后，应力和应变能的增速由远场加载速度、岩石力学系统的结构和围岩材料属性决定，与断层软化特性参数无关.
考虑断层的软化特性，建立垂直于龙门山断裂带并包含四川盆地和川西高原在内的汶川地震不稳定性地震力学模型.采用有限元方法计算得到了描述整个岩石力学系统稳定性状态和过程的平衡路径曲线.在此基础上，采用稳定性理论研究了汶川地震从孕育到发生的过程，讨论了断层倾角和断层材料参数对地震失稳的影响.数值模拟结果显示，系统只存在稳定的断层无震滑动和不稳定的地震失稳2种状态.断层倾角、初始内摩擦系数、初始黏聚力和强度曲线形状参数的增加会导致系统趋向不稳定的地震失稳状态.而强度曲线胖度参数的增加有助于系统进入稳定的断层缓慢无震滑动状态.地震失稳前，在平衡路径曲线的应力峰值点和失稳点之间，断层错动加速，应变能开始释放并且应力开始减小，是失稳的前兆.最后在失稳点发生应力突跳，地震发生，其间伴随应变能的急剧释放、应力降和断层突然错动.无论是稳定的断层无震滑动还是不稳定的地震失稳，系统重新进入应力和应变能增加状态后，应力和应变能的增速由远场加载速度、岩石力学系统的结构和围岩材料属性决定，与断层软化特性参数无关.
金星的地幔对流、岩石圈演化和表面更新 － 黄金水, 相松, 杨安, 王永明 摘要 全文
金星在大小、轨道半径等方面与地球非常接近，但现今的观测显示金星在大气、表面温度、重力与地形特征等方面与地球非常不同.对固体金星而言，最显著特征是有火山活动但没有活动的板块构造运动、表面平均大约500±200 Ma的年龄显示金星发生过全球性表面快速更新、重力与地形强相关.本文在简要介绍已有工作的基础上，主要介绍我们基于这些观测特征开展的金星动力学研究，包括现今地幔的对流模式、相变对表面更新的影响、地壳厚度、岩石圈演化与表面更新等研究工作和取得的初步认识.
卫星大地测量用于东亚大陆地球动力学与地震学研究回顾 － 沈正康 摘要 全文
王仁先生是中国地球动力学研究的开创者，他所引领的有关潮汐和板块运动造成的地壳应力场演化研究使得有关活动构造、断层形变和地震危险性的研究从定性走向定量，并在过去半个世纪中不断丰富发展.卫星大地测量方法从20世纪80年代开始用于精密定位和运动测量，为地球动力学和地震学研究提供了不可缺少的观测资料，极大促进了相关学科的发展.本文结合本人研究经历回顾卫星大地测量方法用于东亚大陆地球动力学、地震构造学和地震物理过程研究带来的一些重要发现，作为对王仁先生在相关领域开创性贡献的纪念.
负荷勒夫数渐近值解析表达式 － 周江存, 潘尔年 摘要 全文
地表质量负荷引起的地球变形问题是大地测量学和地球物理学中的一个重要的研究内容.负荷勒夫数的计算和收敛的负荷格林函数的构建是模拟地球负荷形变的基础，其中当球谐阶数趋于无穷大时负荷勒夫数的渐近值，在格林函数计算中发挥重要的作用.本文首先介绍了地表质量负荷的边值问题，然后简要回顾了目前已有的计算负荷勒夫数渐近值三种方法的推导过程，最后给出推导渐近值解析表达式的一种新方法.新方法运用求解地球变形边值问题的解析解方法，以及一种高效传播矩阵方法，建立地表边界条件与高阶负荷勒夫数之间的直接联系，解出了负荷勒夫数渐近值解析表达式.本文的解析表达式更准确地描述了负荷勒夫数的渐近特征.新方法仅涉及常系数常微分方程组的基解矩阵及基础的矩阵运算，原理简单易懂.
高温高压条件下纳米材料强度的测试和分析方法 － 顾超, 王善民, 赵予生 摘要 全文
基于高温高压同步辐射X射线衍射和飞行时间中子衍射实验，我们提出了一种通过衍射研究纳米材料本征力学性能的方法.实验通过高压压缩实验对纳米晶和微米晶Ni的变形行为进行了对比研究；二者在不同压力下的晶胞体积数据表明，纳米晶Ni具有明显的弹性软化现象，体弹模量比微米晶Ni减小约10%.研究结果表明，纳米晶Ni的整体抗压缩性减小是由于该材料纳米晶壳层呈现为张应力状态，具有较低的抗压缩性，这与分子动力学模拟结果一致.基于该方法，通过定量分析衍射峰的宽化和偏移，我们可以获得晶粒之间的高应力聚集区所产生的"微观/局部"屈服，以及整个样品在应力下所产生的"宏观/整体"屈服.我们的应变/应力图形分析方法还可以研究材料的屈服强度、高温高压条件下的晶粒破碎/长大、加工硬化/软化，以及多晶体中的固有残余/表面应变.本文提出的方法可以用于岩石矿物的高温高压流变强度的定量测定，为研究岩石圈以及地幔物质的蠕变对流提供了高科技的研究手段.