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《震源理論基礎》是有關天然地震震源基礎理論與應用研究的專著，涉及內(nèi)容廣泛，包括地震成因和地震機制、地震位錯、地震破裂運動學、震源物理參量、地震輻射能、地震矩張量、地震破裂過程反演、地震破裂動力學、非對稱地震矩張量等專題�！墩鹪蠢碚摶A》對所涉及問題的物理概念闡述清楚、簡潔、明了；輔以詳盡的數(shù)學公式推導，以深化對研究問題所涉物理概念的準確理解與結果的正確運用。

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第一章緒論
　　第一節(jié)震源理論：內(nèi)容、方法和意義
　　從地震震源輻射出、經(jīng)過地球介質(zhì)傳播到地震臺的地震波，既攜帶著地震震源的訊息，也攜帶著震源至地震臺之間的地球介質(zhì)的訊息（圖1.1）．因此，傳統(tǒng)上，作為研究地震的一門科學，地震學所研究的問題有兩個：一個是研究地震的震源，另一個是研究地球的結構（傅承義等，1985）．前者屬于地震震源理論及其應用的研究范圍，后者則屬于地震波理論及其應用的研究范圍．這門課程只涉及前者，即研究發(fā)生于地震震源的物理過程和地震波的輻射問題，及其在地震預測、防御與減輕地震災害以及國防建設與國家安全（如偵測地下核爆炸）等方面的應用．至于地震波理論及其應用，即由震源輻射出的地震波在地球內(nèi)部的傳播以及用地震波作為一種探測手段來研究地球的內(nèi)部結構和物理狀態(tài)、地球作為一顆行星的歷史、地球的構造演化以及勘探自然資源等問題則暫不涉及（Aki and Richards，1980;Kanamori and Boschi，1983;Lay and Wallace，1995;Udías，1999;Lee et al.，2002;Stein and Wysession，2003;Kanamori，2007）．
　　采用地震、地磁、地電、重力、大地測量、地球化學等方法，透過從“零頻”（即靜態(tài)）直至數(shù)百赫茲的“窗口”，可以對震源區(qū)進行觀測與研究．地球物理學家的任務是通過這些觀測反演發(fā)生于地震震源處的物理過程．和地球科學中的許多學科一樣，對震源的研究具有多學科相互滲學、法學、歷史學、考古學、管理科學乃至哲學的研究結合起來．
　　野外調(diào)查顯示，大多數(shù)淺源地震總是伴隨著地表斷裂，即沿著相對而言可視為平面的斷層面上的剪切滑動（ Madariaga，1981，1983，2007;Madariaga and Olsen，2002）．這些斷裂或斷層的長度從數(shù)十米至數(shù)千米不等，其上界正好就是板塊邊界連續(xù)地段的尺度．許多微觀觀測資料（在地震學中，微觀觀測資料即指儀器觀測資料）也支持上述野外觀測結果．余震的精確定位表明，大地震的余震通常分布于大體上是平面的主震斷層面上，它們是主震發(fā)生時斷層面上未破裂的部分在主震后繼續(xù)破裂所引起的．對地震波輻射所作的觀測研究也支持上述觀點．這些觀測研究表明，在震源距與波長兩者均遠大于震源的特征尺度時可以將震源視為一個偶極點源．早在 20世紀 60年代初就已經(jīng)從理論上嚴格地證明了偶極點源與剪切位錯點源即“點”斷層在彈性動力學上是等效的（ Maruyama，1963，1964;Burridge and Knopoff，1964）．這就是自 20世紀 50年代末以來地震學發(fā)展的一個重要的組成部分 ——地震震源的位錯理論．
　　用地震震源的位錯模式可以計算震源距遠大于所涉及的地震波波長的遠場理論（合成）地震圖以及震源距與所涉及的地震波波長可以相比擬的近場理論地震圖．將位錯點源直接疊加可以得到有限移動源（Ben-Menahem，1961，1962;Ben-Menahem and Singh，1981）.運用有限移動源模式，可以很好地解釋觀測到的地震圖（Haskell，1964，1966）．地震引起的地面永久形變，板塊邊界的構造形變，震前、同震以及震后的應力積累與松弛的輪回過程，都可以用位錯模式成功地予以解釋（Chineery，1961，1969，1970;Hastie and Savage，1970;Savage，1980;Savage and Hastie，1966;Okada，1985）.
　　由于位錯模式在遠場、近場、持久形變（“永久”形變）、構造形變等觀測資料的解釋中取得了巨大的成功，所以在資料解釋中，迄今仍然廣泛地運用地震震源的位錯模式．然而，必須指出，雖然位錯模式對于闡明地震斷層的有限性和震源的幾何情況對地震輻射的影響，取得了巨大的成功并且十分重要，但是它只是一種運動學模式．位錯模式包含了物理上不恰當?shù)囊恍┘俣ǎ倪M位錯模式須要運用物理上合理的斷層面上的位錯分布，這便是地震震源的裂紋模式（Костров，1975;Kostrov and Das，1988）．
　　作為地震斷層模式的裂紋產(chǎn)生的物理過程是地震破裂力學所要研究的問題．裂紋模式是地震震源的動力學模式．但是，裂紋模式會導致破裂面前緣的應力和質(zhì)點運動速度的奇異性（Barenblatt，1959;Burridge，1976;Rice，1980）.
　　破裂面前緣的應力和質(zhì)點運動速度的奇異性與流入破裂面前緣的能流以及能量以表面能的形式被吸收有關．引進滑動弱化模式或與其相當?shù)钠渌麅?nèi)聚力模式可以消除這個奇異性（Ida，1972;Palmer and Rice，1973;Andrews，1976）．如果內(nèi)聚力只在靠近斷層端部的小范圍內(nèi)起作用，則可以用少數(shù)幾個特征量來表征內(nèi)聚力所起的作用．按照由這些特征量建立起來的破裂準則，運用數(shù)值方法，可以解釋應力和介質(zhì)強度皆不均勻情況下地震斷層的動態(tài)擴展過程．
　　為了闡明地震破裂過程的復雜性，現(xiàn)在已經(jīng)有兩種完全不同的模式 ——障礙體模式（Das and Aki，1977;Aki，1979）和凹凸體模式（ Lay and Kanamori，1981，1995;Ruff，1983）．兩種模式強調(diào)的都是實際地震斷層上物理條件的非均勻性，只不過前者強調(diào)的是介質(zhì)強度的非均勻性，而后者強調(diào)的則是應力的非均勻性．實際上，兩種模式可能代表著活動斷層在輪回演化過程中的兩個不同階段，究竟哪一個模式比較合適則取決于斷層面上的實際情況．
　　盡管對在震源區(qū)所處的高溫、高壓條件下巖石流變性質(zhì)的研究時間不長，但現(xiàn)在已經(jīng)知道，巖石在臨近破裂時是高度非線性的．一些巖石在純剪切條件下，當應力很高時體積增加，這種現(xiàn)象稱為膨脹（Griggs and Hardin，1960;Brace et al.，1966;Brace，1972;Byerlee，1968，1977;Mogi，1967;Jaeger and Cook，1979;Scholz，2002）．與膨脹幾乎同等重要的現(xiàn)象是孔隙壓的存在，即在正常的地殼所處的條件下，巖石的性狀有如兩相介質(zhì)，其液態(tài)部分隨著應力的變化緩慢地流動．膨脹和孔隙流體在地震的引發(fā)過程中起著重要的、基本的作用，但到現(xiàn)在為止有關這些問題的觀測資料仍不甚豐富，理論模型也仍處于初始階段．迄今*成功的地震震源模式仍是關于斷層作用及其產(chǎn)生的后果的模式，即成功地闡明了地震波輻射、地震引起的地面持久形變等現(xiàn)象的位錯模式、裂紋模式、障礙體模式、凹凸體模式和滑動弱化模式等，所用到的基本的理論工具是線彈性力學，輔之以斷裂力學．
　　地震是自然地發(fā)生于預應力介質(zhì)中的突然破裂，是一種不可逆的、非線性的耗散過程．在非線性科學中近幾十年來發(fā)現(xiàn)的一些現(xiàn)象如吸引子、分岔、混沌也出現(xiàn)于地震的孕育與發(fā)生過程中．地震斷層相對而言固然可視為平面，但實際上它并非是一個平面，而是具有自相似性的分形結構．自 20世紀 60年代后期發(fā)展起來的分維幾何學、非線性理論在地震震源的研究中也得到了應用與發(fā)展（Mandelbrot，1967，1977，1982;Bak et al.，1987，1988;Okubo and Aki，1987;Bak and Tang，1989;Sornette and Sornette，1989;Ito and Matsuzaki，1990;Scholz，1990;Turcotte，1992，1997，1999a，b;Barton and La Pointe，1995;Sornette and Sammis，1995;Bak，1996，1999;Sornette and Knopoff，1997;Rundle et al.，2000;Keylis-Borok and Soloviev，2003;Turcotte et al.，2003）．
　　地震波雖然不是研究地震的唯一手段，但現(xiàn)在是、將來仍然是研究地震和地球內(nèi)部結構的主要手段，并且可能仍然是研究深源地震的唯一手段．由地震觀測資料確定地震的破裂過程是一個反演問題．鑒于對于地球介質(zhì)構造的非均勻性、對于地殼－上地幔復雜的三維結構的了解有限，鑒于地震儀的頻帶帶寬也是有限的，一般而言，反演是不穩(wěn)定的．解決這一困難的一種辦法是求頻率域和時間域中的地震矩張量．綜合運用余震的時－空－強資料、宏觀地震資料、地震斷層的野外考察資料、歷史地震、考古地震、古地震資料、大地測量特別是空間大地測量資料以及遠場與近場地震觀測資料，多學科相互滲透、交叉融合，必將有助于闡明地震震源過程、正確地評估地震危險性及實現(xiàn)地震及其災害的預測、預警，并*終收到防御與減輕地震災害的實效．
　　第二節(jié)與地震有關的形變
　　地震波是極為復雜的、非均勻的、耗散的預應力介質(zhì)中的線彈性波．與地震有關的應變很小，在震源區(qū)其數(shù)量級大約為10–4，并且隨著距震源區(qū)的距離的增大很快地減�。═suboi，1933;Kanamori，1994），所以可以用線性理論成功地處理地震波（ Kasahara，1981;Madariaga，1981）．
　　地球是側向不均勻的，至少一直到上地幔－下地幔的邊界處（從地面往下600～700km處）是如此．不過，作為一種很好的一級近似，可以用球狀分層介質(zhì)模式來近似地表示它．疊加在這個徑向分層構造上的是與大陸－海洋差異相聯(lián)系的側向變化，其線性尺度*大可達數(shù)千米．
　　在與巖石層厚度同數(shù)量級的淺部（從地面往下 100km），線性尺度的數(shù)量級為 100km的變化是由巖石層板塊的相互作用引起的．
　　就高頻地震波而言，線性尺度的數(shù)量級為 10km的不均勻體使地球介質(zhì)表現(xiàn)為一種很混濁的耗散的散射介質(zhì)．
　　與地震有關的形變和波動現(xiàn)象涉及很寬的尺度范圍與波長范圍．地球介質(zhì)的非均勻性和流變性按照形變的時間尺度的不同以多種方式影響著這個形變．以下按形變的周期（持續(xù)時間）由短至長增加的順序分述與地震有關的各種不同尺度的形變（圖 1.2）.
　　（1）高頻地震波．在地震波頻率范圍的高頻端（約102Hz），頻率高于5Hz的高頻地震波只在幾百千米距離（稱作區(qū)域性距離）的范圍內(nèi)傳播．只有用高增益的地震儀才能記錄到微震和極微震輻射的高頻地震波．周期10–2s即頻率102Hz的地震波已進入人耳能聽到的聲音的范圍（16～20000Hz）．高頻地震波受到品質(zhì)因子約等于100的介質(zhì)的散射與內(nèi)耗的強烈影響而衰減．在工程地震學中，特別著重研究較大地震或大地震產(chǎn)生的高頻地震波，因為這些波是地震引起建筑物與結構物破壞的主要原因． 
　　（2）短周期體波．以地脈動的峰值加速度的頻率 0.1～0.2Hz（5～10s）為界，周期*大達幾秒的短周期體波由震源輻射出后可以傳播到很遠的地方．
　　地震是激發(fā)這種短周期體波的很有效的源；全球范圍內(nèi)可以記錄到大地震輻射的這種短周期體波．但是，短周期體波對于近震源和近地震臺的局部構造十分敏感．對于一種觀測震源的工具來說，這一性質(zhì)自然大大地影響短周期體波對于震源研究的使用價值．但是，隨著寬頻帶、數(shù)字化地震觀測技術的迅速發(fā)展以及研究工作的深入，情況正在發(fā)生變化．
　�。�3）長周期體波．周期幾秒至幾十秒的長周期體波是*常用于地震震源研究的地震波．長周期體波為我們提供了大多數(shù)有關震源的訊息．長周期體波在地球內(nèi)部的傳播可以用射線理論成功地予以描述．體波的激發(fā)程度與地震的大小有關．5級以下的地震產(chǎn)生的長周期體波只能在中等距離（角距離30°～90°，1°≈111.22km）記錄到．較大地震激發(fā)的長周期體波則容易被觀測到，從而成為我們有關地震震源的知識的基礎．
　�。�4）地震面波．地震面波是地震波的速度隨深度增加而引起的、沿地球表面?zhèn)鞑サ膹椥圆�，周期�?5s至數(shù)百秒．地震面波在由地面與層的界面構成的波導中傳播時發(fā)生頻散．周期30s左右的面波的振幅在地殼中較大，受地殼側向不均勻性的影響很大；周期大于30s的面波穿透到比地殼還深的地方；周期大于100s的面波，稱作地幔波．研究地幔波時，可以將地球視為球?qū)ΨQ介質(zhì)．

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