地震预测与统计物理

将现代统计物理学的理论和方法应用于地震和地震预测问题的研究，近年来取得了长足的进展，成为物理学和地震学之间一个最为活跃的交叉领域，这一领域所取得的成果，例如，将地震作为一种临界现象的模型，不仅丰富和深化了对地震的认识，而且改变了地震预测研究中的一些传统观念。文章介绍了这方面的研究进展，讨论了与这一领域相关的一些重要的物理概念和悬而未决的科学问题。     

减轻地震灾害的物理学问题

减轻地震灾害的研究通常包括地震危险性评估、地震危害预测、地震灾害的减轻三个环节．物理学在减轻地震灾害的研究与应用中具有重要意义．文章从强地面运动与地震的工程灾害、复杂系统与地震的社会灾害、地球应力场的变化与地震预测等三个不同的侧面，介绍了在减轻地震灾害的实际工作中提出的一些重要的物理问题．这些问题既是目前地震学家、工程地震学家和地震工程师普遍关注的基础科学问题，也同时与当代物理学研究的一些前沿领域紧密地联系在一起．     

以颗粒物理原理认识地震——地震成因、地震前兆和地震预测

本文以地壳和地幔的基本构造和己有观测事实为依据,运用颗粒物理原理,将地壳和地幔作为大尺度离散态颗粒物质体系处理,重新认识地震孕育过程,前兆产生机制及规律,探求地震预测方法和途径.主要结果是:建立了地壳与地幔构成和运动的颗粒模型;提出了引发地震的大地构造力的形成机制,以及地震前兆信息产生和传播规律;说明了地震前兆信息的主要特征及其与地震发生之间的关联,阐述了探测有效地震前兆信息的方法原理;用颗粒流动的阻塞-解阻塞转变原理解释了深源地震发生机制;对以前难以理解的若干地震学现象进行了解释,并讨论了地震的可预测性。由于地壳和地幔的离散结构特征,对于地震孕育的准静力学过程,连续介质理论不再适用.以颗粒物理原理研究地震成因、地震前兆和地震预测,所获得的新认识与传统连续介质地震学观点有本质区别。     

地震原理新论——兼述地震预测的科学基础

地震是给人类造成巨大损失的自然灾害,地震预测是社会广泛关注的重大的科学问题。然而,地震机理还远未认识清楚,当前国际地震界的主流观点认为地震是不可预测的。本文以物理学的新观念为基础,从新的视角研究地震孕育和发生过程,提出了对地震原理的新认识,剖析了地震不可预测论的错误。地震不可预测论产生的根源在于对地震原理的不正确认识以及对自组织临界性的误解。地震具有自组织临界性的特征,表明不可能对地震作中长期预测,但短期预测应是可能的。成功预测的前提包括:对地震原理的正确认识,获得足够的特征前兆信息,并且掌握相关的地质资料。传统地震学基于固体连续介质理论,认为地震是地壳岩石的脆性破裂造成,用所谓"弹性回跳"来表述地震发生机制。此观点与实际观测严重不符,无法解释诸多地震现象,自然也不能正确地获取和理解地震前兆信息,因而得出地震不可预测的结论。作者根据地壳由岩石层块和其间断层泥组成这一基本事实,将地壳作为离散态体系处理,用颗粒物理原理认识地震孕育过程。获得的认识是:构造力以力链的方式传播,岩块以滞滑移动的方式运动。另一方面,在认真分析地壳岩石强度和构造作用力随深度分布规律基础上,提出地震发生的物理机制是岩石的塑性滑移和岩块运动的堵塞—解堵塞转变。对地震原理这些新认识,可解释传统地震学无法理解的很多地震学现象,例如,消解了传统的"弹性回跳"原理所遭遇的"热流佯谬",解释了深源地震的成因等。基于对地震原理的新认识,提出了如何正确获取地震前兆信息,实现地震短期预测的途径。     

地震和地震预报理论研究中的几个问题

地震是一种严重的自然灾害，同时它又是一个表现出诸多标度不变性的现象，文章介绍了自组织临界性的思想对地震当中标度不变的统计性质的解释。还介绍了一个有代表性的理论模型，并采用一种前兆识别的预报方法对理论模型的可预报性作了研究。     

从统计物理学看复杂网络研究

从统计物理学来看，网络是一个包含了大量个体及个体之间相互作用的系统。本文从统计物理学的角度整理与总结了复杂网络目前的主要研究结果，并对将来的研究工作做了一个展望。文章把网络分为三个层次——无向网络、有向网络与加权网络，对不同网络的静态几何量研究的现状分别做了综述，并结合网络机制模型设计与评价的需要，提出了新的有待研究的静态几何量；对网络机制模型做了总结与分析，提出了有待解决的关于双向幂律网络的机制模型的问题；部分地概括了网络演化性质，网络的结构稳定性以及网络上的动力学模型的研究。然后，以我们目前正在进行的两个方面的工作—科学家网络和产品生产关系网络一为例，粗略地介绍了网络研究在一些实际问题中的应用。最后，作为一个简单的补充和索引，我们整理了复杂网络研究中部分常用的解析与数值计算的方法。     

远震P波群信号的自适应时-频分析

简要叙述了地震事件临测研究的历史和现状，结合远震信号的地震学特点，对远震Ｐ波群信号进行了自适应时－频分析。实验结果表明，特定台站－区域对爆炸远震Ｐ波群的时－频分布具有极强的相似性。     

各种格式地震数据的查询与读取

地震数据在地震学、地震工程学及相关领域中使用频率很高,它对于全球实时地震学的研究、海啸警报、国防建设等都具有十分重要的意义。互联网技术的广泛应用为地震数据共享提供了必要的外部条件,主要介绍了各种格式地震数据的查询以及地震数据的读取。     

地震预报的物理学问题

近年来，运用非线性物理学的概念和方法去理解地震现象的复杂性的研究取得引入瞩目的进展。用临界现象理论来理解地震破裂的物理过程，从自组织临界现象的角度对中长期时间迟度上的地震活动进行说明，这都给地震预报研究以很大的启发，并在实际地震预报算法的研究中得应用。地震预报目前仍是一个世界性的科学难题。用物理学的概念和方法研究地震和地震预报问题，可能是地震预报和减轻地震灾害研究中一个有希望的发展方向。这篇综述的     

震前兆信息传播、分布及其探测原理

地壳岩石层由板块、断层和其间的断层泥构成,在研究地震前兆信息传播这类准静力学问题时,应将其作为大尺度离散态颗粒物质体系处理.地震孕育过程中,在大地构造力驱动下,岩石层块克服所受摩擦力和边界断层泥阻力发生滞滑移动.当岩块间断层泥受挤压后其强度增大到一定程度时,又推动下一岩石层块滞滑移动,就这样渐次使其他岩石层块发生移动,并以力链形式分布和传递.文章给出了此模型的物理依据和实际观测例证;通过模拟实验和分析阐述了力-移动-形变在地层中分布的表达形式和传播时间序;说明了地震前兆信息的主要特征及其与地震发生之间的关联,以及探测有效地震前兆信息的方法原理.同时,论述了用颗粒物理原理与连续介质观念对地震前兆认识的本质区别,解释了连续介质观点难以理解的若干地震学问题. 关键词： 地震前兆 颗粒物质 滞滑移动 力链     

Modeling fast and slow earthquakes at various scales

Earthquake sources represent dynamic rupture within rocky materials at depth and often can be modeled as propagating shear slip controlled by friction laws. These laws provide boundary conditions on fault planes embedded in elastic media. Recent developments in observation networks, laboratory experiments, and methods of data analysis have expanded our knowledge of the physics of earthquakes. Newly discovered slow earthquakes are qualitatively different phenomena from ordinary fast earthquakes and provide independent information on slow deformation at depth. Many numerical simulations have been carried out to model both fast and slow earthquakes, but problems remain, especially with scaling laws. Some mechanisms are required to explain the power-law nature of earthquake rupture and the lack of characteristic length. Conceptual models that include a hierarchical structure over a wide range of scales would be helpful for characterizing diverse behavior in different seismic regions and for improving probabilistic forecasts of earthquakes.     

THE DYNAMIC FRICTION TERM IN THE SPRING-BLOCK MODELS FOR EARTHQUAKES: A CONSTRAINT FROM SEISMIC MOMENT AND ENERGY CATALOGUE

In the spring-block models of earthquakes, one of the key factors is the dynamic friction term which determines the complexity of the faulting process. Generally, two kinds of friction, namely velocity-dependent friction and slip-dependent friction, are used in the modelling. But until now there has still been a lack of information on which kind of friction term is more suitable for modelling the phenomenology of earthquakes. Based on the numerical studies of Shaw (1998 Bull. Seismol. Soc. Am. 88 1457), we have examined the ratio of the broadband radiated energy and the scalar seismic moment of shallow earthquakes worldwide from 1987 to 1998. The result shows that for earthquakes with strike-slip mechanisms, velocity-dependent friction seems to be predominant, while for thrust and normal events, slip-dependent friction seems predominant. This suggests that in the spring-block models for earthquakes, the type of focal mechanism has to be accounted for, and different types of earthquakes require different dynamic friction terms in the corresponding spring-block model.     

The Effect of Catalogue Lead Time on Medium-Term Earthquake Forecasting with Application to New Zealand Data

‘Every Earthquake a Precursor According to Scale’ (EEPAS) is a catalogue-based model to forecast earthquakes within the coming months, years and decades, depending on magnitude. EEPAS has been shown to perform well in seismically active regions like New Zealand (NZ). It is based on the observation that seismicity increases prior to major earthquakes. This increase follows predictive scaling relations. For larger target earthquakes, the precursor time is longer and precursory seismicity may have occurred prior to the start of the catalogue. Here, we derive a formula for the completeness of precursory earthquake contributions to a target earthquake as a function of its magnitude and lead time, where the lead time is the length of time from the start of the catalogue to its time of occurrence. We develop two new versions of EEPAS and apply them to NZ data. The Fixed Lead time EEPAS (FLEEPAS) model is used to examine the effect of the lead time on forecasting, and the Fixed Lead time Compensated EEPAS (FLCEEPAS) model compensates for incompleteness of precursory earthquake contributions. FLEEPAS reveals a space-time trade-off of precursory seismicity that requires further investigation. Both models improve forecasting performance at short lead times, although the improvement is achieved in different ways.     

人工智能研究的物理学途径

近年来,人工智能研究的物理学途径已越来越受到人们的关注,这一途径的实现方式主要有两种：一是把已有的物理理论和方法直接用于研究计算系统,以达到对计算系统的性质和规律的认识,另一是依据某些计算系统与物理的相似性,把计算问题转换为对应的物理问题,再用物理方法建构有效的算法加以求解,文章着重介绍运用物理学途径研究计算系统的相变和解决多自主体系统的目标满足问题所取得的进展,并指出了这一途径的优点和应该注意的问题。     

如何做好大学物理演示实验教学

随着素质教育的逐步深入,传统的大学物理演示实验的教学模式已逐步显露出缺点和弊端,结合实际教学,总结出一套大学物理演示实验选修课行之有效的教学方法,为探索新的物理演示实验教学模式提供了新的途径.     

采用构想式教学提高学生的创新思考能力

传统的物理数学模式已经严重阻碍了创新人才的培养,将构想式教学方法引入物理实验课堂,创造了全新的物理实验教学模式,本介绍了构想式教学的方法及其在培养学生独立思考能力、创新能力、分析解决问题的能力中的作用。     

EARTHQUAKE SCALING PARADOX

Two measures of earthquakes, the seismic moment and the broadband radiated energy, show completely different scaling relations. For shallow earthquakes worldwide from January 1987 to December 1998, the frequency distribution of the seismic moment shows a clear kink between moderate and large earthquakes, as revealed by previous works. But the frequency distribution of the broadband radiated energy shows a single power law, a classical Gutenberg-Richter relation. This inconsistency raises a paradox in the self-organized criticality model of earthquakes.