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。     

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     

论地震发生机制

地震发生的物理机理和过程是还没有认识清楚的问题. 此前人们将浅源地震归因于弹性回跳,根据这一观点和岩石实验结果计算得到的地震能量与实际观测结果有很大矛盾,被称之为“热流佯谬”. 中源和深源地震发生在地幔区域,其成因也没有合理的解释. 考虑到地壳和地幔是离散集合态物质体系及其慢动力学运动行为的基本特点,本文根据物理学原理,特别是近年凝聚态物理发展出来的相关新观念,并依据已有观测事实,从新的视角探究地震发生的物理机制. 1) 关于地壳岩石层中的应力分布:在不考虑构造力时,依据万物皆流的流变学原理,原始地壳岩石在自重压强长时间作用下,纵向和横向应力相同,没有差应力. 大地构造力推动岩块滞滑移动挤压断层泥,施加于其他岩块,逐渐传递和积累. 这种附加的横向构造力与原始岩石中应力叠加,形成地壳岩石层中的实时应力. 由于断层泥属于颗粒物质体系,具有与岩石不同的力学特征,其弹性模量比岩石小得多,且随压强而增大,导致构造作用力随深度非线性增大. 给出了地壳中构造应力分布及其变化规律. 2) 关于地壳岩石层强度:地壳岩石的自重会使岩石发生弹性–塑性转变. 通过对弹性–塑性转变深度的计算,并根据实际情况分析,给出了地壳岩石弹性、部分塑性和完全塑性三个区域的典型深度范围. 在部分塑性区,塑性体比例达到约10%以上时,发生塑性连通,这时岩石剪切强度由塑性特征决定. 塑性滑移的等效摩擦系数比脆性破裂小一个数量级以上,致使塑性滑移时岩石剪切强度比脆性破裂小得多. 同时,随深度增大,有多种因素使得岩石剪切屈服强度减小. 另一方面,地震是大范围岩石破坏,破坏必然沿薄弱路径发生. 因此,浅源地震岩石的实际破坏强度必定比通常观测到的岩石剪切强度值低. 给出了地壳岩石平均强度和实际破坏强度典型值随深度的分布规律. 3) 关于地震发生的条件和机制:地震发生必定产生体积膨胀,只有突破阻挡才可膨胀. 地震发生的条件是:大地构造力超过岩石破坏强度、断层边界摩擦力以及所受阻挡力之和. 因此,浅源地震是岩石突破阻挡发生的塑性滑移. 在此基础上提出了浅源地震发生的四种可能模式. 深源地震是冲破阻挡发生的大范围岩块流. 浅源地震和深源地震都是堵塞–解堵塞转变,是解堵塞后岩石层块滑移或流动造成的能量释放. 4) 关于地震能量和临震前兆信息:地震能量即为堵塞–解堵塞转变过程释放的动能. 以实例估算表明,地震岩石滑移动能与使岩块剪切破坏和克服周围摩擦阻力所需做的功相一致,不会出现热流佯谬. 同时指出,通过观测地震发生前构造力的积累过程、局域地区地质变迁以及岩石状态变化等所产生的效应,均可能获得有价值的地震前兆信息. 关键词： 地震发生机制 热流佯谬 地壳岩石应力和强度 堵塞–解堵塞转变     

地震动力:由巨观到微观——1999年台湾集集地震

决定地震发生时的断层破裂能量和了解一个断层带的孕育与发展都需要地震和地质数据的结合.在一个大地震的发生过程中,藉由地震仪的记录分析,了解地震断层破裂过程中其断层的几何破裂行为及其机制,甚至分析其运动学上的灾害行为.在地震源分析中文章作者将以上行为分析称为地震的巨观分析.而地震的微观分析,则是以探讨当地震断层及破裂前缘持续向前前进时,其所需的破碎能量及其形成的极小颗粒之断层泥的物理化学机制.此断层滑移带中的断层泥之物理机制、化学组成及地震断层滑移带厚度,皆为了解地震滑移时摩擦行为及能量释放的重要参数.地震的巨观及微观行为的结合分析,为地震学上重要的突破,使人们得以进一步了解地震破裂过程中的摩擦行为、温度及压力的变化,并探讨地震时造成的地表位移、速度及加速度行为.但断层滑移带的断层泥并小易获得,除非有清楚的深部断层几何,并能以深钻的方式取得断层泥材料进行分析.1999年7.6级的台湾集集大地震产生地表或近地表8-12m的滑移,此近地表的滑移足钻井容易达成的,因此提供一次难得的机会,得出大地震滑移带的断层泥了解大滑移断层的动力机制.而2008年四川汶川地震为另一了解此巨观与微观机制的地震.     

从非线性与统计物理多重角度探讨数值地震预测

在科技文献中,地震常被比喻为非线性动力学过程或统计物理中的相变过程.文章探讨了如何从非线性力学中的分岔理论以及统计物理内的朗道相变理论出发,从势磊穿越,临界涨落与临界慢化等多个角度来分析和了解地震发生的全过程.文章作者试图在这些非线性力学与统计物理的基础上,综合地震过程中在时间与空间上应出现的前兆,解释如何可能做出具有普适性的数值地震预测.     

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。     

寂静地震与地震预测的物理问题

寂静地震是指发生了缓慢的位错、但几乎不辐射地震波的“地震” .在目前的地震预测的物理学研究中 ,通常是通过计算历史上曾经发生过的地震所引起的应力变化 ,或者通过研究地震活动的统计性质或“图像动力学” ,来推测一个断层带上发生地震的危险性 .寂静地震的信息的缺失 ,形成了地震预测的物理学研究中的一个很大的“盲区” ,而在相当程度上 ,解决地震预测的物理问题的主要困难和可能的突破的希望 ,也许就在于此 .寂静地震的研究目前还很不深入 .关于寂静地震的性质 ,文章作者提出两个猜想 :(1)寂静地震的频度 ,满足类似于GR定律的幂律分布 ;(2 )最大的寂静地震的地震矩 ,与“可见”的最大地震的地震矩相当 .     

走进地震

 2001年,新世纪的第一年,人类憧憬美好未来的一年。2001年1月14日,萨尔瓦多发生里氏80级地震。紧接着,1月26日印度古吉拉特邦发生里氏79级强烈地震,造成数万人的伤亡,财产损失高达45亿美元。短短的一个月内,已发生两次7级以上的大地震,并且损失惨重。其实,地震像风、雨、雷、电一样,也是一种正常的自然现象,它是一种远方传过来的地面波动,是由于地球内部缓慢积累的能量突然释放而引起的地球表层的振动。一、地震是如何产生的地震作为一种正常的自然现象,也有一个孕育发展的过程。要解释地震的发展变化过程,需要先了解地球的内部结构。     

从临界转变的角度理解地震预测技术

侦测重大地震前相关的地震活动度异常,以此作为地震预测基础理论的研究,在近十年内常被提出讨论.其中有两个典型的算法,包括美国加州Rundle教授的“震模信息学”算法和北京尹祥础教授的“加卸载响应比值”算法.前者旨在揭示地震活动度的高异常变异性;后者则藉助于日、月引力的响应,来研究地壳块体的受损程度.文章从“临界转变理论”出发,认为不管是高异常地震活动度变异,或是象征地壳材料已严重受损的高加卸载响应比值,都是地壳即将出现临界转变(亦即重大地震)的早期征兆.也就是说,原由两个独立研究群体提出的地震活动度算法,实为临界转变的前兆信号的一体两面,可以在临界转变理论下统一起来.     

一种用等光程光波干涉法测量地壳断层蠕变的原理

根据地震学原理,地震源孕育过程导致地壳断层间距发生微小而缓慢的蠕动位移.其位移量的大小和速率是直接对应地震源的孕育、发展以至发震的信息.若精密测量这一参量,可以给预测预报地震提供一个可靠依据.由于待测的量是几十米间距的微米量级的变化,用目前的调制波测距仪或因瓦(Invar)基线尺都达不到精度要求.经室内外原理性实验1),本文提出一种用物理光学中等光程干涉原理测量断层蠕变的新方法. 一、基本原理 本原理是用不跨断层的某一间距作标准,与横跨断层两岸的同一间距进行等光程光波干涉比较测量,应用白光源等光程光波干涉的“0”级条…     

地球介质中的面波与导波(综述)

本文讨论了近年来在地震学中发展的各种形式的面波,其中包括地球上部沉积层中的面波,地壳中的瑞利波和乐甫波,以及地幔中的瑞利波和G波.除此以外,还讨论了可能发生在古登堡的地壳低速层和地幔低速层中的各种导波.给出了计算面波频散关系的方法和它们在解释地壳构造时的应用,特别讨论了这个方法的解答的唯一性问题.     

从弹簧滑块到地震预测:BK模型今昔谈

Burridge-Knopoff弹簧－滑块模型作为一个概念性的地震模型，自1967年提出以来一直为地震学家和物理学家所关注，对BK模型的研究成为物理学与地震学之间的一个活跃的交叉领域，BK模型的一些性质，例如确定性浑沌，自组织，孤立波，等等，能够为理解地震的性质和解决地震预测问题提供有用的线索，BK模型与目前的一些悬而未决的复杂性物理问题的联系，使它不仅对地震研究，而且对更普遍的多体系统问题的研究，都有重要的影响。     

基于岩浆凝固的地壳动力学研究北大核心CSCD

地球在形成之初处于熔融状态,随着时间的推移,地球表面的岩浆不断冷却、凝固,发展成现在的圈层结构,并且地球物质的冷却及液-固转变依然在持续。通过对地震发生后地球日长变化进行统计分析,发现总体上地震后地球自转速率加快。分析认为,这一现象是由于地幔部分岩浆冷却凝固使地壳岩石圈下部体积塌缩所致。由此,建立了一个地壳动力学模型,以解释地壳各板块间的相互作用和相对运动,并且认为地震等地质活动的动力学成因主要是地球内部熔体持续凝固所导致的地壳下部体积收缩、压力减小,在重力作用下,构成地壳的各板块之间的相互作用加剧,原有力学结构失稳,发生大规模岩层错位、断裂,从而引起地震、火山爆发等剧烈的地质活动。通过建立热学模型和力学模型,验证了上述观点。     

地球潮汐触发小型深层地震

<正>一项科学分析表明,地壳潮汐般的微小压力变化能够触发沿加利福尼亚州圣安德鲁断层活跃部分的小型深层地震。加利福尼亚大学伯克利分校的地震学家托马     

海啸、地震海啸与海啸地震

简要地介绍了海啸与地震海啸的成因、特点,分析了影响地震海啸的重要因素,阐述了海啸预警的物理基础.以2004年12月26日苏门答腊-安达曼MW9.0特大地震及其激发的印度洋特大海啸为例,说明除了地震的大小、地震机制、震源深度以外,震源破裂过程也是影响地震激发海啸的重要因素.通过对苏门答腊-安达曼特大地震及2005年3月28日苏门答腊北部特大地震进行分析对比,探讨了海啸地震的特征,阐明了进一步深入研究海啸地震的特征及其激发海啸的机制对于预防和减轻海啸灾害的重要意义.     

数值地震预测的关键物理问题*

数值地震预测是地震物理研究中的一个重要课题,具有基础性的科学意义和潜在的应用价值.文章介绍了数值地震预测的三个关键物理问题——地震发生率与应力变化的关系、地震断层的摩擦函数、地球中应力的传递问题,讨论了这些问题的意义、研究现状和发展趋势.     

地震成因及预测预报

本文从地球的结构、地震类型、地震分布规律出发，探讨了地震形成的原因尤其是汶川大地震的成因和对人类带来的灾难，对地震的预测预报工作进行了分析，从六个方面论述了今后国家和各级地震部门及地震工作者在地震预测预报和避震方面要做的工作。     

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．     

五维地震油气识别方法

五维地震流体识别,即利用五维地震资料对复杂储层含流体特征进行识别和描述,为业内研究的前沿和重要难题。该文首先从岩石物理机制出发,研究了含流体各向异性储层参数与物性参数的关系,构建了高敏感参数的各向异性因子f^ani,并验证了该流体因子的合理性以及实用性。其次,利用各向异性反演算法尽可能地挖掘五维地震数据中丰富的方位各向异性信息,反演得到用来表征地下流体的各向异性因子,实了现五维地震流体识别。实际应用结果表明,基于新的各向异性因子及各向异性反演算法能够稳定可靠地从五维地震数据中获取储层流体特征,为五维地震流体识别提供了一套新的理论方法。     

地震中的物理知识

地震是一种经常发生的自然现象,当地球内部缓慢积累的能量突然释放,从而引起的地球表层的振动,它是地壳运动的一种表现形式.在地震发生的过程中包含了许多物理知识,了解和掌握它可以帮助我们防止灾害、避免损失.