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.     

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 .     

地球深部流体的状态及其在震源物理中的意义

许多地震前兆的机理与地球深部流体相关. 文章介绍了与此有关的地球深部流体状态的研究进展. 通过间接的证据和从若干超深井钻孔探测得到的直接证据,着重介绍了深部水的数量、存在状态和性质,估计地球深部流体孔隙压力和连通性. 研究表明,地球深部高温高压状态下的水处于超临界状态,超临界水具有许多特殊性质,这些特殊性质使得流体不仅成为强震前兆的传播媒介和震源破裂过程的影响因素,而且成为直接参与震源动力过程的介质.     

与地震预测预报有关的几个物理问题

文章简要介绍了与地震预测预报有关的几个物理问题,包括地震活动性问题、地球深部物质的物理性质及其变化问题、地球深部的流体问题、地震破裂问题、地球深部的形变和应力问题.这些问题的研究涉及当代物理学的一些前沿领域,唐山大地震后30年来有诸多重要进展.     

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。     

New evidence of earthquake precursory phenomena in the 17 January 1995 Kobe earthquake, Japan

Significant advances, both in the theoretical understanding of rupture processes in heterogeneous media and in the methodology for characterizing critical behavior, allows us to reanalyze the evidence for criticality and especially log-periodicity in the previously reported chemical anomalies that preceded the Kobe earthquake. The ion (Cl^-, K⁺, Mg⁺⁺, NO₃ ^- and SO₄ ^-) concentrations of ground-water issued from deep wells located near the epicenter of the 1995 Kobe earthquake are taken as proxies for the cumulative damage preceding the earthquake. Using both a parametric and non-parametric analysis, the five data sets are compared extensively to synthetic time series. The null-hypothesis that the patterns documented on these times series result from noise decorating a simple power law is rejected with a very high confidence level. Received 21 January 2000     

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     

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。     

An examination of the correlation between earthquake, positions of solar system bodies and solid tide

After processing 204 data of historical earthquakes for M ⩾ 4.5 from 1900 to 1996 in the area centered at Beijing (39.9°N, 116.4° E; ±3°), two correlations have been suggested: One is between earthquake and the position distribution of major solar system bodies; the other is between the earthquake magnitude and the tidal force at the epicenter. A tentative is presented for future seism prediction. Because this work is at the test stage based on a statistic analysis, further test and verification are expected.     

Spin Physics and the Theory of Strong Interactions

Taking the Minkowski space as the scene of quantum field theory implies an implicit assumption: the spin plays no dynamical role. This assumption (already challenged by reggeism) should be re-examined in the light of recent advances of experimental spin physics. To make a dynamical role of spin possible, it is proposed to use as a scene for the theory of strong interactions the whole Poincaré group. On the other hand characteristic functions, defined on the Poincare group, provide the only known way to describe the distinctive peculiarity of resonances, namely that a resonance is both one particle and several particles. Regge trajectories are interpreted as evidence for a mass-spin correlation among the virtual hadrons of vacuum. It is conjectured that the form of this correlation is deducible from a central limit theorem on the Poincare group. And that a statistical mechanics of hadronic vacuum is important for strong interaction theory.