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。     

对图像信息学(PI)算法的一个回溯性预测检验:四川芦山7.0级地震

文章针对中强地震预测的图像信息学(PI)算法,对2013年4月20日芦山Ms7.0地震的预测效果进行了回溯性震例分析.结果表明,在芦山地震的震中附近存在“PI热点”.在与2008年汶川地震的PI算法预测进行比较后建议,在以后的“PI热点”计算中,也许还应把背景形变速率作为一个权重因素考虑在内.     

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。     

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前沿领域.唐山大地震后30年来有诸多重要进展.     

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。     

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.     

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.     

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     

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．     

H矩振荡与三火球模型

本文用三火球模型(TFM)研究了pp和pp的实验数据中观察到的H矩振荡行为.发现,和负二项式分布(NBD)相似,完整的TFM分布的H矩是q的单调函数,而当分布在一个不很大的n_cut值被截断时发生振荡.这表明,H矩振荡不是pQCD或NBD的特殊性质,而是许多被截断的多重数分布的共同性质.     

海啸的物理

地震海啸的产生是地球表面固体层和流体层相互作用的结果．文章介绍了这种相互作用的物理过程，讨论了海啸的大小、能量、传播速度．指出：建立早期预警系统是减少海啸灾害的重要措施，目前的预警系统虚报率很高的问题，仍需要通过加强地球表层系统相互作用的研究来解决．     

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.     

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.     

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.     

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.