震源物理是一門(mén)研究地震孕育、發(fā)生的物理過(guò)程和相關(guān)物理現(xiàn)象的學(xué)科。在地震學(xué)中，“震源”指的是地震在地下發(fā)源的地方。而在震源物理中，震源不僅包括地震的實(shí)際起始點(diǎn)，還包括與其相關(guān)的空間區(qū)域。所有地震前兆均源于震源區(qū)及周?chē)鷰r石物理狀態(tài)的變化，因此，深入了解地震形成的物理過(guò)程對(duì)于地震預(yù)測(cè)至關(guān)重要。
歷史背景
自20世紀(jì)60年代以來(lái)，震源物理的研究受到了顯著的影響。一方面，一系列重大地震發(fā)生在人口密集和工業(yè)集中的地區(qū)，造成了嚴(yán)重的人身傷害和財(cái)產(chǎn)損失。另一方面，國(guó)際地幔計(jì)劃的完成、板塊大地構(gòu)造學(xué)說(shuō)的提出以及測(cè)震技術(shù)的進(jìn)步，共同促進(jìn)了震源物理研究的發(fā)展。震源物理的研究可分為三個(gè)主要領(lǐng)域：震源的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究、動(dòng)力學(xué)研究和物理學(xué)研究，即地震模式的研究。1923年，中野廣首次發(fā)現(xiàn)了地面初動(dòng)的象限分布。1938年，P. Byerly提出了震源斷層面解法。此后，震源的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究取得了快速發(fā)展。蘇聯(lián)學(xué)者提出了震源位錯(cuò)理論，這一理論后來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。該理論認(rèn)為，可以通過(guò)分析震源斷裂面上各點(diǎn)位錯(cuò)隨時(shí)間的變化，計(jì)算出地震期間地球介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)情況，進(jìn)而解釋觀測(cè)到的地震記錄。反之，也可以利用遠(yuǎn)場(chǎng)或近場(chǎng)的地震記錄來(lái)了解地震時(shí)震源處的運(yùn)動(dòng)情況。然而，震源運(yùn)動(dòng)學(xué)研究通常使用少量參數(shù)來(lái)描述斷層的運(yùn)動(dòng)，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致一些不符合物理規(guī)律的結(jié)論。例如，如果假設(shè)位錯(cuò)在斷層面上均勻分布，則在斷層邊緣可能會(huì)產(chǎn)生無(wú)窮大的應(yīng)力，這是不合理的。為了更好地理解震源處發(fā)生的物理過(guò)程，有必要采用固體斷裂力學(xué)方法研究巖石破壞的起源、發(fā)展和結(jié)束問(wèn)題。這就是震源動(dòng)力學(xué)研究的任務(wù)。通過(guò)動(dòng)力學(xué)研究，可以確定可能的斷裂運(yùn)動(dòng)，使其既與觀測(cè)數(shù)據(jù)相一致，又能在斷層面上提供合理的應(yīng)力分布。盡管在這方面的工作才剛剛起步，但它已經(jīng)引起了地震學(xué)家的關(guān)注。震源的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究和動(dòng)力學(xué)研究是從力學(xué)角度探討震源，因此也被稱(chēng)為震源力學(xué)或斷層力學(xué)。這兩種研究主要關(guān)注地震發(fā)生時(shí)的情況，而對(duì)于地震發(fā)生前的過(guò)程則討論較少。震源物理學(xué)則以此為中心課題展開(kāi)研究。
地震模式
60年代中期，震源物理學(xué)的一些理論研究在地震學(xué)和斷裂力學(xué)基礎(chǔ)上有所發(fā)展。由于需要深入理解地震孕育過(guò)程的物理機(jī)制，地震學(xué)家加強(qiáng)了巖石破裂的實(shí)驗(yàn)研究，重點(diǎn)關(guān)注巖石中微裂紋和宏觀裂紋的形成過(guò)程，以及伴隨其發(fā)展的巖石物理特性變化。同時(shí)，他們還進(jìn)行了震前多種地球物理場(chǎng)（如重力、電磁等）的野外觀測(cè)。總體目標(biāo)是通過(guò)理論、實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)研究，探索地震發(fā)生的物理過(guò)程。當(dāng)前，震源物理學(xué)的研究主要通過(guò)構(gòu)建地震模式進(jìn)行。具體而言，從特定的理論出發(fā)，提出一種地震發(fā)生的模型。在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)可能出現(xiàn)的不同前兆及其相互關(guān)系。隨后，通過(guò)對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)的驗(yàn)證來(lái)完善該模型。下面是兩個(gè)具有代表性的地震模式：蘇聯(lián)的斷層失穩(wěn)模式和美國(guó)的膨脹-擴(kuò)散模式。① 斷層失穩(wěn)模式天然巖石中含有尺寸較小的微裂紋，它們均勻分布在巖石內(nèi)部（圖1中階段I）。隨著構(gòu)造應(yīng)力的增加，原有的微裂紋會(huì)擴(kuò)張，新的微裂紋也會(huì)出現(xiàn)，裂紋間的相互作用會(huì)使巖石斷裂過(guò)程加速，導(dǎo)致巖石平均變形速率加快（圖1中階段II）。當(dāng)微裂紋密度達(dá)到一定臨界值時(shí)，就會(huì)發(fā)生裂紋的合并與不穩(wěn)定擴(kuò)展，斷裂集中在一條或多條斷裂帶上，直到宏觀大斷裂最終形成，也就是地震的發(fā)生。在此之前，除了少數(shù)斷裂帶外，其他區(qū)域的應(yīng)力會(huì)降低，因此整個(gè)巖石平均變形速率在接近地震前會(huì)下降（圖1中階段III）。圖2展示了該模式預(yù)測(cè)的各種前兆物理量在地震過(guò)程中的變化。② 膨脹-擴(kuò)散模式對(duì)于地殼中常見(jiàn)的結(jié)晶巖石，如花崗巖、輝綠巖、石英巖等，當(dāng)其所受差應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度的一半時(shí)，巖石體積會(huì)出現(xiàn)非彈性增長(zhǎng)，即巖石的體積膨脹現(xiàn)象。膨脹是由巖石內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)張和不斷增加引起的。隨著差應(yīng)力的增加，膨脹也隨之增加。在干燥巖石中，由于巖石的膨脹，巖石的各種物理性質(zhì)會(huì)隨著差應(yīng)力的增加而發(fā)生變化。另一方面，在地殼的許多地方，存在孔隙流體。震源區(qū)巖石的膨脹意味著孔隙空間的擴(kuò)大，孔隙壓力隨之減少，作用在巖石上的有效強(qiáng)度增加，因此此時(shí)不會(huì)發(fā)生地震。但是，當(dāng)震源區(qū)外部的流體流入震源區(qū)后，孔隙壓力增加，巖石的有效強(qiáng)度降低，于是地震就發(fā)生了。根據(jù)膨脹-擴(kuò)散模式，地震之前的各類(lèi)前兆現(xiàn)象在地震過(guò)程中的預(yù)期變化如圖3所示。比較圖2和圖3，這兩種模式在地表所產(chǎn)生的前兆現(xiàn)象并不相同，即它們所導(dǎo)致的各種前兆的綜合圖像有所不同。這兩個(gè)模式曾經(jīng)因其取得的部分成功而受到地震學(xué)家的高度關(guān)注，但后來(lái)的觀察顯示，這些成功的程度被夸大了。迄今為止，尚未得出正確的地震（前兆）模式，也沒(méi)有將震源的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和物理學(xué)研究整合在一起的理論體系。這些都是當(dāng)代震源物理亟待解決的問(wèn)題。
參考資料 >
地震學(xué)chap1.ppt.淘豆網(wǎng).2024-11-25
世紀(jì)之交我國(guó)震源物理研究的進(jìn)展與展望.世紀(jì)之交我國(guó)震源物理研究的進(jìn)展與展望.2024-11-25
地震科普 | 震級(jí)的高級(jí)玩家，了解一下.網(wǎng)易.2024-11-25