震源物理

[拼音]：zhenyuan wuli

[外文]：physics of earthquake foci

研究地震孕育、发生的物理过程和所涉及的物理现象。“震源”一词，在地震学中是指地震在地下发源的地方。而震源物理中所指的“震源”，却是表示与地震孕育、发生和震后调整有关的一个空间区域。所有的地震前兆都是由震源区及其周围的岩石的物理状态改变而产生的，因此，预测地震，最重要的是了解地震形成的物理过程。

对震源的兴趣是和地震学的出现一起产生的。虽然里德(H.F.Reid)早在1910年就提出了关于地震成因的弹性回跳学说，但与地震波传播理论及其在研究地球内部结构方面的应用相比，震源的研究一直发展得很慢。这是因为地球结构和地震波传播规律的知识是研究震源的必要前提。对震源的研究只是在用地震方法监测地下核爆炸以后，才得以大力发展起来。此外，固体断裂物理学的发展，也增进了对震源形成过程的了解。

20世纪60年代后，情况有了明显的变化。接连几次较大地震都发生在人口稠密和工业集中地区，造成严重的伤亡和破坏。另一方面，国际上地幔计划的完成，板块大地构造学说的提出和测震技术的发展，对震源物理研究的发展起了推动作用。从内容来看，可以将对震源的研究分成3个方面：震源的运动学研究，动力学研究和物理学研究（即地震模式的研究）。

1923年中野广首先发现地面初动的象限分布。1938年拜尔利(P.Byerly)第一次提出震源断层面解的方法。从此以后，震源的运动学研究有了迅速的发展。震源的位错理论是苏联学者提出的，以后得到普遍发展。震源位错理论认为，可以由震源断裂面上各点位错随时间变化的情况，计算出地震时地球介质的运动情况，从而去解释观测到的地震记录。反过来，也可以由远场或近场的地震记录去了解地震时震源处的运动情况。

在震源运动学研究中，常不得不用较少的参数来描述断层的运动，这就有时导致一些物理上不合理的结论。例如，若假定位错在断层面上是均匀分布的，则在断层边缘势必造成应力无限大的结果，这是不合理的。为了理解震源处发生的物理过程，最好是应用固体断裂力学的方法去了解岩石破坏的起源、发展和终止的问题。这就是震源动力学研究的任务。通过动力学的研究可以找出可能的断裂运动，使它们不但同观测资料一致，同时也给出在断层面上的合理应力分布，这方面的工作还刚刚开始。

震源的运动学研究和动力学研究都是从力学角度研究震源，所以这两方面的研究也称为震源力学或断层力学。运动学研究和动力学研究主要是讨论地震发生时的情况，对于地震发生以前的过程则讨论得很少。震源物理学则以这个问题作为研究的中心课题。

60年代中期，在地震学和断裂力学的基础上，震源物理学的一些理论研究得到了发展。由于需要更多更深刻的地震孕育过程的物理知识，地震学家们加强了岩石破裂的实验研究，主要是了解岩石中微裂纹和宏观裂纹的形成过程，以及伴随此过程的岩石物理性质的变化。与此同时，他们还开展了震前各种地球物理场（重力、电、磁等）的现场野外观测。总的目的是企图通过理论、实验和观测研究，能够了解地震发生的物理过程。目前关于震源的物理学研究是通过建立地震模式来进行的。即从一定的理论前提出发，提出一个地震发生的模式。从这个模式，推导可能的各种前兆以及不同前兆之间的关系。然后，通过实践的检验来修正这个模式。下面介绍两个有代表性的模式：苏联的断层失稳模式和美国的膨胀－扩散模式。

（1）断层失稳模式

天然岩石中存在着尺度很小的微裂纹，它们均匀分布在岩石内部（图1中阶段Ⅰ）。随着构造应力的增加，原有微裂纹的扩展，新微裂纹的出现，裂纹之间的相互作用，使得岩石断裂过程加速，引起岩石平均变形速率加快 (图1中阶段Ⅱ)。当微裂纹密度达到某极限值时，便发生了裂纹的合并与失稳扩展，断裂集中在一个或少数几个断裂带上，直至宏观大断裂的最终形成，这相当于地震的发生。在这以前，除少数断裂带以外，其余区域的应力降低，所以整个岩石平均变形速率在临近地震以前将会下降（图1中阶段Ⅲ）。图2给出了这种模式所预言的各种前兆物理量在地震过程中的变化。

（2）膨胀－扩散模式　对于地壳中常见的结晶岩石，如花岗岩、辉绿岩、石英岩等，当其所受差应力等于强度的一半时，岩石体积开始出现非弹性的增加，这就是岩石的体积膨胀现象。膨胀是由于岩石内部微裂纹扩展和不断增多的结果。随着差应力的增加，膨胀也增加。在干燥岩石中由于岩石的膨胀，岩石各种物理性质随差应力增加而变化。另一方面，在地壳的许多地方，存在着孔隙流体。震源区岩石的膨胀，标志着孔隙空间的增大，孔隙压力必然减小，作用在岩石上的有效强度增加，所以此时地震还不发生。但当震源区以外的流体流入震源区后，孔隙压力加大，岩石的有效强度降低，于是地震就发生了。按照这种膨胀－扩散模式，地震之前各种前兆现象，在地震过程中的预期变化应如图3所示。

对比图2和图3，以上两种模式在地面上所导致的前兆现象不尽相同，也就是说，它们所导致的各种前兆的综合图像是有区别的。这两个模式曾因为取得有限的成功，而引起地震学家极大的重视，但以后观测表明，这些成功是被夸大了。正确的地震（前兆）模式现在还未得到，目前还没有将震源的运动学、动力学和物理学研究统一起来的理论体系，这些正是现代震源物理要研究的问题。

参考书目

PAGEOPH，