震源物理

研究地震孕育、發生的物理過程和所涉及的物理現象。“震源”一詞，在地震學中是指地震在地下發源的地方。而震源物理中所指的“震源”，卻是表示與地震孕育、發生和震後調整有關的一個空間區域。所有的地震前兆都是由震源區及其周圍的岩石的物理狀態改變而產生的，因此，預測地震，最重要的是了解地震形成的物理過程。

基本介紹

• 中文名：震源物理
• 提出者：里德(H.F.Reid)
• 提出時間：1910年
• 套用學科：震源物理學

來源

對震源的興趣是和地震學的出現一起產生的。雖然里德(H.F.Reid)早在1910年就提出了關於地震成因的彈性回跳學說，但與地震波傳播理論及其在研究地球內部結構方面的套用相比，震源的研究一直發展得很慢。這是因為地球結構和地震波傳播規律的知識是研究震源的必要前提。對震源的研究只是在用地震方法監測地下核爆炸以後，才得以大力發展起來。此外，固體斷裂物理學的發展，也增進了對震源形成過程的了解。

震源物理

背景

20世紀60年代後，情況有了明顯的變化。接連幾次較大地震都發生在人口稠密和工業集中地區，造成嚴重的傷亡和破壞。另一方面，國際上地幔計畫的完成，板塊大地構造學說的提出和測震技術的發展，對震源物理研究的發展起了推動作用。從內容來看，可以將對震源的研究分成3個方面：震源的運動學研究，動力學研究和物理學研究（即地震模式的研究）。

1923年中野廣首先發現地面初動的象限分布。1938年拜爾利(P.Byerly)第一次提出震源斷層面解的方法。從此以後，震源的運動學研究有了迅速的發展。震源的位錯理論是蘇聯學者提出的，以後得到普遍發展。震源位錯理論認為，可以由震源斷裂面上各點位錯隨時間變化的情況，計算出地震時地球介質的運動情況，從而去解釋觀測到的地震記錄。反過來，也可以由遠場或近場的地震記錄去了解地震時震源處的運動情況。

在震源運動學研究中，常不得不用較少的參數來描述斷層的運動，這就有時導致一些物理上不合理的結論。例如，若假定位錯在斷層面上是均勻分布的，則在斷層邊緣勢必造成應力無限大的結果，這是不合理的。為了理解震源處發生的物理過程，最好是套用固體斷裂力學的方法去了解岩石破壞的起源、發展和終止的問題。這就是震源動力學研究的任務。通過動力學的研究可以找出可能的斷裂運動，使它們不但同觀測資料一致，同時也給出在斷層面上的合理應力分布，這方面的工作還剛剛開始。

震源的運動學研究和動力學研究都是從力學角度研究震源，所以這兩方面的研究也稱為震源力學或斷層力學。運動學研究和動力學研究主要是討論地震發生時的情況，對於地震發生以前的過程則討論得很少。震源物理學則以這個問題作為研究的中心課題。

模式

60年代中期,在地震學和斷裂力學的基礎上,震源物理學的一些理論研究得到了發展。由於需要更多更深刻的地震孕育過程的物理知識，地震學家們加強了岩石破裂的實驗研究，主要是了解岩石中微裂紋和巨觀裂紋的形成過程，以及伴隨此過程的岩石物理性質的變化。與此同時，他們還開展了震前各種地球物理場（重力、電、磁等）的現場野外觀測。總的目的是企圖通過理論、實驗和觀測研究，能夠了解地震發生的物理過程。目前關於震源的物理學研究是通過建立地震模式來進行的。即從一定的理論前提出發，提出一個地震發生的模式。從這個模式，推導可能的各種前兆以及不同前兆之間的關係。然後，通過實踐的檢驗來修正這個模式。下面介紹兩個有代表性的模式：蘇聯的斷層失穩模式和美國的膨脹－擴散模式。

① 斷層失穩模式

天然岩石中存在著尺度很小的微裂紋,它們均勻分布在岩石內部（圖1中階段Ⅰ）。隨著構造應力的增加，原有微裂紋的擴展，新微裂紋的出現，裂紋之間的相互作用，使得岩石斷裂過程加速，引起岩石平均變形速率加快 (圖1中階段Ⅱ)。當微裂紋密度達到某極限值時，便發生了裂紋的合併與失穩擴展，斷裂集中在一個或少數幾個斷裂帶上，直至巨觀大斷裂的最終形成，這相當於地震的發生。在這以前，除少數斷裂帶以外，其餘區域的應力降低，所以整個岩石平均變形速率在臨近地震以前將會下降（圖1中階段Ⅲ）。圖2給出了這種模式所預言的各種前兆物理量在地震過程中的變化。

② 膨脹－擴散模式

對於地殼中常見的結晶岩石，如花崗岩、輝綠岩、石英岩等，當其所受差應力等於強度的一半時，岩石體積開始出現非彈性的增加，這就是岩石的體積膨脹現象。膨脹是由於岩石內部微裂紋擴展和不斷增多的結果。隨著差應力的增加，膨脹也增加。在乾燥岩石中由於岩石的膨脹，岩石各種物理性質隨差應力增加而變化。另一方面，在地殼的許多地方，存在著孔隙流體。震源區岩石的膨脹，標誌著孔隙空間的增大，孔隙壓力必然減小，作用在岩石上的有效強度增加，所以此時地震還不發生。但當震源區以外的流體流入震源區後，孔隙壓力加大，岩石的有效強度降低，於是地震就發生了。按照這種膨脹－擴散模式，地震之前各種前兆現象，在地震過程中的預期變化應如圖3所示。

對比圖2和圖3，以上兩種模式在地面上所導致的前兆現象不盡相同，也就是說，它們所導致的各種前兆的綜合圖像是有區別的。這兩個模式曾因為取得有限的成功，而引起地震學家極大的重視，但以後觀測表明，這些成功是被誇大了。正確的地震（前兆）模式現在還未得到，目前還沒有將震源的運動學、動力學和物理學研究統一起來的理論體系，這些正是現代震源物理要研究的問題。

參考書目

傅承義編著:《地球十講》,科學出版社，北京，1976。李善邦：《中國地震》，地震出版社，北京，1981。 　М．А．薩多夫斯基主編,許同春等譯：《震源物理》，地震出版社,北京,1982。（М.А.Садовский, Физиκа Οчага　ЗемлстpясеНия，“Наука”，Ленинград，1975.） 　V.I.Mjachkin，W.F.Brace，G.A.Sobolev，and J.H.Dieterich,Two Models for Earthquake Forerunners,PAGEOPH,Vo1.113,No.3～4,pp.169～181,1975.