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《震源理論基礎(chǔ)》是有關(guān)天然地震震源基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究的專(zhuān)著，涉及內(nèi)容廣泛，包括地震成因和地震機(jī)制、地震位錯(cuò)、地震破裂運(yùn)動(dòng)學(xué)、震源物理參量、地震輻射能、地震矩張量、地震破裂過(guò)程反演、地震破裂動(dòng)力學(xué)、非對(duì)稱(chēng)地震矩張量等專(zhuān)題�！墩鹪蠢碚摶A(chǔ)》對(duì)所涉及問(wèn)題的物理概念闡述清楚、簡(jiǎn)潔、明了；輔以詳盡的數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)，以深化對(duì)研究問(wèn)題所涉物理概念的準(zhǔn)確理解與結(jié)果的正確運(yùn)用。

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第一章緒論
　　第一節(jié)震源理論：內(nèi)容、方法和意義
　　從地震震源輻射出、經(jīng)過(guò)地球介質(zhì)傳播到地震臺(tái)的地震波，既攜帶著地震震源的訊息，也攜帶著震源至地震臺(tái)之間的地球介質(zhì)的訊息（圖1.1）．因此，傳統(tǒng)上，作為研究地震的一門(mén)科學(xué)，地震學(xué)所研究的問(wèn)題有兩個(gè)：一個(gè)是研究地震的震源，另一個(gè)是研究地球的結(jié)構(gòu)（傅承義等，1985）．前者屬于地震震源理論及其應(yīng)用的研究范圍，后者則屬于地震波理論及其應(yīng)用的研究范圍．這門(mén)課程只涉及前者，即研究發(fā)生于地震震源的物理過(guò)程和地震波的輻射問(wèn)題，及其在地震預(yù)測(cè)、防御與減輕地震災(zāi)害以及國(guó)防建設(shè)與國(guó)家安全（如偵測(cè)地下核爆炸）等方面的應(yīng)用．至于地震波理論及其應(yīng)用，即由震源輻射出的地震波在地球內(nèi)部的傳播以及用地震波作為一種探測(cè)手段來(lái)研究地球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物理狀態(tài)、地球作為一顆行星的歷史、地球的構(gòu)造演化以及勘探自然資源等問(wèn)題則暫不涉及（Aki and Richards，1980;Kanamori and Boschi，1983;Lay and Wallace，1995;Udías，1999;Lee et al.，2002;Stein and Wysession，2003;Kanamori，2007）．
　　采用地震、地磁、地電、重力、大地測(cè)量、地球化學(xué)等方法，透過(guò)從“零頻”（即靜態(tài)）直至數(shù)百赫茲的“窗口”，可以對(duì)震源區(qū)進(jìn)行觀測(cè)與研究．地球物理學(xué)家的任務(wù)是通過(guò)這些觀測(cè)反演發(fā)生于地震震源處的物理過(guò)程．和地球科學(xué)中的許多學(xué)科一樣，對(duì)震源的研究具有多學(xué)科相互滲學(xué)、法學(xué)、歷史學(xué)、考古學(xué)、管理科學(xué)乃至哲學(xué)的研究結(jié)合起來(lái)．
　　野外調(diào)查顯示，大多數(shù)淺源地震總是伴隨著地表斷裂，即沿著相對(duì)而言可視為平面的斷層面上的剪切滑動(dòng)（ Madariaga，1981，1983，2007;Madariaga and Olsen，2002）．這些斷裂或斷層的長(zhǎng)度從數(shù)十米至數(shù)千米不等，其上界正好就是板塊邊界連續(xù)地段的尺度．許多微觀觀測(cè)資料（在地震學(xué)中，微觀觀測(cè)資料即指儀器觀測(cè)資料）也支持上述野外觀測(cè)結(jié)果．余震的精確定位表明，大地震的余震通常分布于大體上是平面的主震斷層面上，它們是主震發(fā)生時(shí)斷層面上未破裂的部分在主震后繼續(xù)破裂所引起的．對(duì)地震波輻射所作的觀測(cè)研究也支持上述觀點(diǎn)．這些觀測(cè)研究表明，在震源距與波長(zhǎng)兩者均遠(yuǎn)大于震源的特征尺度時(shí)可以將震源視為一個(gè)偶極點(diǎn)源．早在 20世紀(jì) 60年代初就已經(jīng)從理論上嚴(yán)格地證明了偶極點(diǎn)源與剪切位錯(cuò)點(diǎn)源即“點(diǎn)”斷層在彈性動(dòng)力學(xué)上是等效的（ Maruyama，1963，1964;Burridge and Knopoff，1964）．這就是自 20世紀(jì) 50年代末以來(lái)地震學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要的組成部分 ——地震震源的位錯(cuò)理論．
　　用地震震源的位錯(cuò)模式可以計(jì)算震源距遠(yuǎn)大于所涉及的地震波波長(zhǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)理論（合成）地震圖以及震源距與所涉及的地震波波長(zhǎng)可以相比擬的近場(chǎng)理論地震圖．將位錯(cuò)點(diǎn)源直接疊加可以得到有限移動(dòng)源（Ben-Menahem，1961，1962;Ben-Menahem and Singh，1981）.運(yùn)用有限移動(dòng)源模式，可以很好地解釋觀測(cè)到的地震圖（Haskell，1964，1966）．地震引起的地面永久形變，板塊邊界的構(gòu)造形變，震前、同震以及震后的應(yīng)力積累與松弛的輪回過(guò)程，都可以用位錯(cuò)模式成功地予以解釋?zhuān)–hineery，1961，1969，1970;Hastie and Savage，1970;Savage，1980;Savage and Hastie，1966;Okada，1985）.
　　由于位錯(cuò)模式在遠(yuǎn)場(chǎng)、近場(chǎng)、持久形變（“永久”形變）、構(gòu)造形變等觀測(cè)資料的解釋中取得了巨大的成功，所以在資料解釋中，迄今仍然廣泛地運(yùn)用地震震源的位錯(cuò)模式．然而，必須指出，雖然位錯(cuò)模式對(duì)于闡明地震斷層的有限性和震源的幾何情況對(duì)地震輻射的影響，取得了巨大的成功并且十分重要，但是它只是一種運(yùn)動(dòng)學(xué)模式．位錯(cuò)模式包含了物理上不恰當(dāng)?shù)囊恍┘俣ǎ倪M(jìn)位錯(cuò)模式須要運(yùn)用物理上合理的斷層面上的位錯(cuò)分布，這便是地震震源的裂紋模式（Костров，1975;Kostrov and Das，1988）．
　　作為地震斷層模式的裂紋產(chǎn)生的物理過(guò)程是地震破裂力學(xué)所要研究的問(wèn)題．裂紋模式是地震震源的動(dòng)力學(xué)模式．但是，裂紋模式會(huì)導(dǎo)致破裂面前緣的應(yīng)力和質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的奇異性（Barenblatt，1959;Burridge，1976;Rice，1980）.
　　破裂面前緣的應(yīng)力和質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的奇異性與流入破裂面前緣的能流以及能量以表面能的形式被吸收有關(guān)．引進(jìn)滑動(dòng)弱化模式或與其相當(dāng)?shù)钠渌麅?nèi)聚力模式可以消除這個(gè)奇異性（Ida，1972;Palmer and Rice，1973;Andrews，1976）．如果內(nèi)聚力只在靠近斷層端部的小范圍內(nèi)起作用，則可以用少數(shù)幾個(gè)特征量來(lái)表征內(nèi)聚力所起的作用．按照由這些特征量建立起來(lái)的破裂準(zhǔn)則，運(yùn)用數(shù)值方法，可以解釋?xiě)?yīng)力和介質(zhì)強(qiáng)度皆不均勻情況下地震斷層的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展過(guò)程．
　　為了闡明地震破裂過(guò)程的復(fù)雜性，現(xiàn)在已經(jīng)有兩種完全不同的模式 ——障礙體模式（Das and Aki，1977;Aki，1979）和凹凸體模式（ Lay and Kanamori，1981，1995;Ruff，1983）．兩種模式強(qiáng)調(diào)的都是實(shí)際地震斷層上物理?xiàng)l件的非均勻性，只不過(guò)前者強(qiáng)調(diào)的是介質(zhì)強(qiáng)度的非均勻性，而后者強(qiáng)調(diào)的則是應(yīng)力的非均勻性．實(shí)際上，兩種模式可能代表著活動(dòng)斷層在輪回演化過(guò)程中的兩個(gè)不同階段，究竟哪一個(gè)模式比較合適則取決于斷層面上的實(shí)際情況．
　　盡管對(duì)在震源區(qū)所處的高溫、高壓條件下巖石流變性質(zhì)的研究時(shí)間不長(zhǎng)，但現(xiàn)在已經(jīng)知道，巖石在臨近破裂時(shí)是高度非線性的．一些巖石在純剪切條件下，當(dāng)應(yīng)力很高時(shí)體積增加，這種現(xiàn)象稱(chēng)為膨脹（Griggs and Hardin，1960;Brace et al.，1966;Brace，1972;Byerlee，1968，1977;Mogi，1967;Jaeger and Cook，1979;Scholz，2002）．與膨脹幾乎同等重要的現(xiàn)象是孔隙壓的存在，即在正常的地殼所處的條件下，巖石的性狀有如兩相介質(zhì)，其液態(tài)部分隨著應(yīng)力的變化緩慢地流動(dòng)．膨脹和孔隙流體在地震的引發(fā)過(guò)程中起著重要的、基本的作用，但到現(xiàn)在為止有關(guān)這些問(wèn)題的觀測(cè)資料仍不甚豐富，理論模型也仍處于初始階段．迄今*成功的地震震源模式仍是關(guān)于斷層作用及其產(chǎn)生的后果的模式，即成功地闡明了地震波輻射、地震引起的地面持久形變等現(xiàn)象的位錯(cuò)模式、裂紋模式、障礙體模式、凹凸體模式和滑動(dòng)弱化模式等，所用到的基本的理論工具是線彈性力學(xué)，輔之以斷裂力學(xué)．
　　地震是自然地發(fā)生于預(yù)應(yīng)力介質(zhì)中的突然破裂，是一種不可逆的、非線性的耗散過(guò)程．在非線性科學(xué)中近幾十年來(lái)發(fā)現(xiàn)的一些現(xiàn)象如吸引子、分岔、混沌也出現(xiàn)于地震的孕育與發(fā)生過(guò)程中．地震斷層相對(duì)而言固然可視為平面，但實(shí)際上它并非是一個(gè)平面，而是具有自相似性的分形結(jié)構(gòu)．自 20世紀(jì) 60年代后期發(fā)展起來(lái)的分維幾何學(xué)、非線性理論在地震震源的研究中也得到了應(yīng)用與發(fā)展（Mandelbrot，1967，1977，1982;Bak et al.，1987，1988;Okubo and Aki，1987;Bak and Tang，1989;Sornette and Sornette，1989;Ito and Matsuzaki，1990;Scholz，1990;Turcotte，1992，1997，1999a，b;Barton and La Pointe，1995;Sornette and Sammis，1995;Bak，1996，1999;Sornette and Knopoff，1997;Rundle et al.，2000;Keylis-Borok and Soloviev，2003;Turcotte et al.，2003）．
　　地震波雖然不是研究地震的唯一手段，但現(xiàn)在是、將來(lái)仍然是研究地震和地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的主要手段，并且可能仍然是研究深源地震的唯一手段．由地震觀測(cè)資料確定地震的破裂過(guò)程是一個(gè)反演問(wèn)題．鑒于對(duì)于地球介質(zhì)構(gòu)造的非均勻性、對(duì)于地殼－上地幔復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)的了解有限，鑒于地震儀的頻帶帶寬也是有限的，一般而言，反演是不穩(wěn)定的．解決這一困難的一種辦法是求頻率域和時(shí)間域中的地震矩張量．綜合運(yùn)用余震的時(shí)－空－強(qiáng)資料、宏觀地震資料、地震斷層的野外考察資料、歷史地震、考古地震、古地震資料、大地測(cè)量特別是空間大地測(cè)量資料以及遠(yuǎn)場(chǎng)與近場(chǎng)地震觀測(cè)資料，多學(xué)科相互滲透、交叉融合，必將有助于闡明地震震源過(guò)程、正確地評(píng)估地震危險(xiǎn)性及實(shí)現(xiàn)地震及其災(zāi)害的預(yù)測(cè)、預(yù)警，并*終收到防御與減輕地震災(zāi)害的實(shí)效．
　　第二節(jié)與地震有關(guān)的形變
　　地震波是極為復(fù)雜的、非均勻的、耗散的預(yù)應(yīng)力介質(zhì)中的線彈性波．與地震有關(guān)的應(yīng)變很小，在震源區(qū)其數(shù)量級(jí)大約為10–4，并且隨著距震源區(qū)的距離的增大很快地減小（Tsuboi，1933;Kanamori，1994），所以可以用線性理論成功地處理地震波（ Kasahara，1981;Madariaga，1981）．
　　地球是側(cè)向不均勻的，至少一直到上地幔－下地幔的邊界處（從地面往下600～700km處）是如此．不過(guò)，作為一種很好的一級(jí)近似，可以用球狀分層介質(zhì)模式來(lái)近似地表示它．疊加在這個(gè)徑向分層構(gòu)造上的是與大陸－海洋差異相聯(lián)系的側(cè)向變化，其線性尺度*大可達(dá)數(shù)千米．
　　在與巖石層厚度同數(shù)量級(jí)的淺部（從地面往下 100km），線性尺度的數(shù)量級(jí)為 100km的變化是由巖石層板塊的相互作用引起的．
　　就高頻地震波而言，線性尺度的數(shù)量級(jí)為 10km的不均勻體使地球介質(zhì)表現(xiàn)為一種很混濁的耗散的散射介質(zhì)．
　　與地震有關(guān)的形變和波動(dòng)現(xiàn)象涉及很寬的尺度范圍與波長(zhǎng)范圍．地球介質(zhì)的非均勻性和流變性按照形變的時(shí)間尺度的不同以多種方式影響著這個(gè)形變．以下按形變的周期（持續(xù)時(shí)間）由短至長(zhǎng)增加的順序分述與地震有關(guān)的各種不同尺度的形變（圖 1.2）.
　�。�1）高頻地震波．在地震波頻率范圍的高頻端（約102Hz），頻率高于5Hz的高頻地震波只在幾百千米距離（稱(chēng)作區(qū)域性距離）的范圍內(nèi)傳播．只有用高增益的地震儀才能記錄到微震和極微震輻射的高頻地震波．周期10–2s即頻率102Hz的地震波已進(jìn)入人耳能聽(tīng)到的聲音的范圍（16～20000Hz）．高頻地震波受到品質(zhì)因子約等于100的介質(zhì)的散射與內(nèi)耗的強(qiáng)烈影響而衰減．在工程地震學(xué)中，特別著重研究較大地震或大地震產(chǎn)生的高頻地震波，因?yàn)檫@些波是地震引起建筑物與結(jié)構(gòu)物破壞的主要原因． 
　�。�2）短周期體波．以地脈動(dòng)的峰值加速度的頻率 0.1～0.2Hz（5～10s）為界，周期*大達(dá)幾秒的短周期體波由震源輻射出后可以傳播到很遠(yuǎn)的地方．
　　地震是激發(fā)這種短周期體波的很有效的源；全球范圍內(nèi)可以記錄到大地震輻射的這種短周期體波．但是，短周期體波對(duì)于近震源和近地震臺(tái)的局部構(gòu)造十分敏感．對(duì)于一種觀測(cè)震源的工具來(lái)說(shuō)，這一性質(zhì)自然大大地影響短周期體波對(duì)于震源研究的使用價(jià)值．但是，隨著寬頻帶、數(shù)字化地震觀測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展以及研究工作的深入，情況正在發(fā)生變化．
　�。�3）長(zhǎng)周期體波．周期幾秒至幾十秒的長(zhǎng)周期體波是*常用于地震震源研究的地震波．長(zhǎng)周期體波為我們提供了大多數(shù)有關(guān)震源的訊息．長(zhǎng)周期體波在地球內(nèi)部的傳播可以用射線理論成功地予以描述．體波的激發(fā)程度與地震的大小有關(guān)．5級(jí)以下的地震產(chǎn)生的長(zhǎng)周期體波只能在中等距離（角距離30°～90°，1°≈111.22km）記錄到．較大地震激發(fā)的長(zhǎng)周期體波則容易被觀測(cè)到，從而成為我們有關(guān)地震震源的知識(shí)的基礎(chǔ)．
　�。�4）地震面波．地震面波是地震波的速度隨深度增加而引起的、沿地球表面?zhèn)鞑サ膹椥圆�，周期�?5s至數(shù)百秒．地震面波在由地面與層的界面構(gòu)成的波導(dǎo)中傳播時(shí)發(fā)生頻散．周期30s左右的面波的振幅在地殼中較大，受地殼側(cè)向不均勻性的影響很大；周期大于30s的面波穿透到比地殼還深的地方；周期大于100s的面波，稱(chēng)作地幔波．研究地幔波時(shí)，可以將地球視為球?qū)ΨQ(chēng)介質(zhì)．

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