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。
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.