震源物理  071M4006H

学期:2017—2018学年(春)第二学期 | 课程属性:专业核心课 | 任课教师:史保平,许力生
授课时间: 星期四, 第5、6、7节
授课地点: 教2-127
授课周次: 1、2、3、4、6、7、8、9、10、11
授课时间: 星期二, 第5、6、7节
授课地点: 教2-127
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、10、11、12
课程编号: 071M4006H 课时: 63 学分: 4.0
课程属性: 专业核心课 主讲教师:史保平,许力生
英文名称: Earthquake Source Physics

教学目的、要求

构造地震的发生源于全球板块的运动,但是这一简单的图像是远远不完全的。有些板块边缘的相对运动非常平滑,而有些则呈现出不时的中断,伴随着灾难性的失稳。有些地震从破裂到停止的尺度仅仅几百米,而有些破裂长度可达上千公里。近期地震观测表明地震活动可由上千公里之外的大地震所触发。对于上述现象的了解需要我们从震源物理的研究中寻求可信的答案。因此,探索孕震和发震过程的物理学,即震源物理学,不仅作为地球科学一般范畴是至关重要的,而且对于建立一个以地震灾害防御,评估和减灾为目标的合理框架体系也是不可缺少的。

本课程为地震学/地球物理学专业硕士和博士生所开设的核心课。综合近代地震科学研究成果,我们将着重介绍地震成因背后的物理机制。在固体力学的框架下,本课程将系统地阐述震源理论的建立和发展,数学原理和计算方法以及目前我们对震源物理过程的认识。课程内容将分为三个主要部分:I:理论模型的量化建立(Mathematical Formula);II:震源静力学和动力学的数值计算;III:断层摩擦物理学(断层成核,破裂扩展,地震触发过程等)。
 

预修课程

地震学,地球物理学,地球动力学

教 材

Aki, K. and P. G. Richards (1980) Quantitative Seismology. Theory and Methods, Two volumes; San Francisco: W. H. Freeman;
Segall, P. (2010) Earthquake and Volcano Deformation, Princeton University Press;
Udias, A., R. Madariaga, and E. Buforn (2014) Source Mechanism of Earthquake: Theory and Practice; Cambridge University Press.
陈运泰,顾浩鼎: 震源理论基础 (讲议)

主要内容

第一章	引言 (2.0学时)
教学重点:震源物理研究方法,手段及概念模型。地震参数的物理意义和重要性。现代地震学中对震源的认识。
       1.1地震的定义
       1.2断层与弹性回跳理论
       1.3震源参数的定义
       1.4震源模型的基本概念(震源运动学/动力学模型)
       1.5地震可观测量
第二章 固体力学基础知识(3.0学时)
教学重点:弹性理论和断裂力学理论对地震断层运动的数学描述。地壳介质的本构关系。
       2.1应力,应变,本构关系
       2.2应变-能量方程
       2.3运动方程
       2.4位错/裂纹模型  
第三章 地震与地壳内部应力状态(4.0学时)
教学重点:地壳内部的应力状态:观测和室内实验数据比较和对比。板块运动与全球地震空间分布的关联性。断层力学模型(断层分类)与地震活动性分析比较
       3.1板块运动和地震重复时间 
       3.2地壳内部应力状态
       3.3主应力与断层空间取向
       3.4地壳内部材料强度:实验和野外数据分析 
       3.5存在问题
第四章 断层脆性破裂和摩擦(4.0学时) 
教学重点:断层破裂和断层摩擦过程的力学描述: Coulomb-Mohr模型的提出,潜在应用以及局限性。
       4.1.材料的理论强度,缺陷和应力集中 
       4.2.Griffith 破坏和断裂力学 
       4.3 应变能和断裂所做的功 
       4.4.断裂失稳的宏观表示 
       4.5 Coulomb-Mohr 准则和应力状态 
       4.6 岩石强度:实验数据;孔隙流体作用;有效应力律 
       4.7 应变率同岩石强度的依赖关系 
       4.8脆性与韧性形变;断层强度包络
第五章 震源定量化描述(12.0学时)
教学重点: 震源过程的量化描述:Burridge-Knopoff表像定理,Green函数,近场,远场近似解等。地震矩张量的提出和重要意义。反演模型与震源机制解的确定,模型不确定性分析。
       5.1等效体力源
       5.2 Betti互换原理
       5.3 Burridge-Knopoff表像定理
       5.4点源近似解
       5.5有限断层: 震源的运动学特征
       5.6震源反演方法
       5.7 震源机制解
第六章 震源参数测量(13.0学时) 
教学重点:震源物理参数的测定,震级与断层尺度,矩震级的重要意义等。
       6.1震源参数与可测量:弹性问题的数学描述
       6.2震源与位移场
       6.3地震矩与地震震级 
       6.4应变与应力降
       6.5能量分配准则
           a:辐射能,势能,破裂能等,能量震级
           b: 地震效率,视应力,辐射效率
       6.6破裂模式
           a: 破裂速度,辐射方向性
           b: 方向性与震源过程的时间持续
           c: 破裂速度:亚剪切和超剪切
    d: 断层滑动上升时间及破裂持续时间 
       6.7破裂图像
       6.8地震定比关系
           a: 静态参数定比律
           b: 动态参数定比律
第七章 破裂过程(4.0学时)
教学重点:经典断裂力学模型简介:裂纹的动态扩展及扩展速度,能量守恒准则。
       7.1断裂力学
       7.2裂纹模型回顾
       7.3裂纹尖端破损相(Breakdown Zone)
       7.4破裂的稳定性与扩展 静态裂纹,动态裂纹扩展
       7.5破裂扩展速度
第八章 断层摩擦与粘滑机制(6.0学时)
教学重点:地震成核过程中的一些基本理论和模型,着中介绍速率与状态相依赖的摩擦关系, 1-D弹簧滑快模型的建立和应用等。
       8.1库仑摩擦
       8.2速率与状态相依赖的摩擦关系
       8.3速度弱化和强化机制;地震成核深度约束原理
       8.4一维弹簧滑快模型
       8.5地震成核过程与地震循环
       8.6临界滑移距离和破裂尺度
       8.7准静态至动态破裂转换
       8.8岩石力学实验数据,地震数据比较和对比        
       8.9 Dieterich模型/位错模型
       8.10余震触发机制:静态和动态触发,余震时空演化
       8.11断层相互作用模型
第九章 震源过程与地表运动(5.0学时)
教学重点: 着重介绍震源过程与地面运动的关联性,理解不同震级(地震尺度)下,地面运动的空间分布特征以及差异性。合成地面运动的方法和数值模型的发展。
       9.1破裂速度和方向性
       9.2 S-波辐射场特征
       9.3滑动位移分布特征及非均匀性
       9.4断层粗糙(Roughness)度与分形
       9.5初始应力状态表述
       9.6 Asperity模型
       9.7不确定性分析
第十章 经典震源模型(5.0学时) 
教学重点:经典震源模型回顾:着重阐述震源模型发展历史以及对近代地震科学发展的贡献。
       10.1震源谱,震源函数,fmax,fc
       10.2 Haskell 模型,Brune 模型和Heaton脉冲模型
       10.3一般运动学/动力学模型简述
       10.4有限断层模型的随机特性定量化描述及重要性
第十一章 经典文献阅读(2.0学时)
教学重点:强化学生对震源理论/地震学发展的认识,加深学生对国内外该领域研究状况全方位的了解,增进学生对该领域的研究兴趣。

参考文献

Kanamori, H. and E. Brodsky (2004). The Physics of Earthquakes. Rep. Progr. Phys. 67, 1429-1496;
Lay, T., and T. C. Wallace (1995) Modern Global Seismology, Academic Press;
Udias, A. (1999) Principles of Seismology, Cambridge University Press.