创新震源动力学方法　推进地震学研究发展——北京大学张海明博士

2017-04-12

地震能否预报？目前，这对人类仍然是一个巨大挑战。因为在现有的科学水平下，还不可能对多数破坏性地震作出预报，但在对既往发生地震的物理过程进行充分研究的基础上，人类还是可以从中发现某些规律，并对未来可能发生的地震的行为作出某种程度的预测。北京大学张海明博士长期从事震源动力学，取得了多项创新性成果。

创新震源动力学研究

在理论地震图的计算方面，针对几种特殊情况，比如远场、场源位于相同深度的情况，进行改进，极大地提高了计算效率。改进了震源动力学的边界积分方程方法，将此方法推广到可以精确地计算地表与断层面之间的耦合效应。由于这种方法的特点是依赖问题的格林函数，而只有无限弹性空间介质才有闭合形式的解析解，因此当时的边界积分方程方法研究都是基于无限空间格林函数建立的，对于地表的效应，只能采用镜像法近似地考虑垂直断层的破裂过程，不能处理倾斜断层的情况，具有一定的局限性。张海明博士运用半无限空间的格林函数，直接建立边界积分方程考虑，由于这种格林函数精确包含了地表的效应，因此计算的断层的动力学破裂过程也自然精确地包含了地表效应，这对于断层直接出露地表情况下的破裂过程计算非常重要。并在此基础上研究破裂的行为，发现在地表存在的情况下，走滑型破裂只要破裂能够继续，总能演化成为超剪切破裂，这个发现可以很好地解释近年来发生的多个超剪切地震的现象。这一研究获得2007年北京大学优秀博士学位论文二等奖，后来被国际同行称为这个方向的“开创性工作”。

超剪切破裂研究获得突破

决定地震破坏性的重要因素之一是震源破裂过程中的破裂速度及其变化。快速的破裂通常比慢速的破裂导致更多的地震灾害。而破裂速度的突然改变会导致近场强地面运动中高频分量的产生，对于近震源的地表建筑物来说，这将是造成其损坏的直接原因之一，会造成巨大的社会财产的破坏。地震破裂过程中破裂速度突然改变的典型表现是其由亚瑞利波速向超剪切波速的转化。由于这种转化伴随着马赫锥的产生，类似于超音速飞机突破声障过程中产生的激波，将产生更为强烈的地表破坏。

张海明认为，破裂过程中出现超剪切转化需要具备一定的条件，如地震断层的规模、震源区的应力状态、断层面摩擦的本构关系等。其中，地表和断层形状是影响超剪切出现的两个重要因素。初步研究显示，对于走滑型破裂，地表与断层破裂之间的相互作用将有助于激发次生的超剪切破裂。只有对这些因素的影响有充分的了解，才能够掌握超剪切破裂转化的机理，从而预测对应的地震波辐射场特征，对建筑防震设施的设计才有指导意义。目前，有效途径就是结合理论分析的数值模拟研究。

在国家自然科学基金面上项目“浅源大地震复杂断层系统的动力学破裂传播的研究”中，张海明团队在前期有关运用边界积分方程方法研究震源动力学破裂过程研究的基础上，利用基于Cagniard-de Hoop方法求解的时间域格林函数及其空间导数，结合更适于刻画任意复杂断层系统几何形状的三角形的离散化方案，发展出一种能够精确计算半无限空间中复杂断层系统上震源动力学破裂传播过程的边界积分方程，并开展了半空间时间域格林的一些相关研究。从数学的角度给出了瑞利波产生的机制并运用渐近分析方法解释了瑞利波的性质。从理论上证明了球对称地球介质中，基于背景噪声得到的一些运动学特征，比如面波频散和体波到时，与格林函数得到的相同，从而为当前在地震学中普遍应用的背景噪声成像研究提供了理论支持。

目前，张海明已成功地将传统的边界积分方程方法推广到半无限介质中，使得可以精确地考虑地表的影响。并将该方法推广到半无限空间中的复杂断层系统中，且已经取得重要进展。这些工作基础使得开展地表和断层几何形态对浅源大地震超剪切破裂转化的影响的数值模拟研究成为可能。在这一研究中，张海明计划以目前的工作为基础，进一步开展震源动力学模拟研究，试图了解地表和断层几何形态对于超剪切破裂转化的影响，并尝试根据模拟结果总结出超剪切破裂转化的控制参数。

理性看待地震预测

地震到底能否预测是社会公众普遍关注的问题，张海明博士认为首先需要厘定这个词的具体含义。如果指精确地预知何时何地发生多大规模的地震，这个问题的答案，起码在相当长一段时间内，可以说是不可能的。如果是指根据人们对于此前地震现象的认知，给出某个区域在若干年的时间范围内发生一定规模的地震的概率，这是可以做到的。显然公众不会满足于后者，所以基本上这个问题的答案是否定的。

从确定性科学的角度而言，如果要完成地震的精确预测，就需要精确地求解这个系统的数学模型。这里面涉及地球介质的结构、断层系统的几何分布、应力状态、各种物理量之间的关系等要素。但是由于地球介质的不可入性，这些要素都无法准确地知道。只能通过地表接收到的地震波去“推测”，术语叫“反演”，在这方面在过去的一个世纪内取得了辉煌的成就，比如现在对于地球的圈层结构等的认识都是通过这种方式获得的。但是，对于地震预测这么精确的问题，仅仅靠反演得到重要参数，精度远远不够。所以从这个层面上讲，地震精准预测起码在未来相当长一段时间内，是不可能的。

在地震学界，一种乐观的观点认为，随着科学和技术的进步，终究有一天当人们能够准确测量需要的参数时，就能够求解这个数学模型，那时就可以做到准确预测地震了。但是另外一种悲观的观点认为，由于地球内部的复杂性，不同层次的结构体之间存在复杂的非线性相互作用，因此整个系统是处于一个自组织临界状态，在这种状态下，一个微小的触动都可能导致全然不同的结果，类似于气象学中的蝴蝶效应。对于这样的系统，无论能多么准确地知道各种参数，都是不可能精准预测地震。

张海明博士的观点倾向于后者。因为地球内部对于人类来说是个黑匣子，有证据显示其中隐藏着各种复杂性，究竟人类是否有能力揭开所有的秘密，需要画上一个大问号。地震学家们通过一个多世纪以来的不懈努力，对于地震现象的了解正在逐步深入，可以通过统计的方式，得到地震发生的概率，可以通过动力学模拟的方式，在一定程度上模拟一个地区如果要发生地震，大致可以达到什么规模，等等。另外，在预警方面的研究也取得显著进展。

张海明博士认为，对于公众来讲，需要调整对于地震预测的预期。对于能够通过包括气象卫星在内的各种设备检测的天气现象来说，尚且不能准确预测，对于根本无法深入的地球内部而言，要求地震学家们能够准确预测地震，是过于苛刻的。