统计物理,孕震过程及地震危险性（一）

摘要

地震活动的标度性表现出与统计物理中处于临界点及附近的其他复杂系统的显著的相似性。这导致了作为临界现象的孕震过程的各种物理模型的发展,包括由大量离散单元组成的物质中存在的局部非线性动力机制,表现出不稳定性和雪崩式过程的简化的流变性。特别是有人认为,地震可作为“自组织临界现象”的一个例子,类似于沙堆在持续地从顶部供应砂粒的情况下自然形成临界角的情况。在这个处于稳定边缘的状态下,雪崩能量的分布满足幂律,等价于古登堡-里克特频度-震级定律,并且其动力学行为对于动力学细节相对不敏感。在此我们回顾了以下几种不同尺度的模拟孕震过程的复杂物理模型的结果:(1)断层上的动态滑动;(2)断层扩展;(3)断层形成。每个物理模型都具有一些共同的特性,比如在常应变率构造加载作用下的动态能量流、强烈的局部相互作用和由动态的或固定的物体不均匀性产生的涨落。但是它们在假定的动力机制细节上和数值方法上差异显著。然而,所有这些模型都存在临界或近临界特性,定量上具有与所观测的脆性断层及地震的分维或多分维标度律相吻合的性质,包括古登堡-里克特频度-震级定律。有些结果对于动力机制细节很敏感,因此不是自组织临界性的严格例子。不过,这些不同的物理模型的结果具有一些普遍的统计特性,类似于在许多临界现象中所见的普适性。这些普适性在地震危险性概率评估的实际问题中具有重要意义。尤其是,各种自组织临界性(或近临界性)概念为在地震危险性评估中作为第一步的“稳态”的假定提供了一个科学基础。无论是在观测中还是在模型中,古登堡-里克特定律(能量或地震矩的幂律)只适用于有限尺度范围。相应地,频度-震级分布可以用能量或地震矩分布的伽玛函数来表示(其中包括了一个幂律和一个指数衰减的尾)。这允许频度-震级分布的外推和由所测地震矩或构造矩释放率来估计最大可信震级。对提出的其他问题的回答不太清晰,例如在有强烈局域相互作用的系统中预先作泊松过程假定有何影响,以及用光滑的多边形对多分维的震中分布进行分区的影响。有些模型的结果给出了可以作为主震前兆的地震活动性的预警图象。然而,无论在理论上还是在实践上,对于可靠的中期预测的可能性及有关问题,仍没有达到共识。