《地震学、震源及地球结构概论》

(美)塞思·斯坦(Seth Stein)，

迈克尔·维瑟逊(Michael Wysession) 著

梁春涛等译

北京：科学出版社，2020.4

我们希望本书可以帮助年轻的中国科学家了解地震学和世界各地的地震学家群体。

这个群体对地震和地球进行更加深入细致地考察，对复杂的相互作用的地球系统知之甚多。但同样重要的是，他们在复杂的自然现象面前明智地保持谦逊。他们认识到地球是非常复杂的，并且仍然有很多我们不清楚的东西。我们很聪明，但地球更“聪明”。这种知识和智慧的结合使我们与众不同。

地震学家是一个包容的群体——我们热爱自己所做的事情，乐于分享，并且欢迎新面孔。我们欢迎年轻人注入新的能量，带来新的观点。当你遇到来自不同国家和文化的地震学家时，你会发现他们之间有一种天然的联系。

也许素昧平生，但却见字如面——当你读到一篇科学论文或一篇博客，你会由衷地说：“此言甚佳”，因为相同的知识和观点就是我们共同的语言。有时你会遇到一个因其工作而为你所知的人，你会意识到：尽管你们生活在不同的国家，说着不同的语言，但你们对地球的内部规律有着非常相似的看法。

地震学是一门经验性的科学。我们从现实世界的观察中充分地了解地震波的工作原理，并且发现地震波波动现象与理论大致相符。为了了解地震和地球内部过程，我们对所能观察到的现象进行解释。这意味着我们经常要面对信息的不完整性。例如，当我们谈论地核的组成或者某个地方发生大地震的可能性时，我们只有有限的信息来支持我们的观点。所以，现有的观点并不是永恒不变的。许多现有的模型都是不完整的，而且可能是错误的，快速增加的数据提出了新的问题，也提供了新的机会。我们经常发现一些让我们惊讶的新东西，迫使我们改变长期以来被广泛接受的观点。

举个例子，直到最近，我们一直认为9 级地震只发生在那些小于8000 万年的岩石圈的迅速俯冲(超过50mm/a)的海沟中(如本书图5.4-30 所示)。尽管这一想法从直觉上讲是合理的，因为年轻的板块和较快的速度才有可能使两个板块之间的界面产生强烈的力学耦合，但2004 年的苏门答腊地震和2011 年的日本地震表明这种看法是错误的。我们被短时间的地震记录误导了，以为历史上已知的某个俯冲带发生的最大地震就可以代表全球可能发生的最大地震。

图5.4-30 上图：不同俯冲带已知的最大逆冲地震的震级变化(Mw)随汇聚速率和俯冲岩石圈年龄的变化。(Ruff and Kanamori，1980，Phys. Earth Planet. Inter.，23，240-252，经 Elsevier Science 许可转载)下图：不同的俯冲带根据历史地震估计的地震耦合率。尽管大部分俯冲带显示相当部分的无震滑动，但没有证据表明无震滑动与俯冲岩石圈的年龄(左图)或者俯冲速率(右图)有明显的关系。(Pacheco et al.，1993，J. Geophys. Res.，98，14，133-159，版权归美国地球物理学会所有)

中国的地震学历史可以追溯到公元132 年的汉代，当时张衡发明了第一个记录地震的仪器。如今，有不少新发现来源于中国，因为中国有一个庞大的地震研究群体，中国地震活跃并且面临重大的地震灾害，而且拥有长时间的历史和古地震记录。例如，长达2000 多年的中国北方的记录显示，大地震在断裂带之间迁移，基于此提出一个新的模型，板块内部的地震活动是由于缓慢的构造运动加载于一个复杂的相互作用的断层系统所引起的，长时间不活动的断层可能在短时间内变得活跃。另一个例子是，1976 年7.8 级唐山大地震地区的小地震活动仍在继续，人们担心这些小地震可能会导致唐山和中国北方的其他地区进入一个新的强地震活跃期。然而，基于对这些地震的分析，以及对其他地方地震的观察和断层摩擦模型显示，大陆内部地震的余震可能比板块边界持续的时间要长得多，这表明这些小震仍可能是1976 年地震的余震。这些例子表明，更多地了解地震和地球的基本科学问题可以帮助社会更好地应对地震灾害。

你们中的许多人可能由于亚洲地区2008 年的汶川地震和2015 年的尼泊尔地震的袭击，从而激发了研究地震学的兴趣。然而，地震学在了解地球从地核到地壳的结构方面发挥着更广泛的作用，它是对地球内部进行成像并研究其结构、温度和构造的最佳手段。这包括确定石油储量，了解驱动地幔对流、板块运动和地球演化的动力。

我们已经成功地将地震检波器布设到月球和火星上，未来也有可能会布设到其他星球上。地震学还让我们能够监测地球上任何自然的或人为的振动源。地震检波器为我们提供了数千个“耳朵”，用于监测海洋风暴、识别冰川和河流的流动、调查火山活动、跟踪动物迁徙以及量化军事武器和战争的影响。

我们希望你喜欢这本书，并发现它对你的学习和研究有帮助。我们期待着不久的将来与你们见面!

Seth Stein, Michael Wysession

2020 年3 月28 日

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《地震学、震源及地球结构概论》在不同章节介绍了美国重要地震带的地质背景和地震活动性研究，此外还包括对全球板块运动研究比较完整的总结以及常见的地震学方法的介绍(如接收函数、横波分裂、走时反演、地震定位以及地幔和地核的研究方法等)，实现了地震学理论和板块构造学说的完美结合。图片是最强大的科学语言，本书采用了大量的图片对相关概念进行介绍，更加直观且易懂。

学习地震学的几点建议

北京大学 宋晓东教授

国外在地震学方面有许多深浅不同的教科书，国内也有一些中文教材。这本《地震学、震源及地球结构概论》中文版教材，出现得很及时。这本书本身是简介性质的，包括了一些基础理论、数学和物理，同时全书从头到尾渗透了大量的实际观测和研究结果，使读者在了解基础的同时，又能看到这些基础是如何被应用到实际问题当中的。原作者Seth Stein 教授和他原来的学生Michael Wysession 教授是在美国从事多年地震研究的实践者和专家，同时也在大学从事教学多年，并在积极推动科学普及教育。本书的几位翻译者都是年轻学者，有多年在国外学习、研究、工作的经历，同时多年在国内从事一线的研究、教学和领导的工作，能花费宝贵的时间和精力，把这本书通过翻译介绍给大家，难能可贵。

本书大部分读者和使用者很可能是与地球物理有关或是对此感兴趣的本科生和研究生。学习有各种方法且因人而异，我在这里提几点想法与大家分享。

  • 积极主动的学习态度、提高学习兴趣是学习任何东西的重要秘诀，不是(或不仅是)为了考试，而是在于理解原理(“格物”)。

  • 注意概念，重于理解，学而不思则罔。像其他物理科学一样，概念的理解最重要。

  • 学会看地震图。地震学最根本的可以说是如何看地震图、从中提取信息。

  • 数学基础。要了解地震学需要有一定的数学基础，地震学也是了解这些知识如何应用、提高这方面兴趣和训练的好地方，主要包括微积分、线性分析、复变函数、张量分析、特殊函数和应用数学(如近似分析、反演理论、概率统计)。

  • 不要从头看到尾，可以跳着看，来回看。学习科学知识，不是看小说、看电影，地震学尤其如此。每个小节就是一个问题，一个故事，理解了其乐无穷。学会如何跳过不懂的地方，把它当作黑匣子。不懂的地方即使跳过了，也能够了解其中的主要内容。

  • 带着问题去学习，没有问题可以问自己问题。

  • 自己推导。有些公式需要自己推导才能够理解其公式内部的含义。

  • 注意不同的观点、看法、角度。同样问题有不同的解释，不同的理解，从多个角度上看问题更容易深入理解。可以多跟他人交流，查原始工作，查其他文献，查网上资料，以增进理解。

  • 英文能力和编程能力。地震学是全球性非常强的科学，有大量的英文参考书和文献，同时需要数字信号处理和编程技能，有许多问题可以通过自己编程和利用他人的程序来检验、来学习、来了解。

  • 学习是为了创造，学以致用。培养独立思考能力，批判性思维，学会发现问题。

从我个人教育经历来看，细数在中国科技大学、中国石油勘探开发研究院、美国加州理工学院、哥伦比亚大学，上过和旁听过的地震学课程，有十一门之多。之后在美国哥伦比亚大学、伊利诺伊大学从事科研和教学工作二十多年，期间在国内南京大学、中国科学院大学、武汉大学、北京大学等教过地震学课程或部分内容，并近期开始在北京大学全职工作，对这门学科有着深深的热爱。希望这本书成为一个新的契机，有更多的年轻人能享受这种乐趣，更希望有部分人能参与研究和工作，对这门重要学科的发展有应有的担当，做出自己的贡献。

北京大学：宋晓东

2020 年4 月

本文摘编自《地震学、震源及地球结构概论》[(美)塞思·斯坦(Seth Stein)，(美)迈克尔·维瑟逊(Michael Wysession)著；梁春涛等译. 北京：科学出版社，2020.4]一书“中文版序一”“中文版序二”，有删减，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-064644-6

责任编辑：冯 铂 黄 桥

本书是一本理论基础全面、应用方向广泛且应用实例丰富的地震学专业书籍。本书既包括地震学的基础理论(第1、2 章)、地震学在地球探测中的应用(第3 章)，也包括震源机制和震源物理等方面的内容(第4 章)。本书第5 章讨论了不同构造环境下的地震分布、震源机制以及震源物理特征；第6 章讨论了地震图的基本处理方法和原理；第7 章结合实例讨论了地球物理反演基本原理和方法。此外，本书附录汇总了专业所需的数学和计算方法等方面的基础知识，以供缺乏相关基础的读者自学补充。本书适合作为地球物理学等专业的本科生或研究生教材，也可作为相关专业领域的科研人员的参考书籍。

（本文编辑：刘四旦）