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固体弹性介质与地震波传播-牛滨华-地质出版社.pdf 免费下载(地球物理学-e书联盟)
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固体弹性介质与地震波传播-牛滨华-地质出版社.pdf
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数理类型:国产软件 - 天文地球科学 - 地球物理学
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更新时间:2011-12-19 09:53:34
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固体弹性介质与地震波传播-牛滨华-地质出版社.pdf介绍

 
           研究生试用教材
中国地质大学( 北京)            研究生教材基金
                                            联合资助
国家自然科学基金委面上基金项目
                  半空间均匀各向同性单相
    固体弹性介质与地震波传播
                H alf-Sp ace  H om ogen eou s  Isot r op ic  Sin gle-Ph a se 
      Solid  Ela stic M edium  and  Seismic Wave Pr op agation 
                           牛滨华      孙春岩      编著
                                ·  北     京   · 
                                     内  容  提   要
    半空间均匀各向同性单相固体弹性介质与地震波传播是地震学的基础和重要内容。本书讲述直角坐标
系下这种介质模型及其地震波传播知识体系的框架结构,               阐述处理问题的思路和方法、主要结论及其相互
关系。围绕知识体系的核心内容即弹性波动方程,             首先阐述位移、应力和应变三个场变量之间关系的三个
场变量方程;    然后是三个场变量方程的综合即弹性波动方程及其通解;                再后是波动方程的外延内容即能量
方程和速度方程。作为弹性介质与地震波传播的深化,           在最后一章阐述了“黏弹性介质与地震波传播”
的基本知识,     可以为进一步学习这方面知识起到导引作用。书中涉及到的弹性介质与地震波传播的相关内
容, 均有系统的分析和综合,       对各种问题的归纳和公式的导出都有详尽的阐述。各章后都附有本章内容要
点。
    阅读本书仅需高等数学、线性代数、矩阵、场论矢量分析和弹性力学等方面的初级知识。为便于读者
阅读本书,    在附录中提供了这方面的相关知识。本书在半空间均匀各向同性单相固体弹性介质与地震波传
播方面具有较好的系统性和综合性,         可以作为地球物理、勘查技术与工程以及有关专业本科生高年级和研
究生的教材,    也可以作为相关专业教师和科技人员教学科研的参考书。
   图书在版编目( CI P )          数据
   固体弹性介质与地震波传播/ 牛滨华等著.                           —北京: 
地质出版社,          2 00 5. 12 
   ISBN   7 -  116 -  046 80 -  1 
   Ⅰ.  固. . .   Ⅱ.   牛. . .   Ⅲ. ①固体—弹性—介质②地
震波传播       Ⅳ. ①034 ②P3 15. 3 
   中国版本图书馆CIP 数据核字( 200 5)                    第1449 14  号
 GUTI  TANXING JIEZHI YU DIZHENBO CHUANBO 
 责任编辑:  祁向雷
 责任校对:   王素荣
 出版发行:   地质出版社
 社址邮编:   北京海淀区学院路31 号,     100 0 83 
 电   话: ( 010 ) 82 32 45 0 8 ( 邮购部) ; ( 010 ) 82324 57 7 ( 编辑室) 
 网   址:  h ttp : / / www. gph . com . cn 
 电子邮箱:     zbs @ gph . com . cn 
 传   真: ( 010 ) 82 3107 5 9 
 印   刷:  北京印刷学院实习工厂
 开   本:  787mm× 10 92 mm  1 / 16 
 印   张:  16 . 2 5 
 字   数:  4 10  千字
 印   数:  1—10 00  册
 版   次: 20 05  年12  月北京第一版·第一次印刷
 定   价:  40 . 0 0  元
           I SBN  7  - 1 16  -  046 80  - 1 / P ·2 63 7 
 ( 凡购买地质出版社的图书,        如有缺页、倒页、脱页者,         本社出版处负责调换) 
                               前         言
    半无限空间均匀弹性各向同性介质与地震波传播是地震学最基本和最重要的内容,                                   其
中的许多理论及其方法技术在地震学理论与应用中具有重要作用。这种介质模型及其地震
波传播的基本理论也是黏弹性、各向异性和孔隙介质等其它复杂介质模型及其地震波传播
理论与应用的重要基础。
    本书关注半无限空间均匀弹性各向同性介质与地震波传播,                         讲述直角坐标系下这种介
质模型及其地震波传播知识体系的框架结构,                    处理问题的思路和方法,          知识体系中的主要
结论认识及其相互关系。
本书内容的框架结构
    通过位移与应变方程、位移与应力方程、应力与应变(  即本构)                          方程、弹性波动方
程、能量能流方程和相速度群速度特征方程等内容,                      构建起半空间介质模型中地震波传播
理论的知识体系框架。本书围绕上述六个方程及其相关内容进行阐述。该知识体系框架是
半空间地震波传播理论体系中最基本、最重要的内容,                        也是最具代表性的缩影。
    首先是建立波动方程的准备知识———场变量的内在方程。围绕位移变量波动方程的建
立,  需要涉及位移、应力和应变三个(  地震波)                 场变量。三者之间的内在联系即三个基
本方程是建立矢量波动方程的基础内容。前面三章,                      第1 章是“位移与应变”,         第2  章是
“位移与应力”,       第3 章是“应力与应变”,        较为详细地阐述位移、应力和应变之间关系的
三个基本方程。
    其次是第4  章的弹性波动方程———场变量的核心方程。基于前面三章内容,                            着眼于位
移与应变、位移与应力和应力与应变三个方程,                     可以顺利地得到位移变量的波动方程。波
动方程是地震波传播理论与应用中的核心内容。本章重点阐述三个问题,                              它们是波动方程
的表达形式和性态分析,           矢量地震波场的纵波和横波(  波场)             的分解,     以及波动方程的
通解(  即波函数)  。
    最后是“波动方程的外延”———场变量的外延方程。需要以波动方程为基础并进行
演化处理来加以解决的问题可以统称为“波动方程的外延”。本书涉及“能量和速度”两
个方程。第5 章是能量和能流的平衡方程。分为考虑震源和不考虑震源两种情况,                                后者通
常称为地震波传播的能量(  即机械能)               平衡问题。第6  章是相速度和群速度及其特征方
程。均匀弹性各向同性介质中,            相速度和群速度相等,           相速度具有球对称性,           即各向同
性。求取相速度和群速度普遍适用的方法是速度特征方程法。波动方程的外延内容涵盖了
地震波传播中的许多重要定律或规律。
    场变量方程与“二次型”。地震波传播理论中的“二次型”放在第6 章结束部分。波
动方程、速度特征方程和能量(  或弹性势能)                  方程都蕴含了“二次型”问题。因此,               可
以用数学的“二次型”对这些场变量方程进行综合和贯通。
                                                                         ·1 · 
    本书的知识体系、研究问题的思想方法,                  同样适用于均匀黏弹性各向同性( 单相固
体)  介质;   尽管介质模型的差异导致许多结论的不尽相同。
    第7  章“开尔芬黏弹性介质与地震波传播”是半空间均匀弹性各向同性介质地震波
内容的延伸和深入。黏弹性介质与地震波传播同样是地震波传播理论与应用的重要组成部
分,  该章内容为有关读者进一步深入地学习黏弹性介质的相关知识提供了“导引过程”。
作者将在另一本书中较为系统深入地阐述黏弹性介质与地震波传播的内容。
    预备知识是作者为便于读者阅读本书而准备的,                     这部分内容主要包含行列式、矩阵、
张量及其性质、矢量分析、场论初步、傅里叶变换以及诺特方程和佐谱里兹方程。考虑到
有关读者具有一定程度的上述知识和弹性力学的知识,                       因而基本上可以不必额外再翻阅其
它书籍就可以顺利地阅读本书。有关读者也可以根据实际情况的需要,                            通过参考相关的其
它书籍和文献资料,         进一步深入地学习这方面的知识。
致谢
    本书的第1、2  章和预备知识由孙春岩教授编写,                 其余章节由牛滨华教授编写。感谢
中国地质大学( 北京)        研究生院对本书出版的大力资助;              本书编写得到国家自然科学基
金委面上基金4 997402 8 和404 74043 项目的资助,      书中有关内容也与基金项目的研究内容
密不可分,     对基金项目给予的资助表示衷心的感谢;                真诚地感谢同济大学海洋地质地球物
理国家教委重点实验室对本书部分研究工作和出版给予的支持。特别要感谢杨宝俊教授、
高锐研究员、张中杰教授、于晟研究员对作者工作一贯地支持以及对作者撰写本书给予的
真诚鼓励和具体帮助。作者还要感谢本书所引用参考文献的各位学者和专家。
    本书的文字及公式校对工作,             孙晟、李国平、黄新武、李佳、李亚晶、孙小芳、张文
忠、王荣东等博士和硕士都付出了辛勤劳动并提出过宝贵意见,                           作者对他们表示十分衷心
的感谢。由于作者水平所限,            书中不妥之处在所难免,          敬请读者批评指正。
                                                               作者于北京
                                                               2 00 5 年9  月
  ·2 · 
                               绪         论
    地震波理论博大精深[ 1 , 2 ]   。地震波理论从地震波的物理过程考虑可以分为:                     地震波的
天然和人工激发、地震波的传播和接收记录三部分。当然,                         从其它角度对地震波理论分
类,  还可以得到多种不同形式的分类结果,               例如地震波传播的正演和反演理论等。不管采
用何种分类方法,        介质模型与地震波传播始终是地震波理论的核心内容之一[ 1  ~5 ]                  。
    “天然”和“人工”地震波场的地震波传播具有一致性,                       这里主要关注人工地震场中
的“介质模型与地震波传播”,            相关的知识可以拓展到天然地震波场。地震波传播理论与
其他科学理论一样是一种不断发展的科学理论。因此,                       人们有必要关注这种理论及应用如
何继续发展。这种关注包含对前人重要研究成果和精辟阐述的理解和总结,                                对现有地震波
传播理论成果主体内容的认识,             以及对地震波传播理论知识体系不断丰富完善的思考。
    鉴于上述情况,       作者尽己所能并就自己目前研究内容所涉及的范围,                   在这里简述地震
波传播理论的主要问题。其中包含地震学背景中地震波传播的基本问题,                            地震波传播动力
学的基本问题,      地震波传播与介质和界面的关系,              孔隙介质与地震波传播,           以及均匀弹性
各向同性等几种典型介质模型及地震波的传播。这些内容对读者阅读本书以及进一步深入
学习这方面的知识肯定会大有益处。
1  地震学与地震波传播
    地震学是研究地球内部结构与构造的重要手段,                   与人类资源、能源、环境和社会持续
发展紧密相关。地震学涵盖震源、传播、接收、介质成分和介质结构及构造等众多问题。
地震学可以分为天然地震学、测震学、核爆地震学、军事地震学、模型地震学和勘探地震
学等众多分支领域。地震学研究范围涉及地球层圈结构、天然地震预测防灾、地壳上地幔
物质成分结构与构造探测、油气( 及水合物)                  能源勘探、水文环境工程建筑探测等方方
面面,   已经与人类社会政治、经济和军事密不可分。由此受到国内外地震学界的广泛重视
和百余年持续不断的研究,            研究成果取得了实测地震数据的验证,                并在油气能源勘探和开
发中被广泛应用。地震学为2 0 世纪人类文明的发展发挥了不甚受人关注,                            但却不可或缺
的乃至功不可没的作用[ 1 , 8,  13  ~22 ] 。
    地震学具有三个特点[  1]     : ①地震学与地球的力学性质和动力学密切相关;                     ②地震学
对地球内部的研究能进行到最大的深度,                 具有高于任何其它地球物理学分支所能达到的分
辨力和精度;      ③地震学提供的是地球内部现状的资料。此外,                  地震学可以在三维空间按不
同尺度范围进行研究,          小到不足1m 乃至更薄的岩层,           大到几千公里的板块。
    地震波理论是各种门类地震学科的基础和重要内容,                    地震波传播理论突出强调波的传
播与媒介之间的关系,         地震波传播理论涵盖了人工地震探测与信息技术等众多门类领
域[ 9 ~11 ] 。地震波传播理论研究备受关注的前沿热点课题主要有以下几点:                     ①地球介质的
                

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