全球变化与地球系统科学系列：地震学中的成像、模拟与数据同化（英文版） [Imaging, Modeling and Assimilation in Seismology] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

内容简介

《全球变化与地球系统科学系列：地震学中的成像、模拟与数据同化（英文版）》介绍地球物理和地震学研究领域内近年发展的数据同化、构造成像和数字模拟的新方法、新技术以及应用实例。全书共七章，由国内外著名大学和研究所从事地震前沿研究工作的人员撰写而成。内容涵盖：
数据同化概念在地震学中的拓展和应用，全波形三维构造成像（full waveform tomography），介质全物理属性和震源机制反演方法；
非均匀介质中衍射波和散射波单返程传播算子（one-return propagator）方法，适用于复杂构造成像；断裂带圈闭波（fault-zone trapped wave）或称导波（guided waves）方法，高精度确定断裂带岩石共震破裂程度和空间尺度以及震后愈合的时间关系；
强震动态断裂过程和震源特性模拟合成的有限元方法平行计算技术（hybrid MPI/OpenMP approach，sophisticated finite-element method algorithm EQdyna），评估地下构造和地面结构抗震的非线性响应和破坏程度；
震区内应力加载和减载的观察，物理原理和加载一减载响应比测定方法（10ad—unIoad response ratio），推算岩石破碎程度和判别临震状态，应用于地震预报；
离散单元计算方法（discrete element method），模拟发震断裂带的力学机制和岩石动态破裂，提供应力加载一减载响应比测定方法的力学基础。
《全球变化与地球系统科学系列：地震学中的成像、模拟与数据同化（英文版）》作者郦永刚分别在各自章节中对上述新方法作了详尽阐述和公式推演，并给出应用实例。本书可作为高等院校和科研院所地球物理学、地震学研究生教学参考书，也可供地震领域的研究人员借鉴。

内页插图

目录

Imaging, Modeling and Assimilation in Seismology:
An Overview
References
Chapter 1 Full-Wave Seismic Data Assimilation: A Unified Methodology for Seismic Waveform Inversion
1.1 Introduction
1.2 Generalized Inverse
1.2.1 Prior Probability Densities
1.2.2 Bayes' Theorem
1.2.3 Euler-Lagrange Equations
1.3 Data Functionals
1.3.1 Differential Waveforms
1.3.2 Cross-correlation Measurements
1.3.3 Generalized Seismological Data Functionals （GSDF）
1.4 The Adjoint Method
1.4.1 An Example of Adjoint Travel-Time Tomography
1.4.2 Review of Some Recent Adjoint Waveform Tomography
1.5 The Scattering-Integral （SI） Method
1.5.1 Full-Wave Tomography Based on SI
1.5.2 Earthquake Source Parameter Inversion Based on SI
1.6 Discussion
1.6.1 Computational Challenges
1.6.2 Nonlinearity
1.7 Summary
References

Chapter 2 One-Return Propagators and the Applications in Modeling and Imaging
2.1 Introduction
2.2 Primary-Only Modeling and One-Return Approximation
2.3 Elastic One-Return Modeling
2.3.1 Local Born Approximation
2.3.2 The Thin Slab Approximation
2.3.3 Small-Angle Approximation and the Screen Propagator
2.3.4 Numerical Implementation
2.3.5 Elastic, Acoustic and Scalar Cases
2.4 Applications of One-Return Propagators in Modeling, Imaging and Inversion
2.4.1 Applications to Modeling
2.4.2 One-Return Propagators Used in Migration Imaging
2.4.3 Calculate Finite-Frequency Sensitivity Kernels Used in Velocity Inversion
2.5 Other Development of One-Return Modeling
2.5.1 Super-Wide Angle One-Way Propagator
2.5.2 One-Way Boundary Element Method
2.6 Conclusion
References

Chapter 3 Fault-Zone Trapped Waves: High-Resolution Characterization of the Damage Zone of the Parkfield San Andreas Fault at Depth
3.1 Introduction
3.2 Fault-Zone Trapped Waves at the SAFOD Site
3.2.1 The SAFOD Surface Array
3.2.2 The SAFOD Borehole Seismographs
3.2.3 Finite-Difference Simulation of Fault-Zone Trapped Waves at SAFOD Site
3.3 Fault-Zone Trapped Waves at the Surface Array near Parkfield Town
3.4 Conclusion and Discussion
Acknowledgements
References
Appendix: Modeling Fault-Zone Trapped SH-Love Waves

Chapter 4 Fault-Zone Trapped Waves at a Dip Fault: Documentation of Rock Damage on the Thrusting Longmen-Shan Fault
Ruptured in the 2008 M8 Wenchuan Earthquake
4.1 Geological Setting and Scientific Significance
4.2 Data and Results
4.2.1 Data Collection
4.2.2 Examples of Waveform Data
4.3 3-D Finite-Difference Investigations of Trapping Efficiency at the Dipping Fault
4.3.1 Effect of Fault-Zone Dip Angle
4.3.2 Effect of Epicentral Distance
4.3.3 Effect of Source Depth
4.3.4 Effect of Source away from Vertical and Dip Fault Zones
4.3.5 Effect of Fault-Zone Width and Velocity Reduction
……
Chapter 5 Ground-Motion Simulations with Dynamic Source Characterization and Parallel Computing
Chapter 6 Load-Unload Response Ratio and Its New Progress
Chapter 7 Discrete Element Method and Its Applications in Earthquake and Rock Fracture Modeling
Acknowledgements
References

全球变化与地球系统科学系列：前沿专题探讨 本系列丛书旨在汇集地球科学领域内最具创新性和前瞻性的研究成果，聚焦于理解地球系统的复杂动态及其在时间尺度上的演变规律。本期精选的几部著作，分别从不同侧面深入剖析了当前地球系统科学面临的关键挑战与新兴方法。 --- 《海洋碳循环与气候反馈机制研究》 内容概要： 本书系统梳理了当前海洋在调节全球碳收支平衡中所扮演的核心角色，并着重探讨了海洋生态系统对气候变化的敏感响应及其反馈效应。全书共分三大部分，涵盖了从微观的生物地球化学过程到宏观的全球气候模式模拟。 第一部分：海洋碳汇的物理、化学与生物驱动力 本部分详尽阐述了溶解无机碳（DIC）、总碱度（TA）的分布特征，以及大气二氧化碳向海洋输送的物理过程，包括海气通量计算的最新修正方法。特别关注了海洋混合层深度、海洋环流对碳酸盐离子饱和度的影响，以及海洋酸化对钙化生物（如翼足类和珊瑚礁）的结构性挑战。在生物过程方面，本书深入分析了“生物泵”的效率、光合作用率的区域差异，以及深海微生物在有机碳再矿化中的贡献。引入了新的同位素示踪技术，用于量化不同时间尺度上碳的垂直输运速率。 第二部分：气候变化背景下的海洋碳反馈 重点剖析了海洋在冰期-间冰期气候波动中的作用。通过对古海洋沉积物芯的研究，重建了过去数万年来海洋深层水环流的变率及其对大气$ ext{CO}_2$浓度的调控。讨论了海洋热吸收能力的增强如何影响海洋分层结构，进而抑制碳的向下输送。同时，本书对未来情景下的不确定性进行了评估，特别是南大洋的碳吸收能力下降、以及高纬度海域永久冻土融化释放的甲烷对海洋系统潜在的冲击。 第三部分：模型开发与观测约束 本书介绍了当前主流的耦合海洋生物地球化学模型的结构与参数化方案，包括对生物泵效率、海洋溶解氧（DO）损耗的改进。重点展示了利用卫星遥感（如海表温度、叶绿素浓度）和深海观测系统（如Argo浮标的生物地球化学传感器）对模型进行同化和验证的最新实践。最后，对未来十年海洋观测网络的规划提出了建设性意见，以期提高对海洋碳系统长期趋势预测的准确性。 --- 《地球深部物质循环与岩浆活动动力学》 本书聚焦于地幔深处的相变、流变学特性及其如何驱动地表岩浆成因与构造运动。 核心议题： 本书突破了传统岩石学和地球物理学的界限，将目光投向了地幔深处的不寻常区域。通过结合高压/高温实验、先进的计算模拟以及地球深部地震波形反演数据，探讨了从下地幔过渡带到核幔边界（CMB）的物质传输机制。 深部物质的相与结构： 详细分析了橄榄石在高压下向更致密相（如顽火石、后尖晶石）的转变动力学，以及这些相变如何影响地震波的传播速度各向异性。引入了新型的电子探针技术，用以揭示富集地幔柱中特有矿物包裹体的地球化学指纹。特别深入探讨了含水矿物（如金云母、相变含水矿物）在地幔深处对岩石流变学的影响，以及它们在俯冲带深部脱水过程中的角色。 岩浆起源与地幔对流： 本书的核心论点之一是，现今观测到的地表热点与大规模火成岩省（LIPs）的形成，是地幔深处热物质向上输送的直接结果。通过三维粘性对流模拟，展示了不同地幔粘度结构下，地幔柱的形成、上升及其在岩石圈底部的铺展过程。对地幔柱的起源温度和成分的约束，主要依赖于放射性同位素比值（如$ ext{Hf}- ext{W}$, $ ext{Sm}- ext{Nd}$）的解析，本书提供了对这些比值解释的最新进展。 核幔边界（CMB）的相互作用： 探讨了液态外核与固态下地幔之间的热交换和化学交换机制。利用地磁场数据反演，推断出CMB附近的低剪切波速带（LLSVPs）的物质构成与演化历史。本书提出了一种新的模型，解释了CMB附近的局部热柱如何影响地幔深处的对流模式，并可能间接影响地壳的热演化。 --- 《气候敏感性与不确定性量化：基于贝叶斯框架的评估》 本著作聚焦于气候科学的核心挑战之一：如何精确量化未来气候预测中的固有不确定性。 方法论革新： 传统的气候敏感性估计多依赖于集合模拟的统计平均，本书则提出并系统应用了先进的贝叶斯推理方法来整合来自观测、模型模拟和古气候记录的多种信息源。核心在于建立一个统一的概率框架，用以评估瞬态气候敏感性（TCR）和平衡气候敏感性（ECS）的后验概率分布。 模型偏差的识别与校正： 详细介绍了如何利用高分辨率云解析模型（CRM）的输出作为“真实世界”的参照，来检验和修正耦合气候模式（GCMs）中云反馈参数的系统性偏差。本书特别关注了气溶胶-云相互作用的不确定性，并展示了如何通过观测限制（如卫星辐射数据）来约束概率空间。 多时间尺度的不确定性传播： 探讨了短期（十年际）可预测性与长期（百年尺度）气候趋势预测中不确定性的来源差异。对于短期预测，重点分析了自然变率的边界条件和初始场对结果的影响；对于长期预测，则侧重于碳排放路径（共享社会经济路径，SSPs）选择和气候反馈机制的内在复杂性。通过马尔可夫链蒙特卡罗（MCMC）方法，本书为政策制定者提供了更具信息量的风险评估区间。 古气候数据的集成： 展示了如何将古气候代理指标（如海洋氧同位素比值、植被分布）的化石记录，通过概率密度函数的方式，有效地融入到现代气候模型的校准过程中，从而增强对极端气候事件（如中新世温暖期）的理解，并进一步缩小ECS的置信区间。