你真的了解地震“弹性回跳”理论吗？

关于地震产生机制，有个经典模型：弹性回跳理论(Elastic Rebound Theory)。那么，该模型产生背景是什么？为什么历经100多年，仍被大量引用？其又存在哪些不足呢？

弹性回跳理论的提出与1906年Mw 7.9旧金山大地震密切相关，正是由于该地震后大量实测的形变资料和余震数据，冰川学家Henry Fielding Reid才能提出弹性回跳理论。

相关论文：Reid, H.F.,The Mechanics of the Earthquake, The California Earthquake of April 18, 1906, Report of the State Investigation Commission, Vol.2, Carnegie Institution of Washington, Washington, D.C. 1910

下载链接：http://activetectonics.asu.edu/ActiveFaultingSeminar/Papers/Reid_1910.pdf

有意思的是，本来研究冰川的Henry Fielding Reid，由于提出了弹性回跳理论，2年后就被约翰·霍普金斯大学晋升为地质与地貌动力学教授，同年被选为美国科学院院士，1924-1926年担任了美国地球物理学会(AGU)主席，后人称之为美国地球物理第一人。

Reid大佬

那该理论关于地震如何产生，有何高见呢？先看看原文：

...we conclude that the crust, in many parts of the earth, is being slowly displaced, and the difference between displacements in neighboring regions sets up elastic strains, which may become greater than the rock can endure; a rupture then takes place, and the strained rock rebounds underits own elastic stresses until the strain is largely or wholly relieved.(Reid, H.F, 1910, pp29)

简单来讲，弹性回跳理论主要观点为：

(1) 地球上大部分地方每时每刻都在发生缓慢运动，并且在某些相邻区域(如断层两侧)可能会存在位移的差异，这就会积累弹性应变(简单来说，就是能量);

(2) 当积累的弹性应变大于岩石所能承受的极限时，就会发生破裂；

(3) 变形的岩石在自身弹性应力作用下反弹，直到积累的弹性变形大部分或全部解除，从而产生地震。

几点说明：

(1) 弹性回跳理论是一个定性模型，不涉及破裂快速传播及辐射地震波；

(2) 由于断裂力学在1910年还没有诞生，所以Reid用的是材料强度理论。

(3) 作为物理模型，够简单，且直击要害。

(4) 截至目前，100多年过去了，我们关于地壳中地震发生机制的认识仍在其框架下。

几点妄议：

(1) Reid认为地震的发生是由于断层两侧积累的弹性应变超过了岩石所能承受的极限(岩石强度)。在Reid的年代，岩石强度是一个常数。但在今天看来，由断裂力学相关理论可知：岩石强度不是常数，它不仅和材料本身有关，还和已存在缺陷(defects)的大小和分布有关。因此，地震发生不仅和积累应变绝对量的多少有关，还和断层几何结构，断层系统中各断层的空间展布，断层尺度大小等有关。

(2) Reid认为积累的弹性应变会大部分或全部释放(the strain is largely or wholly relieved)，并且倾向于全部释放，这是有问题的。积累的弹性应变全部释放只会出现在全空间中，但实际上断层无论在深度还是水平方向都受到了限制。目前的观测表明大部分地震应力降在1-10 MPa就是一个佐证。

(3) Reid认为地震发生时，破裂起始于一有限的区域，且破裂速度不会超过P波速度，这应该是正确的。能通过理论分析得出这个结论非常考验功底。

思想实验如下：推一万步讲，即使地球介质在宏观上可近似认为是均匀的，但在微观上仍是非常不均匀的，因此各处的临界状态不可能同时达到。更合理的解释应该为：破裂起始于某一小区域，而后破裂产生的应力扰动可能造成周边介质的破裂，因此破裂速度应该小于P波速度。