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出版者:Plenum Pub Corp

作者:Keilis-Borok

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1972-06

价格:USD 66.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780306108617

丛书系列:

图书标签:

• 地震学
• 计算方法
• 数值模拟
• 地球物理学
• 地震波
• 地球内部结构
• 地震数据处理
• 逆问题
• 有限元方法
• 波动方程

《地震学计算方法导论》 本书旨在为读者提供一个全面深入的地震学计算方法基础。地震学作为一个多学科交叉的领域，其研究往往离不开复杂的数值模拟和数据处理。本书将系统性地介绍支撑现代地震学研究的各种计算技术和算法，帮助读者理解并掌握如何利用计算工具解决地震学中的实际问题。 核心内容概览： 1. 引言与基础数学概念： 地震学的基本方程： 从波动方程出发，详细阐述弹性波在均匀介质和非均匀介质中的传播原理。我们将推导并讨论体波（P波、S波）和面波（瑞利波、勒夫波）的传播特性，以及地震动的产生机制。 离散化方法概述： 介绍将连续的偏微分方程转化为离散方程的几种关键技术，包括有限差分法（Finite Difference Method, FDM）、有限元法（Finite Element Method, FEM）和伪谱法（Pseudo-spectral Method, PSM）。重点讲解每种方法的数学原理、适用范围、精度和效率的权衡。 数值积分与稳定性分析： 探讨数值求解常微分方程和偏微分方程时常用的积分算法（如欧拉法、龙格-库塔法）及其稳定性条件。理解数值方法的条件稳定性（如CFL条件）对于避免计算误差累积至关重要。 2. 有限差分法（FDM）在地震学中的应用： 一维、二维和三维波动方程的差分格式： 详细介绍如何将波动方程在空间和时间维度上进行离散化。我们将重点讲解中心差分、向前差分、向后差分等基本差分算子，并构建显式和隐式差分格式。 边界条件的处理： 讨论自由表面边界、吸收边界（如PML, Perfectly Matched Layer）以及其他复杂边界条件的数值实现方法，确保地震波在计算域内的正确传播和衰减。 网格划分与适应性： 讲解如何根据介质的非均匀性和模型复杂度选择合适的网格尺寸和密度，以及如何实现自适应网格技术以提高计算效率和精度。 3. 有限元法（FEM）在地震学中的应用： 变分原理与加权残差法： 阐述有限元法的核心思想，即将连续问题转化为弱形式，并利用加权残差法（如伽辽金法）进行离散。 单元划分与插值函数： 介绍如何将计算区域划分为小的几何单元（如三角形、四边形、四面体），以及在单元内部使用形函数（插值函数）来逼近解。 刚度矩阵与载荷向量的组装： 详细推导在有限元框架下如何形成描述系统特性的全局刚度矩阵和外力作用的载荷向量，以及如何通过求解线性方程组获得节点的位移。 4. 伪谱法（PSM）及其优势： 傅里叶变换在数值计算中的应用： 介绍伪谱法利用傅里叶变换来计算空间导数的思想，即在谱域进行微分运算，然后变换回空间域。 谱方法与高精度： 重点分析伪谱法在处理平滑解时能够达到的高精度特性，以及其在地震波模拟中的优势，尤其是在模拟长周期和复杂震源。 周期性边界条件与非周期问题处理： 讨论伪谱法在处理周期性边界条件时的便利性，以及如何通过傅里叶变换的巧妙应用来处理非周期性地震学问题。 5. 地震波传播模拟的进阶主题： 震源模型的数值实现： 探讨不同震源模型（如点破裂、滑动源、爆炸源）在数值计算中的表示方法，以及如何将其耦合到波动方程的求解过程中。 非均匀介质的模拟： 重点讲解如何处理具有复杂速度结构、密度变化以及衰减特性的非均匀介质，包括隐式地处理介质参数的跃变和连续变化。 地震动记录的合成： 介绍如何利用数值模拟结果在指定位置合成地震动记录，并讨论其在地震灾害评估、工程抗震设计以及地球物理勘探中的应用。 6. 地震数据处理与反演的计算方法： 信号处理基础： 回顾傅里叶变换、小波变换等在地震信号分析中的应用，以及滤波、去噪、信号分离等常用技术。 线性与非线性反演： 介绍地震参数（如震源机制、地壳速度结构）反演的基本计算框架，包括最小二乘法、梯度下降法、共轭梯度法等。 大规模地震数据的管理与并行计算： 讨论处理海量地震数据时面临的挑战，以及如何利用并行计算技术（如MPI, OpenMP）和高性能计算资源来加速地震学数据的处理和模拟。 本书特色： 理论与实践相结合： 本书不仅深入讲解理论基础，还通过大量的实例和伪代码，帮助读者理解算法的具体实现细节。 循序渐进的讲解： 从最基本的概念和方法开始，逐步深入到复杂的数值技术和应用。 广泛的应用前景： 所介绍的计算方法不仅适用于地震学研究，也对地球物理学、工程力学等相关领域具有重要的参考价值。 通过阅读本书，读者将能够深入理解地震波的传播机制，掌握先进的计算模拟技术，并能够独立运用这些工具解决地震学研究中的关键问题，从而推动地震学研究的进展。

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说实话，这本书的深度和广度都超出了我的预期。我原本以为它会集中在某一个特定的计算方法上，比如专门讲解全波形反演（FWI）的优化过程，但事实并非如此。它更像是一部全面的“计算地球物理工具箱”，从最基础的地震源激发理论，到复杂的介质响应模拟，再到最新的全波形反演和数据同化技术，几乎涵盖了现代地震学计算领域的全貌。尤其值得称赞的是，书中对于高性能计算（HPC）在地震模拟中的作用进行了专门的论述，探讨了如何有效地利用GPU和并行计算架构来处理TB级别的数据集。这种与时俱进的内容更新，确保了它不会成为一本很快就会过时的参考书。尽管内容包罗万象，但作者依然保持了一种惊人的逻辑连贯性，使得不同主题之间的过渡自然流畅，让人在阅读中始终能保持对全局的把握，不会迷失在细节的海洋里。

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这本书的语言风格，怎么说呢，有一种老派学者的严谨和一丝不苟，但又绝不古板。它不是那种过度追求华丽辞藻的文本，而是用最精确的术语来描述最精确的物理过程。比如，在推导地震波传播的偏微分方程组时，作者对每一个符号的物理意义都进行了详尽的注释，确保读者不会因为一个不熟悉的希腊字母而卡壳。我注意到书中大量引用了二十世纪中叶的经典文献，这不仅是对前人研究的尊重，也让读者能够追溯到当前方法的思想根源。这种对历史脉络的尊重，使得我们对现代计算方法的理解更加深刻，明白了今天的突破是如何建立在过去的扎实工作之上的。对于希望深入理解理论基础，而不是仅仅停留在调用现有软件库的读者来说，这种严谨的论证过程是无价之宝。它迫使你停下来，真正去思考那些公式背后的物理直觉。

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这本书的叙事节奏感把握得非常巧妙，它不像某些教科书那样总是以一种平铺直叙的姿态呈现知识点，而是更像一位经验丰富的地质学家在跟你分享他的田野考察心得。在讨论波动方程的数值解法时，作者并没有一上来就抛出复杂的有限差分或有限元方法的推导，而是先花了一个章节来探讨不同数值格式在处理复杂边界条件时的优缺点，这种“先体验问题，再解决问题”的叙事逻辑，极大地增强了读者对算法选择的直观理解。我特别欣赏其中关于逆问题的处理部分，它不仅仅是罗列了各种反演技术，更深入地探讨了在实际观测数据噪声和模型非唯一性限制下，如何权衡模型的稳定性和分辨率。这种对实际工程挑战的坦诚剖析，让这本书的学术价值远远超出了基础理论的范畴，它真正教会了读者如何“像一个地震学家一样思考”——而不是仅仅停留在“像一个数学家一样计算”。对于那些渴望将理论应用于实际监测或勘探领域的读者，这本书无疑是必备的指南。

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这本书的封面设计就给人一种深沉而富有力量的感觉，那种深邃的蓝色调和抽象的地质纹理，仿佛在预示着一场关于地球内部奥秘的探索之旅。我原本以为这会是一本极其晦涩难懂的专业教材，毕竟“计算”和“地震学”这两个词放在一起，就足够让非专业人士望而却步了。然而，当我翻开第一章时，那种突如其来的清晰感让我松了一口气。作者显然花费了大量精力来构建一个平易近人的知识入口，不是那种生硬的公式堆砌，而是通过生动的案例和历史背景来引入复杂的概念。特别是关于早期地震波观测方法的描述，简直像是在听一个引人入胜的侦探故事，讲述科学家们如何一步步揭开地壳深处的秘密。书中对于数据可视化的介绍也相当到位，那些精美的三维模型和动态模拟截图，极大地提升了阅读体验，使得原本抽象的地下结构变得触手可及。对于希望跨界了解地球物理学的朋友来说，这本书提供了一个绝佳的起点，它没有直接跳入高深的数值方法，而是先为你打下坚实的基础，让你在敬畏之余，也能感受到科学探索的乐趣。

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阅读完这本书后，我感觉自己对“不确定性”有了全新的认识。在地震学中，我们总是在处理大量带有噪声和缺失信息的观测数据，而这本书的后半部分，特别是关于贝叶斯方法的应用，简直是点睛之笔。作者没有将概率论视为一种附加工具，而是将其融入到整个计算框架的核心。书中对MCMC（马尔可夫链蒙特卡洛）算法在模型参数估计中的应用讲解得尤为透彻，通过对比不同采样策略的效率和收敛性，清晰地展示了量化模型不确定性的重要性。这对我个人的研究方向产生了巨大的启发，它提醒我，一个“精确”的模拟结果，如果不能伴随着对其误差和可靠度的量化评估，那么其科学价值将大打折扣。这本书成功地将严格的数学工具与地球科学的实际需求完美地结合在了一起，展现了一种既务实又富有前瞻性的学术视野。

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