在 Ubuntu 系统安装与使用gCAP3D经验教程

最近在新购置的工作站中安装了 Lupei Zhu 老师的 gCAP3D。这个程序是 CAP/gCAP 系列方法的重要实现之一，可用于地震矩张量与震源机制反演。与传统 CAP 相比，gCAP3D 的一个重要特点是可以使用三维速度模型下计算得到的 Green’s functions，从而在复杂速度结构区域获得更合理的波形拟合与震源机制约束。

需要特别说明的是：gCAP3D 本身主要是矩张量反演程序，并不是三维波场模拟程序。如果只是安装fk + gCAP3D，那么通常先跑通的是一维水平层状介质 Green’s functions 下的 CAP/gCAP 反演流程。fk 程序用于基于 horizontally layered velocity model 计算合成 Green’s functions，也就是速度结构只随深度变化，而不是横向变化的三维模型。若要真正开展三维速度模型下的 gCAP3D 反演，还需要额外使用三维波场模拟程序生成符合 gCAP3D 输入格式的三维 Green’s function 库。

1. 安装环境

我的安装环境为：

Ubuntu 22.04 / 24.04 gcc / gfortran SAC installed in /usr/local/sac gCAP3D source code in /data/gCAP3D

建议优先在 Linux 原生系统或 WSL2 Ubuntu 中安装，不建议在 Windows 原生命令行中直接编译这类老式 C/Fortran/Perl 地震学程序。

首先安装基础依赖：

sudo apt update sudo apt install -y \ build-essential gcc g++ gfortran make \ perl csh tcsh patch git wget curl tar gzip unzip \ dos2unix bc \ gmt gmt-dcw gmt-gshhg ghostscript psutils imagemagick \ libx11-dev libxpm-dev libxt-dev libsm-dev libice-dev \ libncurses5 libncurses5-dev zlib1g zlib1g-dev

检查编译器：

gcc --version gfortran --version make --version perl -v gmt --version gs --version

2. 安装 SAC

gCAP3D 的波形读写和后续处理通常依赖 SAC（安装教程可参考oh my cap）。假设 SAC 安装在：

/usr/local/sac

环境变量可写入~/.bashrc：

cat >> ~/.bashrc <<'EOF' # SAC export SACHOME=/usr/local/sac export SACAUX=${SACHOME}/aux export PATH=${SACHOME}/bin:${PATH} export LD_LIBRARY_PATH=${SACHOME}/lib:${LD_LIBRARY_PATH} export SAC_DISPLAY_COPYRIGHT=1 export SAC_USE_DATABASE=0 EOF

source ~/.bashrc

测试：

which sac sac

如果进入：

SAC>

说明 SAC 可用。

3. 获取和解压 gCAP3D

gCAP3D 的作者为 Lupei Zhu，个人页面列出的版本信息为 v1.2，主要语言为 C、Fortran 和 Perl，同时也提醒 v1.2 发布后存在一些未更新版本号的小修订版本。

假设源码已经放在：

/data/gCAP3D

进入目录：

cd /data/gCAP3D

ls

目录中通常应包含：

gCAP3D 中常用的核心命令包括cap3D、cap3D.pl、depth.pl、mtdcmp 和radpttn。其中cap3D 是核心反演程序，cap3D.pl 是常用的 Perl 封装脚本，mtdcmp 用于矩张量分解，radpttn 用于辐射花样计算。

4. 修改 Makefile

我最终使用的 Makefile 如下。这里的关键是：

SACHOME指向 SAC 安装路径；
CFLAGS中加入-fcommon，用于兼容老式 C 代码；
FFLAGS中加入-fallow-argument-mismatch -std=legacy，用于兼容老式 Fortran 代码。

注意：Makefile 中命令行前面的缩进必须是 Tab，而不是空格。

5. 解决新版 GCC 下的`multiple definition of ng` 报错

在新版 Ubuntu / GCC 环境下，直接编译 gCAP3D 可能出现如下错误：

/usr/bin/ld: cap_sub.o:(.bss+0x0): multiple definition of `ng'; cap3D.o:(.bss+0x0): first defined here collect2: error: ld returned 1 exit status make: *** [Makefile:15：cap3D] 错误 1

这个问题不是 SAC 链接错误，而是老源码中全局变量定义方式与新版 GCC 默认规则不兼容。通常源码中cap3D.h 里有类似定义：

int ng[NRC]; // number of fundamental sources for each component.

由于cap3D.h 同时被cap3D.c 和cap_sub.c 包含，导致cap3D.o 和cap_sub.o 中各自定义了一份ng，最终链接时报multiple definition。

有两个解决办法。

第一种是快速兼容法：在 Makefile 的CFLAGS 中加入：

CFLAGS = -O -fcommon

第二种是更规范的源码修正法。先备份：

cd /data/gCAP/gCAP3D cp Makefile Makefile.bak cp cap3D.h cap3D.h.bak cp cap3D.c cap3D.c.bak

然后修改cap3D.h：

extern int ng[NRC];

也就是把原来的：

int ng[NRC];

改成：

extern int ng[NRC];

接着在cap3D.c 中#include "cap3D.h" 后面加入真正的定义：

int ng[NRC];

修改后大致为：

#include "cap3D.h" int ng[NRC]; int main(int argc, char **argv) { ... }

然后重新编译：

make clean make

6. 修正`cap3D.c`

编译时可能还会看到：

warning: too many arguments for format else sprintf(tmp,"%s/%s/%s.grn.0",glib,dep,dst,".grn.0");

这说明格式字符串里只有 3 个%s，但实际传入了 4 个字符串参数。建议把：

sprintf(tmp,"%s/%s/%s.grn.0",glib,dep,dst,".grn.0");

改成：

sprintf(tmp,"%s/%s/%s.grn.0",glib,dep,dst);

更稳妥的写法是：

snprintf(tmp, sizeof(tmp), "%s/%s/%s.grn.0", glib, dep, dst);

此外，如果工作路径较长，也建议把cap3D.c 中用于保存路径的字符数组适当加大，例如将：

char tmp[128], glib[128], dep[32], loc[32], dst[16], eve[32], *c_pt;

改为：

char tmp[512], glib[512], dep[64], loc[64], dst[64], eve[64], *c_pt;

这一步不是必须，但可以减少长路径导致的潜在溢出风险。

7. 编译

进入 gCAP3D 目录：

cd /data/gCAP/gCAP3D make clean make

成功后应生成：

ls -lh cap3D cap_dir mtdcmp radpttn

如果看到类似：

cap3D cap_dir mtdcmp radpttn

说明核心程序已经编译成功。

可以进一步测试：

./cap3D ./cap_dir ./mtdcmp ./radpttn

需要注意的是，cap3D 这类二进制程序通常需要输入参数或由cap3D.pl 调用，不建议直接把“无参数运行时报错”理解为安装失败。SeisMan 的 gCAP 安装说明中也提醒，直接运行底层二进制程序可能出现段错误，实际使用时通常应调用 Perl 封装脚本。

8. 配置环境变量

将 gCAP3D 加入 PATH：

cat >> ~/.bashrc <<'EOF'

# gCAP3D

export GCAP3D_HOME=/data/gCAP/gCAP3D

export PATH=${GCAP3D_HOME}:${PATH}

EOF

source ~/.bashrc

检查：

which cap3D

which cap_dir

which mtdcmp

which radpttn

如果cap3D.pl 也在该目录下，则：

which cap3D.pl

9. 修改`cap3D.pl`

cap3D.pl 是实际运行中最常用的脚本。需要检查其中两个路径：

require ".../cap_plt.pl";

$green = ".../data/models/Glib";

例如我的目录可以写成：

require "/data/gCAP3D/cap_plt.pl";

$green = "/data/gCAP/models/Glib";

然后赋予执行权限：

chmod +x /data/gCAP/gCAP3D/*.pl

测试：

cap3D.pl

如果输出 usage 或参数说明，说明脚本入口基本正常。CUSeisTut 的 gCAP3D 教程也将cap3D.pl 作为运行入口，并说明运行该脚本出现版本或说明信息即可视为安装成功。

10. 安装和使用 fk 生成一维 Green’s functions

如果只是先跑通流程，可使用fk 计算一维水平层状模型 Green’s functions。再次强调，fk 不是三维 Green’s function 计算器，而是基于 horizontally layered velocity model 的合成 Green’s function 程序。

假设fk 已安装在：

/data/gCAP/fk

加入 PATH：

cat >> ~/.bashrc

<<'EOF'

# fk

export FK_HOME=/data/gCAP/fk

export PATH=${FK_HOME}:${PATH}

EOF

source ~/.bashrc

测试：

which fk.pl fk.pl

之后要保证cap3D.pl 中的$green 指向 Green’s function 库的上级目录，例如：

$green = "/data/gCAP/models/Glib";

11. 常见问题总结

问题 1：`cannot find -lsac` 或`cannot find -lsacio`

说明 SAC 库路径不对。检查：

find /usr/local/sac -name "libsac*" -o -name "libsacio*"

如果库在/usr/local/sac/lib，Makefile 中应写：

SACHOME = /usr/local/sac SACLIB = -L$(SACHOME)/lib -lsac -lsacio -lm

问题 2：`multiple definition of ng`

这是新版 GCC 与老式全局变量定义方式不兼容。解决方法是在CFLAGS 中加入：

CFLAGS = -O -fcommon

更推荐的方法是把cap3D.h 中的int ng[NRC]; 改为：

extern int ng[NRC];

并在cap3D.c 中加入：

int ng[NRC];

问题 3：`bad interpreter: /usr/bin/perl^M`

说明脚本是 Windows 换行符。执行：

dos2unix *.pl chmod +x *.pl

问题 4：图件显示异常或缩在角落

检查cap_plt.pl 中 GMT 单位设置。GMT 5/6 可尝试：

system "gmt set PROJ_LENGTH_UNIT inch"; system "gmt set PS_PAGE_ORIENTATION portrait";

GMT 4 可尝试：

system "gmtset MEASURE_UNIT inch"; system "gmtset PAGE_ORIENTATION portrait";

问题 5：找不到 Green’s functions

检查cap3D.pl 中：

$green = "...";

是否指向 Green’s function 库的正确上级目录，同时检查-Mhk_15/5.0 中的模型名和深度是否与实际 GF 文件目录对应。