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大陆漂移与地震成因

(2018-12-14 23:59:07)
标签:

杂谈

分类: 科技环保

大陆漂移与地震成因

梁老师说

大陆板块能够在热动力驱动下自己发生漂移,新大陆漂移模型不但可以解释大陆漂移的动力机制,也可以合理解释全球地震成因机制,地震的发生主要受高温高压地壳流和活动断裂双重控制,和大陆漂移过程密切相关。地震形成过程也是一个隐爆过程,同时也是一个成矿过程。

大陆漂移与地震成因

梁光河

中国科学院地质与地球物理研究所 中国科学院大学

lgh@mail.iggcas.ac.cn

导读:地震发生主要受什么因素控制?它和大陆漂移有什么关系?本文将通过大陆漂移对全球地震和中国及亚洲地震进行解剖。

1 问题提出

当前对地震成因机制的解释是Reid(1910)提出的弹性回跳假说(elastic rebound hypothesis),并在后续的研究中Julian等人(1998)提出了用双力偶震源机制模型来描述地震的成因机制(图1),从而使地震学研究进入科学时代。

大陆漂移与地震成因

图1 弹性回跳模型和双力偶震源机制模型

这两个假说模型都存在很大的问题。弹性回跳假说对浅源地震可以得到一定程度的解释,但对于深达几百公里的地震无法解释,因在这样深的地方岩石已具有塑性,不会发生弹性回跳。而双力偶震源机制模型是基于各向同性弹性介质中的直立走向滑动断层模型建立起来的。越来越多的证据表明,地球内部往往表现各向异性,而且也不是弹性刚体,许多实际观测到的地震的震源机制与双力偶模型不符,这类地震大小不一,发生在各种地质环境,尤其是火山和地热地区。

通过严格数值计算发现,聚集在岩石中的最大弹性应变能量远远小于实际地震释放的能量。谢和平等(2005)根据长60 km宽10 km深20 km的一个长方体计算纯花岗岩聚集的最大应变能是2.9×109J,以2008汶川大地震为例,地震断裂带长度约300Km,大地震后余震限定在宽约50Km的范围内,余震震中深度范围5-20Km,按照长300 km宽50 km深20 km计算,聚集的最大应变能为7.25×1010J,相当于约4.1级地震(4.0级地震释放的能量为6.3×1010J),这还是在假设地下介质完全弹性的情况下得到的结果,实际上断裂带内的聚集的弹性能要远小于这个数值,而8.0级地震释放的能量为6.3×1016J,它们之间相差6个数量级(100万倍)。也就是说理论上弹性应变能不可能是汶川大地震的主要能量

超临界流体能够释放多少能量呢?曾明果(2009)的研究表明2008汶川大地震地下深处,只需0.065Km3超临界流体退相爆炸就可产生相当于8级地震(1500万吨TNT)的能量。这对于长300 km宽50 km深20 km的地震地质体来说,相当于万分之0.02的含水量,这个含水量指标在普通断裂带岩石中是常见的现象。

诸多的证据表明,地震主要能量是由断裂运动激发引起的地下带电超临界流体的相变爆炸(梁光河,2017),大地震形成必须具备两个充要条件,一是要有高温高压的超临界流体(包括热流体和岩浆),二是要有活动的深断裂。活动的深断裂一旦发生运动,导通地下高温高压超临界流体库,瞬间降温降压,使得地下深处的超临界流体发生相变爆炸,超临界水相变成水蒸气,体积增大数百倍。汶川大地震就是因龙门山断裂带突然活动引发的一系列隐爆形成的,类似一个沿断裂破碎带深部的定向爆破过程(图2)。地震过程中也会释放大量负电荷,从而引起发电磁异常现象,而且地震过程与成矿过程密切相关(梁光河,2016)。

大陆漂移与地震成因

图2 汶川地震成因机制模式(改自梁光河,2017)

地震过程中会产生大量隐爆角砾岩(杜建国,2017),这种岩石是在地球内部流体藏(岩浆房)流体压力大于顶部岩层束缚力时所发生的爆破(隐爆)产生的角砾岩。岩浆隐爆作用发生最直接的因素是受热的多源流体或气体,岩浆隐蔽爆破主要作用方式是气爆和浆爆,其次是热液注入。通常气爆发生于早期,浆爆较晚,热液注入最晚。隐爆角砾岩绝大多数可能是地下深处爆炸成因,也有少部分可能是陨石撞击成因。二者在结构上有所差别。

2 大陆漂移与地震成因

全球大陆平均地温梯度为3/100m,由此推测大陆40Km之下温度可达1200,在这个温度下大部分岩石会发生熔融或部分熔融,大洋地温梯度远高于大陆。新大陆漂移模型(图3)认为:大陆板块可以在热力驱动下自己发生漂移,动力机制是大陆板块漂移划开洋壳引起岩浆不断上涌,在陆块后面冒泡,巨大的岩浆热动力推着板块往前跑。我们可以形象地把大陆漂移比喻成“平底热锅里的黄油会自己跑”。这个运动过程是基于大陆板块首先发生裂解,产生了一个裂缝和岩浆上涌,在初始阶段,大陆漂移与海底扩张一致,但洋中脊喷出的岩浆很快会被海水熄灭,因此海底扩张不能持续,但大陆板块漂移后在其后面持续不断地涌出岩浆并不断被海水熄灭,这个热力推动过程才能持续推动大陆板块向前漂移。

该模型有如下特征:

(1)大陆板块的最前方因受到挤压,增压升温产生地壳流,洋壳隆起;

(2)大陆板块前部会产生逆冲断层、造山带、火山带、地震带;同时地壳流的上涌会在大陆板块前部的部分薄弱带出现伸展构造;

(3)在大陆板块后部产生巨厚沉积和正断层;大陆板块尾部会有拖尾隆起,可能留下火山岛链、大陆碎片遗撒物。

(4)大陆板块漂移过程中,软塑的中下地壳受剪切力易产生低角度拆离断层,使得部分大陆板块的下地壳发生拆沉,形成缓慢下沉的板块碎片。

这个模型说明大陆板块漂移的前部会产生高压地壳流(10多公里以下深度就可以达到超临界水的温压条件),也存在大量的逆冲断裂。满足产生大地震的两个充要条件,即超临界流体和活动深断裂。而大陆板块漂移的后部,是相对开放环境,难以聚集超临界流体,虽然有一系列正断层,但不能形成强震。

部分大陆板块产生的拆沉古板块,在下沉过程中随着温度上升,下沉板块发生分异和相变,部分轻物质上升,而重物质继续下沉。这个下沉的板块再与其它漂移的大陆板块发生碰撞,产生超临界流体,从而发生深源地震。

大陆漂移与地震成因

图3 新大陆漂移模型(改自梁光河,2013)

这个新的大陆漂移模型,不但能够合理解释大陆漂移的动力机制,也能对当前全球地震和中国地震进行合理解释。

3 全球地震带与大陆漂移

新大陆漂移模型能合理解释全球地震带分布特征,环太平洋地震带是由于其处于大陆板块的前方,存在高温高压地壳流和活动的深断裂,从而会产生大震,而环大西洋则处于大陆板块漂移的后方,整体处于拉伸开放环境,不易聚集能量而无大震。特提斯地震带主要是由于当前非洲大陆板块整体向北漂移伴随轻微右旋,并与欧亚碰撞的结果。也就是说大陆板块运动的前方是地震带,而其后方则无地震带。

大陆漂移与地震成因

图4全球1900-2007年地震分布图(据USGS)

大陆漂移与地震成因

图5 全球1960-2016年7959个M≥6.0的地震按10 km分组的地震震源深度的分布直方图(仵柯田等,2017)

图5是全球1960-2016年7959个M≥6.0的地震按10 km分组的地震震源深度的分布直方图,该图说明30-40Km是全球地震最高发的深度范围,40-100Km地震明显减少,说明30-40Km是一个显著分界面,推测为大陆板块漂移的主滑脱面,这个深度也是大陆板块的MOHO面深度,第二个地震高发深度是10-20Km,推测是壳内滑脱面或者推覆构造滑脱面,这个深度也是中地壳的深度范围。特别注意图5纵坐标是对数坐标,也就是说全球绝大多数地震发生在40Km以内,属于浅源地震。

研究表明日本到我国东北部的深源地震是一个叫Izanagi的呈三角形的拆沉古大陆残片与欧亚板块碰撞的结果(图6)。推测南美洲东部也存在一个拆沉的长条形古大陆残片,其与南美洲大陆板块碰撞造成该地区的深源地震。新西兰北部等地也存在类似拆沉板块情况。

深源地震的成因机制目前仍有不少争议,但诸多证据表明,和拆沉古板片有关,推测拆沉古板片会随着深度增高增温,发生熔融并分异出流体,在上覆板块运动过程中使得软流圈发生扰动,产生降压发生爆炸(图7)。也可能是蛇纹石在高温高压下发生晶格爆炸,地震波速显著降低。但蛇纹石的产生需要水的参与并与橄榄岩发生水岩反应才能形成,这同样说明需要拆沉的大陆地壳带来丰富的含水岩石。另外氧化铝在950-1200度时候也可以相变为α相刚玉,同时发生显著的体积收缩。总之深源地震成因机制仍然不清。但拆沉的大陆板片分异和相变出来的榴辉岩和尖晶石因密度较大会下沉,堆积在410-660Km,形成地震反射界面。

为什么660Km是深源地震的最大深度?推测拆沉的大陆板块中的重矿物密度正好在此深度与地幔密度平衡,拆沉的板片不能进一步下沉所致。

大陆漂移与地震成因

图6 千岛群岛地区1960-2016年M≥6.0地震震中分布图(仵柯田等,2017)

大陆漂移与地震成因

图7 千岛群岛地区浅源和深源地震成因机制示意图(改自杜建国,2017)

4 中国地震分布与大陆漂移

(1)中国古代和当代地震

从中国古代和当代地震分布图及新构造图(图8-9)可以看出,中国地震同样受双重因素控制,第一是新断裂构造控制,第二是高压地壳流控制。活动断裂产生地震很容易理解,但有活动断裂并不意味着一定会产生地震,如图9中华南很多活动断裂,黑龙江松辽平原两侧也是新构造运动的活动区域,但这些地方地震很少,基本上没有大震。这说明大震还必须满足另外一个条件,那就是高温高压地壳流。

大陆漂移与地震成因

图8 中国地震分布图,图中绿色圆点是1899年以前地震,红色圆点是1900年之后的地震(据中国地震局)

大陆漂移与地震成因

图9 中国新构造分布图(据桔灯勘探)

如何知道中国哪里存在高温高压地壳流?图10的中国地震烈度分布图告诉了我们答案,我们可以把该图理解为地壳流的分布区域,该图说明随着印度与欧亚的碰撞,挤压产生的地壳流被塔里木、鄂尔多斯和四川盆地几个克拉通阻挡,只能沿着造山带,也就是断裂破碎带深部发生流动,比如在华北,一支地壳流沿着鄂尔多斯盆地周边向北东流动,覆盖到京津华北地区,另外一支沿着秦岭大别造山带直到苏鲁和郯庐断裂带。

大陆漂移与地震成因

图10 中国地震烈度分布图(据中国地震局)

华南地区地震相对较少,主要原因是华南是由杨子板块和古华夏板块拼合而成的相对稳定的板块,华南板块西北部受四川盆地这个克拉通陆核的阻挡,地壳流只能很少部分到达东部,随着欧亚板块的向东缓慢漂移,华南板块在10-40Km深度发生多层次滑脱(图11),也就是说华南板块漂移的深度大约在10-40Km深度,相对于太平洋板块是一个平俯冲。这个漂移过程中仅有少量地壳流在雪峰山等造山带上涌形成中小强度地震。而东侧的台湾陆块则向西漂移,在台湾海峡产生挤压作用,使得台湾和中国福建沿海成为地震高发区。

大陆漂移与地震成因

图11 华南大陆多层次滑脱推覆构造系统(改自张国伟,2013)

(2)中国远古地震

中国在没有人类记录的时代有没有地震呢?回答是肯定的,而且很多,大多集中在中国东部地区。这个结论来自于中国隐爆角砾岩的分布图(图12)。图中明显看出燕山期隐爆角砾岩较多出露,推测在中国大陆基岩出露区,从燕山期至今剥蚀深度大约在5Km左右,那些过去在地下深处的隐爆角砾岩已经被剥蚀接近地表,容易被发现。喜山期隐爆角砾岩出露较少,是因为大多数地震发生深度在2Km以下,这个时期剥蚀深度较小,只有小部分接近地表而被发现。并不意味着喜山期地震少。从中国隐爆角砾岩分布推测,燕山期中国东部是造山带,也是地震的活动带,这和中国大地构造演化历史一致。

大陆漂移与地震成因

图12 中国隐爆角砾岩分布图(据杜建国,2017),黄色方框是燕山期,绿上三角是前燕山期,绿下三角是喜山期

5 亚洲地震分布与大陆漂移

从亚洲1900-2007年地震分布图(图13)可以看出,亚洲地震分布同样可以通过新大陆漂移模型得到合理解释。青藏高原直到俄罗斯境内的地震主要受控于印度板块的碰撞挤压,将印度板块前端的地壳流挤入整个青藏高原之下,引起青藏高原的隆升同时引发多个沿造山带的地震。而马来西亚一带地震是一系列微陆块被挤出后向南东漂移,在这些微陆块前方产生高压地壳流同时伴随着强烈的走滑断裂,形成强地震分布带。菲律宾、印度尼西亚和巴布亚新几内亚地震主要受双重作用,一是受自身的大陆板块漂移漂移影响,二受向北漂移的澳大利亚板块的影响。冲绳岛弧和马里亚纳岛弧及千岛岛弧都是大陆板块漂移后切割出来的岛弧,布满了活动断裂,同时受欧亚大陆的向东漂移及澳大利亚大陆的向北漂移,在交汇区产生了深部高压地壳流,其综合作用使得这几条带成为地震高发区。

大陆漂移与地震成因

图13 亚洲1900-2007年地震分布图(据USGS)

加里曼丹西侧和越南老挝泰国柬埔寨为什么很少地震?原因很简单,加里曼丹正在向南东漂移,其后方也就是北西方向处于拉伸环境,也是一个相对开放环境,因此很少地震,更没有大震。而印支地块大规模挤出发生在24Ma之前,也就是说地壳流大部分在这个过程中已经被挤出,现在虽然这些地区也是活动断裂的高发区,但因地壳流并不充足,因此难以发生大震。

6 地震与地光

地光是大地震中常见的现象,其发生的原因有人认为是地震前地电和地磁异常,使大气粒子放电发光所致;也有人认为是放射性物质的射气流从地下的裂缝中射出,在低空引起大气电离,因而发光(杜建国,2017)。但对其产生的机制并不清楚。

但诸多地震过程中的确发生了显著的电磁异常,这事实上是一种放电过程,地下深处沿着断裂带聚积了大量来自地幔深处的负电荷(梁光河,2017),这些负电荷(也就是自由电子)会沿着断裂带上升到大气层并穿越大气层到达电离层。日本2011年9级地震和汶川2008年8级地震之前和地震过程中都发现了震中附近上空电离层电子密度异常(Kuo,2011;余涛,2009)。1976年唐山地震中很多人目睹了地震发光现象(图14),推测是地下聚积负电荷释放向大气产生的放电现象。

大陆漂移与地震成因

图14 唐山地震地光现象(据百度百科)

我国于2018年2月2日发射了首颗地球物理场探测卫星“张衡一号”。其目的就是研究地震电磁电离层信息特征及机理,研发地震电磁电离层前兆信息提取方法,研究地球系统各圈层相互作用及其效应(郑国光,2018)。地震在其孕育过程中由于能量的大量积累激发产生相关形变、电磁辐射及地下流体、化学物质的放射等,这些信息在地表积累进而传播影响到电离层变化。地震电磁效应能够通过多种方式传播到电离层,引起电离层和大气层的变化。电磁监测试验卫星通过实时监测空间电磁环境状态变化,研究地球系统特别是电离层与其他各圈层的相互作用和效应,初步探测地震前后电离层响应变化的信息特征及其机理。

7 结论

大陆板块能够在热动力驱动下自己发生漂移,新大陆漂移模型不但可以解释大陆漂移的动力机制,也可以合理解释全球地震成因机制,地震的发生主要受高温高压地壳流和活动断裂双重控制,和大陆漂移过程密切相关。地震形成过程也是一个隐爆过程,同时也是一个成矿过程。

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