淺析構造地震根本力來源

張紅波+胡金苗

摘要：目前發生次數最多對人類生活影響最大的地震絕大部分為構造地震，傳統上認為構造地震與板塊運動有關，是由活動斷裂活動產生，構造地震能量主要來源于斷層兩側巖體因地殼變形而產生并儲集的彈性應變能。筆者認為真正驅使構造地震活動的力不是由活動斷裂運動產生，根本來源于使活動斷裂運動的能量，該能量可能來自地幔熱柱的超臨界流體，活動斷裂運動只是行為現象，不是本質原因。

關鍵詞：構造地震；活動斷裂；能量來源；地幔熱柱；超臨界流體

1.傳統構造地震成因解釋

目前從主流觀點看，構造地震是由活動斷裂突然主動破裂產生，構造地震能量主要來源于斷層兩側巖體因地殼變形而產生并儲集的彈性應變能，地震能量的釋放過程是斷裂兩側彈性變形巖體在幾秒到幾十秒內的突然脆性破裂和擴展，然后再彈性回跳，也就是著名的“彈性回跳假說”。該假說是由美國里德學者對1906年美國舊金山7.8級地震中地表變形變位的研究分析中提出，他認為舊金山地震是北美板塊和太平洋板塊分界的圣安地列斯斷裂的水平突然錯動產生。在20世紀60年代建立的全球板塊構造動力論的推動下，斷裂彈性回跳假說得多數學者的認可。然而從板塊運動論方向形成的彈性回跳說并不能合理解釋構造地震的臨震現象和地震發生過程產生的一些現象。如地磁異常、重力值異常、地電和熱異常現象等。

2.構造地震臨震及發震特征——以汶川地震為例

構造地震往往在震前和震時會出現許多異常現象。研究表明，2008年四川汶川發生的MS8.0級地震，地震破裂持續時間120秒左右，破裂時間過程顯示汶川MS8.0級地震由幾次子事件組成，主要能量在20s-80s釋放。地震發生瞬時天空變昏變黑，大范圍山體巖體發生破壞性粉碎并伴有大量氣體噴溢、爆炸及閃光。地震發生時，在汶川震中蓮花心溝北頭出現三聲巨大悶響，數秒鐘后，大量閃著火光的石流從半空中拋射往東面的牛眠溝，有大量黑煙產生，空氣中可嗅到強烈的硫磺味。另外張元生等研究發現，2008年汶川Ms8.0級地震震發生于青藏地塊與四川盆地地塊的縫合部位的龍門山斷裂，臨震前熱異常主要分布于斷裂帶及其以南區域，在斷裂帶的中北段熱異常現象更加明顯，特征周期約15天，震前特征功率譜幅值是近3年來的大值，約為平均值的10倍，地震發生于大幅值即5月1日后的第11天。熱異常現象在2008年4月25日異常明顯，主要分布于發震斷裂帶及其南部區域，熱異常持續至5月底，之后向微觀震中區收縮，直到6月底熱異常現象消失。除了臨震前會出現熱異常現象外，陳運泰等通過對海城地震和唐山地震重力值對比研究發現，重力會伴隨地震而變化，并且變化量遠比地面高程變化所能引起的重力變化大，重力值在臨震前會大幅度上升。根據陳運泰等的研究分析，地震臨震前重力值異常上升可能與地殼和上地慢內的質量遷移有關，認為所觀測到的重力值變化大部分是由地下物質質量遷移引起的。

3.構造地震根本力來源——以汶川地震為例

構造地震臨震發震時的現象，單純從板塊構造角度解釋，無法得到合理的結論。許志琴等在“汶川地震和科學鉆探”一文中針對汶川地震成因提出諸多科學性問題，其中最注意的一個問題是“地下流體在地殼的淺源地震中發揮著重要作用，地下流體是怎樣決定著地震的孕育、發生、停止的過程”。HiLL R.I.等根據流體動力學研究指出，大型地幔柱頂冠之上的最大隆升量可能達到500m～1000m，熱源物質連續上升到一個較強的軸部管道，可以增加與地幔柱侵位伴生的最后的上隆量。分析認為即使在地幔柱到位之前處于緩慢伸展狀態，地幔柱頂冠上產生的多余力并不能使地殼裂解，除非地殼已經變熱或地幔柱頂冠向上傳輸熱量充分，并很大程度上改變了上覆地幔及地殼的流變特征。這個時間范圍似乎可與下地殼到其熔融點的時間相對比，即15Ma-40Ma。該研究分析表明了為何裂解總是沿著相對年輕的造山斷裂帶，即與典型的年輕地殼共生的巖石圈愈薄愈弱，使地幔柱上隆加劇。HiLL R.I.的研究進一步說明了震級較大的構造地震為何多發生于深大活動斷裂帶附近。車用太等在“地殼流體對地震活動的影響與控制作用”一文中證實了地殼一定深度處存在流體，這些流體在地球的形成與演化過程中發揮著重要的作用，在很大程度上控制著巖漿作用、變質作用、沉積成巖作用、成礦作用甚至板塊作用與構造作用等。張西娟等研究表明活動斷裂帶中存在大量流體，可能來源于深源巖漿排出的流體或幔源流體。流體在斷裂帶中的運移速率和方式受斷裂帶的結構影響，同時流體與圍巖及斷層巖發生的壓溶等作用也對斷裂帶強度、應力的分布等產生影響并可能導致地震的發生。呂慶田等對青藏高原形成演化的地球動力學模式研究表明，在100km以下的上地幔出現規模較大的低速體，層析結果發現在羌塘和臨近汶川地震發生斷裂帶的松潘一甘孜地塊的上地幔中存在一巨大的低速體，分析認為可能是因地幔剝離引起的上升地幔熱柱。筆者根據地質研究中的反演分析，由現象到本質綜合解釋，汶川地震活動的根本動力可能源于地幔熱柱上升的超臨界流體。臨震前地幔熱柱的超臨界流體在頂冠處蓄集，地下流體發生質量遷移，導致臨震區域出現重力值異常上升及熱異常現象，超臨界流體遷移運動，產生大量含電荷物質，在臨震前和地震時區域電磁場會發生變化。地幔熱柱繼續向上傳遞超臨界流體，達到壓力臨界點促使薄弱活動斷裂帶處發生裂解運動，沿裂解帶地下超臨界流體的溫度及壓力值驟降，超臨界流體相變為氣體狀態，體積膨脹，發生相變爆炸現象，產生構造地震。

4.構造地震中短期監測方法

震級大的構造地震會直接影響到人們正常生活，綜合研究分析表明，地幔熱柱的超臨界流體多沿深大活動斷裂帶向地表噴爆，使活動斷裂重新運動。在超臨界流體向上運移的過程中，同時發生物質的質量遷移，來自地幔熱柱的熱能量繼續向上傳遞，臨震區域會出現熱值異常現象。此外超臨界流體的遷移，會同時產生大量電荷物質，臨震區域的電場會產生明顯變化。根據構造地震臨震現象，我們可以對活動斷裂等所在區域的重力值變化重點監測；通過靜止衛星的紅外儀器對重點區域的熱異常現象進行監測；通過在重點區域設置測電磁儀器監測區域內電場的變化情況，此外還有氡氣值監測等方法。綜合多種監測方法對重點區域監測，可有效提高構造地震中短期監測的準確度。endprint