孕震斷層鎖固段累積損傷導致失穩(wěn)的自組織-臨界行為特征?

吳曉媧1) 秦四清2)3)4)? 薛雷2)3)4) 楊百存2)3)4) 張珂2)3)4)

1)(北京工業(yè)大學建筑工程學院,北京 100124)

2)(中國科學院地質與地球物理研究所,中國科學院頁巖氣與地質工程重點實驗室,北京 100029)

3)(中國科學院地球科學研究院,北京 100029)

4)(中國科學院大學地球與行星科學學院,北京 100049)

弄清鎖固段(巖石)破裂過程中自組織臨界性的物理涵義,對正確認識地震可預測性問題等具有重要意義.本文指出鎖固段破裂過程存在兩個臨界點,第一臨界點為體積膨脹點,是自組織過程起點,在該點鎖固段發(fā)生可判識的高能級破裂事件,這可視為鎖固段宏觀破裂前的惟一可識別前兆;第二臨界點為峰值強度點,即失穩(wěn)點,在該點發(fā)生通常有明顯地表破裂帶的大地震.基于以前研究給出的兩者之間應變比理論關系以及地震震級與能量約束關系,可預測鎖固段在第一和第二臨界點處發(fā)生的某些標志性地震,并已得到諸多震例分析的支持.本文研究結果表明:由于鎖固段是非均勻介質,其失穩(wěn)前必須出現(xiàn)自組織過程,自組織是“因”,臨界失穩(wěn)是“果”,正是因為自組織過程的存在,才使得對某些大地震(如標志性地震)的預測成為可能;兩個臨界點之間的破裂演化過程并不是瞬態(tài)行為,通常是一個長期過程,該過程中標志性地震的發(fā)生遵循確定性規(guī)律,并不存在小地震直接導致大地震(如標志性地震)的級聯(lián)效應.

1 引 言

著名的“沙堆模型”試驗[1]表明,沙堆達到某種臨界狀態(tài)后,一顆沙子的落下可能會引發(fā)沙堆結構發(fā)生“級聯(lián)式(自組織)”的響應進而導致突變——沙崩,崩塌規(guī)模與發(fā)生頻率服從冪律分布,通常認為這是自組織臨界態(tài)的“指紋”.Bak等[1]基于“沙堆模型”提出了自組織臨界性(self-organized criticality,SOC)概念,指出一個具有持續(xù)、緩慢、均勻的能量供給且由許多基本單元組成的系統(tǒng),當單元之間具有非線性相互作用時,會自發(fā)地演化到某個臨界狀態(tài).此時,整個系統(tǒng)處在一個非常敏感的狀態(tài),任何微小的局域擾動均有可能觸發(fā)系統(tǒng)的“崩潰”.基于全球地震活動區(qū)震級-頻次統(tǒng)計關系服從冪律分布[2]的認識,Geller等[3]認為“地球處于SOC狀態(tài),任何小地震有可能級聯(lián)性地發(fā)展成大地震”,若真如此,則地震確實不能被預測,這引起地震學界的廣泛關注和爭議[3?8].該認識正確嗎?我們認為須從地震演化機理及其規(guī)律入手,才能給出科學解答.

“沙堆模型”是自組織臨界性理論的典型范例.由“沙堆模型”試驗可得到如下啟示:1)“沙堆模型”存在兩個臨界點,第一個臨界點是自組織行為的開始點(級聯(lián)式響應或多米諾效應開始);第二個臨界點是當自組織行為演化到一定程度后,出現(xiàn)失穩(wěn)(沙崩);2)兩個臨界點之間歷時短暫,可視為瞬態(tài)行為.如果把上述“沙堆模型”比喻成大地震孕育模型,可以認為任何小地震(一顆沙子落下)都有可能級聯(lián)式地發(fā)展成一個大地震(沙崩).那么,“沙堆模型”與大地震孕育模型有何本質不同?對此必須予以澄清,才能避免出現(xiàn)“張冠李戴”式的謬誤.

產生SOC現(xiàn)象的“沙堆模型”[1],“大米堆模型”[9]和“珠子模型”等[10]試驗,大都涉及均勻或準均勻散體材料,其變形力學行為主要受顆粒大小和空隙控制.地震由斷層運動引起的巖石破裂所致[11],巖石這種典型非均勻介質的變形破壞力學行為主要受內部組構和裂隙控制.因此,通過散體材料試驗觀察到的SOC現(xiàn)象,可能與加載條件下巖石損傷過程表現(xiàn)出的SOC行為不同,對此需開展進一步探索.

由于形成環(huán)境的復雜性和長期的地質作用,巖石內部存在大量隨機分布的裂隙、孔隙等缺陷,不同部位的強度也存在差異,這使其具有強烈的非均勻特征,這與均勻或準均勻散體材料不同,也與玻璃等均質材料完全不同.無論采用何種加載方式,均質材料力學行為在其宏觀破裂前一定是線性的;然而,由于巖石非均勻性的存在,受載時其內部微(細)觀單元體的損傷破壞行為并非呈現(xiàn)均勻連續(xù)模式,從而導致非線性力學行為,如破裂叢集等,這是巖石失穩(wěn)可預測性的力學基礎.

秦四清等[12]指出孕震斷層鎖固段可定義為在斷層面上具有較高強度且在地震中釋放較大地震矩的部位,也就是地震區(qū)中積累高能量的載體(圖1),主要包括巖橋、斷層中未破裂區(qū)段、凹凸體和次級斷層所圍限的塊體.一方面,斷層或板塊運動模式及相關地震活動受鎖固段控制,另一方面,斷層或板塊運動加載促使鎖固段損傷直至宏觀破裂,并伴隨地震發(fā)生.因此,從鎖固段(巖石)破裂行為入手,才可能揭示大地震演化過程之謎.

盡管SOC理論已應用于探索巖石破裂失穩(wěn)和地震臨界行為[13?18],但仍有諸多基本問題需要解決,例如:1)自組織行為從巖石(鎖固段)變形破壞階段的哪個特征點開始?2)自組織與臨界性是何種關系?3)臨界失穩(wěn)點是峰值強度點還是峰后某點?

本文從巖石(鎖固段)變形破壞階段的特征入手,詳述自組織產生過程及宏觀破裂前兆等問題,指出鎖固段的自組織損傷演化過程存在兩個臨界點,基于以前建立的力學模型可定量化該兩點的應變聯(lián)系.在此基礎上,結合震例分析闡述了孕震斷層鎖固段的自組織-臨界行為特征,還討論了關于地震可預測性的某些爭議問題.

圖1 地震區(qū)與鎖固段示意圖巖橋;斷層中未破裂區(qū)段;凹凸體;次級斷層所圍限的塊體Fig.1.Schematic illustration of seismic zones and locked segments:rock bridge;unruptured segment in a fault intersecting with an adjacent fault;asperity;block bounded by secondary faults.

2 巖石(鎖固段)變形破壞自組織-臨界過程

2.1 第一臨界點(自組織過程起點)

大量的巖石力學實驗[19?24]表明,巖樣變形破壞過程可劃分為如圖2所示的5個階段,其中穩(wěn)定破裂階段和非穩(wěn)定破裂階段的分界點為體積膨脹點,非穩(wěn)定破裂階段和峰后破裂階段的分界點為峰值強度點.

圖2 三軸壓縮下巖樣變形破壞過程示意圖,σci為裂紋起裂應力,σcd為裂紋損傷應力,σf為峰值強度Fig.2.Schematic illustration of deformation and failure process of rock specimen under triaxial compression,σciis crack initiation stress, σcdis crack damage stress,and σf is peak stress.

圖3 三軸壓縮下花崗巖AE事件從隨機分布到叢集的演化(據Lei等[27]修改)Fig.3.Evolution of AE events from random to cluster distribution for a granite specimen subjected to triaxial compression(modif i ed from Lei et al.[27]).

圖4 單軸壓縮下花崗閃長巖AE能量變化特征(據Zhao等[28]修改)Fig.4.Variation characteristics of AE energy for a granodiorite specimen subjected to uniaxial compression(modif i ed from Zhao et al.[28]).

圖5 雙軸壓縮下裂隙巖樣應變(實線)與AE計數(虛線)隨時間t的演化(5張裂紋擴展模式圖為巖樣漸進破裂的觀測記錄)(據孫鈞[29]修改)Fig.5.Evolution of strain(solid curve)and AE counts(dotted curve)with time for a jointed rock sample under biaxial compression.The f i ve sketches of the fracture patterns show the observed progressive failures of the sample(modif i ed from Sun[29]).

當加載應力達到裂紋損傷應力(σcd)時,體應變由壓縮轉為膨脹,微破裂開始叢集(圖3),應變局部化開始,此時聲發(fā)射(AE)活動開始急劇增多(圖4),出現(xiàn)強烈的信號群,反映在應變或蠕變-時間監(jiān)測曲線上,則表現(xiàn)為開始出現(xiàn)應變或蠕變加速現(xiàn)象(圖5),通常認為這是巖樣發(fā)生宏觀破裂前,出現(xiàn)的惟一可識別前兆.此時,即使載荷保持恒定不再增加,破裂仍會自發(fā)地累進性發(fā)展,使巖樣內薄弱部分依次破壞直至發(fā)生宏觀破裂,呈現(xiàn)出自發(fā)演化非線性動態(tài)行為,即自組織行為.因此體積膨脹點可視為自組織過程的起點,即第一臨界點.

與巖樣不同之處在于,孕震斷層鎖固段具有大尺度、扁平狀的幾何特征,且承受極其緩慢的剪切應力(應變)加載或應力腐蝕作用,非均勻性強且脆性破裂程度低[25],當損傷至體積膨脹點時,除具有上述巖樣宏觀破裂前出現(xiàn)的一般前兆特征外,還發(fā)現(xiàn)在該點必發(fā)生一個類似圖4的顯著高能級地震事件,這是目前監(jiān)測技術手段可判識的惟一地震活動性前兆[26].

2.2 第二臨界點(失穩(wěn)點)

諸多室內巖石力學試驗[30]表明,若采用柔性試驗機加載,在應力達到峰值強度點的瞬間巖樣會發(fā)生“爆裂”現(xiàn)象,即失穩(wěn)發(fā)生在峰值強度點(圖2中點P).為得到巖石全應力應變曲線,目前室內巖石力學試驗是通過剛性試驗機,并利用伺服控制系統(tǒng),以適當控制巖樣的加載速率方式進行,屬于等位移邊界加載[31],故失穩(wěn)點I通常滯后于峰值強度點P.對孕震斷層鎖固段破壞失穩(wěn)(大地震)而言,臨界失穩(wěn)點究竟對應著哪個點?必須予以澄清,才能建立可靠的失穩(wěn)預測模型.如圖1所示,斷層中的鎖固段(震源體)是高強介質,是承受應力集中的載體,其強度和剛度均遠大于斷層帶中的相對軟弱介質,在對鎖固段進行加載過程中軟弱部位起部分應力傳遞作用,鎖固段真正的受力條件是等應力邊界條件,這與伺服控制試驗條件下室內巖樣的加載模式不同.據此我們推測:當斷層運動對鎖固段加載至峰值強度點時,因軟弱介質的約束作用較小導致鎖固段在該點被剪斷(大地震發(fā)生),斷層急劇錯動產生明顯的地表破裂帶,這相當于室內柔性試驗機加載模式,所以鎖固段失穩(wěn)點I應與峰值強度點P重合,即大地震發(fā)生在峰值強度點P,峰值強度點為第二臨界點(失穩(wěn)點).對諸多震例的分析[32?34]表明,在顯著前震發(fā)生后,盡管標志性地震(在鎖固段體積膨脹點和峰值強度點處發(fā)生的地震,若為雙震則視為能量等效的一次地震)的發(fā)震時間滯后,但峰值強度點距實際失穩(wěn)點的應變增量很小,可以忽略,即震例分析支持失穩(wěn)發(fā)生在峰值強度點的觀點.

3 第一與第二臨界點的力學聯(lián)系

如上所述,孕震斷層鎖固段為積累高能量的載體,其第一臨界點為體積膨脹點,第二臨界失穩(wěn)點為峰值強度點.若能建立兩者之間的力學聯(lián)系,便可預測鎖固段的剪切失穩(wěn)行為.

為此,秦四清等[12]將體積膨脹點視為重整化群理論中的不穩(wěn)定不動點進行求解,首次推導出了體積膨脹點處的應變表達式,然后基于損傷本構模型推導出了峰值強度點處的應變表達式,最終構建了峰值強度點與體積膨脹點之間應變比的理論關系式.在此基礎上,先后解決了地震區(qū)定量劃分[32?34]、主震與前震判識[35,36]、孕震斷層鎖固段累積Beniof f應變(cumulative Beniof fstrain,CBS)與剪切應變等效性[37]與最小有效性震級Mv選取(提取鎖固段本身破裂事件的震級閾值[38])等問題.通過對全球62個地震區(qū)的震例分析[32?34],指出地震區(qū)標志性地震為可預測地震類型之一[39],其孕育過程遵循如下確定性規(guī)律和約束條件:

式中Sc為誤差校正后第1鎖固段體積膨脹點對應的CBS值;Sf(k)為誤差校正后第k個鎖固段峰值強度點對應的CBS值和(1)分別為誤差未校正前第1鎖固段體積膨脹點和峰值強度點對應的CBS值,?為第1鎖固段體積膨脹點之前的CBS誤差值;MC和MF分別為鎖固段在體積膨脹點和峰值強度點發(fā)生的標志性地震震級,MP為鎖固段在此期間發(fā)生的預震震級;ET為主震前該地震區(qū)積累的彈性應變能,EM為主震本身釋放的彈性應變能,EA為余震釋放的彈性應變能;EB為某次標志性地震(鎖固段峰值強度點對應的地震)發(fā)生前地震區(qū)積累的彈性應變能,EC為該標志性地震本身釋放的彈性應變能,若滿足(6)式,則可判定該標志性地震不為主震.需要說明的是,在假設某一地震區(qū)地震效率為常量的條件下,地震波輻射能可作為彈性應變能的替換量.

(1)式適用于描述在極其緩慢壓剪或應力腐蝕作用下大尺度、扁平狀天然鎖固段的破壞行為,其物理涵義是:當第k個鎖固段損傷累積至其第二臨界點時,第k+1個鎖固段恰好演化至其第一臨界點,即第k個鎖固段的第二臨界點與第k+1個鎖固段的第一臨界點重合.對諸多鎖固型崩滑[25,40,41]與大地震[32?34]案例的分析表明,(1)式具有廣泛的適用性.楊百存等[42]進一步指出,常數1.48是描述不同尺度鎖固段加速破裂行為的物理自相似常數,這不僅克服了測定鎖固段物理力學參數的困難,而且意味著(1)式是表征鎖固段累積損傷導致突變行為的普適性公式.

(1)式—(6)式可視為孕震斷層多鎖固段脆性破裂理論的基本力學表達式,其中(1)式為標志性地震物理預測模型,(2)式為該模型誤差修正計算公式,(3)式—(6)式為該模型約束條件,在統(tǒng)一震級標度情況下有助于從特定地震區(qū)地震序列中甄選出標志性地震,從而大大降低濫用(1)式的風險,有效規(guī)避大地震預測陷入數字游戲的怪圈.

4 孕震斷層鎖固段的自組織-臨界行為特征

如上所述,自第一臨界點開始,自組織行為開始出現(xiàn),其標志是第一臨界點對應著一個顯著地震.當自組織過程演化到一定程度,到達第二臨界點發(fā)生失穩(wěn),其標志是發(fā)生有顯著地表破裂帶的大地震.本文擬從鎖固段的破裂過程入手,根據典型實例揭示其自組織-臨界行為特征,并探討相關的爭議問題.

4.1 兩個臨界點之間的破裂演化過程是瞬態(tài)行為嗎?

以昆侖山口西地震區(qū)[33]為例,該區(qū)已發(fā)生了3次標志性地震(表1),即1924年7月3日和14日新疆民豐東MS7.25雙震、1973年7月14日西藏尼瑪北部MS7.5地震與2001年11月14日青海昆侖山口西MS8.0地震(圖6),這些地震的孕育規(guī)律遵循著(1)式,震級約束關系遵循著(3)式和(4)式.從圖6可以看出,1997年西藏瑪尼MS7.3地震是該區(qū)第2鎖固段發(fā)生宏觀破裂前的1次顯著前震,該震發(fā)生后昆侖山口西地震區(qū)處于臨界狀態(tài),至2001年MS8.0大震前,CBS監(jiān)測值沒有變化,即峰值強度點P和臨界失穩(wěn)點I(圖1)的應變增量為0,這為臨界失穩(wěn)點是峰值強度點提供了佐證.還可看出,鎖固段從第一臨界點到第二臨界點歷時長達數十年,即其從自組織開始到臨界失穩(wěn)的演化過程不是瞬態(tài)行為.

我們所劃分的全球62個地震區(qū)[32?34]覆蓋了世界兩大地震帶——環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶,相關震例分析均表明,標志性地震之間的時間尺度多為數十年甚至上百年,這充分說明兩個臨界點之間的歷時并非短暫,而是很長或超長.

圖6 昆侖山口西地震區(qū)1924.7.3—2015.11.21之間CBS值與時間t的關系[33](數據分析時選取MS>5.6(Mv=MS5.6)地震;誤差修正已被考慮)Fig.6.Temporal distribution of CBS in the period from 3 July 1924 to 21 November 2015 in the seismic zone of west of Kunlun mountain pass[33](The MS>5.6(Mv=MS5.6)earthquakes are selected for data analysis.The error correction is also considered).

表1 鎖固段在第一和第二臨界點處發(fā)生的標志性地震Table 1.Characteristic earthquakes occurred at the f i rst and second critical points of locked segments.

4.2 小地震能否級聯(lián)性地發(fā)展成大地震?

由圖6可知,1997年瑪尼MS7.3前震發(fā)生后該區(qū)便處于臨界狀態(tài),直至2011年才發(fā)生MS8.0地震,滯后約4年,期間曾發(fā)生諸多低于MS5.6(Mv=MS5.6)的中小地震(圖7),其中最大一次地震為1998年1月13日瑪尼MS5.4地震,顯然這些地震均能引起應力漲落,但即使最大的一次也并未能級聯(lián)性地發(fā)展成大地震;此外,在長達約4年的時段潮汐效應也能起到擾動觸發(fā)作用,該地震區(qū)應在達到臨界狀態(tài)后不久發(fā)生大地震.然而,事實并非如此.由此可見,對于大尺度鎖固段而言,即使其處于臨界狀態(tài),微小的擾動并不能導致其發(fā)生“崩潰”,我們推測這種滯后現(xiàn)象是由于斷層的黏滯效應所致,與擾動無關.再者,小地震不一定是由于鎖固段破裂導致,也可能是大量的非鎖固段(相對軟弱介質)破裂信息,對特定地震區(qū)進行數據處理時,應通過最小有效性震級Mv剔除這類地震,不必考慮之.事實上,一次標志性地震發(fā)生后,需要發(fā)生一系列中間過程地震(預震)事件(震級約束關系見(4)式),直至CBS值滿足(1)式時才能發(fā)生下一次標志性地震,即標志性地震的孕育過程受確定性規(guī)律支配,期間不存在級聯(lián)效應.地球每天均會發(fā)生眾多的小地震,如果任何小地震都有可能級聯(lián)性地發(fā)展成大地震,同理可認為這些大地震可級聯(lián)性地發(fā)展成更大的地震,如可從M>6.0地震級聯(lián)式地發(fā)展到M>7.0,M>8.0乃至M>9.0地震,甚至更大.然而事實上并非如此,震級越大的地震數量越少,全球M>8.0地震屈指可數,M>9.0地震只有7次[43],而且級聯(lián)機理也無法解釋這些巨震的能量來源.這意味著小地震絕無可能直接導致大地震,否則會違背人們公認的能量守恒原理.從巖石力學原理上說,在能量持續(xù)供給下,一個特定地震區(qū)某個地震周期內,承載力較小的鎖固段會首先斷裂,然后應力轉移到承載力相對較大的鎖固段上,導致其發(fā)生斷裂,依此類推,直至承載力最大的鎖固段發(fā)生宏觀破裂,即主震發(fā)生.顯然,主震前的所有地震,無論其大小均表示地震區(qū)處于能量積累過程,而主震和其后的余震才表示能量釋放過程,這一過程遵循著(5)式所示的能量守恒原理.按此原理,才能合理解釋地球上以前從未發(fā)生過MW9.0的地震,近些年才發(fā)生如此規(guī)模地震的事實,如2004年印尼蘇門答臘MW9.0(圖8)和2011年日本MW9.0(圖9)海嘯地震.從圖8和圖9可看出,這兩次MW9.0地震均為標志性地震,為可預測地震類型,其發(fā)生前所屬地震區(qū)分別曾發(fā)生多次不小于M8.5的標志性地震和數量眾多的預震.能量計算表明,該兩次MW9.0地震發(fā)生前,其所屬地震區(qū)積累的能量均遠大于其地震本身釋放的能量,即滿足(6)式,說明MW9.0地震發(fā)生并非偶然,而是能量積累到一定程度后的必然結果.

圖9 北海道地震區(qū)144.2.15—2016.2.24之間CBS值與時間t關系[32](數據分析時選取MW>7.0(Mv=MW7.0)地震;誤差修正已被考慮)Fig.9.Temporal distribution of CBS in the period from 15 February 144 to 24 February 2016 in the Hokkaido seismic zone[32](The MW>7.0(Mv=MW7.0)earthquakes are selected for data analysis.The error correction is also considered).

圖10 唐山地震區(qū)公元前1767—2015.11.21之間CBS值與時間t關系[33](數據分析時選取MS > 5.0(Mv=MS5.0)地震;誤差修正已被考慮)Fig.10.Temporal distribution of CBS in the period from 1767 BC to 21 November 2015 in the Tangshan seismic zone[33](The MS>5.0(Mv=MS5.0)earthquakes are selected for data analysis.The error correction is also considered).

事實上,標志性地震的時間滯后現(xiàn)象并非昆侖山口西地震區(qū)獨有,其他地震區(qū)也普遍存在.例如,唐山地震區(qū)[33]自1969年7月18日渤海灣MS7.4前震發(fā)生后便處于臨界狀態(tài),約7年后1976年唐山MS7.8地震發(fā)生(圖10).再如,汶川地震區(qū)[33]曾發(fā)生1976年8月四川松潘—平武間MS7.2雙震震群,這是顯著前震序列,約滯后32年2008年汶川MS8.1地震發(fā)生(圖11).

圖11 汶川地震區(qū)638.2.14—2015.11.21之間CBS值與時間t關系[33](數據分析時選取MS>5.5(Mv=MS5.5)地震;誤差修正已被考慮)Fig.11.Temporal distribution of CBS in the period from 14 February 638 to 21 November 2015 in the Wenchuan seismic zone[33](The MS>5.5(Mv=MS5.5)earthquakes are selected for data analysis.The error correction is also considered).

4.3 地球是否處于自組織臨界狀態(tài)?

仍以昆侖山口西地震區(qū)(圖6)為例,1973年MS7.5地震對應著第2鎖固段的第一臨界點,在向第二臨界點演化過程中發(fā)生了諸多地震(預震),CBS值不斷增加,在1997年MS7.3前震發(fā)生后該區(qū)處于臨界狀態(tài),滯后約4年2001年MS8.0地震發(fā)生.這說明大地震或巨震孕育系統(tǒng)存在自組織-臨界性,斷層中鎖固段損傷累積到一定程度才能到達第一臨界點,從第一到第二臨界點這一自組織過程需要一定的歷時,即自組織現(xiàn)象的出現(xiàn)并不標志著系統(tǒng)已到達臨界失穩(wěn)狀態(tài),這意味著“自組織(SO)”和“臨界性(C)”是兩個不同的概念,切忌將兩者混為一談.再者,對合理劃定的地震區(qū)而言,自組織和臨界失穩(wěn)狀態(tài)呈交替出現(xiàn)特征,如2001年MS8.0地震發(fā)生后,昆侖山口西地震區(qū)脫離原來臨界狀態(tài),進入下一個自組織過程,當第3鎖固段損傷演化至第二臨界點時,該區(qū)將再次處于臨界失穩(wěn)狀態(tài),預測將發(fā)生MS8.0左右標志性地震.

秦四清等[32?34]的分析表明,目前世界上62個地震區(qū)均處于自組織狀態(tài),但只有少數地震區(qū)處于臨界失穩(wěn)狀態(tài).巖石圈是由不同層次、不同尺度的塊體組成,即使某一塊體(地震區(qū))處于臨界狀態(tài),并不代表整個地球處于臨界狀態(tài).

5 討 論

“沙堆模型”可視為非連續(xù)且準均勻的散體模型,其災變前力學行為具有近似線性性質,可能沒有可判識的前兆,因而難以預測其臨界失穩(wěn)行為.然而,大地震(如標志性地震)孕育模型涉及到多鎖固段破裂失穩(wěn),鎖固段可視為連續(xù)非均勻介質,當其被加載至體積膨脹點時,開始出現(xiàn)破裂叢集導致的顯著地震活動性前兆,自此鎖固段內部裂紋生成和擴展過程便具有了自組織演化特征,此時若不發(fā)生減載作用,則最終會演化至臨界失穩(wěn)狀態(tài);反之,若自組織過程開始后,發(fā)生減載作用,則不會出現(xiàn)臨界失穩(wěn)現(xiàn)象.這說明鎖固段失穩(wěn)發(fā)生前,必須出現(xiàn)持續(xù)的自組織過程,自組織是“因”,臨界失穩(wěn)是“果”.自組織行為的出現(xiàn)并不意味著鎖固段已到達臨界失穩(wěn)狀態(tài),且鎖固段也并非時時處于臨界失穩(wěn)狀態(tài),即臨界性的出現(xiàn)需要一定條件.

再次強調,對孕震斷層鎖固段破裂失穩(wěn)而言,第一和第二臨界點之間的自組織過程并非短暫,而是一個長期過程;盡管在兩個臨界點之間會發(fā)生包括小地震在內的諸多預震,但這些小地震并不能級聯(lián)式地發(fā)展成大地震(如標志性地震),標志性地震的發(fā)生并非偶然,而是鎖固段損傷演化至某種程度后的必然結果,其孕育過程遵循確定性規(guī)律.這有力地說明,“沙堆模型”與大地震(如標志性地震)孕育模型在演化機理和發(fā)生規(guī)律方面有著本質不同,決不能將兩者混為一談.

Bak等[1]利用SOC理論能夠很好地解釋一個沙堆的形成和坍塌過程,但Geller等[3]將該理論直接外推應用于地震預測,導致錯誤的理解和導向.實際上恰恰相反,正是由于自組織過程的存在,才使得對某些大地震(如標志性地震)的預測成為可能.對某一非線性系統(tǒng)而言,盡管系統(tǒng)內發(fā)生的事件服從冪律分布是自組織系統(tǒng)的標志,但并不意味著這樣的系統(tǒng)具有完全不可預測性,實際上不管自組織系統(tǒng)還是其他系統(tǒng),只要其內部特征事件的演化遵循確定性規(guī)律,那么這些事件就具有可預測性.

自Geller等[3]的觀點提出后,地震學界圍繞“地震能否被預測”的爭議從未中斷,我們認為“地震能否被預測”是偽命題,而“什么類型的地震能被預測”才是科學命題.因為,全球每年會發(fā)生數百次6.0級及以上地震,即使在完全掌握地震演化機理及其規(guī)律的情況下,也不可能全部預測.進一步的研究表明[39],并非所有的地震都能被預測,只有遵循確定性規(guī)律的某些標志性地震和標志性預震,才能夠被預測.

6 結 論

1)鎖固段(巖石)是非均勻介質,其臨界失穩(wěn)發(fā)生前,必須出現(xiàn)自組織過程.自組織是“因”,臨界失穩(wěn)是“果”,即自組織行為的出現(xiàn)并不意味著鎖固段已到達臨界失穩(wěn)狀態(tài),且鎖固段也并非時時處于臨界失穩(wěn)狀態(tài).

2)巖石或鎖固段變形破壞過程中,自組織過程開始的起點對應著體積膨脹點(第一臨界點),臨界失穩(wěn)點對應著峰值強度點(第二臨界點).對孕震斷層鎖固段而言,從第一到第二臨界點的歷時通常為數十年或數百年,這是一個長期或超長期過程,該過程中標志性地震的發(fā)生遵循確定性規(guī)律,并不存在小地震直接導致大地震的級聯(lián)效應.

3)正是因為自組織過程的存在,才使得對某些大地震(如標志性地震)的預測成為可能.