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大陸漂移與地震成因

2021/02/23   維加斯新聞報
梁光河

    導讀:地震發生主要受什麼因素控制?它和大陸漂移有什麼關係?本文將通過大陸漂移對全球地震和中國及亞洲地震進行解剖。

1 問題提出

    當前對地震成因機制的解釋是Reid(1910)提出的彈性回跳假說(elasticrebound hypothesis),並在後續的研究中Julian等人1998年提出了用雙力偶震源機制模型來描述地震的成因機制(圖1),從而使地震學研究進入科學時代。

    這兩個假說模型都存在很大的問題。彈性回跳假說對淺源地震可以得到一定程度的解釋,但對於深達幾百公里的地震無法解釋,因在這樣深的地方岩石已具有塑性,不會發生彈性回跳。而雙力偶震源機制模型是基於各向同性彈性介質中的直立走向滑動斷層模型建立起來的。越來越多的證據表明,地球內部往往表現各向異性,而且也不是彈性剛體,許多實際觀測到的地震的震源機制與雙力偶模型不符,這類地震大小不一,發生在各種地質環境,尤其是火山和地熱地區。

    通過嚴格數值計算發現,聚集在岩石中的最大彈性應變能量遠遠小於實際地震釋放的能量。謝和平等(2005)根據長60 km寬10 km深20 km的一個長方體計算純花崗岩聚集的最大應變能使2.9×109J,以2008汶川大地震為例,地震斷裂帶長度約300Km,大地震後餘震限定在寬約50Km的範圍內,餘震震中深度範圍5-20Km,按照長300 km寬50 km深20 km計算,聚集的最大應變能為7.25×1010 J,相當於約4.1級地震(4.0級地震釋放的能量為6.3×1010 J),這還是在假設地下介質完全彈性的情況下得到的結果,實際上斷裂帶內的聚集的彈性能要遠小於這個數值,而8.0級地震釋放的能量為6.3×1016 J,它們之間相差6個數量級(100萬倍)。也就是說理論上彈性應變能不可能是汶川大地震的主要能量。

    超臨界流體能夠釋放多少能量呢?曾明果(2009)的研究表明2008汶川大地震地下深處,只需0.065Km3超臨界流體退相爆炸就可產生相當於8級地震(1500萬噸TNT)的能量。這對於長300 km寬50 km深20 km的地震地質體來說,相當於萬分之0.02的含水量,這個含水量指標在普通斷裂帶岩石中是常見的現象。

    諸多的證據表明,地震主要能量是由斷裂運動激發引起的地下帶電超臨界流體的相變爆炸(梁光河,2017),大地震形成必須具備兩個充要條件,一是要有高溫高壓的超臨界流體(包括熱流體和岩漿),二是要有活動的深斷裂。活動的深斷裂一旦發生運動,導通地下高溫高壓超臨界流體庫,瞬間降溫降壓,使得地下深處的超臨界流體發生相變爆炸,超臨界水相變成水蒸氣,體積增大數百倍。汶川大地震就是因龍門山斷裂帶突然活動引發的一系列隱爆形成的,類似一個沿斷裂破碎帶深部的定向爆破過程。地震過程中也會釋放大量負電荷,從而引起發電磁異常現象,而且地震過程與成礦過程密切相關(梁光河,2016)。

    地震過程中會產生大量隱爆角礫岩(杜建國,2017),這種岩石是在地球內部流體藏(岩漿房)流體壓力大於頂部岩層束縛力時所發生的爆破(隱爆)產生的角礫岩。岩漿隱爆作用發生最直接的因素是受熱的多源流體或氣體,岩漿隱蔽爆破主要作用方式是氣爆和漿爆,其次是熱液注入。通常氣爆發生於早期,漿爆較晚,熱液注入最晚。隱爆角礫岩絕大多數可能是地下深處爆炸成因,也有少部分可能是隕石撞擊成因。二者在結構上有所差別。

2 大陸漂移與地震成因

    全球大陸平均地溫梯度為3℃/100m,由此推測大陸40Km之下溫度可達1200℃,在這個溫度下大部分岩石會發生熔融或部分熔融,大洋地溫梯度遠高於大陸。新大陸漂移模型認為:大陸板塊可以在熱力驅動下自己發生漂移,動力機制是大陸板塊漂移劃開洋殼引起岩漿不斷上湧,在陸塊後面冒泡,巨大的岩漿熱動力推著板塊往前跑。我們可以形像地把大陸漂移比喻成“平底熱鍋裡的黃油會自己跑”。這個運動過程是基於大陸板塊首先發生裂解,產生了一個裂縫和岩漿上湧,在初始階段,大陸漂移與海底擴張一致,但洋中脊噴出的岩漿很快會被海水熄滅,因此海底擴張不能持續,但大陸板塊漂移後在其後面持續不斷地湧出岩漿並不斷被海水熄滅,這個熱力推動過程才能持續推動大陸板塊向前漂移。

該模型有如下特徵:

(1)大陸板塊的最前方因受到擠壓,增壓升溫產生地殼流,洋殼隆起;

(2)大陸板塊前部會產生逆衝斷層、造山帶、火山帶、地震帶;同時地殼流的上湧會在大陸板塊前部的部分薄弱帶出現伸展構造;

(3)在大陸板塊後部產生巨厚沉積和正斷層;大陸板塊尾部會有拖尾隆起,可能留下火山島鏈、大陸碎片遺撒物。

(4)大陸板塊漂移過程中,軟塑的中下地殼受剪切力易產生低角度拆離斷層,使得部分大陸板塊的下地殼發生拆沉,形成緩慢下沉的板塊碎片。

     這個模型說明大陸板塊漂移的前部會產生高壓地殼流(10多公里以下深度就可以達到超臨界水的溫壓條件),也存在大量的逆衝斷裂。滿足產生大地震的兩個充要條件,即超臨界流體和活動深斷裂。而大陸板塊漂移的後部,是相對開放環境,難以聚集超臨界流體,雖然有一系列正斷層,但不能形成強震。

    部分大陸板塊產生的拆沉古板塊,在下沉過程中隨著溫度上升,下沉板塊發生分異和相變,部分輕物質上升,而重物質繼續下沉。這個下沉的板塊再與其它漂移的大陸板塊發生碰撞,產生超臨界流體,從而發生深源地震。

    這個新的大陸漂移模型,不但能夠合理解釋大陸漂移的動力機制,也能對當前全球地震和中國地震進行合理解釋。

3 全球地震帶與大陸漂移

    新大陸漂移模型能合理解釋全球地震帶分佈特徵,環太平洋地震帶是由於其處於大陸板塊的前方,存在高溫高壓地殼流和活動的深斷裂,從而會產生大震,而環大西洋則處於大陸板塊漂移的後方,整體處於拉伸開放環境,不易聚集能量而無大震。特提斯地震帶主要是由於當前非洲大陸板塊整體向北漂移伴隨輕微右旋,並與歐亞碰撞的結果。也就是說大陸板塊運動的前方是地震帶,而其後方則無地震帶。

    全球1960-2016年7959個M≥6.0的地震按10 km分組的地震震源深度的分佈直方圖,該圖說明30-40Km是全球地震最高發的深度範圍,40-100Km地震明顯減少,說明30- 40Km是一個顯著分界面,推測為大陸板塊漂移的主滑脫面,這個深度也是大陸板塊的MOHO面深度,第二個地震高發深度是10-20Km,推測是殼內滑脫面或者推覆構造滑脫面,這個深度也是中地殼的深度範圍。特別注意圖5縱坐標是對數坐標,也就是說全球絕大多數地震發生在40Km以內,屬於淺源地震。

    研究表明日本到我國東北部的深源地震是一個叫Izanagi的呈三角形的拆沉古大陸殘片與歐亞板塊碰撞的結果(圖6)。推測南美洲東部也存在一個拆沉的長條形古大陸殘片,其與南美洲大陸板塊碰撞造成該地區的深源地震。新西蘭北部等地也存在類似拆沉板塊情況。

    深源地震的成因機制目前仍有不少爭議,但諸多證據表明,和拆沉古板片有關,推測拆沉古板片會隨著深度增高增溫,發生熔融並分異出流體,在上覆板塊運動過程中使得軟流圈發生擾動,產生降壓發生爆炸(圖7)。也可能是蛇紋石在高溫高壓下發生晶格爆炸,地震波速顯著降低。但蛇紋石的產生需要水的參與並與橄欖岩發生水岩反應才能形成,這同樣說明需要拆沉的大陸地殼帶來豐富的含水岩石。另外氧化鋁在950-1200度時候也可以相變為α相剛玉,同時發生顯著的體積收縮。總之深源地震成因機制仍然不清。但拆沉的大陸板片分異和相變出來的榴輝岩和尖晶石因密度較大會下沉,堆積在440-660Km,形成地震反射界面。

    為什麼660Km是深源地震的最大深度?推測拆沉的大陸板塊中的重礦物密度正好在此深度與地幔密度平衡,拆沉的板片不能進一步下沉所致。

4 中國地震分佈與大陸漂移

(1)中國古代和當代地震

    從中國古代和當代地震分佈圖及新構造圖(圖8-9)可以看出,中國地震同樣受雙重因素控制,第一是新斷裂構造控制,第二是高壓地殼流控制。活動斷裂產生地震很容易理解,但有活動斷裂並不意味著一定會產生地震,如圖9中華南很多活動斷裂,黑龍江松遼平原兩側也是新構造運動的活動區域,但這些地方地震很少,基本上沒有大震。這說明大震還必須滿足另外一個條件,那就是高溫高壓地殼流。

    如何知道中國哪裡存在高溫高壓地殼流?圖10的中國地震烈度分佈圖告訴了我們答案,我們可以把該圖理解為地殼流的分佈區域,該圖說明隨著印度與歐亞的碰撞,擠壓產生的地殼流被塔里木、鄂爾多斯和四川盆地幾個克拉通阻擋,只能沿著造山帶,也就是斷裂破碎帶深部發生流動,比如在華北,一支地殼流沿著鄂爾多斯盆地周邊向北東流動,覆蓋到京津華北地區,另外一支沿著秦嶺大別造山帶直到蘇魯和郯廬斷裂帶。

    華南地區地震相對較少,主要原因是華南是由楊子板塊和古華夏板塊拼合而成的相對穩定的板塊,華南板塊西北部受四川盆地這個克拉通陸核的阻擋,地殼流只能很少部分到達東部,隨著歐亞板塊的向東緩慢漂移,華南板塊在10-40Km深度發生多層次滑脫(圖11),也就是說華南板塊漂移的深度大約在10-40Km深度,相對於太平洋板塊是一個平俯衝。這個漂移過程中僅有少量地殼流在雪峰山等造山帶上湧形成中小強度地震。而東側的台灣陸塊則向西漂移,在台灣海峽產生擠壓作用,使得台灣和中國福建沿海成為地震高發區。

(2)中國遠古地震

    中國在沒有人類記錄的時代有沒有地震呢?回答是肯定的,而且很多,大多集中在中國東部地區。這個結論來自於中國隱爆角礫岩的分佈圖。圖中明顯看出燕山期隱爆角礫岩較多出露,推測在中國大陸基岩出露區,從燕山期至今剝蝕深度大約在5Km左右,那些過去在地下深處的隱爆角礫岩已經被剝蝕接近地表,容易被發現。喜山期隱爆角礫岩出露較少,是因為大多數地震發生深度在2Km以下,這個時期剝蝕深度較小,只有小部分接近地表而被發現。並不意味著喜山期地震少。從中國隱爆角礫岩分佈推測,喜山期中國東部是造山帶,也是地震的活動帶,這和中國大地構造演化歷史一致。

5 亞洲地震分佈與大陸漂移

    從亞洲1900-2007年地震分佈圖(圖13)可以看出,亞洲地震分佈同樣可以通過新大陸漂移模型得到合理解釋。青藏高原直到俄羅斯境內的地震主要受控於印度板塊的碰撞擠壓,將印度板塊前端的地殼流擠入整個青藏高原之下,引起青藏高原的隆升同時引發多個沿造山帶的地震。而馬來西亞一帶地震是一系列微陸塊被擠出後向南東漂移,在這些微陸塊前方產生高壓地殼流同時伴隨著強烈的走滑斷裂,形成強地震分佈帶。菲律賓、印度尼西亞和巴布亞新幾內亞地震主要受雙重作用,一是受自身的大陸板塊漂移漂移影響,二受向北漂移的澳大利亞板塊的影響。沖繩島弧和馬里亞納島弧及千島島弧都是大陸板塊漂移後切割出來的島弧,佈滿了活動斷裂,同時受歐亞大陸的向東漂移及澳大利亞大陸的向北漂移,在交匯區產生了深部高壓地殼流,其綜合作用使得這幾條帶成為地震高發區。
    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,推测是地下聚积负电荷释放向大气产生的放电现象。

    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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