基于震例探讨大地震的物理机制

【关 键 字】 地震区  锁固段  大地震  物理机制  脆性破裂
【摘    要】 查明大地震物理机制对地震预测和防震减灾具有重要意义.本文评述了当前主流地震机制假说,指出用于描述浅源地震机制的弹性回跳说和粘滑说存在诸多缺陷;前人提出的脱水致裂、相变失稳、剪切熔融和反裂隙断层作用等中-深源地震机制假说,均存在与观测事实不符的情况.本文简要介绍了近些年我们发展的孕震断层多锁固段脆性破裂理论,指出断层运动导致锁固段累进性破裂发生地震,称锁固段在体积膨胀点和峰值强度点发生的显著地震为标志性地震事件.震例分析表明,浅源、中源、深源及其混合型地震区标志性地震事件的孕育规律均遵循该理论.进一步的讨论指出,弹性回跳说和粘滑说均隐含着断层面上存在锁固段的假设;深源地震震源体具有发生脆性破裂的环境条件;该理论能合理解释地震应力降远小于室内岩石破裂应力降、热流佯谬和自组织临界性这些难点问题.这充分说明,大地震物理机制均可统一解释为锁固段脆性破裂.

1 引言
 
大地震具有突发性强、破坏性严重和预测难度大等特点,常给人类生命财产造成重大损失,如2008年汶川大地震造成近7万人死亡,直接经济损失达6920亿元(袁一凡,2008).弄清大地震物理机制对地震预测和防震减灾具有重要意义,尽管国内外诸多学者为此已做出不懈努力,但目前对其物理机制的认识尚存争议,仍未取得共识(Kanamori and Brodsky,2004;陈运泰,2007;陆坤权等,2014).
 
构造地震按震源深度可分为3类,即浅源地震(深度<70 km)、中源地震(深度70~300 km)和深源地震(深度>300 km).由于不同深度震源体所处温度、压力等条件相差较大,故地震物理机制可能不同.为此,前人针对不同类型地震分别提出了一系列假说,试图解释地震成因.
 
1.1 浅源地震机制研究现状
 
前人针对浅源地震机制提出的主流假说主要有3种,即弹性回跳说(Reid,1910)、粘滑说(Brace and Byerlee,1966;Scholz,1998)和岩石破裂说(Das and Aki,1977;Wyss et al.,1981;梅世蓉,1995).
 
 
图1 弹性回跳说示意图
(Reid,1910; 江在森和武艳强,2012)
(a) 无弹性应变积累; (b) 震前应变积累(断层锁闭); (c) 震时弹性应变释放.
Fig.1 Schematic illustration of elastic rebound hypothesis (Reid,1910; Jiang and Wu,2012)
(a) Inelastic strain accumulation; (b) Strain accumulation (fault locking); (c) Elastic strain release.
(1)弹性回跳说:是Reid(1910)研究1906年旧金山大地震时,基于圣安地列斯断层产生水平移动的特征提出的假说.该假说认为:岩层受力发生弹性变形,当应力超过岩石弹性强度时,断层两盘岩石整体回弹至原来状态,于是大地震发生(图1).容易知道,该假说仅适用于解释浅源大震的发生,而不适用于中源和深源地震,因为大震或巨震发生时会释放巨大能量,故回跳需足够大的空间,然而目前并无证据表明地球深部存在这样的空间(Griggs and Handin,1960;Orowan,1960).该假说与如下观测事实相悖:1)若此假说成立,则大震发生前,断层两盘岩石必然会发生较大变形,这样才能积累较大的弹性应变能,否则不会发生大地震,但这与观测事实不符.现代GPS和高精度位移测量表明,某些大震发生前并未观测到这样的大变形现象(武艳强等,2013;雷启云等,2015;刘刚等,2015),反而在某些大震发生时,因断层急剧滑动,能观察到断层两盘岩层被错断的现象,如汶川大地震所形成的地表破裂带(徐锡伟等,2008;张勇等,2008).这说明该假说可能颠倒了“因果”关系,即断层滑动能导致岩层错断,而不是岩层回弹导致断层失稳发震;2)该假说认为地震能量的载体(震源体)是活断层两盘岩石,且其受力在弹性范围,因此不能解释震源体在大震前发生的预震(preshock)或前震(foreshock)事件.
 
 
图2 弹簧-滑块模型示意图(据Byerlee(1978)修改)
Fig.2 Schematic illustration of spring-block model
(modified after Byerlee(1978))
(2)粘滑说:针对弹性回跳说与观测事实相悖的问题,Brace and Byerlee(1966)提出弹性回跳的物理机制可用摩擦滑动过程中出现的不平稳滑动(即粘滑)解释.显然,粘滑概念的引入,将弹性回跳说的断层变形问题转化为两盘岩石摩擦问题(刘力强,2014),或者说把沿着断层带两盘岩石的变形转换为滑动的研究.图2是Byerlee(1978)为解释粘滑说构建的、目前广为采用的弹簧-滑块模型,模型中断层位移被设定为刚性块体的摩擦运动,变形被设定为弹簧的伸缩,弹簧对滑块起加载作用.Byerlee在模型中之所以引入弹簧,是因为地震需要弹性能的释放,弹性变形依然是必须的(刘力强,2014).应该指出,该模型可用于描述观测到的粘滑现象,但不能用于解释大地震的发生.容易知道,弹簧―滑块模型用于解释大地震发生机制时,滑块代表断层两盘岩石,弹簧(室内实验中的试验机)代表远场位移(u)加载,也就是相邻区域(即相邻地震区)对滑块(震源体)加载.如此,相邻区域提供给震源体的应变能,在震源体超过摩擦强度突然滑动时,因滑块(震源体)为刚体,其能量将全部转化为滑块的动能、摩擦功及摩擦热能,震源体本身无弹性应变能释放,故不会发生大地震.因此,表面上看粘滑说是对弹性回跳说的发展和改进,但实质上却是一种倒退.
 
此外,粘滑说还存在如下缺陷:1)已有研究表明(Brace and Byerlee,1966,1970),温度对粘滑作用的影响相当明显,当岩石温度超过500 ℃时,难以发生粘滑而易发生蠕动或蠕变.考虑到地壳深度超过25 km时温度大多已接近500 ℃(Collier et al.,2001;安美建和石耀霖,2007),故粘滑说主要适用于解释震源深度25 km以内的浅源构造地震;2)由于假定大震发生前断层两盘“粘结不动”,故难以解释观测到的预震或前震事件.
 
 
图3 断层或板块俯冲带中的锁固段示意图
(据Toshihiro et al. (2003)和Ohnaka(2013)修改)
Fig.3 Schematic illustration of locked patches on faults or subduction zones (modified after Toshihiro et al.(2003) and Ohnaka(2013))
(3)岩石破裂说:断层运动导致岩石破裂就能发生地震,所以弄清地震机制,仍需从岩石破裂着手,并厘清积累能量的载体.为此,不少学者提出了障碍体模型(Das and Aki,1977)、凹凸体模型(Wyss et al.,1981)和包体模型.包体可分为软包体(Brady,1974,1975)和硬包体(梅世蓉,1995),因“软包体”不能积累较高能量,故该模型不能合理解释大地震的发生.秦四清等(2010)提出的“孕震断层多锁固段脆性破裂”理论,认为积累高能量的载体为断层或板块俯冲带中的锁固段,如硬包体、障碍体、岩桥与凹凸体等高强度介质(图3).与其它破裂模型的本质区别在于:一是指出有多个不同强度与尺度锁固段并存的可能;二是强调逐次累进性破裂;三是发现了加速破裂规律,且有诸多震例数据的支持.
 
1.2 中-深源地震机制研究现状
 
中源和深源地震常发生于汇聚型板块俯冲带,发震数量较少,一般不会对建筑物、人类生命安全等造成严重危害.它们的形成与板块运动和火山活动有着密切联系,对研究板块运动特征、地幔结构、浅源地震预测与地球深部物质等有重要意义.
 
Sibson(1977,1982)认为,板内浅源地震震源深度下限值与脆性-韧性转换带一致,所以容易理解浅源地震属于脆性破坏性质.与之相比,中-深源地震震源体处于更高的温度与围压环境,两者发震机制可能不同.在中-深源地震成因研究方面,前人提出了脱水致裂机制、相变失稳机制、剪切熔融机制和反裂隙断层作用机制等假说.
 
(1)脱水致裂机制:Raleigh and Paterson(1965)在高温实验中发现,在较小剪切应力作用下蛇纹石脱水导致有效应力及强度降低,易发生脆性破裂.最近,Okazaki and Hirth(2016)在变形实验中发现硬柱石也能发生脱水脆性破裂.板块在俯冲过程中,温度和压力随深度不断增加,当达到一定的温压条件时会发生矿物的脱水反应(Mishra and Zhao,2004;干微等,2012).该假说主要用于解释中源地震成因(余日东和金振民,2006).在误差允许范围内,蛇纹石的脱水边界与双震带的位置一致(Green et al.,2010),故该假说能很好地解释中源双震带的分布(Yamasaki and Seno,2003).然而,Chernak and Hirth(2010)在实验中发现,叶蛇纹石的脱水反应更多的是促进均匀的变形而不是局部的脆性破坏,故脱水作用是否为中源地震成因受到质疑.
 
(2)相变失稳机制:Bridgman(1945)提出深源地震由相变失稳所致,认为地幔主要矿物橄榄石相变时体积会急剧变化,产生一种向体内收缩的内爆作用,从而导致深源地震发生.之后,Kirby et al.(1991)和Silver et al.(1995)相继指出地球深部410~660 km是深源地震高发区域,这恰好与地球内部相变范围有一致的对应关系.然而,该假说的缺陷显而易见:1)相变时内爆产生的地震波各向同性,无S波产生,而深源地震产生的地震波具有强烈的双力矩源或剪切分量,且S波强烈(Dziewonski and Gilbert,1974;Kawakatsu,1991;Houston,1993;Estabrook and Kind,1996;Okal,1996;赵素涛,2012);2)深源地震的地震波辐射花样表明,其与相变时体积急剧收缩的假说相违背(Kirby et al.,1991);3)相变需要矿物在一定温度压力条件下才能够发生,但深源地震发生在板块内部,其温度压力可能达不到相变要求(见第4节论述);4)该假说无法解释重复地震的现象(Wiens and Snider,2001);5)相变时瞬时快速的体积突变才能导致地震发生,这就需要一定位错空间,然而目前并无证据表明地球深部存在这样的空间(Griggs and Handin,1960;Orowan,1960;Kirby et al.,1996).目前已有大量M≥8.0级深源地震发生超剪切破裂的记录,而相变机制难以合理解释如此大的能量积累过程与瞬间释放现象;6)地球内部存在两个全球性相变界面(Flanagan and Shearer,1998),即410 km(地幔转换带上界)附近橄榄石转变为瓦兹利石相变和660 km(地幔转换带下界)附近的林伍德石转变为钙钛矿和镁方铁矿相变.然而,实际观测表明,深源地震并非呈全球性分布,而是主要位于环太平洋汇聚型板块边界附近,呈带状分布.
 
(3)剪切熔融机制:Bridgman(1936)最先在围压为5 GPa的剪切实验中发现有破裂产生,Orowan(1960)认为这种破裂由蠕变导致,Griggs and Handin(1960)在此基础上正式提出剪切熔融假说,认为加速蠕变开始后,剪切带变形将逐渐局限在某一薄层中,可能通过产生的热量导致剪切熔融,进而失稳发生深源地震.该假说作为中-深源地震机制的一种解释,能合理解答重复地震以及玻利维亚与斐济地震断层面宽度问题(干微等,2012),但该假说的缺陷同样不容忽视:1)缺少实验数据支撑且难以在实验室中得到验证(周翊,1994;赵素涛,2012);2)Ye et al.(2013)的研究表明,2013年鄂霍次克海MW8.3级深源地震可能涉及到剪切破裂,但几乎没有熔融发生.
 
(4)反裂隙断层作用机制:Kirby(1987)通过相变实验发现,在低密相转变为高密相过程中,初期相变可引起高压断裂.Green et al.(1990)通过观测实验样品的显微结构发现,当压力达到15 GPa时,橄榄石-瓦兹利石开始出现反裂隙,随压力增加裂隙连接在一起,最终形成反裂隙断层.该假说符合深源地震的双力矩源特征及剪切分量特征,能建立相变分层现象与深源地震分布的联系,并有实验证明及力学机制解释(干微等,2012).然而,该假说存在如下缺陷:1)相变发生的前提是存在亚稳态区(Geller,1990;Kirby et al.,1996),而橄榄石亚稳态区是否确实存在仍有争议(Karato et al.,2001;Mosenfelder et al.,2001;Wiens,2001);2)其他学者(Dupas-Bruzek et al.,1998; Karato et al.,2001)在几乎完全相同条件下的实验中并未发现反裂隙断裂产生;3)该假说所预测的深源地震断层面宽度为10~20 km(Karato et al.,2001),但实际地球物理观测表明某些深源地震断层面宽度远大于此值(Kikuchi and Kanamori,1994;Wiens et al.,1994;Tibi et al.,1999;Ye et al.,2013).
 
综上所述,目前关于浅源和中-深源地震物理机制的主流假说,均存在诸多有争议的问题,且难以自圆其说,故需另辟蹊径探寻新学说.20世纪70年代后,前人逐步认识到地震孕育过程与地壳中的应力变化和岩石变形密切相关,相继提出各种破裂模型(Das and Aki,1977;Brune,1979;Jones and Molnar,1979;Wyss et al.,1981;耿乃光等,1986;梅世蓉,1995).在此基础上,我们于2010年首次提出了孕震断层多锁固段脆性破裂理论(秦四清等,2010),历经6年的发展,该理论已渐趋完善.
 
本文首先简介孕震断层多锁固段脆性破裂理论,然后通过典型震例分析阐明该理论能否合理解释浅源、中源与深源地震机制,并讨论某些学界关注的热点和难点问题.
 
2 孕震断层多锁固段脆性破裂理论
 
岩石力学实验表明,岩石变形破坏过程可分为如图4所示的5个阶段.加载时,岩石破裂导致声发射(微破裂或微震)事件发生.加载初期,微破裂在空间呈现均匀分布特征(图5),当加载至体积膨胀点时,微破裂丛集,震群事件开始发生,震群事件是岩石宏观破裂前监测技术可识别的唯一地震活动性前兆.以单锁固段为例,当加载应力达到其峰值强度点时,宏观破裂发生,即主震事件发生.主震事件后一定时间范围内的系列破裂事件称之为余震.峰值强度点以前发生的系列破裂事件标志着岩样处于能量积累阶段,峰值强度点及以后发生的系列破裂事件标志着岩样处于能量释放阶段.定义体积膨胀点与峰值强度点之间的系列破裂事件为预震事件,临近峰值强度点的预震为前震事件.
 
 
图4 三轴压缩下岩石(锁固段)变形破坏过程示意图
Fig.4 Schematic illustration of deformation and failure process of rock (locked patch) under triaxial compression
 
图5 岩石变形过程中微破裂的空间分布(据Mogi(1985)修改)
Fig.5 Spatial distribution of micro failures during rock deformation (modified after Mogi(1985))
基于断层运动模式及相关地震活动性受断层面上一个或多个高强度“锁固段”所控制的新认识,以及室内岩样(锁固段)被加载至体积膨胀点时开始出现的唯一前兆——震群事件,秦四清等(2010)结合重正化群理论与损伤理论,首次提出了“孕震断层多锁固段脆性破裂理论”,其数学描述可简单表示为:
 
 
(1)
 
式中,Sc为第1个锁固段体积膨胀起点对应的CBS(Cumulative Benioff Strain)值,Sf(k)为第k个锁固段峰值强度点对应的CBS值.
 
式(1)首次给出了岩石(锁固段)加载过程中体积膨胀点与峰值强度点之间的量化应变关系.基于此,可根据锁固段膨胀起点对应的CBS值,提前给出锁固段发生宏观破裂对应的临界CBS值,结合实时监测信息可进行预测.
 
需说明的是,Benioff应变计算取决于一个地震区某孕育周期完整且准确的地震目录.由于历史地震目录不完整或误差较大,故初始应变误差不可避免,会影响预测临界CBS值的精度.计算该误差的公式为:
 
 
(2)
 
式中,Δ表示应变误差,和分别为第1锁固段体积膨胀点和峰值强度点对应的CBS值.
 
断层运动导致锁固段累进性破裂发生地震,我们称锁固段在体积膨胀点和峰值强度点发生的显著地震为标志性地震事件.设MC和MF为锁固段体积膨胀点和峰值强度点对应的标志性地震事件震级,MP为锁固段在此期间发生的预震或前震事件震级,在震级标度统一的情况下,其震级关系(秦四清等,2016c)一般应满足:
 
 
(3)
 
 
(4)
 
主震事件前的第k个和第k+1个锁固段峰值强度点所对应的标志性地震事件震级,常呈现如下关系:
 
 
(5)
 
其中,MF(k+1)=MF(k)-0.2较为多见.
 
原理上,某地震区一个孕育周期主震事件发生前所积累的弹性应变能(Ea),应等效于主震释放的弹性应变能(Em)和余震释放的弹性应变能(Er)之和,即:
 
 
(6)
 
对未发生过主震的地震区,可根据式(6)判断某次显著地震是否为主震事件.
 
3 震例分析
 
我们认为,地震区可定义为由区域性大断裂围限形成的断陷或隆升块体,块体内部断裂(地震)活动密切相关,相邻块体以剪切或挤压方式相互影响其加载方式或速率,但不改变各自大震孕育规律.根据孕震断层多锁固段脆性破裂理论,秦四清等(2016a,b,c)对全球主要地震带共划分了62个地震区(图6),其标志性地震事件孕育规律均严格遵循该理论.截至目前,对某些地震区7次预震事件和1次标志性地震事件的前瞻性预测已得到实际验证(秦四清和薛雷,2011;秦四清等,2012,2013,2014a,b,c,d).我们将以5个典型地震区为例,说明用该理论解释浅源、中源与深源地震机制的适用性.
 
3.1 浅源地震区
 
海原地震区(图6中编号23)是一个浅源地震区,曾发生M≥8.0级地震4次(表1).
 
图7示出了该地震区当前孕育周期经误差修正后标志性地震事件之间的力学联系(秦四清等,2016c).根据1561年8月4日宁夏中宁东MS7.5级地震发生前的CBS值,可较准确地连续预测到1654年7月21日甘肃天水南MS8.0级地震、1739年1月3日宁夏平罗MS8.2级地震与1920年12月16日宁夏海原MW8.3级地震的临界CBS值.根据秦四清等(2014a)提出的主震事件判识原则,判断该区当前孕育周期存在第4锁固段,当其被加载至峰值强度点时,应发生标志性地震事件.
 
表1 海原地震区M≥8.0级地震事件
Table 1 The earthquake events with M≥8.0 in the Haiyuan seismic zone
 
可看出,其标志性地震事件孕育规律遵循孕震断层多锁固段脆性破裂理论,说明该浅源地震区大(巨)震机制为锁固段脆性破裂.
 
3.2 中源地震区
 
兴都库什地震区(图6中编号58)位于印度板块和欧亚板块交界附近,是一个以中源地震为主的地震区,曾发生M≥7.3级地震14次,其中中源地震10次(表2).
 
图8示出了该地震区当前孕育周期经误差修正后标志性地震事件之间的力学联系(秦四清等,2016c).根据1909年7月7日阿富汗巴达赫尚MW7.9级地震发生前的CBS值,可较准确地连续预测到1921年11月15日巴达赫尚MW7.9级地震、1949年3月4日法扎巴德MW7.7级地震与巴达赫尚1983年12月30日/1985年7月29日MW7.5级双震的临界CBS值.根据秦四清等(2014a)提出的主震事件判识原则,判断该区当前孕育周期存在第4锁固段,当其被加载至峰值强度点时,应发生标志性地震事件.
 
 
图6 全球主要地震区划分图(2.0版)(秦四清等,2016d)
Fig.6 Division map of main seismic zones in the world (Version 2.0) (Qin et al.,2016d)
表2 兴都库什地震区M≥7.3级地震事件
Table 2 The earthquake events with M≥7.3
in the Hindu Kush seismic zone
 
 
图7 海原地震区公元前193-02—2015-11-21之间
CBS值与时间关系
1920年海原地震按MW8.3级考虑(秦四清等,2016c); 数据分析时选取MS≥5.5级地震事件;误差修正已被考虑.
Fig.7 Temporal distribution of CBS in the period from B.C. February 193 to 21 November 2015 for the Haiyuan seismic zone
The 1920 Haiyuan earthquake is considered as MW8.3 (Qin et al.,2016c). The earthquake events with MS≥5.5 are selected for data analysis. The error correction is also considered.
 
图8 兴都库什地震区1505-07-06—2016-02-24之间CBS值与时间关系数据分析时选取ML≥6.5级地震事件;误差修正已被考虑.
Fig.8 Temporal distribution of CBS in the period from 6 July 1505 to 24 February 2016 for the Hindu Kush seismic zone
 
The earthquake events with ML≥6.5 are selected for data analysis. The error correction is also considered.
可看出,其标志性地震事件孕育规律遵循孕震断层多锁固段脆性破裂理论,说明该中源地震区大震机制为锁固段脆性破裂.
 
3.3 深源地震区
 
珲春地震区(图6中编号31)处于欧亚板块与鄂霍茨克板块交界附近,是最具代表性的、以深源大地震为主的地震区,曾发生M≥7.2级地震20次(表3),其中深源地震11次.
 
图9示出了该地震区当前孕育周期经误差修正后标志性地震事件之间的力学联系(秦四清等,2016b).根据1900年1月11日日本海Muk7.8级地震发生前的CBS值,可较准确地连续预测到1918年1月30日俄罗斯滨海边疆区MS7.7级地震与1949年9月23日日本海MS7.8级地震的临界CBS值.根据秦四清等(2014a)提出的主震事件判识原则,判断该区当前孕育周期存在第3锁固段,当其被加载至峰值强度点时,应发生标志性地震事件.
 
可看出,其标志性地震事件孕育规律遵循孕震断层多锁固段脆性破裂理论,说明该深源地震区大震机制为锁固段脆性破裂.
 
3.4 混合型地震区
 
雅加达和北海道地震区,均发生过浅源、中源与深源地震,称之为混合型地震区.
 
3.4.1 雅加达地震区
 
该地震区(图6中编号34)位于澳大利亚板块、印度板块、缅甸板块与欧亚板块交界附近,曾发生M≥8.2级地震10次(表4).截止到2016年2月24日,该地震区曾发生M≥7.5级地震55次,其中浅源地震47次,中源地震5次,深源地震3次.
 
表3 珲春地震区M≥7.2级地震事件
Table 3 The earthquake events with M≥7.2 in the Hunchun seismic zone
 
 
图9 珲春地震区19-02—2016-01-03之间CBS值与时间关系数据分析时选取MS≥6.5级地震事件;误差修正已被考虑.
Fig.9 Temporal distribution of CBS in the period from February 19 to 3 January 2016 for the Hunchun seismic zone
The earthquake events with MS≥6.5 are selected for data analysis. The error correction is also considered.
图10示出了该地震区当前周期经误差修正后标志性地震事件之间的力学联系(秦四清等,2016a).
 
表4 雅加达地震区M≥8.2级地震事件
Table 4 The earthquake events with M≥8.2 in the Jakarta seismic zone
 
 
图10 雅加达地震区1629-08-01—2016-02-24
之间CBS值与时间(据秦四清等(2016a)修改)
数据分析时选取MS≥7.0级地震事件;误差修正已被考虑.
Fig.10 Temporal distribution of CBS in the period from 1 August 1629 to 24 February 2016 for the Jakarta seismic zone.
(modified after Qin et al.(2016a))
 
The earthquake events with MS≥7.0 are selected for data analysis. The error correction is also considered.
根据1818年11月8日印度尼西亚巴厘海MS8.5级地震发生前的CBS值,可较准确地连续预测到1861年2月16日拉贡迪MS8.5级地震、1938年2月1日班达海MW8.5级地震与2004年12月26日苏门答腊西海岸MW9.0级地震的临界CBS值.根据秦四清等(2014a)提出的主震事件判识原则,判断该区当前孕育周期存在第4锁固段,当其被加载至峰值强度点时,应发生标志性地震事件.
 
3.4.2 北海道地震区
 
该地震区(图6中编号38)位于鄂霍茨克板块、欧亚板块、北美洲板块、太平洋板块与菲律宾板块交界附近,曾发生M≥8.3级地震19次(表5).截止到2016年2月24日,该地震区曾发生M≥7.5级地震83次,其中浅源地震75次,中源地震3次,深源地震5次.
 
表5 北海道地震区M≥8.3级地震事件
Table 5 The earthquake events with M≥8.3 in the Hokkaido seismic zone
 
图11示出了该地震区当前孕育周期经误差修正后标志性地震事件之间的力学联系(秦四清等,2016a).根据1898年6月5日日本海沟Muk8.7级地震前的CBS值,可较准确地连续预测到1952年11月4日勘察加东部近海MW8.9级地震与2011年3月11日日本宫城东部近海MW9.0级地震的临界CBS值.根据秦四清等(2014a)提出的主震事件判识原则,判断该区当前孕育周期存在第3锁固段,当其被加载至峰值强度点时,应发生标志性地震事件.
 
 
图11 北海道地震区144-02-15—2016-02-24之间
CBS值与时间关系
数据分析时选取MW≥7.0级地震事件;误差修正已被考虑.
Fig.11 Temporal distribution of CBS in the period from 15 February 144 to 24 February 2016 for the Hokkaido seismic zone
The earthquake events with MW≥7.0 are selected for data analysis. The error correction is also considered.
对上述两个混合型地震区的震情分析表明, 其标志性地震事件的孕育规律均遵循着孕震断层多锁固段脆性破裂理论.
 
4 深源地震震源体的赋存环境
 
前人(Kirby et al.,1991;Frohlich,1994)通常认为深源地震不大可能是岩石脆性破裂所致,主要原因在于“深源地震震源体处于更高的温度与围压环境,可能呈熔融或塑性流动状态,不具有发生脆性破裂的条件.”果真如此吗?
 
Wiens and Gilbert(1996)指出,深源地震受板块热结构影响和控制,对温度极其敏感(Stein,1995;Wiens,2001).俯冲板块以相对较冷的温度俯冲进入上地幔,在俯冲过程中,地球内部热量使其外缘逐渐变热,但板块内部温度并不太高.研究结果表明(Thompson,1992),地幔410 km和660 km附近温度分别接近1450 ℃和1600 ℃.深源地震一般发生在低温大洋俯冲带中,板块巨厚且导热性差,温度最低区域比周围地幔可低1000 ℃,并且这种温差可持续数百万年(Kirby et al.,1991).
 
深源地震主要发生在冷俯冲板块内部,而不是它的边界(McGuire et al.,1997;Wiens,2001).Emmerson and Da(2007)认为深源地震的发生取决于俯冲带温度机制而与其它因素无关.尽管地幔处于高温状态,但板块内部均保持低温状态,深源地震发生区域温度可能小于600 ℃(Dan et al.,2005;McKenzie et al.,2005).Kirby et al.(1996)也认为该区域温度为500~700 ℃.室内高温高压实验表明,蛇纹石在高达40 GPa条件下仍可发生脆性破裂(章军峰,2003),而下地幔顶部压力约23 GPa(Ishii et al.,2011).这再次说明岩石能否发生脆性破裂关键取决于温度.岩石高温高压实验表明,花岗岩在低于800 ℃环境下(翟松韬等,2013)、蛇纹石在900 ℃以下(Dobson et al.,2002)与石榴石在1000 ℃以下(Voegelé et al.,1998),均表现为脆性破裂行为.再者,矿物脱水会减少原有断层的有效应力,有利于发生脆性破裂(Stein,1995).
 
诸多学者的研究表明,深源地震与浅源地震诸多特征具有相似性(Kirby et al.,1991;Green and Houston,1995;Wiens,2001),如辐射图型、震级分布范围、震源-时间函数、破裂速度和应力降等(干微等,2012).这意味着深源地震物理机制与浅源地震类似,是某种形式的剪切破裂,由断层错动或板块俯冲所致.
 
从现有震源机制解的资料看,深源地震具有剪切破裂特点.例如,Ye et al.(2013)的研究表明,2013年5月24日鄂霍次克海域MW8.3级深源超剪切地震(深度610 km),形成了长度超过180 km的断层撕裂和最大达10m的剪切滑动,其地震辐射表明,该地震的剪切破裂可能与浅源地震没有区别;该震和1994年6月9日玻利维亚MW8.3级深源地震(深度636 km),与浅源地震相比,具有类似的断层几何形状和有轻微偏差的剪切双偶.1994年3月9日汤加MW7.6级深源地震(深度564 km)后发生了一系列余震,利用附近8个临时宽频带地震台数据,发现这些余震的破裂速度、应力降、数量及时间幂律衰减等均与典型浅源地震余震相似(Wiens et al.,1994).Jiao et al.(2000)统计分析了1976年2月至1999年3月间的汤加深源地震,指出俯冲带中存在高度非均匀应力场或已有断层均可导致一些深源地震发生.
 
上述分析说明,深源地震震源体具有发生脆性破裂的环境条件,深源地震机制可能与浅源地震类似.
 
5 大地震的物理机制
 
上述震例分析表明,孕震断层多锁固段脆性破裂理论可统一描述浅源、中源与深源地震的孕育规律.不仅如此,若仔细推敲,易知前人提出的弹性回跳说和粘滑说,实际上均隐含着断层带或板块俯冲带存在“锁固段”的假设.
 
对弹性回跳说而言,如果断层带由软弱物质组成,即断层两盘岩石强度(准刚体)远大于断层带介质强度,则两盘岩石沿断层带必呈稳态蠕滑,难以积累较大的弹性变形;只有断层带含有高强介质(即锁固段)时,两盘岩石变形受阻,才可能累积较大的弹性变形,这意味着弹性回跳说实际隐含着断层带内某些部位存在锁固段的假设.
 
对粘滑说而言,断层运动只有受阻时,即在断层带内某些部位存在高强度障碍体或岩桥时,才能呈现“粘结”行为;当这些部位被剪断时,两盘岩石将发生突然“滑动”;当断层带内存在多段高强介质时,就会出现沿着断层面“粘结”和“滑动”交替进行的行为.这意味着粘滑说也隐含着断层带内某些部位存在锁固段的假设.如此,可对前述弹簧―滑块模型稍加改造,便可合理解释大地震机制. 若“滑块”间的断层面介质含有锁固段,其因断层运动受载积累应变能,有能量就会破裂,小破裂发生小地震,大破裂发生大地震,但只要锁固段未被剪断,即使发生大震,滑动仍较小,呈现粘结行为.只有锁固段被剪断时,沿断层才会剧烈滑动.再者,如果存在“多”锁固段,则可发生持续性地震活动.
 
对剪切熔融说而言,若剪切带介质含有锁固段,其加速蠕变开始后的变形局部化视为破裂丛集,根据孕震断层多锁固段脆性破裂理论也能合理解释这种机制.
 
上述分析表明,弹性回跳说、粘滑说和剪切熔融说本质上均可统一到孕震断层多锁固段脆性破裂理论,表明该理论具有普适性,并可合理解释如下学界关注的热点和难点问题.
 
5.1 为何地震应力降远小于室内岩石破裂应力降?
 
地震发生时,观测到的应力降为1~10 MPa(Kanamori and Anderson,1975;陈运泰,2010),主要分布范围为2~6 MPa(臧绍先,1984).然而,高温高压实验结果表明(Brace and Byerlee,1966;Ismail and Murrell,1990),岩石破裂应力降可达100~700 MPa,其应力降远高于地震应力降.对于该问题,其他地震机制假说均不能给出令人满意的解释.基于孕震断层多锁固段脆性破裂理论,认为:某地震区主震发生时,即当前孕育周期最后一个锁固段发生宏观破裂时,因其不再受下一个锁固段约束,应力能得到较充分释放,预计其应力降值应与室内力学实验测定结果一致;对主震前发生的标志性地震事件,因该锁固段发生宏观破裂时,受下一个锁固段约束,应力降值不会太大;对锁固段标志性事件之间发生的显著预震事件,因是锁固段局部破裂导致的中间过程事件,故应力降值应很小.
 
我们对全球62个地震区的震情分析表明(秦四清等,2016a,b,c),当前周期各地震区主震事件均尚未发生.由此判断,过去估测的某些地震的应力降应远低于室内实验结果.
 
5.2 热流佯谬
 
地震断层强度是高的还是低的?这是一个困扰地震学家数十年的科学难题(Miller,2002;陈运泰,2010).如果断层强度低,不可能积累较高能量,因此不可能发生大地震;如果断层强度高,大地震发生时断层滑动摩擦产生明显“热流异常”(Mckenzie and Brune,1972).然而,在圣安德列斯断层并未观测到这种异常(Brune et al.,1969;Henyey and Wasserburg,1971;Lachenbruch and Sass,1988;Scholz,2002),这说明圣安德列斯断层所能承受的最大剪应力不高,断层强度较弱.上述矛盾被称作热流佯谬,也称作断层强度佯谬或圣安德列斯(断层)佯谬.
 
我们认为,孕震断层中存在一个或多个锁固段,即断层的某些部位强度高而其余部位强度低,也就是断层局部强度高而非整体强度高.强度高的锁固段承受应力集中,是高能量的载体;强度低的部位起传递或调整应力作用.某个锁固段发生宏观破裂后,应力向下一个锁固段转移,导致下一个锁固段承受应力集中,以此类推.如果“热流异常”确实能反映应力较高的情况,那么在锁固段发生较大破裂的部位,即大地震的震源附近,震时或震后较短时间应能观测到明显的“热流异常”,而在其他部位则难以观测到.再者,大地震发生后,目前无法直接准确地测量摩擦产生的热能,只能通过浅层地壳地热的测量值来推断其大小(晏锐等,2011).因此,在地表或近地表测定的热流,可能难以反映深部的实际情况,因为即使深部存在“热流异常”,其影响应在有限范围.
 
5.3 自组织临界性
 
自组织临界性(SOC)这一概念最早由Bak et al.(1987)提出,指的是一个具有持续能量供给且由许多基本单元组成的系统,当单元之间具有非线性相互作用时,会自发地演化到某个临界状态.目前国际上围绕地震预测问题的争论,很大程度上与地震的自组织临界性模型有关.Geller et al.(1997)认为:“地球处于一种自组织临界状态,其中任何小地震都有可能级联式地发展成一个大地震.”据此,认为地震不可能被预测.自组织和临界性有什么联系呢?这可根据孕震断层多锁固段脆性破裂理论给予解答.岩石力学实验表明,在加载到体积膨胀点之前,岩石破裂过程是稳定的,不会出现自组织过程;当岩石被加载至体积膨胀点时,不仅已有的裂纹扩展,且会产生新的裂纹,微破裂开始丛集,此时即使停止加载也不能保持稳定平衡,系统会自发地向岩石宏观破裂点——临界点演进,因此体积膨胀点是自组织行为出现的开始点.当损伤累积至峰值强度点时,宏观破裂发生,岩石发生突变失稳.换言之,岩石失稳发生前,必须出现自组织过程.自组织是“因”,临界失稳是“果”.从破裂自组织出现到临界失稳,不是一个瞬态过程,对大地震孕育历时而言,是一个长期过程.我们对大地震标志性事件孕育过程的分析表明(秦四清等,2016a,b,c),这个过程一般少则需数十年乃至数百年,多则可达数千年.
 
6 结论
 
(1) 本文评述了当前主流地震物理机制假说,指出弹性回跳说和粘滑说本质上均隐含着锁固段假设,深源地震震源体具有发生脆性破裂的环境条件.
 
(2) 震例分析表明,各地震区标志性地震事件孕育规律均遵循着孕震断层多锁固段脆性破裂理论,浅源、中源和深源地震均为锁固段脆性破裂所致.
 
(3) 该理论能合理解释地震应力降远小于室内岩石破裂应力降、热流佯谬和自组织临界性这些难点问题.
 
致谢 感谢国家自然科学基金资助项目(41572311;41302233)对研究工作的资金支持.
 
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(本文编辑 刘少华)
 
Physical mechanism of major earthquakes by earthquake cases
 
WU Xiao-Wa, QIN Si-Qing*, XUE Lei, YANG Bai-Cun, LI Pei, ZHANG Ke
 
Key Laboratory of Shale Gas and Geoengineering, Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
 
Abstract:Understanding the physical mechanism of major earthquakes is very important for earthquake prediction and its disaster reduction. The mainstream hypotheses on earthquake mechanism are reviewed in this paper. It is pointed out that the elastic rebound and stick-slip hypotheses, both of which are usually used to explain the mechanism of shallow-focus earthquakes, have some serious drawbacks, and that such hypotheses explaining the mechanism of intermediate- and deep-focus earthquakes as the dehydration embrittlement, phase transition instability, shear melting and anticrack-associated faulting, are inconsistent with some observation data. Thus, it is necessary to establish a new hypothesis or theory on earthquake mechanism. The brittle failure theory of multiple locked patches in a seismogenic fault system developed by us since 2010, is introduced in the present study. It is stated by the theory that the progressive failures of locked patch result in the occurrence of earthquakes due to the fault movement. Hereafter, the significant earthquakes occurred at its volume expansion and peak strength points are referred to as characteristic ones. The earthquake cases indicate that the seismogenic processes of shallow-, intermediate- and deep-focus characteristic earthquakes can be well explained by the theory. We emphasize that both the elastic rebound and stick-slip hypotheses contain the same implicit assumption that there exist locked patches in the seismogenic faults, and that the source body of deep-focus earthquakes is with appropriate environment conditions leading to brittle failures. Moreover, some controversial issues, such as seismic stress drop much less than that of rock failure in the laboratory test, heat flow paradox and Self-Organized Criticality (SOC), are discussed and can be reasonably explained by the theory. The present study shows that the physical mechanism of major earthquakes is attributed to the brittle failures of locked patches.
 
Keywords:Seismic zone; Lock patch; Major earthquake; Physical mechanism; Brittle failure
 
References:
 
doi:10.6038/cjg20161016.
 
基金项目:国家自然科学基金项目(41572311;41302233)资助.
 
作者简介:吴晓娲,女,1985年生,主要从事岩石破裂致灾机理研究.
 
*通讯作者:秦四清,1964年生,河北行唐人,中国科学院地质与地球物理研究所研究员,主要从事工程地质、非线性岩土力学与岩土工程类研究.目前科研兴趣:强震预测研究.
doi:10.6038/cjg20161016
 
中图分类号:P315
 
收稿日期:2016-07-20,2016-08-21收修定稿
 
吴晓娲, 秦四清, 薛雷等. 2016. 基于震例探讨大地震的物理机制. 地球物理学报,59(10):3696-3710,
 
Wu X W, Qin S Q, Xue L, et al. 2016. Physical mechanism of major earthquakes by earthquake cases. Chinese J. Geophys. (in Chinese),59(10):3696-3710,doi:10.6038/cjg20161016.


【作者机构】 中国科学院地质与地球物理研究所中国科学院页岩气与地质工程重点实验室
【来    源】 《地球物理学报》 2016年第10期P3696-3710页

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