以颗粒物理原理认识地震 陆坤权 刘寄星 地震是给人类造成巨大生命和财产损失的自然灾 害中国受地震灾害损失尤为严重。尽管数十年来人们 作了巨大努力然而，地震预报研究未能获得突破。基 本共识是地震预报是世界性科学难题【1。 传统地震学以连续介质的应力一应变关系和波传 播理论为基础2_3l。依据连续介质中波传播规律，在地 震探测和以震波研究地球构造等方面。获得了大量有 价值成果。另一事实是，岩石受压应遵从固体应力一应 变相关变化规律。正是这种认识，在地震研究中往往习 惯于应用连续介质观念。然而，数十年来，在地震孕育 和发生、地震前兆及探测等问题上，远没有获得人们期 望的结果。全世界地震学家，使用了各种探测方法和很 多观测台站很少观测到大地震前有清楚的、可识别的 前兆2。一次8级地震释放的能量为63X10 焦，这一 能量超过目前北京市一年用电能量，这么大的能量积 累过程怎么没有可观测的前兆呢?不少事实表明，地 震发生前确实有某些异常和前兆迹象存在但这些地 震前兆现象的物理本质没有得到认识，更不用说实现 地震预报了。以至在国际地震界一直存在地震是否可 以预报的激烈争论。 我们依据大地构造的基本特征和已有观测事实。 将地壳和地幔作为大尺度离散态颗粒物质体系，运用 颗粒物理原理，获得了对地震的新认识l41。研究表明，数 十年来国内外地震界在有关地震孕育和发生过程、地 震前兆及其探测以及地震预测等问题上基本观念和 陆坤权：研究员中国科学院物理研究所软物质物理重点实验室 北京凝聚态物理国家实验室北京100190。 刘寄星：研究员，中国科学院理论物理研究所，北京100190。 Lu Kunquan：Research Professor，Beijirtg National Laboratory for Condensed Matter Physics，Key Laboratory of Soft Matter Physics，Institute of Physics，CAS，Beijing 100190 Liu Jixing：Research Professor，Institute of Theoretical Physics，CAS Beiiing 100190 论坛l 物理模型的偏差，导致对地震的认识和地震预报研究 未获得突破 地壳与地幔的离散态结构 颗粒物质是普遍存在的离散态物质形态，具有与 一般固体和流体不同的特殊运动规律近十多年来引 起物理学家的关注成为凝聚态物理研究前沿之一。正 是颗粒物质研究的新进展，使我们得以用其研究地震 问题并获得新认识。 包含地壳和上地幔顶部的岩石圈，由板块、断层构 成，并非是连成一体的岩石层。板块内有很多大小不同 的断层【5J断层间夹层为断层泥，宽度从厘米至数十米 以上。断层泥由黏土和岩石碎砾组成，是较细的颗粒物 质，是千万年地壳变动的产物。断层破坏了岩石层的连 续性，岩石层块和断层泥构成的地壳。应是大尺度离散 颗粒体系，连续介质应力一应变关系不再适用。 地壳下面是地幔。上地幔软化岩石呈固体结晶形态 存在，并有局部熔融，熔融岩浆约占110。固态岩块 的尺度可达公里量级以上，运动非常缓慢。显然，地幔这 美国加州蒂洪山口的断层泥 w wkexuemagcorn科学23 大的地震均为浅源地震。深源地震发生于地壳下深处， 震源深度可达数百公里，其机制与浅源地震不同。 浅源地震孕育过程： 岩块滞滑移动和力链传播 浅源地震是地壳岩石层的快速破裂，包括错动和 断裂。地幔流动是地震发生的主要力源，在地幔流动缓 慢而持续驱动下，岩石圈各地块受到的作用和阻力不 均匀运动也不均匀。某些地块受力持续增大，能量逐 步积累，形成引发地震的大地构造力。我国大陆发生的 地震主要是板内大陆地震。 中国大陆受到印度洋板块向东北运动和太平洋板 块俯冲的挤压共同作用。各地块的移动方向和速率有 明显的差别。就运动方向而言，在印度洋板块运动推动 下，拉萨和羌塘地块向东北运动，塔里木和准噶尔地块 向北运动，华北、华南和鄂尔多斯地块向东运动。而滇 西和滇南地块则向南运动。 这种地块运动方向的改变和速率差别，在传统连 续介质地震学中用所谓“大陆逃逸”和“地壳增厚”的假 说来解释，显然不当。其实，用地壳构成和运动的颗粒 模型，这种地块活动行为就很容易理解。方向变化源于 地块形状，速率差别为各处断层泥受压缩程度不同引 起。作用力的大小、分布，以及地层运动和传播方向由 各岩块形状、布局和阻力决定，呈现力链结构特征。力 链上岩块受力强。力链 外受力弱，甚至完全不 受力。这种作用力和运 动图像在长时期内大体 一致。地震必定发生在 力链或附近薄弱部分。 以上分析表明。地 震发生前能量积累过程 由岩石层块移动和挤压40 而造成。那么岩块如何 移动呢?先从观测事实 来说明。断层边界相对 位移通常称为蠕变，从 美国南加州海沃德 (Hayward)断层数个蠕 变站一段时间的测量数 据可以发现，将不同观 测点的数据图放大均 20 可看到台阶式滞滑位 移。这种岩块的滞滑移 动可普遍观测到，每次 论坛 位移距离为微米到毫米量级，是岩块克服摩擦力和边 界阻力发生的运动。台阶呈现的复杂性是两边岩块运 动行为不同所致 。大部分发表的论文中，将观测数据 以长时间间隔平均，台阶式位移一般都被抹平，岩块的 滞滑移动被忽略了。GPS测量给出的各处地块运动方 向和移动，正是滞滑移动累积的结果，目前的GPS技 术尚不能分辨小尺度滞滑位移。 浅源地震孕育产生的前兆和观测 地震前兆是指从地震开始孕育到地震发生过程中 产生的与此地震关联的各种可观测信息。长久以来，观 测得到“清楚的、确定的、有物理机制的前兆很少”21。这 是由于用传统连续介质观念无法理解所观测到的地震 前的异常，而且观测方法也不合适所造成。只有将地壳 岩石层作为离散态颗粒体系。才可获得对地震前兆及 其探测的正确认识。 力链可简化为一维体系，由于大地构造力作用，第 一岩块上作用力大于所受摩擦力和阻力时，岩块滞滑 移动，一步一步挤缩后面的断层泥，又推动第二块岩石 发生滞滑移动。就这样渐次使后面的岩块发生移动，力 和位移沿力链传播并逐渐积累能量。 各岩块分别相继滞滑移动时，岩块上的力必然逐 次减小，假定同一岩块所受力分布均匀。若第n个岩块 锁定不动，从 到 一1岩块间的断层泥被压缩到一定程 l 一二一 lira- 。一霉：j f - - ， -， lI -一 l _- 、 ， I：； 萨彦 _l _-一 兴安一东蒙 厂 阿尔泰 4Smma 准噶尔 。 l 瑚m 东北 一 ， 20ram r一 一 阿拉善 l _-一j_-j能 ；= - ： ：=|= 一 一 _二- 1 、 l 华北 l r_ 1c7 y r 、 05mm 7 华南 _一一 滇 - 7mma 。 一 r滇南 ， ： j I 南海 ： I 80 90 100 110 120 130 140 GPS测得的中国地块运动速度矢量图 箭头表示运动方向，图中标出了每年的移动量。 W3VWkexuemagtom 科学；25 论坛 FORUM 度时 到n一1个岩块将组合成整 体作同步滞滑移动。第n个岩块所 受的力随其前面的断层泥被压缩 而呈现单调台阶式上升趋势，n岩 块后区域不受影响。由此可知，第 一岩块开始受力并移动后，信息传 播到不同距离岩块的时间不同到 较远距离岩块所用的时间较长。若 岩块组合整体移动则可观测到同 步滞滑位移。 地震孕育过程的前兆信息主 力 距离 力 距离 fb) 岩石链上某一瞬态力的分布 (a)各岩块分别滞滑移动时，某一瞬态各岩石层 块上力的分布；(b)第n岩块锁定，前方岩块组合同步滞滑移动时作用力分布。图中 虚线箭头示意作用力增大趋势。 要是岩石层块滞滑移动以及岩块力链能量积累过程 产生的只在岩块力链或附近才可观测到。岩块的滞滑 移动、力链分布、岩块锁定及组合、岩块中力的积累等 均可通过观测获取。一些大地震的前兆信息可在很远 处观测到，可持续数月或更长。只要探测点足够多，用多 种方法均可得到相关前兆信息，同时给出时间次序。岩 块受压作用力很大和即将发生地震时，还会产生其他次 生的前兆效应。这些可对发生地震的可能性进行判断。 中源和深源地震的成因 深源地震成因是长期困惑地震界的问题。人们曾 提出多种假说，试图解释其机制，均未得到认可21。用连 续介质观念无法解释其产生原因。将下插岩石层和地 幔均作为大尺度离散颗粒物质颗粒流的堵塞一解堵塞 转变(jammingunjaming transition)的能量变化应是引 发深源地震的根源。 在潜没区域的下插岩块。以及周围的地幔中的岩 石块，尺度可大到以公里计，处于密集流状态。若遇到 某些大的障碍物，如地壳延伸体、大尺度岩块或密集岩 块团等，岩块运动会发生阻塞，流速减低，即通常的瓶 颈效应。 随时间推移和推力积累，被阻塞岩块尺度减小或 03：40：00 02：20：00 15：30：00 00：10：00 08：50(】0 07：40：00 00：10：00 08：50：00 12212010 12282010 2212叭1 3112O11 3282O1112252010122820112302011 美国南加州海沃德断层数个蠕变测量站的测量数据纵坐标表示断层间相对位 移量横坐标为测量日期和时间。测量点时间间隔为1O分钟，测量精度约为10微米。 大图中cfw，cpp，ctm，COZ为各测量站代号，A，B，C，D，E处截取的短时间间隔数据分 别绘于所对应的小图。在小图中标出了一些滑移台阶式跳变持续的时间和跳变高度。 http：cirescoloradoedubilhamCREEPDATAHaywardCreepmeterAccesshtm 26科学201 2年9月(64卷5期 开口突然变大，可发生阻塞态到 流动态转变，引起能量的突然释 放。就如同泥石流突破缺口，流量 突然变大那样。被阻塞时 。一0， 转变引起能量变化E ，删=2。 设解堵塞时出口宽度d=30公里， 岩块厚度10公里岩石和岩浆密 度为3000千克米3参与解堵塞 物质流动长度为10公里流动速 度v=l米秒即相当于人的步行 速度。则AE=45xlO坫焦。这一能 量释放已可引发一次79级深源 地震。这类地震也可发生在离地 壳较近的地幔区域一般称为中 源地震。 堵塞一解堵塞转变过程产生 岩块流动，其切变作用可产生切 变波。重新建立堵塞需较长时间， 因此中源和深源地震往往很少有 余震。同时，如交通流一样，堵塞 统计性质符合自组织临界性规 律必然遵从古滕贝格一里克特 (Gutenberg-Richter)定律。 若干地震学现象的机理和讨论 一些地震学专著以及论文中，均提 出了不少无法解释的地震学观测现象和 疑问。若用颗粒物质运动规律和本文前 面提出的观念这些问题则可以解答。 地震震源在地壳较深处 我国浅源地震深度大部分为10 20公里。为什么地震不发生在离地表 较浅处? 由于重力作用，断层泥中压强 近 似随深度h线性增大，则其等效弹性模 量M近似正比于h 。若断层泥等效弹 下插岩石层块流动受阻状态 示意 图中A、B表示阻挡岩石 块，d为堵塞时出口宽度。 性模量 在地表下10米处为100兆帕，则在10公里 深处约为1吉帕，即比地表附近高了约1O倍。岩石层 块滞滑移动挤压断层泥时，岩块深部受到比上部大得 多的水平作用力，就如同岩块问上部是软弹簧，下部是 硬弹簧的作用那样。正是岩块深部受到作用力大，导致 地震发生在地壳较深处。这也可解释震级愈大，震源深 度愈深的现象