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地震新知

 

 

梁光河

中国科学院地质与地球物理研究所

中国科学院矿产资源研究重点实验室

Lgh@mail.iggcas.ac.cn

 

注:本文为纪念唐山地震40周年,由中国大百科全书出版社《百科知识》专门约稿撰写的地震研究新进展。发表在《百科知识》2016年第14期。参见:http://www.dooland.com/magazine/article_883520.html

 

没有任何预警,它却能在短短几秒钟之内撕裂大地,吞噬生命;更令人惧怕的是,它至今无法被准确预测……这种自然灾害,就是地震。

20世纪以来,我国共发生6级以上地震近800次,遍布全国除贵州、浙江两省和香港特别行政区以外所有省、自治区、直辖市,死难者多达55万人之多,占同期全球地震死亡人数的53%。我们常用“占世界7%的土地,养活了世界上22%的人口”来形容中国;却很少有人知道,这占世界7%的土地承受了全球33%的大陆强震。我国是世界上大陆强震最多的国家。

地震是与一定的地震构造相联系的。我国位于世界两大地震——环太平洋地震带欧亚地震带的交汇部位,再加上印度板块对欧亚板块深部地球动力作用的影响,巨大的晚第四纪活动断裂十分发育,这些断裂正是大地震的温床。有历史记载以来,我国大陆几乎所有的8级和80%~90%7级以上强震都发生在这些断裂边上。其中,发生在1976年的唐山大地震和发生在2008年的汶川地震,都造成了巨大的生命财产损失。

虽然目前还难以准确预报大地震,但科学家对地震的研究工作一直在紧锣密鼓地进行着。这些研究工作主要集中在两方面:一是理论方面,主要研究地震的成因机制,即地震到底是怎样形成的,其内在的动力是什么;二是技术方面,具体研究地震预测预报的技术方法,包括观测仪器的研发和实际观测应用。

地震是怎么发生的?

地震的成因,是地震研究中最为关键的基础理论,它指导了地震研究及地震预测技术发展的方向。如果地震的成因机制不清楚,地震预测就无从下手,更谈不上采用什么预测技术了。

关于地震的成因机制,目前还存在很大争议。国外科学家提出的地震成因机制主要有3个假说,分别是弹性回跳、岩浆冲击和相变假说。我国科学家则提出了更多的假说,包括红肿理论、膨胀蠕动、多应力集中、隐爆成因、电磁成因及气爆成因,等等。这些假说都能够找到一些证据支持,但也有不足之处,它们难以对大地震过程中所有观察到的地质现象做到全面、合理解释。

多年来,在地震学界处于支配地位的地震成因假说是弹性回跳假说。所谓弹性回跳假说,是指“地震是由活动断裂的突然主动破裂所造成;地震能量是断层两侧岩体因地壳变形而产生和储存的弹性变形能,地震能量的释放过程是断裂两侧弹性变形岩体在几秒到几十秒内的突然脆性破裂和扩展,然后再弹性回跳”。通俗来讲,地下岩体就像弹簧,长期被地质运动挤压缓慢变形,从而积累能量;一旦达到临界破裂程度,就会释放其中存储的弹性能量。这就像弹簧突然断裂而出现弹性回跳一样。

弹性回跳假说由美国里德教授基于对1906年美国旧金山7.8级地震中地表变形和地表破裂的调查和研究于1910年提出。1906418512分左右,旧金山发生7.8级强烈地震,加上随之而来的大火,使这座城市遭受了严重损失。这场大地震成为美国历史上损失最惨重的自然灾害之一。据估计,这场地震所造成的损失约4亿美元,相当于如今600多亿元人民币。当时公布的地震死亡人数为478人,但现在保守估计,死亡人数应在3万人以上,更有人估计高达6万人。在20世纪60年代建立的全球板块构造动力假说的推动下,断裂弹性回跳假说得到广泛的认可。里德认为,旧金山7.8级地震就是北美板块和太平洋板块分界的圣安地列斯断裂的水平突然错动所造成的。

但该学说遇到很多无法进行合理解释的问题,比如,在地下深处,温度、压力很高,岩体大多已处于类似塑料被加热软化的塑性状态,不具备地表附近岩体的弹性特征,更不可能储存巨量的弹性应变能量,但也会发生中深源地震。

事实证明,弹性回跳假说是一个只看到局部表面现象的错误理论。它不能正确解释前震与主震、主震与余震的物理机制,也不能正确解释地温、地电、地磁异常等地震前兆现象。它把地震结果之一的岩石断裂,片面地理解为地震的成因。正是由于对地震成因机制的理论认识错误,以至造成人们对地震预测的研究停滞不前。

随着科技的发展,大量观测和勘探事实表明,大地震往往是一个地下深处沿着断裂带的爆炸过程,地质上称之为隐爆,其主要能量来源于地下带电超临界流体。基于大量的观测事实,苏联学者沃洛波耶夫于1970年提出了“地下放电击穿引发地震”假说。

地下深处存在高温、高压流体,这些流体以水为主,其中溶解有很多矿物成分,包括盐类和气体以及多种金属矿物。在高温、高压下,水处于超临界状态,而且会发生电离,就好像没有安全阀的高压锅一样,一直处于缓慢加热状态,咕嘟咕嘟冒着泡儿,这就是平常地下的微震。地球上的微震很多,几乎每天都会发生很多次。一旦压力积累到临界状态,就会把高压锅冲破,进而发生爆炸。这就成为高压冲破地下板块的裂缝而发生的大地震。

这个新的地震成因机制,使得地震的预测和消减变得清晰且易于操作。特别是对地震高发区,在地震尚未发生的能量积累过程中,就可以通过深钻、注入卤水而进行消减。这就好像给高压锅钻一个小洞并不断缓慢注入冷水一样,以防高压锅爆炸。理论上原来可能发生8级地震的地方通过该种方法消减后,有可能将地震强度减弱到5级。地震对人类的危害程度因此将大大降低,人们的生命财产安全会得到更好的保障。

地下大爆炸

20085·12汶川地震后,我国政府投资2亿多元设立了一个地震科学研究专项,在发生地震的龙门山断裂带上打了5口井用于研究该地震的成因(图1),同时也进行了大量地质勘探和地球物理地球化学测量,由此获得了很多极有价值的资料和研究成果。

1 汶川地震科学钻探(WFSD)钻孔位置分布示意图(据李海兵等,2013)

汶川震区处于龙门山断裂带,该断裂带被松潘甘孜地块和四川盆地这两个刚性地块夹持。研究表明,5·12汶川地震是一个沿龙门山断裂带从西南往东北方向渐进的一连串地下深部爆炸过程,这个过程持续了近两分钟,中间还有间断。这一爆炸区域被限定在松潘甘孜地块和四川盆地刚性地块之间,后续的余震也在这一范围内。

进一步的地质探槽、钻探和测井及地球物理勘探资料分析表明,本次地震的隐爆动力能量来源包含两方面:其一是地下超临界流体相变膨胀爆炸,其二是地下深处的累积负电荷放电(地下雷电)。

专家通过分析汶川断裂带附近48个地震台站的记录发现,汶川地震可以分解为4个震级分别为Mw7.5Mw8.0Mw7.5Mw7.7的地震子事件,从汶川开始发震向北、东扩展,整个破裂带长达近300千米;汶川并不是地震能量释放最大的地方,只是地震起始地;北川释放的地震能量最大,比其他区域大约10倍。破裂性质也有变化,这种破裂特征用弹性回跳假说是难以解释的。

通过更详细地对比远震和近震地震波形,人们发现,在汶川地震的4个地震子事件(群震)中,每个子事件中同样包含多个地震子震源,也就是说,是由一系列的地下子爆炸组成了这次的地震过程。该次地震可以用地下深处的结构爆破得到合理的模拟和解释。

除了理论模拟和解释外,专家还从地质勘查和地球物理勘探上得到了关于这次爆炸特征的可靠证据。汶川地震区后,在绵竹九龙地表探槽揭露了这种爆炸特征,灰色的砂岩喷射状贯入红色黏土之中,这说明地震中存在地下射流和爆炸喷射(图2)。

绵竹九龙地表探槽N素描(据杨光,2012

汶川地震过程后,研究人员在青川县发现了以陈家坝水井岩为代表的三处带有燃烧的环形爆炸坑(图3),这说明汶川大地震深处的高压爆炸在部分薄弱地段已经冲出地表。

青川县东河口巨大的松散堆积和爆炸坑分布(据尚彦军,2014 

 

这种地下深处的爆炸特征,从地震现场人们的描述中也得到了证实。

位于映秀镇和漩口镇交界处的蔡家沟村一位何姓老人说,地震发生时,正在地里干活的村民发现旁边一个山顶上像是炸开一个洞,洞里像挤牙膏一样炸出好多东西,简直就像火山喷发。这些水泥样的岩石向外喷了差不多3分钟。

在距映秀镇7000米的百花滩沟,村民描述说,地震发生时,正在田里劳作的人们觉得天旋地转——大地在打转儿,而不是左右摇晃;山沟里发出巨大声响,从沟底冒出滚滚白烟,还伴随着热浪和焦臭味;地面一张一合,不断向外喷出白色的石头。

龙池镇南岳村两位村民称,地震时,正在摘野菜的他们在湖边的长河坝方向看到,四周都在喷水柱,喷泥浆。

映秀镇拉丝厂工人董勇反映,地震时,他看到岷江干枯河床上喷出很高的黑色水柱,从岷江河床一直喷到山上通讯基站,足有100多米高。水柱喷过之后,河床里有一大堆黑色的淤泥,呈伞状堆积。

地震后,龙门山镇至银厂沟新出现了一座由巨大的砾石和泥土垒砌成的小山。初到此处的人以为,这是山体滑坡造成的惨剧;可他们很快发现,土山后面的大山、植被十分完整,没有一点滑坡的痕迹。原来,大地震发生时,大坪村所在的这块空地,竟然发生了剧烈的山体喷发,无数泥土和巨石被巨大的力量推出了地面,像炮弹一样飞上几十米高的天空,摧毁了道路和平地。当地老乡把这种现象称为“地开花”。

事实上,其他大地震发生时,地下岩石碎裂也往往呈现岩爆的特征,如2013722日发生在甘肃省岷县的6.6级地震。身处重灾区——梅川镇永光村的村民宋银才说,地震时,他看到土像喷泉一样喷上去了,黑压压地冲着房子来了。

地下是否真的存在流体的隐爆?汶川地震的钻井岩芯给出了明确答案:WFSD-1钻孔在多个深度钻出了大量的液化角砾岩,这是一种流体高压爆炸形成的岩石。

对该钻孔的岩芯矿物X光谱分析表明,断裂带中的假玄武玻璃和断层泥及断层角砾岩具有相似(近)的矿物组成。这表明,它们很可能是深部高压贯入成因,至少部分物质是这种成因。假玄武玻璃被喻为“地震化石”,主要由发生重结晶的玻璃质熔融体形成。由黏土矿物分析,人们得知,地震断裂发生时的温度超过1100℃。其成因机制的当前流行解释是:假玄武玻璃是因断层快速滑动过程中摩擦生热,造成摩擦面温度升高,从而使周围岩石融熔所形成的岩石。如果汶川地震中的岩石确是因此形成,一定会在假玄武玻璃脉体与围岩接触界面上存在“熔蚀边”,但实际观测中根本不存在熔蚀边,它们的接触界面很清晰。这说明,该处的岩石很可能是高压喷射贯入所形成的。

汶川地震的构造特征也难以通过弹性回跳成因机制进行解释;但如果用地震隐爆成因机制,则可以得到合理解释。

在过WFSD-1钻孔的一条北东向剖面上,由地表探槽和WFSD-1钻孔确定了本次汶川地震的主断裂F1滑动面,倾角大约为60度。为了勘探该主断裂向深部的延伸情况,研究人员在剖面北东侧又钻探了一处更深的WFSD-2钻孔,结果并没有在预期的深度发现这个主断裂F1,反而发现其主断裂F1在这两个钻孔之间呈现近水平特征(图4),这意味着,主断裂F1在地下的产状不是一条直线,而是出现了奇观的变化,即从地表的倾角60度到地下变为近水平。这是难以用弹性回跳假说进行解释的。

4 WFSD-1WFSD-2钻井及汶川地震表面破裂带地质剖面(据吴婵,2014

 

汶川地震后,通过人工地震勘探,专家得到了多条高精度、高分辨率人工地震勘探剖面。图5是一条位于虹口附近的东南向人工地震勘探剖面的地质解释,WFSD-1WFSD-2井经过该剖面附近。图中左侧红色部分说明,地震爆炸后,岩石已经破碎,而且曾发生过流体蚀变,人工地震勘探剖面表现为地震波的杂乱和弱反射。剖面右侧的人工地震波相对反射规整,说明受到较少流体蚀变,岩层仍然完整。该区域深度大约8~15千米,与地震震中深度一致。高精度人工地震勘探结果表明,地下深处存在由于高温、高压流体造成的地层异常及畸变,这表明地下确实存在隐爆。

5 人工地震勘探探测到的地下隐爆特征(据吴婵2014修编)

 

地下深处是否存在高温高压流体库?更深层的地球物理勘探给出了答案。在横穿汶川断裂带的深地球物理勘探剖面中,存在一近水平的、深度约30千米的红黄色异常体,表现为低电阻率和低地震波速度特征。这说明,地下深部存在高温、高压流体;在这个深度下,它们应该处于超临界状态。

温度和压力分别在临界温度和临界压力以上的非凝聚性高密度流体,被称为超临界流体。地下深处存在大量的地质流体,其中,水是最重要的成分之一。水在不同的温压条件下呈现多种相态:低温下是冰,常温下是水,温度大于100℃就变成水蒸汽;当温度大于374.3℃、压力大于22.1Mpa时,水即变成第四相态——超临界水。地下10~18千米以下,即可同时达到水的超临界温度和压力。根据目前对地球内部压力和温度的估算结果,在下地壳及深部,流体均处于超临界状态。

当水处于地下深处呈现超临界状态时,一旦由于断裂构造活动使地下裂开一个口子,压力、温度陡降,超临界水就会发生退相爆炸,变成水蒸汽,这实际上是一个体积急速膨胀的过程。同样重量的水蒸汽体积比超临界水大数百倍。

超临界水氧化性强烈,在一定温压条件下,甲烷、乙炔和高烷烃等有机物在超临界水中可发生自燃,并在一定条件下产生“水热火焰”。

地下深处的雷电

前面提到,汶川地震的隐爆动力能量的第二个来源,是地下深处的累积负电荷放电(地下雷电)。关于这一点,证据也很充分:很多大地震发生时,都发现震区附近电磁场的突然变化。这是由于,电场的突然变化引起了磁场的突然变化。

电场为什么会变化呢?合理的解释是,地震过程中,带电气体或者带电流体从地下泄漏所致,相当于电流的突变。

200851214:15,也就是汶川地震前13分钟。北川中学所用的指南针教具“出现了乱摆”。

那么,地下深处的大电流流过时,是否会留下痕迹呢?答案是肯定的。美国科学家的研究表明,假玄武玻璃的出现,说明发生了大电流事件。

假玄武玻璃往往包含新生成的细小的的磁铁矿,其表现出较高的天然剩磁(NRM)。NRM数值高,意味着曾经有强大的电流通过而且持续了一段时间。该磁场高于地球正常磁场约1000倍。如果没有大电流形成的局部强磁场,这些新生成的磁铁矿只可能具有正常地球磁场的磁化率。

汶川地震后的钻井岩芯磁化率测量结果表明,沿着新形成的地震破裂面存在假玄武玻璃,表现为高磁化率特征。这在WFSD-1钻井资料的岩芯磁化率和钻孔磁化率上都得到了确认。这是由于假玄武玻璃中包含新生成的磁铁矿颗粒所致。

地震专家曾仔细分析了地震记录台站的记录,发现汶川地震前和地震发生过程中都存在电磁异常的急剧变化。汶川地震前一天,成都地震台站记录到明显的电磁脉冲异常。

专家通过总结全球的地震发生规律和强度,发现地震与断裂性质及地下是否存在高压地壳流体密切相关:在涨性正断层区域如东非裂谷区域,最大不会发生超过7.5级地震,因为涨性环境是一个相对开放的环境,流体和地下电荷会缓慢释放不容易形成大地震;而在挤压逆冲断层区或压扭断裂区域,如果同时存在高压地壳流体,则可发生9级以上地震,如环太平洋区域,因为压性环境是一个封闭的环境,流体和地下电荷会缓慢聚集。

地震形成金属矿?

地震虽然给人们的生命和财产造成了巨大损失;但也有其好的一方面,那就是大地震往往也是地下金属矿的成矿过程。

针对地震与成矿之间的关系,科学家做了大量研究,也取得了不少进展。澳大利亚科学家近期的研究表明,地震中地下流体的瞬间蒸发,可使金矿发生沉淀。事实上,地震和火山爆发所造成的地壳浅表的温度、压力和PH值等参数的临界转换是很多热液矿床形成的基本因素。

在地震过程中,含矿热水在大地构造运动的驱动下沿断裂带迁移上升,到达浅部或近地表的次级容矿或赋矿断裂构造破碎带,含矿热水体系由相对封闭体系到半开放-开放体系,特别是伴随有热水隐爆作用发生时,压力的突然释放,气体挥发成分的大量散失,成矿热液发生沸腾,伴随含矿热水的多种物理化学条件或参数的改变,导致热水体系快速远离平衡态,使热水组分的浓度增大,矿物沉淀形成。

金属矿的流体成矿过程,是流体中金属元素溶解、迁移、聚集、沉淀过程。温度、压力、酸碱度、氧化还原条件四种因素相互影响,控制金属元素的成矿过程。总体来说,强酸、强碱、高温、高压、强氧化环境下溶解、迁移,近中性、低温、低压、还原环境下沉淀。

在大型斑岩铜矿和金矿的勘探开采过程中,都发现了大量隐爆角砾岩。这也从另一个方面说明,斑岩铜矿和金矿的成矿过程往往伴随着地震的发生。成矿机制说明,地震是一个压力、温度释放的过程,可以满足斑岩型矿床成矿的压力、温度、酸碱度等变化要素。

6 平武县南坝镇文家坝村山体发生冒烟现象(据新华社,2011

 

2011222日,位于汶川地震断裂带的平武县南坝镇文家坝村山体发生冒烟现象(图6)。平武县位于北川和青川之间。经过专家现场勘查及权威机构的监测数据资料报告,此处山体含大量磷、硫、铁、锰等矿物质。汶川地震后,山体垮塌,原先深埋地下的矿物质裸露,造成自燃。进一步的钻井岩芯化学分析表明,汶川地震主破裂带富集了磷、硫、铁、锰等元素。这说明,地震是一种由断裂运动激发引起的地下隐爆和成矿过程。这次地震只是漫长的地质活动过程的一个瞬间,也是成矿过程的一个阶段。一个成矿过程往往延续百万年。在百万年内,沿一个地震断裂带会发生无数次地震;而每一次地震都是对成矿的一次贡献。

前人的研究成果表明,在数百万年的地质历史内,龙门山断裂带发生过多次地震。其中,在公元前5940至前5730年和公元前3300至前2300年,映秀镇发生过两次类似于坟川地震的大地震。在公元前930±40年,灌县-安县断裂带上发生过最晚一次强震。事实上,沿着汶川地震带分布的一系列大大小小的铁矿、磷矿等,就是不同时期的地震所形成的矿床。

地震与地下放电

地光,也叫地震光,是强地震前后常见的一种自然现象,在国内外文献中均有不少记载。唐山大地震由于发生在夜间,震区多人看到了耀眼的地光。5·12汶川地震发生在白天,地光在震区并不明显;但在400千米外的天水,还是有人拍摄到了这种与地光相关的地震云(图7)。

7 汶川地震前2小時拍到的扇狀地震云(据林檀礼2013

 

地光实质上是放电现象,是一种负电荷和正电荷碰撞形成的发光。早在16世纪,人类就已经发现,静电在放电过程中会发光,尤以摩擦放电最为典型,当电荷密度达到每平方米0.1微库仑时,就能看到发光现象。

美国科学家发现,当地震迫近时,地下活动会发生“奇怪变化”,产生强电流。“这种电流很强。里氏6级地震产生的电流高达10万安培,里氏7级地震产生的电流高达100万安培”。而常见的家用电表的最大电流一般不超过60安培。

如此强大的电流是怎样产生的呢?地球真的带电吗?

现代科学研究表明,地球是一个巨大的带电球体,不同的圈层具有不同的带电特征。地球大气层总体带正电,地球大地表层总体带负电。全球大地带有5.6×105库仑的负电荷,整层大气电位差为3×105伏,地面电场平均强度130V/m。大气层中既存在正离子,也存在负离子,但正离子平均比负离子多12.5%左右。因此,地球大气总体表现为带正电荷。

既然地球浅表层总体表现为富集负电荷,那么富集的负电荷是从哪里来的呢?

研究显示,地球深部高温、高压下的元素转换发生的电(核)化学转换产生了负电荷。这些负电荷会随着流体向上运移,逐渐聚集在地球浅部的圈闭(一种能阻止电荷继续运移并能在其中聚集的场所)中。一旦构造断裂运动使得地球表层破开一个口子,就会发生电荷的突然泄露爆炸,并产生地震。

通过前文的介绍,我们知道,地下深处是一种高温、高压环境,物质处于一种非固体、非液体的超临界状态。部分元素的原子核也并不稳定,不断有放射性现象发生。所谓放射性,是指元素从不稳定的原子核自发地放出α射线β射线γ射线等的现象。

从构造动力学可能更容易理解这种物质变异过程。在地球的浅层——主要是地壳,物质处于“形变区”,构造运动和压实作用就是分子团间的形变。比如,压实作用就是分子团间的孔隙压缩。

随着深度的增加,主要在软流圈部分的压力和温度逐渐增大,物质孔隙已经被压缩到极限,孔隙度近于零。物质处于“相变区”,这是一种分子内原子间的重新排列和变位压缩,比如煤炭、石墨、金刚石都是致密的单质碳元素,只是原子结构不同。煤炭密度是1.35g/cm3、石墨2.25g/cm3、金刚石为3.5g/cm3。这说明,石墨和金刚石原子受到了不同程度的压缩,密度逐渐增大。

随着深度的进一步增加,主要是地幔和外核区,进入“电子云变区”,原子间已经无法再被压缩,这种压缩会进一步到达原子内的电子层范围,也就是部分物质的原子内外侧的不稳定电子可能会被挤出,使得β射线衰变释放出电子,这些电子会随着地下深处的流体向上运移并富集。

那么,这些来自地球深部的负电荷主要聚集在哪里呢?研究表明,它们主要富集在断裂破碎蚀变带内。这些蚀变矿物往往是含水黏土矿物,多呈片状结构,如高岭石族、伊利石族、蒙脱石、绿泥石族、云母族。显微镜下,它们似一摞扑克牌。平坦一侧带负电,边缘一侧带正电,总体上带负电。就好比断裂破碎带内有无数个电容器。黏土颗粒具有很大的比表面积,1克黏土的比表面积可以达到800平方米。

地下深处的累积负电荷在火山喷发时会随着地球深处的岩浆向外喷射,与大气中的正电荷作用形成闪电,最好的例子是,日本2011128日“新燃岳火山”喷发时所呈现的壮观闪电现象。过去,人们把这种随火山岩浆喷发出现的闪电现象解释为“高温使空气电离”,但这种认识是错误的,如果这种高温能使空气电离,那么钢铁厂的高温熔融的铁浆也应该会发生闪电,事实上并没有。这说明,累积在地下深处的电荷突然受构造运动激发而发生地下放电爆炸给地震贡献了另外一种能量。因此,地震也是一个地下雷暴过程。

其实,在20 世纪70年代,就有苏联学者提出了地震成因的电击穿说。作为地震时地内存在强电场的直接观测证据,苏联地震学家曾观测到地震活动期间产生强大的电流。在1966年塔什干地震余震活动期间,人们看到置于500米深井下的无电流的电缆头上产生了放电现象,并使得电缆头被熔化。1972~1974年,乌兹别克科学院的地震研究人员在恰尔瓦克水平坑道中偶尔进行了地球脉冲电磁场变化观测,证明地壳发射电磁脉冲,而且在地震事件之前,发射强度急剧上升:在地震前几十个小时或几天前,电磁脉冲强度异常变大。

地震前,地下电荷的外泄会造成局部电磁异常,使家用电器如收音机、电视机、日光灯等出现异常,其中最为常见的电磁异常是收音机失灵。1976年唐山大地震前几天,唐山及其邻区范围内的很多收音机失灵,声音忽大忽小,时有时无,调频不准,有时连续出现噪音。同样是唐山大地震前,有唐山市民反映,已经关闭的荧光灯先是发红,然后又亮起来;还有北京市民发现,日光灯无法关闭,一直亮着。

电磁异常现象还包括一些电机设备不能正常工作,如微波站异常、无线电厂受干扰、电子闹钟失灵等。汶川地震前,也有人发现无线电信号异常:地震发生前的当天上午,有的对讲机不能正常使用,出现频率偏移现象。

为什么地震前会出现无线电信号异常现象呢?合乎逻辑的解释是,由于震前在一些构造薄弱的断裂区发生了地下电荷的泄露,这种泄露会产生宽频带的交流电磁场,造成无线电的混频被干扰。

既然地震和地下高压电有关,那么,历史上的地震放电烧伤过人吗?

1975年辽宁海城地震的调查结果给了我们答案。在这次地震中,出现了从未见于记载的地光对人体的危害,仅了解到的就有20余例。海城先进街一小女孩跌倒时,在身下闪出白色地光。第二天,女孩两腮肿起,脸呈紫猪肝色并有水泡出现。她的母亲在她之后跑出来,两三天后,两腮也紫肿起来。海城招待所东侧某些居民,面部也出现不同程度的灼伤,面部为暗紫色,几天后,龟裂翘皮。

古人对地震的理解很值得借鉴。我国历史较早有文字记载的一次大地震发生在周幽王二年(公元前780年),震中是陕西岐山。《史记·周本纪》(卷四)记载,太史伯阳甫认为:“阳伏而不能出,阴迫而不能蒸,于是有地震。”这实质上是一种阴阳不平衡现象,也可以理解为正负电荷的不平衡。

《周易诠释》之豫卦,象曰:雷岀地奋。这句话翻译成白话就是:“卦象传说:雷从地下出来,大地振奋,这是豫卦的象。《周易·说卦传》也描述:震为雷。

地震到底能否预测?

地震多发,灾难深重,这是我国特殊的地质条件所决定的。20世纪以来,我国平均三年发生两次7级以上地震。

早在古代,人们就开始进行地震预报研究的尝试。东汉时期,张衡发明了地震仪。近代,人们在几次强地震的活动过程中,不仅观察到了井水翻花冒泡、水质变苦变甜等现象;还利用先进的观测技术观测到了地下水中氡及其他一些化学组分的变化,由此开展了利用地下水化学组分预报地震的研究,其中尤以中国、苏联等国所做工作最多,研究最为深入。

目前,中外科学家对地震预测的看法是一致的,即在地震带内可以做到中长期概率预测,但尚不能准确预报地震的发震时刻、震中和震级。

正是受错误的弹性回跳假说影响,使得人们对地震的预测一度走入了误区——需要观测发震断裂何时达到临界破裂程度。由于地震常常发生在地底很深的地方,人们往往无法布置探测仪器,安装探头,而且,断裂的临界破裂是一个不可观测量,人们无法预测一个断裂何时会突然发生破裂。

在地震预测方面,我国一直走在世界前列,在监测技术系统化规范化方面也有了长足进步:建成了数百个由国家基本台、区域台和地方台组成的全国地下流体观测台网;建立了首都圈和滇西地震实验场;初步进行了台网的数字化改造和建设;目前开展的地震前兆观测包括地震活动性、地壳形变、地下水、地电、地磁、应力-应变、气象、诱发因子、宏观异常等十几类近百种方法,发现了大量的异常现象,但还没有找到像天气预报温、湿、压、风那样物理意义明确的基本要素。

据不完全统计,40年来,我国曾对20次左右6级以上地震做出了成功或一定程度的有减灾实效的地震预报。从这些成功预报的例子看,多数地震在震前都观测到了明显的电、磁异常和流体异常。

但是从2008年汶川地震后,人们对地震预测与预报逐渐失去了信心。越来越多的人认为,地震不可预测。这此情况恰恰反映出地震预测的复杂性。如果对地震的成因机制认识不清,人类就无法做到准确预测地震。

从上文所介绍的内容看,人们对地震有了一些最新的认识,也许这些研究能够使人们更准确地预报地震的发生。关键的预测参数应该包括三个方面,它们分别是:电磁脉冲异常、地下流体异常和微震异常。

美国地质调查局曾于197610月和197910月分别召开了两次关于地震前动物异常行为的讨论会。与会专家一致认为,震前动物异常行动包括气压、重力变化、土地隆起和倾斜变化、伴随微破裂的声响或振动、磁场变化、电场变化、地下水位变化、瓦斯气体逸出;同时指出,震前的电场变化和瓦斯气体逸出,可能是震前动物行为异常的最主要原因。

地震能消减吗?

通过前文的介绍,我们了解了地震的成因机制,由此使得地震不但有可能被预测和预报,还有可能被消减。消减方法就是在地震断裂带深钻灌注盐水(卤水),这样做有两个目的,一是使得深部流体减压释放,二是地下深灌盐水可以引爆累积的负电荷缓慢释放能量。

深钻使得深部高压流体减压释放,不用证明。但深灌盐水可以引爆累积的负电荷并缓慢释放能量,到底有没有科学依据?答案是肯定的。该方法是由笔者提出来的,类似提到深钻但没有提到注水的方法,最早由我国著名地质学家杜乐天教授于数年前提出。

美国阿森纳岩石山污水回注诱震是最早表现出回注与诱发地震有明确关系的案例(图8),该污水回注井深3671米,污水回注后该区域自1962年至1966年共发生大小地震超过1500次,震中深度集中在3700~7000米,最大震级Mw4.8

之后,人们又陆续开展了一系列类似试验,如美国的佯谬谷咸水回注诱震、美国间歇泉地热回注诱震、瑞士巴塞尔干热岩或增强地热诱震案例,都说明,向地下注入咸水,可以诱发地震。我国重庆荣昌天然气田注水,也发生了明显的诱震案例:该区域注水深度2.6~2.9千米,1988年至2006年间,共发生地震超过3.2万次,最大震级是发生在1997年的MS5.2,发震时间、频次、震级与注水率有显著相关性。

8 美国Rock Mountain Arsenal 污水回注诱震案例(据赵海军,2015

 

与此同时,还有更多的资料表明,灌注水可以诱发地震,震级一般小于5级,而灌注二氧化碳并不会诱发地震。众所周知,水是电的导体,但二氧化碳不导电。这说明,深灌卤水可以缓慢释放地下深处聚集的负电荷。试验同时也证明,向地下深处灌注水(卤水),的确可以缓慢释放能量。

由此,我们很容易想到消减地震的方法,那就是采用深钻法,首先对地下深处的高压流体进行释放(图9),然后再灌注盐水(卤水),目的是使地下深处聚集的负电荷缓慢放电。比如我们的深钻目前可以达到近10千米,之下的部分可采用高压灌注卤水的方法,沿着深大断裂带有可能把水注入到深达近20千米的范围。这样一来,很多浅源地震可以得到有效缓解。也许本该发生8级地震的地方,采用此方法可以消减地震的级别到5级左右,地震的危害程度将大大缓解。采取这些措施后,这相当于使子弹中的炸药受潮失效,即便地壳发生断裂,也只会像打枪扣动扳机一样,仅仅发生很小能量的机械振动,而不会发生深处猛烈的流体释放和电流释放爆炸。这种深钻可以沿着地震断裂破碎带每隔10千米打一个,如此有可能使地震高发地区高枕无忧,基本不会发生大震。

尽管国内外目前没有专门采用注水方法消减地震的,但很多地方已经无意中对该方法做了试验。人们发现,世界上石油开发和地热开发较多的地方,近几十年,地震明显减少了。

事实上,自从1976年唐山大地震后,郯庐断裂带至今没有发生过大地震。这很大程度上得益于沿这个断裂带附近的石油勘探开发(渤海油田、胜利油田等)过程中的注水消减了部分能量,而且,地热开发也起到了消减作用。

 

9 深钻灌注卤水消减地震示意图

 

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地震的震级

地震有强有弱,用来衡量地震强度大小的尺子有两把:一把叫地震震级,另一把叫地震烈度

作为衡量地震大小的一种度量,每一次地震只有一个震级,它是根据地震时释放能量的多少来划分的。震级可以通过地震仪器的记录计算出来,震级越高,释放的能量越多。

由于衡量地震震级的方法多种多样,从而导致当前世界上存在多种度量标准,就像英尺和米尺一样。常见的地震震级包括:矩震级(Mw)、里氏震级ML)、面波震级Ms)及体波震级mb)。无论是里氏震级面波震级,还是体波震级,都存在着两个主要问题:一是这些震级与地震发生的物理过程没有直接联系,物理含义不清楚。二是统计分析发现它们具有“饱和”现象,即:当地震所释放的能量增大时,震级却不再增大。因此,面对大地震时,采用这些震级标度,会低估地震释放的能量。

矩震级已成为世界上大多数地震台网和地震观测机构优先推荐使用的震级标度。不过,世界各国有各自的震级研究历史和计算公式,对外公布的震级标度还未统一。我国对外公布的震级大多是面波震级而不是矩震级。

本文来自:梁光河科学网博客;链接地址:http://blog.sciencenet.cn/blog-1074480-993191.html 


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