从汶川大地震探讨隐爆及成矿过程

Discuss the relationship between cryptoexplosion and ore-forming process from Wenchuan earthquake

梁光河

中国科学院地质与地球物理研究所矿产资源室

中国科学院矿产资源研究重点实验室

LGH@MAIL.IGGCAS.AC.CN

2015-1-12 北京

本文为2015年1月12日中国科学院矿产资源研究重点实验室年会报告内容

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摘要：关于地震的成因机制目前还存在很大争议，目前普遍认为地震的成因机制是断裂运动，事实上是这样吗？2008年汶川大地震后的探槽、钻探和测井及地球物理勘探资料研究表明，汶川地震是一个从西南往东北方向渐进的隐爆过程。通过进一步对比国外地震的研究结果推测，地震的隐爆动力机制包含两个方面，其一是地下流体相变膨胀爆炸，其二是地下深处的累积负电荷放电（地下雷电）。然后通过对比斑岩矿床的成矿机制说明地震是一个压力温度释放过程，可以满足斑岩型矿床成矿的压力、温度、酸碱度等变化要素。本次地震富集了磷、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。最后探讨了通过测量地电和地下流体进行地震的预测和通过深钻灌注卤水消减地震的方法。

Abstract：At present there are still a lot of controversy aboutthe genetic mechanism of earthquake，At present, it is generally believed that thegenetic mechanism of the earthquake is the fault movement, in fact, is it?in thispaper，atfirst we analysis many materials include trench, drilling,well logging andgeophysical prospecting data, all results show that Wenchuan earthquake is a kindof cryptoexplosion process developed gradually from southwest to northeast. Byfurther comparing the results of abroad earthquake study, we speculate that theexplosive power of earthquake mechanism includes two aspects, one is theexpansion of fluid phase change that cause underground explosion, the other isdischarge (lightning) with leakage of the underground accumulated negativecharges. Then through comparing the metallogenic mechanism of porphyry deposit,we learn that earthquake is a releasing process of pressure and temperature,which can meet the basic needs about elements change for porphyry deposit suchas pressure, temperature and PH value. Wuchuan earthquake enriched phosphorus,sulfur, iron, manganese and other elements. At last we come to a conclusionthat earthquake is a kind of underground concealed explosion process and metallogenicprocess fired by fault movement.At the end we discuss the methods forearthquake prediction with geo-electrical and fluid measerment, and also themethod for earthquake reduction with deep-drilling and brine injection.

一引言

2008-5-12 汶川发生大地震，中国官方报道震级Ms7.8后又修改为Ms8.0，震源深度33Km；美国地质调查局（USGS）震级Mw7.9震源深度19Km，哈弗大学（Global CMT）震级Mw7.9震源深度12Km 。特别注意美国USGS和哈福大学（Global CMT)给出的震源机制解—震中位置相差约100公里。为什么？

从汶川地震的远震和近震波型及模拟研究表明汶川大地震在120秒内由至少4个群震子事件组成，首先从汶川开始发震，经过10-20秒短暂停滞后又激发北川及青川等地的地震（300Km 长的3条主断裂带）。博士后张勇通过48个台站记录分析，说明汶川地震由4个不同震级的子事件组成:

(A) Mw7.5

(B) Mw8.0

(C) Mw7.5

(D) Mw7.7

从南端的逆冲型破裂到中北部走滑型破裂，传统理论不能给出合乎逻辑的解释。这次地震应该叫北川地震才更合理，因为北川地区能量释放比其他地区约大10倍。

地震的成因机制是什么？

1 弹性回跳（Reid，1906）

2 岩浆冲击（松泽武雄，1955）

3 相变假说（Bridgman et al，1956）

4 红肿理论（傅承义，1971年）

5 膨胀蠕动（牛之仁等，1978年）  

6 多应力集中（马宗晋， 1980年）

7 隐爆成因（杜建国，1999，2010）

8 电磁成因（张宝盈，2002；季东，2013；江建富，1994）

9 气爆成因（岳中琦，2008）

10 多锁固段（秦四清，2011）

他们都有一定的道理但都需要完善。

①   流行解释：构造地震假说（弹性回跳）。无法解释很多异常现象。

②   对构造地震一直存疑：短暂的小尺度地壳变形怎有如此大能量？

③   无法解释深源地震。700Km温度超过1500°。

二汶川地震隐爆机制

本文说明

1 地震：由构造运动激发引起的隐爆过程

2 能量：(1)累积负电荷放电（地下雷电）

        (2)流体相变爆炸（类似高压锅爆炸，超临界流体体积膨胀近千倍）

3 大震条件：高压地壳流+压（扭）断裂

新成因机制可解释：

①   巨大能量一次闪电，云和大地间的电压可达1亿伏，功率可达100亿千瓦，是葛洲坝水电站发电功率的几千倍

②   余震类似多次闪电

③   深源地震

④   光、电磁、声

⑤   气体和流体释放及爆炸

⑥   石墨化和假玄武玻璃

⑦   斑岩型矿床成因

特别是能合理解释地震新生成的石墨化和假玄武玻璃现象。

浅表隐爆特征——数米 

汶川地震前1天成都台ULF垂直分量(Z) 的变化量高达20nT(曾小苹等，2011)。

钻探及测井特征——千米

2008年5.12汶川大地震后，中国政府设立专项在发生地震的断裂带上打了5口井用于研究该地震的成因，发现了过去不曾注意的特殊现象，那就是与本次地震有关的断裂带内发生了强烈的石墨化现象，并伴随着假玄武玻璃的形成（李海兵，2013）。假玄武玻璃被喻为“地震化石”( 林爱明，2008) 。

从XRD分析发现假玄武玻璃、断层泥、断层角砾岩具有相似（近）矿物组成

假玄武玻璃成因是什么？当前流行解释：假玄武玻璃是因断层快速滑动过程中摩擦生热，使摩擦面上的温度升高（至少1000°C），从而使周围岩石产生融熔所形成的岩石（廖卿妃，2003）。如果这样这一定会有熔蚀边，但观测表明不存在熔蚀边。说明它们都是深部增压贯入浅部裂缝中的。

美国科学家发现：大地震时候发现的假玄武玻璃含新生成磁铁矿颗粒（Friedemann Freund et al, 2007）。假玄武玻璃是大地震断层面的摩擦熔体淬火玻璃脉。包含细粒磁铁矿，较高天然剩磁（NRM）。高NRM即强大的局部电流和磁场。该磁场高于地球正常磁场约1000倍。（原文：Pseudotachylites occur in the form of thin glassy veins quenched from frictional melts along the fault planes of major earthquakes. They contain finely grained magnetite and often exhibit a high natural remanent magnetization (NRM). High NRM values imply strong local electric currents. To acquire the reported high NRM values of the Santa Rosa pseudotachylite this vein must have been exposed to a strong local magnetic field, about 1000 higher than the average Earth‘s main field (Ferré et al.,2005b).）

这次汶川大地震也在断裂带内发现了这些高磁化率的新生强磁性矿物

这些磁铁矿矿物是怎样形成的呢？

磁铁矿成因：橄榄石蛇纹石化放热反应

6(Mg,Fe)₂SiO₄ + 7H₂O > 3(Mg,Fe)₃Si₂O₅(OH)₄+Fe₃O₄+H₂

   橄榄石                      蛇纹石                  磁铁矿

蛇纹石化中甲烷由Fischer-Tropsch (Berndt et al,1996)

 CO₂+4H₂ 〉CH₄+2H₂O

             无机成因甲烷

300°50MPa 磁铁矿为甲烷产生的催化剂。反应中同样也产生了更高含量的碳氢化合物乙烷等。野外和实验：超基性岩的蛇纹石化对非生物源碳氢化合物起到了重要的作用（汪小妹等，2010）。

构造岩研究发现（Wintsch, et al., 1995; Nugent et al.,1996;Yonkee etal.,2003;Whitmeyer et al.,2005），在断层带内，通过水-岩反应会生产大量低摩擦系数的矿物

橄榄石—>蛇纹石与滑石

辉石—>角闪石、绿泥石、阳起石

长石—>石英+云母+角闪石+绿帘石

在映秀-北川断裂的白水河段，沿断裂带出露有大小不等的透镜体状蛇纹石岩和滑石片岩，被认为是扬子地台西缘蛇绿岩带的一部分，与这些岩石直接接触的围岩为阳起石-钠长石糜棱岩和绿泥石-石英片岩、糜棱岩（林茂炳等，1997）

斜切老断裂带——破裂面内石墨从哪里来？先在深部产生碳素C

CH₄+O₂=2H₂O+C  缺氧环境下游离碳析出；甲烷高温裂解也能产生碳素CH₄=C+2H₂。

有了碳素还不行，破裂面内石墨化怎样形成？

传统弹性回跳无法给出合乎逻辑的解释

工业化生产人造石墨的技术：将碳素在大电流下高温加热改变碳元素原子结构直流石墨化炉是一种以炭素焙烧品和电阻料为炉芯，通入直流电，将炭素焙烧品加热到2000～3000℃的高温，完成石墨化过程。它与交流石墨化炉都同属于艾奇逊炉(kevin9918，2013) 。地震过程中碳素在大电流下高温加热形成石墨化。

地球物理特征——数十千米 

地下深处真的存在流体吗？

三地震隐爆与成矿过程

据叶天竺（2014）：流体成矿过程可以概括为，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。

为什么强酸会变成近中性？机制是什么？

而且斑岩型矿床成矿过程需要一个中间岩浆房，而地震就可以满足这个过程，地震时候温压下降H₂O 一二级相变374度。CO₂ SO₂ CH₄ H₂S（逃逸）,水蒸汽部分逃逸，但部分在温度小于100度（2-3Km)会回流，由此造成强酸变成近中性，浓度增加，矿物沉淀。水蒸汽部分逃逸会造成降雨。

地震降压可导致金矿快速沉淀成矿：

（1）地壳中水相变可导致热液中所携带的物质快速沉淀成矿（藏）。地壳中水发生相变的必要条件是降压（胡宝群，2013）。

（2）澳大利亚两位学者在《自然——地球科学》上发表了“地震可使黄金地壳中立即沉淀形成”的研究成果。

四地震预测与消减

地震预测前人积累了大量的经验

李四光， 1977；曾佐勋等，2013；

强阻基等，2009；季东，2013；

陈运泰，2007；冯锐等，2004；

叶叔华等，2002；郝建国等，2000；

张宝盈，2002；江建富，1994；

上田诚也，2011；陈章立，2007；

张国民等，2001；池顺良等，2009；

金日光，2009年；石耀霖，2013；

仇勇海等，2008等。

赵玉林，耿庆国，高建国，杨学祥等。

但对其成因机制还存在很大争议

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。布雷尔说：“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。”

地球真的带电吗

大气带正电，大地带负电。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（郝建国等，2000）。

地球上空大气层有一层电离层，它是由带正电荷的粒子组成

大气正、负轻离子浓度比平均为1：1.15

大气正、负重离子浓度比平均为1.10

这说明地球大气总体带正电荷（陈渭民，2006）。

负电荷从哪里来？一个可能成因（梁光河，2013）

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的向上运移逐渐聚集在地球浅部的圈闭中，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。

地下深处是一种高温高压环境，物质应该处于一种非固体、非液体的超临界状态。部分元素的原子核也并不稳定，不断地有放射性现象发生。我们知道，放射性是指元素从不稳定的原子核自发地放出射线（如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）作者称之为“形变区”，构造运动和压实作用其实是一种针对分子团间的形变。比如压实作用就是分子团间的孔隙被压缩。

随着深度的增加（主要在软流圈部分）压力和温度逐渐增大，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、金刚石都是单质碳元素，只是原子结构不同。煤炭密度是1.35g/cm³，石墨2.25 g/cm³，金刚石3.5 g/cm³。这说明石墨和金刚石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（可能主要在地幔和外核区）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，这可以理解为是一种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。或者说，由于热电子发射这一量子特性, 使得地球内核产生了分离的正负电（杜国强等，2007）。

地球核部带正电荷，地球浅部（地壳）带负电荷。地壳相对地核自转加快对应地磁正向，地壳相对地核自转减慢对应地磁反向，这合理地解释了地球的磁场成因机制及倒转机制，也合理地解释了地球主磁场的非耦极特征。

负电荷主要聚集在哪里？如何引爆？蚀变断裂带内，多期蚀变，流体脉动—盐水引爆

粘土矿物和蚀变矿物云母家族：高岭石族、伊利石族、蒙脱石、绿泥石族、云母族。往往片状结构，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（电容器）。粘土颗粒具有很大的比表面积。MIT的矿物学家Robert Martin提到，一克的粘土比表面积可以达到800平方米。

绿泥石Y₃【Z₄O₁₀】（OH）₂·Y₃（OH）₆的晶体结构由带负电荷的2：1型结构单元层Y₃【Z₄O₁₀】（OH）₂与带正电荷的八面体片Y₃（OH）₆交替组成。化学式中Y主要代表Mg²⁺、Fe²⁺、Al³+和Fe³⁺，在某些矿物种（如镍绿泥石、锰绿泥石、锂硼绿泥石等）中还可以是Cr、Ni、Mn、V、Cu或Li；Z主要是Si和Al，偶尔可以是Fe³⁺或B³⁺。

   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” (Hydrothermal flame) 现象（谢洪森,1997；苏根利等,1998；陈维杻，1998），这也可引燃地下深处的可燃物。 

五结论

1 地震：构造运动激发的隐爆过程                        

2 能量：(1)累积负电荷放电（地下雷电）

       (2)流体相变爆炸（体积膨胀）

3 大震条件：高压地壳流+压（扭）断裂

4 斑岩型成矿过程伴随着地震

4 遥感、地面、地下（电场、流体及应力）预测地震，土地电最佳（但需要去噪）

5 深钻灌注盐水（卤水）有可能消减地震(两个作用：一、流体减压释放，二、盐水引爆缓慢释放能量）

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