大地震的周期性及其启示

纪念汶川地震10周年之五

岳中琦

2016年8月20日，我应邀参加了《中国科协第111期新观点新学说学术沙龙》。沙龙题目为“大地震孕育机制及物理预测方法”。

前几天，去北京参加了《中国地质学会工程地质专业委员会第十一届全国工程地质高层论坛》。在会场上，我从中国岩石力学与工程学会赠获了以下这本记录了沙龙发言与讨论情况的文集。

我立即认真拜读了各位院士、专家和代表就大地震孕育机制及物理预测方法的发言，再次重温回顾了沙龙期间的情况和一些精彩演讲、辩论和答疑片段。内心非常高兴。

在沙龙上，我就以下课题做了发言：

1）地震预测经验、方法、问题和方向。认为灾害性地震是可以物理预测的。

2）地震临震前、地震瞬间和之后的地壳岩土和大气温度变化过程。认为临震前可能升温、地震瞬时和之后就立即降温（参见博文http://blog.sciencenet.cn/blog-240687-976111.html）。

3）地震过程的两个力学破裂模型。介绍了美国Reid教授在1910年根据1906年旧金山大地震提出的地震成因机理：外部构造挤压加载岩石断裂破坏力学模型。再详细介绍了我在2008年根据汶川大地震提出的地震成因机理：外部构造挤压和内部极高压甲烷气体加载岩石断裂破坏力学模型（参见博文http://blog.sciencenet.cn/blog-240687-1031682.html）。

4）介绍了汶川地震的多种自然现象。特别是，地震瞬间和之后的天空立即变黑暗、大气降温、再降雨。它们都是造成地震的极高压气体造成的。

5）地震波初动的地表四现象分布。这个初动现象恰好是，在区域构造挤压应力场作用和控制下，断裂带面内部极高压气体物质沿断裂面挤胀、微小开裂和错动断裂面两侧固体岩层造成的。

6）地震前电磁场的变化。

7）工程地质专业怎么样对地震研究做贡献？在外力作用下，岩石、岩体和土体的力学响应与反应的精准描述和定量计算和反演。

8）地震的周期性和启示。以下做介绍。

目前，地震有周期性是得到人们的一致认同。下图是近百年来全球7.5级大地震的时间序列。可见有某种周期性。特别地，从1960年5月22日智利（Chile）9.5级大地震到2004年12月26日印度洋（Sumatra）9.1级大地震，间隔时间为64年。全球8.5级大地震以上的高峰期间大约有10到15年，低谷期间大约有40到50年。

据研究，中国华北的地震周期为300年。华北在1966年到1977年发生了9次6级以上的地震。在300年前，华北也发生多起大地震。它们如下：1668年7月25日，山东郯城发生8.5大地震；1679年9月2日，河北三河平谷发生8级大地震；1683年11月22日，山西原平7级大地震；1695年5月18日，山西临汾发生7.75级大地震（参见博文http://blog.sciencenet.cn/blog-240687-820028.html）。汶川地震所在的四川盆地西部龙门山的大地震复活周期在3000到6000年之间。

全球大地震为什么会有周期性。大地震周期性能给我们带来什么启示呢？

地震是释放机械动能。地震机械动能来源可能有以下几种转换过来：物质重力势能、极高压气体体积膨胀能、固体物质构造应力场应变能、地幔岩浆热能、地幔地核核或化学反应能。全球大地震能量在地震低谷时段聚积和积累，再在地震高峰期释放和减少。根据上图，全球地震周期大约为60年。大约40到50年为能量积累时间，10到15年为能量释放时间。 

作为有大地震周期的地球是怎么样的系统呢？它如何能够产生周期性的能量释放呢？

首先，地球系统必然有一个稳定的供给能量的方式，它才能产生地震周期的变化，因为破坏是需要能量的周期积累。

第二，地球系统必然能够保持、保留和保护这个能量积累的方法。

第三，地球系统必然有一个阀值，在这个能量积累到一定数量后，它需要打开释放，以地震形式快速（百秒时间内）、大量（几千到几万颗原子弹的总能量）释放。

第四，地球系统必然有一种方法来调节不同地壳地区的大地震能量释放。在10到15年大地震高峰期间有几个大地震在不同的地方、在不同的时间释放巨大机械动能。

第五，转化成地震释放的机械动能的原始能量必须能够极快速转化、时间在百秒以内。

第六，大地震发生地点总是在深大断裂带，在这些断裂带不同位置重复周期出现。

地球本身是稳定的，有一年为周期的公转和以天为周期的自转。以60年为周期单位，地表是极其不稳定的，地壳是相对不稳定的（地震和火山），地幔应该是相对稳定的（深源地震），地核应该是稳定的。相对稳定的、高温高压的地幔和地核怎么才能供给恒定能量到地壳，再产生全球性周期的大地震呢？

我认为，最简洁方便的方法是在地幔和地核内部物质产生某种核或化学反应，产生由碳氢元素组成的甲烷气体。由于地幔与地核内部压强和温度，随着从地表到地心的深度增大而增大，甲烷气体物质必须往低压强环境移动、从深处向浅出运移。固体岩石地壳本身就是一个巨大的球形圈闭。特别地，下地壳岩石岩体具有极大的环向压应力和径向重力应力，它们使得这个圈闭极其致密、极其低渗透气体能力。这就导致大量高压甲烷气体聚积下地壳下部。地壳深大断裂带渗透气体能力增大，气体物质可以再在断裂带孔隙、空隙内部聚积。随着时间，断裂带内部极高压气体打破应力应变的力学平衡，挤胀断裂错动断裂两侧岩体、部分高速逃出、高速运移，产生地震。

高温高压地幔本身稳定产生气体，气体排放到上面，往外走。地球内部压强太大了，气体必须往压强低的方面运行，沿半径向外部聚积。聚积到一定程度，到了一定时候，它们就释放出来，所以产生了大地震的周期变化。

因此，我推断，全球大地震的60年周期性给我们的启示是，地幔和地核物质在稳定、恒量地产生极高压甲烷气体物质。这些甲烷气体物质在通过地震形式高速快速地运移到上地壳各种岩石岩体圈闭之中，再让人们开采利用。 

下图表示了青藏高原及其周边的地震分布。六千万年以来，青藏高原的快速隆生就是因为地壳下部不断聚积极高压甲烷天然气。以海拔3000米等高线计算，青藏高原面积约300万平方公里。这样，青藏高原下部聚积了海量极高压甲烷天然气，造成了布格重力极大的负异常，造成了高原的快速隆升，也造成了现代的大地震频发。

青藏高原四周都是沉积盆地，这些沉积盆地（如孟加拉、缅甸、四川、新疆）一般都有巨大天然气田（下图）。将来，在青藏高原内部盆地中，我们也应该能够发现和找到大型天然气田。

我们国家现在铺设大量油气管道和大力利用天然气（参见博文http://blog.sciencenet.cn/blog-240687-962610.html）。这非常好！有地震就有甲烷气体物质供给了相关的大气田。国家政策好，必须要有理论支撑。如果花了大量费用铺设的天然气管道和设备，再过几年，这些天然气田就没有天然气供给了，这就太浪费了。有了极高压甲烷气体制造地震这个理论后，我们投资、做事情就完全不一样。地震的发生说明地下还在充气，还在有气移动上来进入盆地的储气带。因此，大型盆地内部天然气田的甲烷气体必然得到不断补充的、是永远不会枯竭的。

2018年4月5日21：15写成于港大602办公室