与地学专家沙龙地震、火山的地幔气成因

岳中琦

中国科协学会学术部在2014年6月出版了《地球演化与全球变暖》（下图）。它是2013年8月22-23日举办的第80期新观点新学说学术沙龙文集http://blog.sciencenet.cn/blog-240687-706348.html。文集的第九节（70-79页）标题是“地震的气体诱发模型”。它记录了，22日下午，我与参会的地球科学专家们讨论了地震、火山的地幔甲烷气体成因与机理。以下转载了这节讨论发言的记录，以感谢主办单位和发言专家们。他们是中山大学陈国能教授、东北大学巩恩普教授、南京大学李晓昭教授、西南交通大学仇文革教授、中国科学院南京地质古生物研究所沈树忠研究员、大连理工大学唐春安教授和中国矿业大学吴立新教授。

岳中琦：我再回应一下关于地震问题，假如下面（高温地幔与地壳固体岩石之间）有一个流体或者气体，地震横波传不能传播过去，这个观点是正确的，但是有一个前提。任何一个观测手段和技术手段都有一个假设条件，地震横波能够穿过地壳进入地幔，或者反回来，它的波长必定是很长的，它的周期一般三秒到四秒钟。如果按照横波的速度是4千米/秒钟，就是波长跨过12到16千米。这个度量尺度存在一个小窗口的问题。假如我们讲，在地壳下面的气圈只有几百米厚，这种大波长的横波能够大跨度地跨过去的，是看不见这个薄气圈的。

我们对于现在地球科学当中的很多确定的东西，不能够完全相信。我们要首先探讨它的观测手段，哪些地方是正确的，哪些地方是错误的。所以，我希望要研究它的假设前提是什么。如果地震学是正确的话，比如300千米深度的震源，那么地震预报就解决了。现在地震预报解决不了，说明地震学本身存在错误。为什么要研究地震的原因？就是因为我们还做不到地震预报。地震为什么不能预报？地震是一个什么样的过程呢？地震是巨大的能量，在很短的时间，在几百千米范围当中，释放的过程，比原子弹爆炸厉害。我们人类这么聪明，为什么不能事先知道呢？这是什么能量？这是关键问题了。

我们要反思自己，如果我们讨论问题，不反思自己存在的问题，不探讨自己对相信东西的假设是什么，沙龙就没法进行下去。沙龙的本质是反思，是讲出来你对这个问题的认识，它什么条件形成的，如果这个条件对了，认识是正确；如果条件不对，就不能应用。所以要有时间，讲讲我对地震的观点和火山的观点，还有其它的观点。我有很多想法，例如，地震是高压气体形成的。沈教授讲的，火山喷出的甲烷气体，火山怎么能喷甲烷气体？火山喷出的主要是二氧化硫和水蒸气。为什么过去是甲烷气体？现在讲火山喷出来的是岩浆，岩浆是硅酸岩的一种硅质，为什么能够产生大量的气体？这都是我们都要反思的。所以说，如果我们接受火山就等同于岩浆活动，那么火山岩浆成分是什么？现在地震的时候，火山喷出来的主要是水蒸气和二氧化碳，岩浆很少。为什么我们有这么多气体而缺少硅质岩浆呢？我们哪地方错了呢，我们对火山的定论是不符合事实。

几百年前，地质学家只看到岩浆岩或者固体岩浆流，没看到气体。现在经过几百年，我们能看到大量气体存在。这次日本火山喷发主要是气体，没有岩浆，喷的石头都是围岩，还有火山灰。这地方我们要反思！

根据很多认识，我想了半天，火山岩浆囊的深度最多十千米深，是上地壳的问题。假说这个火山的岩浆是从地幔来的，地幔是在20千米、30千米以下，硅质的东西如何上来呢？什么是深部的火山岩浆？我认为就是深部的气体上来了，主要是甲烷，上面是一个拉伸环境，形成了局部的聚集，甲烷气根围岩进行化学反应。每次火山喷出气体，应该主要是原来的甲烷气体。但是，它跟围岩进行了化学反应，同围岩的氧元素进行化学反应了，把氧吃掉了，形成了水蒸气和二氧化碳以及融化围岩岩浆。现在见到的火山岩浆岩大部分是玄武岩，都是含氧成分比围岩低。那么这样看问题，我认为，火山就是一个气囊，是正在进行化学反应的天然气库，产生气体越来越多，是甲烷和氧元素形成的一些东西，喷出来是二氧化碳和水。如果化学变化的气体喷完了以后，下一个喷的可能是新来的甲烷气体。

火山是什么意思，在中国讲火，这个山是燃烧的山。化学反应产物是二氧化碳、水蒸气。它们喷完以后，剩下可能就是甲烷气，甲烷气喷出来，同空气中的氧气进行燃烧，就是火山。这个现象已经有太多的证据，火山是燃烧的现象。

陈国能：我是研究花岗岩，也是研究岩浆，火山喷出甲烷，我还是第一次听说，在熔融状态作了相的分析，只有一种熔融相，没有气体，没有流体，没有水体，也没有固体，只有一种项就是熔融项，然后固相才产生气相，你这个猜测太大了。

岳中琦：包括气体，大量存在，任何花岗岩，任何岩层都有气体存在的。

陈国能：我给你提一个问题，我们切割到地幔，可是上来的不是气体，所以用地幔的气体是没办法解释的。

岳中琦：火山喷气看过，但是火山燃烧你们可能没有看到过，二氧化碳和水蒸气是不可能燃烧。

沈树忠：我刚才不是说火山喷出甲烷。

岳中琦：现在需要大量的能源，我给你证据，为什么有大量的存在。

沈树忠：现在我们国家主要煤炭来自于华北、新疆，但是现在有很多证据证明，在二叠纪的时候，煤储量远远高于我们现在，当时二叠纪火山活动，导致大规模煤炭被燃烧被破坏，这个都有证据的，这里释放出的甲烷不少，我们现在看到的是华北的煤是以前留下来的一小部分。

岳中琦：下面这张图是美国地质调查局USGS（在2010年发表的）黄石火山喷发设想工作。图a表示火山岩浆囊温度非常高，岩浆从很深的地幔运移上来。图b是岩浆冒出和上覆岩层破碎，这是火山喷发过程。图c表示岩浆几乎完全跑没了，火山就垮塌了。为什么这么多气体？为什么下面垮了？如果下面的岩浆是实的，是硅质矿物和岩石，空洞不是垮下去，现在却全垮下去了。

美国地质调查局（USGS，2010）黄石（地幔岩浆）火山喷发设想

每一个火山喷发的时候，都有大量气体喷出现象。在日本311大地震之后，日本新燃岳火山气体喷得更高，喷到4000米高。大地震之前，这座新燃岳火山喷发没有燃烧，喷的气体颜色不一样。而大地震之后，喷发不一样。2011年4月份，同一座火山喷发发生了燃烧，黑烟滚滚了（下图）。

为什么燃烧出黑烟呢？

原来没有燃烧，喷了很长时间、喷了大量气以后，经过在火山囊内地幔甲烷气体同围岩矿物化学反应生成的水蒸汽和CO₂等气体喷出去了。地震以后，新的地幔甲烷气又运移过来了，喷出遇到空气，同氧气发生化学反应就燃烧。上面燃烧，下面很多空洞，都是气体，不是被岩浆充满的，它的气体是可以燃烧的。

火山岩浆喷出来为什么是气体，这是什么样的岩浆？

过去画的火山岩浆囊图肯定有问题，地幔上来的岩浆应该绝大部分是硅质的矿物，但是它们都变成气体了，下面肯定是气体。因此，传统的所谓的火山岩浆房应该是一个巨大的气体囊。内部气体喷出，带出围岩碎石来。每次喷气以后，把这个气囊地方的空间逐渐扩大，所以，将生成的围岩熔化浆和围岩碎石带出和喷出，在喷出口上部沉积，形成沉积岩层，所以是锥状的山体。

假设下面是气体，气体喷出后，上覆围岩和沉积山体在重力作用下沉下去，因为下面是空的。火山喷出以后，原来锥型山体都是沉降的，火山喷完以后，山体都是下沉的，下面不是硅质岩体，下面是空的，唯有下面是空的，山体岩石才能沉降下去。因为下面空的，气体跑了，这就造成了印度尼西亚的一个火山喷发后，山区能够形成巨大的多巴湖，原来火山下部必须是被气体充满的空洞，这个空洞的上覆岩体越来越薄（下图）。

从地幔上升到火山囊的物质主要是甲烷气体。我们知道，火山岩浆是甲烷气体同围岩化学反应的产物（如同炼钢炉）。如果我们这样看问题，是非常简单的，就是一个洞，然后出了火山锥，因为下面是气体同围岩化学反应囊，就这么简单。我们说下面是岩浆，硅质岩浆怎么能够让上覆山体沉降下去呢？我讲的是现在的所见到的火山情况，几百万年前或几亿年前的岩浆可能不一样。总之，火山下面是空的，里面装满了气体。很多被人家定论的，火山就是地幔岩浆活动，其实结果不是这么回事。

巩恩普：甲烷气囊大概埋层多少？

岳中琦：10千米以内。

巩恩普：如果要是10千米的话，就有问题了。

刘澜波：我是学地球物理的，我原来在地震局工作了十年，你这个没有地球物理证据。对日本火山、美国火山做了很多地震学的层析图像，刚才说到波长问题，在很小的范围内，到现在为止没有看到一个例子表明测出的地震波速度是在气体中的速度。

岳中琦：我完全同意你的讲法，所有专家和学者都认为火山里是地幔岩浆。火山岩浆是一个低速带，火山里面有大量地震，这种地震有的是构造地震，有的跟构造不一样的。火山喷发前，地壳能升，喷发后，地壳沉降，下面必然有支撑的东西，火山一般来说喷发以后有沉降了。

刘澜波：剩下的是定量的问题，地面沉降多少。

沈树忠：有人做过一个定量的计算，按照你所说，现在的火山喷发多少气体，都是可以统计的。根据这个来估计造成地震的历史时期，如果用火山来解释，他们做过计算，不超过千分之一，所以即便是把地内的所有气体都喷出，也不会超过千分之一，所以没法产生千分之五的大规模变化，火山是最热的一个假说。

岳中琦：你讲的是对的，这个火山气是浅层的问题，你所需要的甲烷是深层的问题。现在讲地震，是深的，是挤压环境。地震怎么形成的呢？我认为是甲烷气体形成的。地震能造成地表很大范围破坏，但只是几十秒钟，几百秒钟就完了。是什么能量呢？它是极高压、极高密度甲烷天然气的体积膨胀能。

李晓昭：你认为气囊有多大。

刘澜波：汶川地震，一个地震破裂是什么形态？

岳中琦：我讲的气体膨胀不是球形膨胀，是一种限制性的膨胀，在断层带里面的气体膨胀是面上的膨胀，所以反应效果是一个在地表地震初动有四象限分布的膨胀。

刘澜波：体积可以一点都没变化，现在很多构造地震基本上是没有这个变化。

岳中琦：地震后，地表面大部分都是沉降的。

刘澜波：不一定。

岳中琦：地震波反演的很多地震断裂是逆冲。

李晓昭：如果真是这样的话，恰恰不是气体造成的，你可以算一算10千米下面这么多气体？1995年有一个瓦斯气体的岩石凸出，500多米深，凸出了90万方气体，把地面凸歪了，落了这么多的灰，最后我们看了不过一千多方岩石中含的气体，出了这么大，如果说真的是你说的，那么大体积气体出来了，我们刚才方程可以算的，多大的气压释放多少气体，太少气体就能产生这样的动作。

岳中琦：你讲得这个例子很好，这个地下气体的压强可能是90MPa。所以今天讲的远远超过你的想象。

李晓昭：没有那么大。

陈国能：火山塌陷，一方面上面是硬的支撑，另一方面下面岩浆固结了，所以有收缩产生。火山塌陷是很常见的，不一定用气体这种解释，但不排除你这种可能性。关于地震的问题，我很疑惑，现在地震研究只是测地震之后的波的长度，其实华北有很多地方在做流体测量，其中一项是气体，每一个县都有，但是目前观察到地震之前有这个变化现象吗？观测不到的。我现在正在搞地震观测，可以看到下面5 ~ 20千米的地震层压力变化，现在还没有发表成果，这种可能性不是完全没有，个别地方可能甲烷释放，但是现在找不到很多的支持。

岳中琦：气体运行过程，地壳下面的气囊是巨大的，同重力一道构造了下地壳的挤压环境，气体跑出很少一部分，就造成了大的地震，逃出的极高压气体在地壳岩体断裂中运行造成地震，气体运行与膨胀就造成了巨大的地壳岩体破坏，然后喷出地表造成天气的变化、降雨降温的变化。气体压强和自重垂向压应力的比值在深部开始时可能小于1。但是逃出的高压气体到距离地表5千米，这个比值就1大多了，到1千米，它就10倍以上。同时，逃出的气体体积随深度降低有巨大的增大变化。

气体膨胀能量可以计算，高压甲烷气体膨胀能可对应地震震级。3级到9级地震所需要多少高压气体，体积和压强都可计算出来。造成地震的大都是甲烷气体，下面跑出来一点点气体，然后大气温度降低。所以地震以后有一个降温过程，跟所见到的现象非常的吻合。

传统观点认为，膨胀地震源是讲在地壳深部原地膨胀，因此，不符合地震初动四象限分布。气体在原地当然不能膨胀，因为岩石围压是巨大的、将它压住了。

巩恩普：您的见解，我们觉得很新颖，但是从地质学的角度，我们觉得我们现有的知识体系接受不了。但是我建议，可不可以做一个模拟实验，观测以下高温高压下这种甲烷气体能否与岩浆的东西存在一起，是什么样的状态。

岳中琦：已经做完了，有大量的甲烷气体。

巩恩普：跟您不一样，您是气囊。

岳中琦：我就提出这个想法了，地幔里既然有大量气体，气体往上面移。苏联人讲的很多。

陈国能：很多人都在讲，问题是证据如何，怎么来观察。

沈树忠：据我所知，火山喷出来的主要气体成分并不是甲烷。

岳中琦：我们看事实，就形成了这样想法。我今天冒昧了，我只不过来给唐教授想法提供一个新的想法。唐教授讲“锅盖”理论，锅盖下有气，没有气就没有锅盖被顶起，所以锅盖顶起是气体造成的。唐教授讲有温度，温度高温高压必然产生气体。

吴立新：我提出一个参考，我三年前去腾冲，专门到火山地质公园，下到死火山口最底下，捡一块石头回来，重量500克左右，现在我办公室放着。

岳中琦：这块石头肯定是缺少氧的，孔洞非常多，既然孔洞多，气体多，自然缺少氧的，就形成玄武岩，火山岩基本是黑的。

吴立新：腾冲不是黑的，是红的。

仇文革：长白山是红的。

岳中琦：长白山形成了一个湖，看不出来了，中间已经塌下去了。甲烷是火山岩气体，火山下面有大量的气体。红的石头是含铁多了。火山气体反应可将围岩元素和矿物分离和再聚集，形成各种金属矿床。

巩恩普：气确实是有无机的，有有机的，也没有人大胆假设是岩浆来的。

陈国能：甲烷气体，没一个人敢说是岩浆来的。

2016年4月21日13时50分写成上网于港大办公室