全球地震、火山和地幔柱的比较研究

Seisman

注：此文转自本人在新浪博客上的原创博文（http://blog.sina.com.cn/seisman），涉及到一般概念上的“地幔柱”。那里很少朋友看，转来试试。文字上未做任何变动。不知道算原创，还是算转载。

地球动力学是研究地球内部产生和改变地球运动的力及其各种过程的专门学科。通过科学家们的努力以及国际间的合作，地球动力学已经在地质学、地球物理学、天文学、大地测量学等相当广泛的领域得到发展。

正如赵文津院士(2007)所说，中国大陆动力学的研究是从李四光开始的。李四光创造性地提出地球表面形象变化之主因是地球自转速度的变化引起地壳内作用力变化的见解，系统地提出了地质力学的理论和方法，讨论了地质构造的动力成因，对大陆地壳的构造形迹进行了很好的力学解释。李四光晚年曾试图将自己的理论引申到大洋领域，他的后来者也做了很多继承和发展，但似乎终未能如愿。

地震和火山的观测与研究，以及地幔柱的探测，已经积累了丰富的资料，作者也曾经做过一些探讨(Seisman等.2000)。在此基础上，作者试图沿着李四光的理论路线做一些系统的研究，从地震、火山与地幔柱的比较研究开始，接着是地震与火山的动力机制研究，中国地震构造特征的研究，中国地震时、空特征的研究，地震预测，等等，但愿能有所发现，有所前进。

 

1 资料的选取

本文共采用了5套不同来源的目录，包括：中国地震局的中国强震目录、全球强震目录，Advanced National Seismic System网站的全球地震目录，www.volcano.si.edu网站和Wikipedia百科全书的全球火山目录，www.mantleplumes.org和www.ig.utexas.edu网站的全球地幔柱目录。

本文在讨论地震活动时混合采用了3套地震目录，其中ANSS全球地震目录提供的是混合震级，但对大尺度地震时、空分布的研究不会有太大的影响。

 

2　全球地震活动震源深度特征的研究

全球地震活动的深度分布如图1所示。

对比图1a、b可见，全球地震活动在300km上下的深度上存在明显的间断，因而很容易将深度在300km以下的地震划为深源地震。全球的深源地震活动只分布在南美洲西部的濒太平洋地区、日本海至马里亚纳群岛、菲律宾以及汤加至爪哇岛一线。震中的分布条带有两种格局，前两个地区均呈直线型分布，后两个地区则呈弧线状沿岛弧展布，但总体是沿岛弧、岛链和太平洋的洋岸分布的。

比较图1a、c可见，震源深度为40-300km的地震只分布在较为有限的区域，考虑到大陆的地壳厚度多为40km左右，大洋地壳更薄一些，似乎可以取40-300km深度内的地震为中源地震。这个定义对于我国青藏高原也是适用的。青藏高原地壳厚度可达70km以上，是全球地壳最厚的地方。这里深度为40-80km的地震活动只沿喜马拉雅山分布，在青藏高原内部很少有深度大于40km的地震活动。中源地震活动主要分布在太平洋的东西两岸以及爪哇岛至缅甸一线，与深源地震活动的空间分布基本吻合，且多呈弧线状沿岛弧、岛链或洋岸展开。另一个分布位于地中海至喜马拉雅山一线，分布较为零散。此外，在南大西洋即西经30°、南纬60°处有一个中源地震活动的密集点。

 

 

 

 

a、（1963-2007，M≥5.5，H≤300km）

 

 

 

b、（1963-2007，M≥5.5，H≥300km）

 

 

 

C、（1963-2007，M≥5.5，H<40km，据ANSS和中国强震目录）

 

 

 

d、（2004-2007，M≥5.5，H≤80km）

 

图1  全球地震活动的空间分布

 

不言而喻，浅源地震就是震源深度在40km以内的地震。然而，随着地震震源深度测定技术的提高，大洋地区浅源地震的震源深度有可能进一步变浅。比较图1c、d可见，随着2004年以后ANSS地震目录的深度测定精度的提高，2004～2007年大洋海岭的地震深度均在20km以内。

浅源地震的分布除了与深源地震和中源地震分布相叠合的地区外，其余均为沿大洋海岭的线条状分布（中国地质科学研究院地质矿产所.1974.海底地貌. 内部刊物《地质矿产研究》总第一期P.132-149）。大西洋方面，浅源地震从北部的冰岛以北沿之字形的海岭一直延伸到南纬54°与南印度洋的海岭相接。印度洋方面，浅源地震主要沿“入”字形的大洋中脊，亦称中印度洋海岭分布。中印度洋海岭以东还散布着一些沿走向近南北的“九十度东海岭”的浅源地震活动。太平洋方面，一支沿东太平洋海岭分布，从智利高地经复活节岛至科隆群岛，然后分叉，分别到厄瓜多尔和墨西哥西海岸；另一支从复活节岛以南仍沿东太平洋海岭向西延伸与中印度洋海岭相接。沿着这些大洋海岭在全球构成了一个“W”字形展布的浅源地震带。

 

3 全球火山和地幔柱的空间分布图像

图2是全球活火山与地幔柱的空间分布。全球已查明的火山约2342座，其中10000a以来（全新世）有过喷发的活火山（Active Volcanoes）约1294座，地幔柱（mantle plume）或称热点（hotspot）71个。

火山喷发是岩浆等喷出物在短时间内从火山口向地表的释放。岩浆中含有大量挥发性物质，在上覆岩层的围压下这些挥发性物质溶解在岩浆中无法溢出，当岩浆上升靠近地表时，压力减小，挥发性物质急剧被释放出来，于是形成火山喷发。火山喷发是一种奇特的地质现象，是地壳运动的一种表现形式，也是地球内部热能在地表的一种最强烈的显示（http://baike.baidu.com/）。

图2中的活火山主要分布在环太平洋火山带、东非裂谷火山带和地中海－喜马拉雅火山带内（http://bbs.pep.com.cn/）。太平洋沿岸及印度洋东岸的火山活动，被称为环太平洋火山链（Ring of Fire）。刘嘉麒（1999）在研究中国火山时，也将中国东北、东南沿海、山西和云南腾冲的火山活动划归环太平洋火山链。地中海－喜马拉雅火山带分布于横贯欧亚的纬向构造带内，西段的地中海和东段的喜马拉雅山北麓火山活动较强而中段的活动较弱。东非裂谷火山带多分布在裂谷的断裂附近。

对比图2和图1a发现，除了非洲大陆和美国西海岸两个地区外，其余地区活火山的分布与中源地震的分布十分吻合。火山喷发的过程是地球释放内能的过程，地震也是一种能量的释放，两者的物理本质是大体一样的。如果说浅源地震释放的主要是应变能，而中源地震和深源地震则有可能释放的主要是热能，是热能由高温深层向以上深度低温层的转移（Seisman，2000）。

地幔柱或称热点的概念目前在国际上还没有统一的定义，一般趋向于认为是自核幔边界上升、在地幔中演化、到近地表与地壳发生壳幔相互作用的圆柱状地质体，最深可达2900km，目前主要通过地球物理的方法识别出来（王登红.2001，徐义刚.2002，G. Ito, 2003）。

 

 

 

 

图2  全球活火山和地幔柱的空间分布

 

图3是根据Vincent Courtillot（2003）和Raffaella Montelli（2003）等的结果编制而成的，显示了深度为500km至2850km地幔层中地震波速层析图像。图3（a）和图3（c）是采用剪切波Vs的速度层析，变化幅度为±2%，图3（b）则是在深度为1800km至2800km的1000km范围内采用P波竖向平均速度的层析，最大变化为±1%。地震波速的负异常区即为热异常区。图中还标注了根据Vs波速度层析结果所得出的49个热点的位置。

由图3可见，在南太平洋的不同深度层面上都显示为超级的地幔柱（superplume）,而在非洲的南部和西部以致欧洲的大部，可能在1500km以下深度上也是一个超级的地幔柱。这两个超级地幔柱在地理位置上是大体对称的。其他如北美、冰岛、西印度洋，则在不大的深度层面上发现有巨大的地幔柱。当然，这些结果来自不同的方法和不同人之手，也不一定具有很大的直接可比性。

目前关于地幔柱的结果还具有很大的不确定性，但地幔柱的存在、地幔柱是地壳和岩石圈能量与物质交换的供给者之一似乎是不容置疑的。究其根本原因，是因为地球具有一个高热的内核。地核具有高热，而且其自转速度可能比外圈更快（宋晓东.1998，杨学祥.1998），是地球内部的一个十分积极的因素。因此，在考察地球的活动规律时，地球的自转—自转角速度的变化、进动、章动和极移，与地核的热作用应该是地球活动的两大主因。当然，后者在一定意义上也受制于前者。

 

 

 

 

图3 全球不同深度地幔层地震波速度层析结果示意图

（据Vincent Courtillot, 2003; Raffaella Montelli, 2003，编绘）

 

4　对地震、火山、地幔柱进行比较研究的意义

地震活动空间分布图像，人们通常的做法是引出了板块构造的概念，按照浅源地震活动的图像划分出若干构造板块的边界（http://pubs.usgs.gov/）。然而，作者更倾向于引入中国的地震区带划分方法（汪良谋等.1993，张裕明等.1994）。地震区带的划分并没有将地壳乃至深部的地球物质划分为若干块体，只是将地震活动划分成为若干的统计单元，以便于由表及里的分析研究，探求地壳运动的真谛。

 

 

 

 

图4  全球地震活动的区带划分图

a)泛太带，b)地中海—喜马拉雅地震带，c)东非大裂谷地震带，d)海岭地震带

 

关于全球地震活动区带的划分，作者倾向于全球火山研究的方法，即将全球所有深源地震划分为同一个地震带（图4），或称之为泛太平洋地震环带（Pan-Pacific seismic circum belt），简称泛太带（Seisman.2008，待刊）。这样做对中国地震活动的研究很有利。泛太带西部以龙门山—横断山—缅甸—爪哇岛为界，中国东部的地震活动就可归结为泛太带西部两大分支之间的过渡活动。李四光关于东亚和中国东部新华夏构造体系的论述可以支撑这样的提议。上世纪70年代中国渤海湾与南北地震带的剧烈互动就是历史证据（Seisman等.2007）。

前已述及，火山与中源地震以及深源地震似乎具有互通的机制。对于深源地震和中源地震的震源机制，目前仍无定论。在深部的高温条件下，已经不能发生象浅源地震那样的脆性破裂。因此，火山或许就是冲出了地表的中、深源地震，而中、深源地震似乎也就是没有冲出地表的火山，只是规模不一，表现形式不一而已。

火山释放的能量远大于地震。据测算，一次特大的喷发相当于一次10.3级地震，一次喷发指数（Volcanic Explosivity Index）VEI=7的喷发相当于一次9.8级地震（http://bbs.pep.com.cn/）。

如果说火山和中、深源地震都是热能由高温空间向低温空间的转移，那么火山的热能主要喷发到地表和空气之中，无法存储，而中、深源地震的能量转移则有可能以地幔柱的形式存储在其上层的低温空间，从而为再上层的地震活动或地壳内的浅源地震活动积累能量，构成地震地热效应（Seisman.2000）。

地幔柱是沟通地核与岩石圈之间能量和物质交换的桥梁。地幔柱的能流自然是火山与中、深源地震能量的直接来源之一。有些火山与地幔柱就同在一处。由图3可见，太平洋由表及里广布的地幔柱、超级地幔柱，或许正是环太平洋地震极为活跃的根源。环太平洋西部的深源地震活动明显多于东部，或许还与地球的自转有关。

（2008.4初稿，2010.8改编）