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全球热机带和冷机带的地震活动对比研究(再版)

已有 2022 次阅读 2015-8-12 07:07 |系统分类:科研笔记|关键词:热机带,冷机带,地震柱,地震地热说,地震预测| 地震预测, 地震地热说, 地震柱, 热机带, 冷机带

 

全球热机带和冷机带的地震活动对比研究

——兼论对地震预报研究思路的改进

(再  版)


陈立军 陈晓逢 万方方 黎品忠 邵  磊

(湖南省地震局,湖南长沙410004

 

作者按:本文系再版,与英文版 “Comparative study of global seismicity on the hot engine belt and the cooling seismic belt—— Improvement onresearch ideas of earthquake prediction”

一一对应的中文版。

英文版的链接网址;  http://www.scirp.org/Journal/PaperInformation.aspx?PaperID=58306


摘要:本文采用北加利福尼亚地震数据中心的ANSS地震目录,就全球热机带和冷机带的地震活动分布进行统计分析与对比研究,给出了热机带的地层结构,从而涉及地震成因与地震预报研究的思路问题。研究结果表明,热机带及其所包含的地震柱,是全球地震活动的主体,也是全球地质灾变的主体,基于其地层结构推测,壳内的地震与火山活动的能量很可能来自上地幔的深部,因而地震与火山的预测研究思路应该转而为加强对壳下地震活动的监测与研究。

关键词:热机带;冷机带;地震柱;地震地热说;地震预测

 

1 前言

众所周知,人们对地震成因的理解,多认为系地表构造活动应变能积累所致。但是,本文通过对热机带和冷机带地震活动的统计分析与对比研究,认为壳内的地震与火山活动能量可能主要来自上地幔的深部,因而地震与火山的预测思路拟转而为加强对壳下地震活动的监测与研究。

 

在作者提出的地震地热说中,依据全球地震活动状态,将全球的地震活动和火山活动划分为热机带和冷机带两大构造体系。

具体划分方法是:

首先,采用北加利福利亚地震数据中心(Northern CaliforniaEarthquake Data Center)提供的ANSS地震目录[1],按照中深源地震活动中心点划分了24个地震柱[2][3],即01号南智利地震柱、02号北智利地震柱、03号危地马拉地震柱、04号海地地震柱、05号白令海地震柱、06号鄂霍次克海地震柱、07号日本地震柱、08号中国珲春地震柱、09号北马里亚纳地震柱、10号南马里亚纳地震柱、11号台湾及琉球地震柱、12号菲律宾地震柱、13号所罗门地震柱、14号西汤加地震柱、15号东汤加地震柱、16号印尼地震柱、17号缅甸地震柱、18号兴都库什地震柱、19号地中海地震柱、20号地中海西口地震柱、21号南桑威奇地震柱、F1号马尼拉地震柱、F2号安达曼地震柱和F3号北美洲地震柱,如图1所示。

地震柱(seismiccone,曾称为seismic cylinder seismic mantle plume)是一种倒立的圆锥体,由中深源地震的震源密集组成,最深可达740km

然后,在图1中,采用浅黄色色块,将这24个地震柱加以包围,组成所谓的热机带。由于20号和21号地震柱连线上大西洋中脊也有深度在50km以上的地震活动,因而假想二者可能沟通。于是,24个地震柱的连接可以构成一个完整的M型的热机带。

浅黄色色块以外的地震活动统称为所谓的冷机带。这些地震主体沿四大洋的洋脊分布(图1中绿色条带示意图),散在的地震极少。大西洋、印度洋和太平洋的大洋中脊总体呈W型展布,因而可以称为W型的冷机带。

 

 

图1 全球热机带和冷机带的划分

Fig.1 Division of the hot engine belt and the coolingseismic seismic belt.

 

2 热机带和冷机带地震活动的基本特征及其相互关联

2.1 热机带和冷机带地震分布状况

依据ANSS地震目录,从19631月至201538日,共记载全球4级以上地震388775个。其中,热机带359528个,占全球地震总频次的92.477%,最大深度735.8km;冷机带29247个,占全球地震总频次的7.523%99.7%的地震震源深度在40km以内。

1为全球热机带和冷机带地震活动的频次统计,图2为表1数据的示意图。由这两个图、表可见,热机带是全球地震最为活跃的地震构造带。

3为相应的地震重复率曲线。由图可见,热机带与全球地震重复率曲线几乎重合,而冷机带的重复率曲线则大大偏离这两条曲线。冷机带的斜率(b值)明显大于热机带,说明二者活动水平明显差异。

由图3还可见到,ANSS地震目录5级以下的地震记录不全,与所取地震台网的监测能力有关。

 

1 全球热机带和冷机带地震活动频次统计

Table 1Statistics of seismic activity frequency in the hot engine belt and the coolingseismic belt.

震级

全球

热机带

冷机带

频次

%

频次

%

4.0-4.9

307504

286090

93.04

21414

6.96

5.0-5.9

75240

67906

90.25

7334

9.75

6.0-6.9

5432

4948

91.09

484

8.91

7.0-7.9

564

550

97.52

14

2.48

8.0-8.9

33

32

96.97

1

3.03

9.0-9.9

2

2

100.00

-

-

总频次

388775

359528

92.477

29247

7.523

 

 

 

图2 全球热机带和冷机带地震活动强度分布示意图

Fig.2 Seismic activity intensity distribution of the hotengine belt and the cooling seismic belt.

 

图3 全球热机带和冷机带的地震活动重复率曲线

Fig.3 The seismic repetition rate curves ofthe hot engine belt and the cooling seismic belt.

 

2.2 热机带和冷机带的地震活动状态

取热机带和冷机带地震活动的年频次N/a随时间的变化如图4所示。由图可见,尽管二者的年频次大小相去甚远,但其随时间的变化趋势是基本一致的。这表明它们的活动受到同样的因素所制约。

 

 

图4 热机带和冷机带地震活动的年频次曲线

Fig.4 The annual frequency curve of seismicactivities on the hot engine belt and the cooling seismic belt.

 

2.3 热机带地震活动的层状结构

热机带地震活动的主要特征是具有大量的中深源地震活动,深度50km以下的地震占热机带地震总数的35.50%

热机带地震频次N(h)随震源深度的分布如图5所示。

作为对比,本文取地震的应变能随震源深度的分布研究。做法是按照常规的应变能公式

        J1/2         (1)

 

累加计算。式中M为震级。ANSS目录中包含MsMbMwML等多种震级标度,作为一级近似,本文统一当作Ms震级值来估计。h为震源深度,每50km分为一档。

热机带地震应变随震源深度的分布如图6所示,与图5的分布状态基本一致。

分析图5和图6,似乎可以将热机带的深部划分为若干层状结构:

第一层,深度050km,耗散层。地震与火山的能量释放集中在壳内。

第二层,深度50150km,一般公认为熔岩囊,或可称储能层。该层累积深部所传递的热能,伺机推动壳内强震或火山活动,释放所存储的能量。

第三层,深度150300km,次级能动层。该层为一些较次级的地震柱的发动层,包括诸如03号、04号、11号、17号、18号、19号、21号、F1号、F2号等地震柱。这些地震柱的最大震源深度都在300km上下。也有特例,比如F3号北美洲地震柱,按照4级以上地震目录,其最大深度为98km,然而按照北美洲2级以上的地震目录,其深度可达600km以上。19号地中海地震柱的意大利分支,其情形也是如此。

第四层,300500km,恆热层。此层地震活动状态较为稳定,多余的热能可以直接穿过,是故一些超级地震柱在此层内地震皆不活跃。

第五层,深度500km以上,超级能动层。该层为一些超级地震柱的发动层,包括诸如01号、02号、05号、06号、07号、08号、09号、10号、12号、13号、14号、15号、16号等地震柱。这些地震柱的最大震源深度都在600km以上,最大深度可达740km

 

 

图5 热机带地震频次随震源深度的分布

Fig.5 The distribution of earthquake frequencywith focal depth in the hot engine belt.

 

 

图6 热机带地震应变随震源深度的分布

Fig.6 The distribution of earthquake Strainenergy with focal depth in the hot engine belt.

 

2.4 热机带和冷机带的相互关系

M型的热机带与W型的冷机带,在地球表面呈倒扣之势展布,位相错开约地理经度90°,似乎表明是受到地球自转作用或者包括外太空作用形成的两大构造带。所以,它们的关系是密不可分地。但是,从人类自身的利益考虑,自然最为关心的是热机带的活动问题。

所谓热机带,由于存在大量的中深源地震活动,可以从地幔深部带来大量的热能到达地表,被称为热机带应该是名副其实的。有人们说了,冷机带也有火山活动,自然也是“热”的。其实,热机带和冷机带的关系,似乎可以比喻为汽车内燃机的气缸与排气管的关系,即热机带是个做功的系统,而冷机带则是冷却系统。二者的“热”与“冷”,只是相对地。于是可以说,热机带是一个灾变带,而灾变效应必然会在冷机带上得到回应,以求达到整个地球热能的平衡与调节。

 

3 讨论与结论

3.1 讨论

本文通过对全球热机带和冷机带的对比研究,可以引出很多深层次的思考。

1全球约92.5%4级以上地震、97.5%7级以上地震都发生在热机带。据不完全统计,全球87%以上的活火山也集中在热机带内。因此,热机带是全球的地质灾变带。热机带位于全球人口最稠密的地带,因而加大了它对人类的威胁。

2热机带内的地震与火山活动如此强烈,最直接的原因应该是带内的中深源地震活动所造成的。可以武断地说,中深源地震的活动决不是地表构造活动应变能的积累所致。相反,中深源地震活动所释放的能量在地幔深部是无法耗散的,只能传递给上层的低温层,自下而上逐层驱动,从而为其上层的地震活动积累能量。按照本文的粗略估计,深度大于50km的壳下地震所释放的应变能,约占壳内地震活动所释放应变能的47.12%。如果还考虑到随中深源地震活动所伴随的热对流上升,经过年代纪振荡地累积[4],则在熔岩囊内所存储的能量足以发动壳内的强震与火山活动。

关于热能的对流上升,借助开水实验是可以理解的[1]。加热水体时,水体热能的增加并不全靠气泡的破裂所带来的热能上涌,更主要的应该是靠对流作用。因此,中深源地震的活跃,只是上地幔热能活动的一种表征,并非熔岩囊内所积累能量的全部。

3这样一来,我们传统的观念,即地震活动是由于地表构造活动的应变能积累所致,将会受到极大的挑战。早先,我们理解为构造体系的构造活动应变能积累导致薄弱构造部位发震,后来又理解为块体活动应变能的积累导致薄弱构造部位发震。然而,构造体系和活动块体在地球表面到处可以划分出来,大大小小的板块和活动地块数不胜数,可为什么地震与火山活动只集中在热机带内?再者,地表构造活动所积累的应变能,怎么也无法导致600km以上的深源地震。

相比之下,冷机带的浅源地震活动,不包括火山地震,倒是可能主要靠壳内构造活动的应变能积累,因而对于热机带的活动起到了调整和平衡的作用。然而,冷机带的强震活动极少,即使做出地震预测也没有社会意义。

4于是,作者以为应该转变地震预报研究的传统观念,加强对壳下地震活动的观测与研究。为此,作者2014年曾向有关地震部门提出过“改善我国地震预测工作的建议”。目前,全球对壳下地震监测做得最好的地方,数北美洲中南部和地中海地区,中国新疆的北疆地区近年来也有很大进展[5][6]。作者曾利用北美洲中南部2级以上地震目录预测过2012412日加利福尼亚湾的6.9级地震[7],利用地中海2级以上地震目录推演过意大利2009201226级地震预测的可能性[8](英文稿,未发表),利用北疆地区2级以上地震目录推演过2012年新源6.6级地震预测的可能性[9],利用全球4级以上地震目录做过未来3年(20122015)全球壳内强震与火山的预测(正式的预测卡片——0419卡)[10] [11],都收到了较好的预测效果。

地震地热说的预测方法利用地震柱内地震震源深度的时间序列和壳下地震活动的空间分布等资料分析,可以提前几个月预测未来壳内强震或火山的大致时段、大致地点和大致强度[12]




 



 陈立军.全球壳下地震活动的研究.湖南地震(内刊),2013年总第35期,5-13

 陈立军、陈晓逢. 美国西海岸地震预测方法初探. 湖南地震(内刊),2012年总第34期,1-6

 Chen Lijun, Chen Xiaofeng, Wan Fangfang et al.The Earthquake Prediction Method Research in the West Coast of the UnitedStates. 湖南地震(内刊),2013年总第35期,90-98

 

5加强对壳下地震活动的观测有两个要点。第一是对热机带上的重点关注地区,拟合理布局地震观测台网,做到对2级以上地震的有效监测。第二是震源深度的测定,拟建立起全球统一的工作规范与精细的地壳结构模型。

关于震源深度的测定结果,作者所搜集到资料,似乎只有北美洲中南部、欧洲地中海地区和中国新疆的北疆地区的资料比较好用。这三个地区的地震目录都包含1级以上地震,而且震源深度资料可以相互比拟。当然,目前情况下,震源深度的测定并非要求绝对准确,但要求可以相互比拟。

6不论采用哪种思路进行地震预测研究,地震预报仍然面临巨大的困难。最大的难度在于,7级以上的壳内强震如同火山喷发一样,具有突发性。因此,每当壳内强震发生后,人们几乎很难找到像样的地震“前兆”。即便是壳下地震活动,大概也由于震前震源体的闭锁而“窒息”了。因为,临震的预测犹如开水试验中寻求“响水不开”的时刻[1],然而那只是一瞬间的事。

然而,不论地震活动的能量是来自壳内还是来自地幔深部,壳内强震活动必然离不开壳内的地震构造,也离不开诸多的地球物理场效应,也必然造成震前的声、光、电、地下水、动物等等宏观异常。因此,加强地震构造研究、地球物理场的研究、临震宏观异常研究,乃至地震预警系统的研究,加强地震科普知识宣传和抗震设防工作,都是不可或缺的。

 

3.2 结论

本文根据地震地热说的工作方法,采用北加利福尼亚地震数据中心ANSS地震目录,以地震柱为构造单元和分析研究的统计单元,由各个地震柱地震活动的基本特征得到其共性特征,从而建立起热机带和冷机带的概念,并由热机带的壳下地层结构以及热机带和冷机带地震活动的比较研究导出地震成因与地震预测思路的讨论,从而为地震地热说的地震预测和火山预测方法的研究奠定了理论基础。

研究结果表明,热机带及其所包含的地震柱,是全球地震活动的主体,也是全球地质灾变的主体,基于其地层结构推测,壳内的强震与火山活动的能量很可能都是来自上地幔的深部。因此,应该转变地震与火山的预测研究思路,加强对壳下地震活动的监测与研究,或许能解地震预报与火山预报之困。

 

致谢:

本文所采用的ANSS地震目录取自北加利福利亚地震数据中心(Northern California EarthquakeData Center),谨此致谢。

 

参考文献

[1] NCEDC (2014), Northern California Earthquake DataCenter. UC Berkeley Seismological Laboratory. Dataset. doi:10.7932/NCEDC.

[2] 陈立军.地震地热说原理与应用[J]. 内陆地震,2012Vol.26No.2108-122

[3] 陈立军.地震柱的概念及其基本特征[J]. 华南地震,2013Vol.33No.11-14

[4] ChenLijun. (2013)Mantle decadal oscillation (MDO).

http://blog.sciencenet.cn/blog-552558-665664.html

[5] 王海涛,李志海,赵翠萍,等. 新疆北天山地区Ms2.0地震震源参数的重新测定[J]. 中国地震,2007231):47-55

[6] 龙海英,胥颐,魏斌,等. 新疆喀什一乌恰地区的P波速度模型和小震精确定位[J]. 内陆地震,2005191):16-21

[7] 陈立军.地震预测验证记录:001加利福尼亚湾4.12发生6.9级地震[EB/OL].[2012-04-12]http://blog.sciencenet.cn/blog-552558-558624.html

[8]陈立军.意大利地震预报入罪事件的教训[EB/OL].[2013-01-12] http://blog.sciencenet.cn/blog-552558-652328.html

[9] 陈立军.中天山地区强震活动成因探讨—以2012630日新源6.6级地震为例[EB/OL].[2014-09-20] http://blog.sciencenet.cn/blog-552558-829373.html

[10] 陈立军.全球主要地震柱3年期地震与火山预测卡片0419卡的有关说明[EB/OL].[2015-04-20]http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=552558&do=blog&id=883826

[11] 陈立军.20120419预测卡片的试验总结(网络版) [EB/OL].[2015-05-31] http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=552558&do=blog&id=894296

[12 陈立军. 2013年巴基斯坦7.7级地震与兴都库什的地震构造[J]. 内陆地震,2015 291):15-27. doi10.16256/j.issn.101-8956.2015.01.002

 

 

Comparative study of globalseismicity on the heat engine belt and the cooler seismic belt

——Improvementon research ideas of earthquake prediction

 

ChenLijun, Chen Xiaofeng, Wan Fangfang, Li PinzhongShaoLei

Earthquake Administration of Hunan Province, 410004,Changsha, China

 

AbstractThestudy in this paper analyzes and compares the distribution on the global engineactive seismic zone and cooling seismic belt basing on the ANSS earthquakecatalog from Northern California Earthquake Data Center. An idea of theseismogenesis and earthquake prediction research is achieved by showing thestratigraphic structure in the hot engine belt. The results show that the mainengine and its seismic cones are the global seismic activity area, as well asthe subject of global geological disaster. Based on the conjecture of otherstratum structure, the energy of crustal strong earthquake and volcanoactivities probably originates from the deep upper mantle. It is suggested thatthe research on earthquake and volcano prediction should focus on the monitorand analysis on the sub-crustal earthquake activities.

 

Key words:the hot engine belt, thecooling seismic belt, seismic cone, Seismo-geothermics theory, earthquakeprediction

 

 




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