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爱琴海地震柱2014年6.9地震的孕震机理研究(中文版)

已有 2087 次阅读 2016-5-23 17:47 |系统分类:论文交流|关键词:地震地热说,地震柱,土耳其,爱琴海,壳下地震,壳内强震,孕震机理| 地震地热说, 土耳其, 爱琴海, 地震柱, 壳下地震

 

爱琴海地震柱2014年6.9地震的孕震机理研究

 

陈立军

(湖南省地震局,湖南 长沙410004)

 

作者按:本文的英文版发表在International Journal of Geosciences, Vol.7(5)

           网址:http://www.scirp.org/Journal/PaperInformation.aspx?PaperID=66669

       引用:

Chen, L.J. (2016) Study on the Seismogenic Mechanism of the Earthquake Mw6.9 in 2014 in the Aegean Sea Seismic Cone. International Journal of Geosciences, 7, 669-684. doi: 10.4236/ijg.2016.75052.

       这里的中文版与英文版一一对应。


摘要:本文采用北加利福利亚地震数据中心的ANSS地震目录和地中海地震中心的EMSC地震目录,按照地震地热说关于壳内强震与火山预测的方法,对地中海地震柱土耳其分支地震柱及其下列的爱琴海地震柱的地震活动性进行详细研究,通过图表和动画的再现,得出了2014年524日爱琴海北部海域6.9级地震的孕震过程与孕震机理,表明爱琴海7级左右强震的能量可能源自地幔深部的能量传递与积累,形成一个柱状活动体,然后以波动方式激励岩石圈,以寻找到地表构造的薄弱部位,突发强震。本文结果对传统的地震成因说打开了一道口子,或者有利于地震预测理论与预测方法的再研究。这个结果尚只有本文一个案例,需要更多的验证。本文对地中海地震柱土耳其分支划分的4个三级地震柱,给出了爱琴海地区初步的地震构造模式,将有利于希腊、土耳其、罗马尼亚和波兰等地区的地震监测与地震预测研究。目前全球的地震预测收效甚微,甚至趋向于不可认知论,创新思维才是唯一的出路。

 

关键词:地震地热说,地震柱,土耳其,爱琴海,壳下地震,壳内强震,孕震机理

 

 

1 引言

本文采用北加利福利亚地震数据中心的(ANSS)4级以上地震目录和地中海地震中心(EMSC)的1级以上地震目录,根据作者关于地震地热说的原理与方法[1-3],对地中海土耳其分支地震柱地震活动的空间分布与时间进程的分析,给出了爱琴海20145246.9级地震的孕震过程。

迄今,人们通常认为,强震的孕育与发生是由于近地表的地质构造活动(断裂或褶皱)应变能积累所致。而且,不论是壳内强震还是深部地震皆如是,因此才需要俯冲带的假设,也才需要相变成因的解释。然而,本文的研究结果表明,强震的孕育可能源自上地幔活动的能量积累,壳内强震的发生才可能与近地表的构造有关。这一结果,为传统的地震成因说打开了一个小小的缺口,或许也能改变有关的地震预测理论与方法。

 

2 资料的选取与研究方法

本文针对土耳其和爱琴海的地震活动性研究,资料是局域的,研究方法则是全球性的,已经取得一些试验的例子[4-8]

 

2.1 研究方法

本文所采用的研究方法系根据作者所提出的地震地热说原理与工作方法。

地震地热说原理认为,全球的强震活动与火山活动由地球上的热机带和冷机带两大构造系统所制约;热机带由24个已知的地震柱组成,控制着全球的所有中、深源地震和92%以上的壳内强震与83%以上的活火山,在全球呈M型展布,是全球地质灾害的能动带;冷机带主要沿大洋海底中脊出现浅源地震和少量火山活动,呈W型展布,表现为全球地质灾害的调整带(图1

地震柱构造的概念(seismiccone,曾被称为seismiccylinder seismic mantle plume)由一个或多个地震柱柱体复合而成,已知最大深度740km。单个的地震柱柱体构造由中、深源地震的震源体密集成倒立的圆锥体,具有独立的能动层(含恆热层)、储能层和影响区的耗散层,地震所标示的热能活动自下而上逐层驱动,由储能层内所积累的热能提供火山喷发的热物质和热能,或转化为壳内强震所需要的机械能,推动地表构造活动。

地震地热说的预测方法目前只适用于热机带。对于已知的24个地震柱,其工作方法是:

1)  收集相关地理范围内的地震与火山资料

2)  对地震资料的时空分析,鉴别地震柱构造的合理性及其内部单体构造的划分

3)  对壳下地震的时空分析,确定未来活动强度,可能的异常点和异常时段

4)  异常综合分析,确定火山喷发的可能性或者壳内强震的可能性

5)  地震成因分析与案例总结,改进地震地热说的原理与工作方法

 

 

1 地震地热说关于全球构造系统的概略图

Figure 1. Schematic diagram of global structural system bySeismo-Geothermics theory

 

2.2 资料的选取

本文研究范围为爱琴海及周边地区,局限于19号地中海地震柱的土耳其分支,即30°~55°N17°~39°E地区。

本文所采用的中强地震资料源自北加利福利亚地震数据中心的ANSS地震目录,可以获得1963-20164级以上的地震数据11653条。其中,4.04.910726个,5.05.9851个,6.06.972个,7.07.94个。最大震级7.7级,最大震源深度226km

本文所采用的微震活动资料源自地中海地震数据中心(EMSC)的1级以上地震目录。时间2004.10.12015.10.1,共计1级以上地震97536个。其中,1.01.94226个,2.02.962110个,3.03.928642个,4.04.92393个,5.05.9150个,6.06.915个。最大地震6.9,最大震源深度667km。其中的2.5级以下地震显然监测不全(图2,但其空间分布仍然具有统计意义,因而未予剔除。

 

 

2 土耳其分支地震柱的地震重复率

Figure 2. The repetition rate of the Turkish Branch Seismic Cone

 

3 土耳其分支地震柱的地震活动性研究

地中海地震柱土耳其分支,简称土耳其分支地震柱,是全球24个地震柱中第19号地中海地震柱的二级分支[2-3]

1中包含了1900-2014年全球造成死亡1000人以上的地震[9],地中海地区的死亡地震最多。2中显示了2004.10.1以来地中海地区地震台网监测的可靠性。因此,本文着重研究土耳其分支地震柱的地震活动,或许有利于寻求地震预测的解决方案,也有利于增强该地区人类生命的安全感。

 

3.1 土耳其分支地震柱的中强地震活动性

根据北加利福利亚地震数据中心的ANSS地震目录,土耳其分支地震柱地震的地理分布和立体图像分别见3和图4

3可见,地震主要分布在地中海的北岸沿线一带。这里是著名的地中海-喜马拉雅纬向构造带[10-11]爱琴海的周边,地震活动呈环状分布,与所罗门的环状分布一样,构成全球两大独特的地震构造景观。

4可见,土耳其地震的空间分布,由震源密集体构成了一个个倒立的圆锥体,符合作者关于地震柱构造的概念[3]这些圆锥体由50多年的地震资料构成,图像是稳定的。

3和图4资料表明,土耳其分支地震柱仍可细分为若干单体地震柱(详后)。

 

 

3 土耳其分支地震柱中强地震的地理分布

1963.1.1-2016.3.2M4

Figure 3. Geographicaldistribution map in the Turkish Branch Seismic Cone

(Jan.1, 1963 –Mar.2, 2016, M 4)

 

 

4 土耳其分支地震柱中强地震的三维立体分布

1963.1.1-2016.3.2M4

Figure 4. The three-dimensionaldistribution map in the Turkish Branch Seismic Cone

(Jan.1, 1963 –Mar.2, 2016, M 4)

 

3.2 土耳其分支地震柱的微震资料分析

根据地中海地震数据中心的ESMC地震目录,土耳其分支地震柱地震的地理分布和立体图像分别见56

比较46,其图面影像基本一致,说明这两套地震目录的编制原则基本一致。两套地震目录的区别在于地震观测的精度。ESMC地震目录的震源深度可达600千米以上,但并未改变圆锥体的位置与形状。

 

 

5 土耳其分支地震柱微震活动的地理分布

2004.10.1-2015.10.1M1.7

Figure 5. Geographical distribution map ofmicroseismic activity in the Turkish Branch Seismic Cone

(Oct.1, 2004 –Oct.1, 2015, M1.7)

 

 

6 土耳其分支地震柱微震的三维立体分布

2004.10.1-2015.10.1M1.7

Figure 6. The three-dimensional distribution map of microseismicactivity in the Turkish Branch Seismic Cone

(Oct.1, 2004 –Oct.1, 2015, M1.7)

 

 

3.3 土耳其分支地震柱的地震柱划分

3、图46可见,土耳其分支地震柱又可以划分为爱琴海、土耳其、罗马尼亚和波兰等4个三级的地震柱。7采用微震资料的壳下地震(h35km)分布,来验证以上地震柱的划分,结果完全一致。各个地震柱都具有单体地震柱的基本特征,具有独立的柱体和影响区[3]目前,爱琴海地震柱和土耳其地震柱的资料较为丰富,另两个地震柱则由于资料较少而只是初具雏形。

7中虚线表示地震柱影响区的大致边界(1),黄色箭头表示柱体的倾斜方向,或称本征剖面。本征剖面由地震柱的出地点指向深源地震活动区,贯穿柱体的轴心。顺着本征剖面切片,即可以画出真正意义上的、各个单柱体地震柱的唯一本尼奥夫剖面。本征剖面是地震柱构造的基本属性之一,离开所在的地震柱便失去其物理意义和构造意义。

对地震柱的详细研究,最好同时拥有4级以下微震的资料。然而,地中海地震数据中心起步较晚,200410月才向社会提供正式的地震目录,而且期间唯有爱琴海发生过7级左右的强震。于此,以下采用ESMC目录着重研究爱琴海地震柱的情形。

 

1 土耳其分支地震柱的地震柱划分(2004.10.1-2015.10.1

Table1.The seismic conedivision of the Turkish BranchSeismic Cone (Oct.1, 2004 –Oct.1, 2015)*

地震柱名称

 

经度,纬度(°)

地震个数

最大震源深度(km

2004年以来最大震级

1963年以来最大地震

爱琴海

18,32-30,32-30,42.8--24,42.8-24,49-21,49-21,47-18,47

75573

667

6.9

6.9

土耳其

30,32-30,36-27,40-27,42-29,43-29,47-39,47-39,32

31225

650

5.9

7.7

罗马尼亚

23-29,42.5-50

2046

650

6

7.1

波兰

17-22,46-54

1063

650

4.7

5.1

 

 

7 土耳其分支地震柱的壳下地震分布及其地震柱的划分

2004.10.1-2015.10.1M1.0

Figure 7. Earthquake distributionand cone division of the Turkish Branch Seismic Cone

(Oct.1, 2004 –Oct.1, 2015, M1.0)

 

4 爱琴海地震柱的地震活动研究

按照图7的地震柱划分,爱琴海地震柱的地理范围为32°~44°N18°~30°E,包含了爱琴海及其周边地区。该地区自2004年以来共发生6.0级以上地震15次,其中深度为35km以上的壳下地震5次,最大地震6.9级,是土耳其分支地震柱地震频发的地区之一(2,图8)。由于该地区微震活动频繁,故以下以研究壳下地震活动为主。

 

2 爱琴海地震柱6.0级以上地震目录(2004.10.1-2015.10.1

Table2.Theearthquake catalog of magnitude 6 or more in the Aegean Sea Seismic Cone(Oct.1, 2004 –Oct.1, 2015)

日期

(yyyy/mm/dd)

时间

(hh/mm/ss)

纬度

(°)

经度

(°)

震级

(Mw)

深度

(km)

20060108

113453

36.31

23.25

6.7

60

20080106

051418

37.16

22.64

6.2

72

20080214

100922

36.57

21.75

6.9

30

20080214

120854

36.34

21.86

6.2

20

20080220

182707

36.47

21.71

6.2

26

20080608

122528

37.97

21.48

6.4

5

20080715

032635

35.96

27.86

6.4

60

20090701

093011

34.13

25.42

6.4

30

20110401

132911

35.54

26.63

6.0

60

20130615

161059

34.23

25.00

6.2

10

20131012

131154

35.56

23.31

6.4

47

20140126

135543

38.19

20.41

6.1

18

20140203

030845

38.26

20.32

6.0

2

20140524

092502

40.29

25.40

6.9

27

20150416

180744

35.03

26.81

6.1

30

 

4.1 爱琴海地震柱2004年以来的壳下地震活动

爱琴海深度为35km以上的壳下地震的地理分布见8。图中地震大致密集在两个条带。其中,玫瑰色的粗虚线Ⅰ为人们通常定义的希腊弧,黄色的粗虚线Ⅱ为火山弧。按照壳下地震的分布形态,本文称玫瑰色的细虚线Ⅰ’为希腊前弧,黄色的细虚线Ⅱ’为火山前弧。玫瑰色的粗虚线Ⅲ为北安纳托利亚断裂的西段,在图中表现为火山后弧,因为挽近期的爱琴海火山活动都局限在火山弧与北安纳托利亚断裂之间的地区,而且越往南越新[12-45]图9)。火山活动与地震活动并存,是地震柱构造的基本特征之一[46-47]

值得注意的是,四条虚线Ⅰ、Ⅰ’、Ⅱ和Ⅱ’,一致性地汇聚在土耳其的罗德斯岛地区并向西偏北方向均匀撒开,显示这个火山区域,准确地说是爱琴海的中心位置,似乎存在着逆时针旋转的趋势。关于这个问题,作者将有另外的文章进行讨论。

为了判别希腊弧和火山弧地震活动的差异性,本文划分了希腊弧区和火山弧区两个地块,统计其壳下地震活动的月频次(次/0.1a),列于图10。由图10可见,以2009年初为节点可分为前后两段。前期,希腊弧地块的月频次明显高于火山弧地块,后期则相反。希腊弧地块对火山弧地块月频次的比值前期明显大于1,后期则小于1。因此,前期在希腊的南部海域发生2008年2月14日的6.9级地震,后期则是在爱琴海的北部海域发生2014524的6.9级地震,似乎可以以此图作为判别依据。由图可见,2008年的强震发生在月频次比的高值之后,而2014年的强震则发生在火山弧地块月频次的高值结束之后,也就是月频次比的最低值结束之后。

土耳其分支地震柱2005-2015年的地震深度随时间的时序图如图11所示。图11可见,2014524的6.9级地震之前出现明显的壳下地震活动征兆,表现为2009-2010年自地下656km直上地表出现一组地震活动,然后则在220km深度以内跳动,直至6.9级地震发生。2008年2月14日的6.9级地震之前则看不到类似的深源地震活动,可能是因为缺失2005年以前的地震资料所致。

2009-2010年的深源地震活动发生在2008年6.9级地震一年以后,不可能是由于这个地震造成的深部活动。况且,2014年的6.9级地震以后的一年多内,也未见类似的深震活动。因此可以肯定这组深震活动表现为2014年6.9级地震的前兆。这个现象值得进一步研究。

 

 

8 爱琴海地区壳下地震与壳内强震的地理分布

2004.10.1-2015.10.1M1.0

Figure 8. The geographicaldistribution of subcrustal earthquakes and intracrustal strong earthquakes inthe Aegean Sea

(Oct.1, 2004 –Oct.1, 2015, M1.0)

 

 

9 爱琴海地区的火山活动

Figure 9. Volcanic activities inthe Aegean Sea region

 

 

10 爱琴海地震柱内希腊弧区与火山弧区壳下地震的月频次及其比值

Figure 10. Monthly frequency andits ratio of the subcrustal earthquakes of the Greek arc block and the Volcanoarc block in the Aegean Sea Seismic Cone

  

 

11 土耳其分支地震柱的震源深度时序图

2005.1.1-2015.10.1M1.5

Figure 11. Seismic focal depthsequence diagram of the Turkish Branch Seismic Cone.

(Jan.1, 2005 –Oct.1, 2015, M1.5)

 

4.2 2014524日爱琴海6.9级地震前的孕震过程

200911日至2015101日爱琴海地区的壳下地震活动如12所示。由图可见,火山弧地块的活动明显高于希腊弧地块的地震活动,壳下地震密集在火山弧的两端,500km深度以下的红色地震构成一个向西北方向开口的能动层[5]

200811日至2015101日的爱琴海地震震源深度时序图如13所示。由图可见,自2009年爱琴海地震柱柱体的深源地震活动之后,于2010年、2011年前后、2013年之前和2014年之前在220km深度以内出现若干次的上下扰动(岩石圈内的波动)。这就如同在深达600多千米的柱体内进行了一次搅动,然后在近地表(220km深度以内)引起一连串的涟漪,以便累积能量并寻找释放的突破口,最终选择了北安纳托利亚断裂的薄弱部位。期间内也曾在希腊弧地块中壳下地震较为密集的地区发生过46级多一点的强震,但是未能释放掉火山弧地块内的能量(12、图13)。倒过图像来看,这个过程就如同一场龙卷风一般,一场来自地幔深部投射到地表的地下风暴。

14200911日至2014524日在6.9级地震之前的全部地震集合。将这张图分解为0.1a为一帧的动画,使得5年多的地震孕育过程浓缩到十几秒钟之内,其情形更为精彩:2009-2010600多千米的深震柱子形成之后,便在220km深度出现多次的波动跳跃,直至强震发生。对于图11,取土耳其分支2008年的地震活动为背景,自2009年以后做成动画,效果也一样,因为该时段内除爱琴海以外没有7级左右的强震活动。

然而,由于本刊不能接受动画出版,遂将动画放在作者的科学网博客,作为本文不可或缺的内容之一。

Link: http://blog.sciencenet.cn/blog-552558-969802.html

            (点击可查看动画)

一个600多千米深的地震活动柱子,激起220km厚的地层内震荡,引起壳内构造的薄弱部位破裂而发生强震。这就是2014524日爱琴海北部海域6.9级地震前的孕震过程和孕震机理,表明强震活动的能量来自地幔深部的能量积累,地震发生时才需要寻找到地表构造的薄弱部位。

 

 

12 2014524日爱琴海北部海域6.9级地震的前兆地震分布

2009.1.1-2015.10.1M1.5

Figure 12. Premonition Earthquake distribution of the earthquake Mw 6.9 onMay 24, 2014 in the northern Aegean Sea

(Jan.1, 2009 –Oct. 1, 2015M1. 5)

 

 

13 2014524日爱琴海北部海域6.9级地震的孕震过程

2008.1.1-2014.5.24M1.7

Figure 13. The seismogenic process of the earthquake Mw 6.9 on May 24,2014 in the northern Aegean Sea

(Jan.1, 2008 –Oct. 1, 2014M1.7)

 

 

14 2014524日爱琴海北部海域6.9级地震的前兆地震集合

2009.1.1-2014.5.24M2.0

Figure 14. A set of earthquake precursors of the earthquake Mw 6.9 onMay 24, 2014 in the northern Aegean Sea

(Jan.1, 2009 –May 24, 2014, M2)

 

5 讨论和结论

 

5.1 有关问题的讨论与说明

为了完善本文的结论,特对如下问题做出讨论与说明。

1)关于土耳其分支地震柱的地震柱再划分

7给出了土耳其分支地震柱的地震柱再划分结果,容易引起人们的疑惑,要靠地中海地震台网今后的资料来加以验证。目前,至少爱琴海地震柱比较确定。爱琴海地震柱类似一个洋葱,情形较为复杂。初步看来,火山弧地块是葱心,希腊弧地块为葱皮,由图6、图14可见前者被后者包裹着,数据处理上难以剥离。10的结果显示二者可以独立活动又互为影响和干扰。在2014年火山弧地块的6.9级地震之前,当月频次比值很低时,如果出现月频次比值大于1的情形,就会在希腊弧地块的壳下地震密集区出现中强地震活动。这就表现了问题的复杂性。

土耳其地震柱深部地震资料不够充分,如果再发生如1999年那样的大地震,或许就改观了。罗马尼亚地震柱地表微震活动稀少,深部地震也少,但地表一来就是中强地震,主要与壳下的地震活动关系密切。波兰地震柱地震少,强度小,但对当地矿山安全影响大,值得关注。

可以肯定,这4个三级地震柱的深度都在600千米以上,只是因为地震数据不足而难以分别论述。

2)关于地震柱柱体活动能量的大小

11所显示的地震柱柱体活动,能量是否足以驱动壳内的6.9级地震?目前尚无法对此做出估量。但是有一点可以明确,深部地震活动只是深部能量传递与积累的表征。就如同烧开水,人们所看到的水泡上升与破裂只是能量的一部分,大部分的热能还在于看不见的对流、传导与辐射。对于地震柱柱体深部的情形,比起烧开水就更加复杂得多。

3)关于爱琴海地区的地震构造模式

本文给出了围绕爱琴海的4个三级地震柱,就是一个简单的构造模式。但是这里面还有更深层次的问题,比如爱琴海的中心位置是否存在构造上的逆时针旋转,目前所能收集到的证据尚不够充分。地学界所流行的模式是几个“板块”的拼合与碰撞,可以在强震过后做出一定的解释,但是好像很难解决地震的预测问题。

 

5.2 结论

 

本文采用北加利福利亚地震数据中心的ANSS地震目录和地中海地震数据中心的EMSC地震目录,按照地震地热说关于壳内强震与火山预测的方法,对地中海地震柱土耳其分支及其下列的爱琴海地震柱的地震活动性进行详细研究,通过图表和动画的再现,得出了2014年524日爱琴海北部海域6.9级地震的孕震过程与孕震机理,表明爱琴海7级左右强震的能量可能源自地幔深部的能量传递与积累,形成一个柱状活动体,然后以波动方式激励岩石圈,以寻找到地表构造的薄弱部位,突发强震这是一个非常完美的例证,表明壳内强震是可以预测的。

本文结果对传统的地震成因说打开了一道口子,或者有利于地震预测理论与预测方法的再研究。本文对地中海地震柱土耳其分支划分的4个三级地震柱,给出了爱琴海地区的初步地震构造模式,将有利于希腊、土耳其、罗马尼亚和波兰等地区的地震监测与地震预测研究。这些地区拥有高质量的地震目录,只要按照图7的构造模式改换地震预测的思路,前景是乐观的。

本文的结果在其它地区很难实现,因为作者手头只拥有地中海和美国比较理想的微震活动资料。相比之下,中国地震目录资料丰富,但震源深度的精度欠佳,亟待改善。然而,在爱琴海所发现的这种强震的孕震模式,作者深信是可以由此及彼的。在其它一些地震活动强度较高的地区,比如智利、汤加、菲律宾、印度尼西亚、日本、美国等地,采用ANSS地震目录或者当地的高质量地震目录,或许还能找到更多的例证。目前全球的地震预测收效甚微,甚至趋向于不可知论,创新思维才是唯一的出路。

 

致谢

本文感谢北加利福尼亚地震数据中心提供的ANSS地震目录(doi:10.7932/NCEDC)、地中海地震数据中心网页上提供的EMSC地震目录,同时感谢中国地震局离退办提供的老专家科研基金课题资助,编号201601

 

参考文献

[1]  陈立军 (2000) 中国地震震源深度与强震活动状态研究. 地震地质22(4): 360-370

[2]  陈立军 (2012) 地震地热说原理与应用. 内陆地震26 (2), 108-122

[3]  陈立军 (2013) 地震柱的概念及其基本特征. 华南地震33 (1), 1-14

[4]  陈立军. 20120419预测卡片(3年期)的试验总结地震地热说的壳内强震与火山预测方法介绍. 自然科学, 2015, 3(4): 147-164. http://dx.doi.org/10.12677/OJNS.2015.34019

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