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从岩石力学角度探索“慢地震”的成因机制 精选

已有 4840 次阅读 2018-7-14 10:40 |个人分类:科研随想|系统分类:科研笔记| 慢地震, 成因机制

 

大家对地震并不陌生,但这一般指“普通地震(快地震)”,如唐山和汶川地震等,这类地震是断层岩石在构造应力作用下发生脆性破裂所致,其释放能量的过程较快。

对断层的观测表明,断层运动既有快速地震破裂、也有无震蠕滑方式,那么在这两者之间,还有没有第三种方式呢?

本世纪初,科学家们发现了“另类”地震——慢地震【1-4】,慢地震常发生于与板块边界有关的构造环境(图1)中,如日本西部南海海槽、卡斯凯迪亚、哥斯达黎加、阿拉斯加、智力、新西兰、圣安德烈斯断层等板块边界带中。慢地震是一种能量释放缓慢的地震,其持续时间比“快地震”长得多,从几分钟到一周,甚至数月。


1 Subducting plate geometry and the kinematically defined interplate zones. The locked zone is the most shallow where the two plates are locked together, the transient slip zone is downdip of the locked zone and is the site of SSEs, and the stable slip zone is where the two plates are continuously slipping at their interface1.

Teruyuki Kato1 认为存在以下四种慢地震类型:

·         低频地震——low frequency earthquakes (LFE)

·         超低频地震——very low frequency earthquakes (VLF)

·         慢滑事件——slow slip events (SSE)

·         模式颤动和滑移——episodic tremor and slip (ETS)

目前关于慢地震的物理机制还存在较大的争议一些学者【3】认为慢地震现象产生的主要原因,为含水矿物的脱水作用或流体的浸入作用引起孔隙压力的变化所致;而有些学者【4】认为在某些俯冲带,地幔楔角附近的高压流体使原来黏性的断层又重新呈现脆性所致。因为地球的不可入性,地幔楔角流体作用是否存在尚存疑问,再者流体作用若导致岩石脆性破裂,那么有可能又变成“快地震”了。为此,需探索对“慢地震”成因机制的更合理解释。

若想弄清“慢地震”成因机制,应基于两个前提:一是必须对“快地震”机制有深入了解;二是需从实验室观测到的现象出发,进行逻辑推理才有可能得出正确结论。因为任何认识都不会是无源之水、无本之木,其来自于实验或观测,但又高于实验或观测。

显然,岩石强度受温度、围压以及流体影响,在其他条件不变的情况下,随温度升高,岩石的强度降低。温度、围压对岩石的力学行为有很大影响,在高围压或高温条件下,岩石力学行为有可能从应变软化性质、转化为理想弹塑性性质乃至应变硬化性质(图2)。

 


2 完整长石砂岩试样在不同围压(Pc)和温度(T)下的应力应变曲线【5

我们对“快地震”的研究表明:(1)  能积累较高能量产生大地震的载体是地震区断层带中或被次级断层围限而成的锁固段,其具有强度高和尺度大的特征;(2)当前锁固段承受的构造应力均处于体积膨胀点和峰值强度点之间。在每个地震区中,锁固段与断层带中的其它介质相比,强度是最高的,即发生“快地震”的介质强度最高。那么可以合理推测,发生“慢地震”的介质强度次之,发生稳态蠕滑的介质强度再次之。

基于上述认识,图3给出了断层带中不同介质的应力应变曲线。



3 断层带中不同介质的应力应变曲线示意图

发生“快地震”的锁固段应具有应变软化性质,其每一次脆性破裂都会有应力降产生,即有“快地震”的发生。注意哦,实际上应力应变曲线并不是光滑的,会出现许多“锯齿”。

呈现稳态蠕滑的介质,其剪切应力应变曲线应为显著应变硬化属性,故无地震发生。

我们推测,发生慢地震介质的应力应变曲线特性应介于两者之间,即为理想弹塑性或准理想弹塑性属性,在这种情况下,岩石本身的脆性被极大程度地遏制,虽有破裂发生,但破裂过程为一较长的稳态过程,为延性破裂性质,对应慢地震的发生。

是不是这样呢?从图4看到,在应变达到一定程度后,破裂事件形态不像以前的“脉冲”型,而像“波浪”型,呈现出延性破裂特征。

 


4 三轴压缩下大理岩的声发射活动特征【6

(红色双箭头范围表示慢破裂事件的时间区段)

那么,实际情况如何呢?我们看一个在2002-2012年新西兰发生慢滑事件的例子(图5)。


5  2002-2012年新西兰发生慢滑事件的部位示意图【2

容易理解,上部压力小温度低,岩石容易发生脆性破裂,即“快地震”;下部压力大些温度高,岩石呈现应变硬化属性,易发生稳态蠕滑;中间部位介于两者之间,易发生慢滑事件。这与上述分析一致。

其实,不管在板内与板间地震区,若断层中的某些部位,在一定的温度和压力条件下,有发生延性破裂的条件,就会对应慢地震的发生。然而,满足这样的条件,需要的温度和压力条件非常苛刻,故只有在特定的地震构造区域才能观测到,即鲜见其发生。

最后,说说慢地震和快地震的关系。有学者【3】认为“慢地震是地壳能量释放的一种形式可能消除一个正趋于断裂地带的地震威胁也可能因为应力的转移而触发一个正常的地震。”这种理解是不正确的,慢地震或快地震都能释放能量,这没错,但这是局部释放,从我们的研究看,每个地震区当前地震周期均处于加载状态,即从地震区角度看,都处于能量积累状态,主震均未发生,所以说慢地震可能影响后续较大事件的发震时间,但不能解除较大事件的威胁。从这个角度说,研究慢地震对理解板块运动模式有科学意义,但对防震减灾和普通地震的预测几乎没有实际价值。

若本文的观点能对“慢地震”的进一步研究有所启示、能起到抛砖引玉的作用,则“二班人”深感欣慰啦。

参考

1Slow earthquake

https://en.wikipedia.org/wiki/Slow_earthquake

2Slow Slip Events

https://www.gns.cri.nz/Home/Learning/Science-Topics/Earthquakes/Earthquakes-at-a-Plate-Boundary/Slow-Slip-Events

3闫伟  彭汉书2011./慢地震研究现状及意义大地测量与地球动力学 , 31 (b06) :51-56.

4X Gao  K Wang, 2017. Rheological separation of the megathrust seismogenic zone and episodic tremor and slip, Nature ,  543 (7645) :416-419.

5王宝生  史兰斌, 1989. 砂岩变形方式和变形机制的实验研究,地震 , 1989 (5) :52-60.

6】姚孝新,耿乃光, 陈顒1980. 应力途径对岩石脆性-延性变化的影响,地球物理学报 ,  23 (3) :313-319.




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