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从地震产生机理剖析热流佯谬问题 精选

已有 2632 次阅读 2021-1-20 09:49 |个人分类:科研随想|系统分类:科研笔记

佯谬paradox)指的是基于一个理论的命题,推出了一个和事实不符合的结果。其在科学中是普遍存在的,并有区别于悖论这种逻辑矛盾。研究佯谬,可以增强科学认识能力,引导人们不断深入揭示自然现象的奥秘。

明白了佯谬概念,该谈本文关注的问题了。下面,简述热流佯谬(又称应力热流佯谬、断层强度佯谬)问题的由来。

地震断层究竟是处于高应力状态还是处于低应力状态?或者说地震断层强度是高的还是低的?这个问题困扰了地震学家数十年(陈运泰,2010)。那么,该问题又源自于哪里呢?

根据Byerlee 摩擦律,圣安德列斯断层表面应该观测到约40mW/m2 的热流值,而跨断层带的热流测量表明,断层附近并没有观测到因摩擦产生的如此高的热流值( Brune et al1969; Lachenbruch et al198019881992; Scholz2002) ,由此构成了热流佯谬(晏锐等,2011)。

从热流实测结果和一些学者(Zoback1987Hickman2004)的研究看,圣安德列斯断层所能承受的最大剪应力不高,断层强度较低。然而,Scholz(2000) 根据钻孔应力测量得出相反的结论,即圣安德列斯断层的强度还是很强的。

虽然一些学者提出了不少假说试图解释这些看上去相互矛盾的结果,但没有一个假说被普遍认可,故围绕圣安德列斯断层的强弱问题一直存在争议。鉴于此,热流佯谬问题已被列入10000 个科学难题”之一(科学出版社,2010)。

我认为热流佯谬问题之所以存在,本质上是因为对地震产生机理认识不清所致。

我在之前的博文《为什么锁固段能主控构造地震产生?》和《什么样的断层会出现蠕滑/黏滑现象?》已指出:如果断层内物质仅由软弱介质组成,即断层强度是低的,断层只能呈现蠕滑;如果断层中存在大尺度强度高的锁固段,则断层会呈现黏滑,即可把这样的断层称为发震断层。不同规模的锁固段破裂产生不同量级的地震,每次锁固段破裂事件对应的地震能包括地震波辐射能、表面能和摩擦热能(图1),其中前者给断层以动能,导致其快速滑动。

image.png

图1 裂纹扩展(破裂)时锁固段储存弹性应变能密度转化与分配关系示意图

Dt为应力降,De为伴随应力降产生的滑移应变)

长期以来,某些学者认为地震仅发生于岩石(锁固段)的峰值强度点(断裂点)。其实不然,在岩石(锁固段)的峰值强度点以前,也会发生诸多的破裂(声发射)事件(图2),只不过在峰值强度点的事件应力降较大、震级较大罢了。我们对环太平洋地震带和欧亚地震带62个地震区的实例分析表明,该认识正确。

image.png

2 扁平状岩块原位慢加载直剪实验中的AE事件率与剪切荷载

(据Ishida et al. (2010)修改)

圣安德列斯断层位于我们划分的旧金山地震区,迄今为止该断层发生的地震均不为锁固段峰值强度点破裂事件,而均为锁固段体积膨胀点与峰值强度点之间的破裂事件(预震)。这些事件的应力降较小、震级也较小,故产生的摩擦热能和相应的热流值也较低。由于Byerlee 摩擦律只适用于评估峰值强度点事件对应的热流值,所以据此必然会得出理论计算值偏高的结果;此外,每次锁固段破裂事件,不管大小,仅释放了锁固段储存弹性应变能的一小部分(图1中红色三角形+绿色矩形),锁固段内仍储存有大量的应变能(图1中黄色三角形)为下一次破裂提供能量,这意味着若不按此原理计算摩擦热能与相应热流值,也势必得到过高的理论值。

因为以前实测和计算热流值的方法针对的是地震断层而非锁固段,这将影响实测值与理论值的可比较性。为此,我建议未来这方面的研究,应聚焦于锁固段。

的确,要澄清有关自然现象的任何认识问题,必须以机理为抓手;正确揭示了机理,且由此出发剖析有关诸如热流佯谬问题,自然就能平息诸多争议。

参考(略)



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