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地震根源为什么不能从地墁流动粘弹失稳上去寻找?

已有 3178 次阅读 2014-6-22 20:29 |个人分类:地震前兆和预报|系统分类:论文交流|关键词:固体力学,流体力学,地震,地球物理,地墁,失稳| 地震, 地球物理, 流体力学, 固体力学, 地墁

地震的产生原因为什么不从粘弹流体蠕变失稳条件上去找?

地震的产生原因大部分从静态的应力应变关系考虑得多,而从粘弹性流动,能量储存和释放研究的少,尤其是特别大的地震,都是带扭动的,比如明朝的关中大地震,都是带旋转的,成语中形容这些灾变叫做天动地旋,确实很形象,这个旋是如何来的?从失稳角度考虑得少,所以很难理解这个旋动.

为了理解这个问题,我们不妨看看层流失稳的涡丝的起旋溅射,起初生成的涡,实验中把它叫做,马蹄涡,后面变成扭转的由lambda波到K波的发展过程.拿个毛巾扭一下,扭得紧了就会扭起疙瘩,地幔也是这样,剪切形变厉害了,就起旋转型起伏和扭结,这个时候,不仅会出现新物理现象,也会改变声传播规律,声信号会在某个区域被放大是肯定的

现在地震后的剖面需要找这样的扭转证据,以便加强理论分析的可靠度.

粘弹性流体在发生转捩时,其声学信号传播因为失稳结构的放大作用而发生巨大变化,

为我们判断地震来临创造了很好的条件

正是因为讨论这个地球物理问题参加的流体力学方面人很少,大部分资料和文献都是从固体力学角度出发,就是谈到失稳,谈到粘弹性流动也说的是固体力学的话,所以需要换位思考,从流体力学来看失稳和突变比固体复杂,和固体不一样,流体和固体能量存储和积累过程还有些区别,比如雷诺数对判断不同惯性力与粘性力影响下判断能量的积累,判断震情有没有用处?

所以特别欢迎搞地球物理的队伍中的人来到这里谈谈看法,本人觉得如果把这些概念引入只有好处,没有坏处

现在谈断层谈断裂得多,在一篇文章上看到预测经济发展中的断层和地震的关系,

觉得这个问题甚至可以从地球物理领域延拓到国民经济的宏观发展问题上,只要是一个系统,有量的输入输出,有差别,这个差别会带来矛盾('力')的效应,那么是否都可以纳入流体力学稳定性分析范畴

经济学上面也谈国家经济发展的断层,财富积累的断层,贫富差别的断层带来的风险,

这些分析都是静态的,

如果把这些系统的发展看成流体,看成一种守恒规律下的演变,

那么仅仅静态的断层分析就是不够的,比如仅仅靠基尼系数分析危机临界线就不够,

因为系统发展都有一个过程,所以需要引入一个类似雷诺数的判断准则,以便更好估计失去稳定到来的时间.

失稳临界等于: (富人的)发展速度 乘以 发展长度 除以 穷富之间的调控或者弥散的能力和强度

是否以这个判断代替基尼系数更靠谱,欢迎经济学家从流体角度来看发展的断层,从而建设一门国民经济发展的流体力学分析方法

现在一般认为地球的内部结构为三层结构,即地壳、地幔和地核。地幔是流体,由于地幔的缓慢运动导致地壳中能量的累积,最后在一些地方发生断裂,也就是地震。这种看法应该是主流看法。从地幔流动分析地震应该有人在做,我记得过去看过一个用数值模拟方法模拟地幔流动的片子,但是这里比较困难的地方可能是地壳结构本身比较复杂,同时地幔内部的各种参数分布实际是不知道的,因此你很难对它进行分析。前几天刚放假的时候,我们在茶余饭后版块谈过“地球空心论”,之所以有这样的理论主要就是因为对地球内部结构尚没有有效的测定和分析方法,所以应该是一个非常有难度的工作。要不是非常有难度,很多成果都会出现了,尽管人们认为地幔在流动着,但是流动的太慢了,看不见又摸不着,检验很困难,现在声成像只能做到很小的范围,这部分的数值计算也很少开展,所以很多“论文”也仅仅是皮毛的提一提,大部分文章都是'白话文',或者图文并茂的,地球表面数据记录

真刀真枪的拿地幔的流动和地震关系来算一算,凤毛麟角,美国,日本力学专家已经开始进行断层数值分析,但是还不是按照流动来计算的,大部分文章也仅仅是万金油式的,在饭后茶余谈谈这个,也就是提个醒,如果见到有人按照流体来算,别忘告知一声:

流体力学还有很不同的失稳和突变的研究方法,现在地震研究几乎停步不前,地震局把大部分财力用在修建筑,住房,和震后震级震源地点确定上面,一些业余预报地震的研究人员又技术水平底,声成像,声传播,以及地震资料回归分析和数值计算技术都用得很少,沿用的还是还很少是分析的方法,难有大的突破,所以本文目的在于鼓励一些抢不到基金课题和正规渠道课题的力学工作者,那怕是茶余饭后,把有关的最新理论投入这方面,有几年功夫,也说不定会抱大金娃娃。

附录:

随着地震记录资料的积累和分析方法的改进, 提高了层析成像的分辨率. 新的层析成像结果提供了华北克拉通及相关区域上地幔结构的一些基本特征:

(1) 华北克拉通东部上下地幔过渡带为高速体, 在高速体上、下存在一些低速异常体;

(2) 华北克拉通西部地壳下的高速体延伸到约 200 km深处. 接收函数叠加成像是构建地幔过渡带结构的有效手段, 密集台站探测提供的精细结构成

像结果显示, 华北克拉通东部地幔过渡带厚, 中间略薄(与全球平均厚度比较), 西部又稍变厚. 根据 410

和 666 km 间断面形态的反相关性质, 通过反演 410 km 间断面结构, 推测华北克拉通中部(太行山和汾谓

地堑)下方, 是上地幔低速区.

华北克拉通东部下方的地幔过渡带结构保存了太平洋板块俯冲物质在过渡带停滞的特性. 华北克拉通中部上地幔的低速结构以及横波分裂观测结果表明, 存在局部不均匀的地幔对流状态. 华北克拉通西部的高速体表明, 厚的古老岩石圈根没有被破坏. 这些地震成像结果展示了华北克拉通上地幔结构的概貌, 提供了窥视深部构造特征的图像.

综合不同资料和分析方法得出的华北克拉通不同深度的地震成像结果, 可以探讨华北克拉通岩石圈周围的地幔流动, 以及克拉通岩石圈与周围地幔相互作用的信息. 我们推测, 华北克拉通东部上地幔在晚中生代的流动主要是受太平洋板块俯冲导致的大地幔楔的影响. 俯冲板块脱水、俯冲海洋岩石圈进入上地幔, 并对上覆地幔造成局部扰动, 使华北克拉通下方的上地幔呈现快速和不稳定的流动特征;

不稳定的上地幔流与华北克拉通内部的薄弱带(如太行山地区和郯庐断裂带)相互作用的结果激化了热/化学侵蚀、 与没有被破坏的西部鄂尔多斯克拉通根相互作用的结果导致了地幔湍流的形成; 鄂尔多斯盆地下方地幔则处在自西向东相对稳定的流动状态。

岩石圈厚度剧烈变化过渡区的低速上地幔, 以及一些零散分布的低速体, 是地幔流动中的局部不稳定区域. 3 华北克拉通破坏方式与动力学机制

华北克拉通破坏方式是争论最激烈的问题, 拆沉和热侵蚀是目前最主要的两种模型. 拆沉模型的本质是指由于重力失稳导致的垮塌. 在拆沉过程中, 加厚的下地壳转变成榴辉岩, 此榴辉岩与下伏的岩石圈地幔一起被拆沉进入软流圈地幔. 显然, 该模型预测的现今岩石圈地幔几乎都是新生的, 且岩石圈减薄已涉及到地壳. 热侵蚀作用模型的基本涵义是称为热-机械侵蚀; 与此相伴随还会发生岩石圈的化学侵蚀. 除这两种讨论较多的模型外, 还有橄榄岩-

熔体相互作用、 机械拉张作用、 岩浆提取作用等模型.

自古生代以来, 发生在华北克拉通及周边的构造事件, 诸如晚石炭世古亚洲洋向南的俯冲、三叠纪扬子与华北板块的碰撞、中生代-新生代太平洋板块俯冲. 此外, 冈瓦那超大陆裂解, 地幔柱作用, 甚至印度板块同欧亚大陆的碰撞, 均被列入可能导致华北克拉通破坏的动力学原因. 随着观测和实验数据的不断积累, 多种解释各自的依据似乎越来越充分,

矛盾也越来越尖锐. 因此, 需要从地质、地球物理和地球化学综合研究的角度, 对华北克拉通破坏的方式和机制进行更深入的探讨.

华北克拉通破坏的特点是: (1) 大范围(整个克拉通东部); (2) 岩浆活动持续时间长; (3) 岩浆性质和空分布以及构造特征都表现了多样性和区域差异性; (4) 缺乏源于核幔界面大地幔柱引起的软流圈上涌证据. 因此, 我们推断华北克拉通的破坏是源于非地幔柱的地球深部动力过程. 不管这种动力学过程是单一因素的还是多因素的, 都会与岩石圈地幔和周围软流圈地幔的相互作用密切相关. 尽管早期周缘块体对华北克拉通的挤压造山作用, 使地壳增厚和下地壳向榴辉岩转化, 导致局部重力失稳. 但从地震学研究的角度来看, 我们看到华北克拉通下部地幔流动体系的独特之处是局部快速运动和不稳定性以及太平洋俯冲板块和停滞物质与岩石圈地幔相互作用, 产生了如图 7 示意的地幔流动体系. 在这一地幔流动体系中, 俯冲板块脱水使地幔弱化; 俯冲板块脱水、物质拆离进入上地幔使地幔中的熔流体增加; 对流地幔的增温、 减压作用等, 导致岩石圈部分熔融, 或者诱导软流圈来源的熔体与岩石圈地幔不断相互作用, 形成饱满的地幔橄榄岩[18,35]

.

我们认为, 俯冲的太平洋板块引起的地幔楔造就了作用于华北克拉通岩石圈的一个活跃的地幔流动体系(图 7). 在太平洋板块俯冲和华北克拉通岩石圈根被破坏过程中, 俯冲板块及其停滞于地幔转换带中的俯冲物质和地幔楔的规模和位置不断变化, 使东亚大陆下方地幔对流加速和不稳定性增强. 这种流动体系不仅改变了软流圈物性,而且促进了软流圈沿克拉通岩石圈薄弱带上涌

我国现在地球物理水平还有较大的差距,几乎可以说是个白话文论文大国,具体表现在: 地球动力学模拟中原创性的能够应用到实际动力学模拟的软件还很少,而模拟中能考虑到的因素也还很有限。由于高温高压仪器的缺乏( 大部分仪器从国外进口( 也非常有限) ,自己生产的仪器更是少得可怜) , 直接研究下地幔、 核幔边、 地核条件下的物质属性、 状态方程对我们来说还有点困难, 在国际一流杂志上发表出有关地核结构、 动力学等成果的我国科学家也非常少。对于地震机制的研究,我国仍主要停留在浅源地震的研究上,对于涉及到中、 深源地震的研究还很不够;尤其我国处于沿太平洋地震带上,应该充分发挥我国的地理位置优势,把中、 深源地震机制的研究赶上来。我国各领域科学家的合作研究还很不够,应该充分利用学科交叉的优势,加强各学科协同

国际科学主流已经认识到,地幔中的地震不连续性对地球内部的结构、 动力学及其演化也起了较强的限制作用; 地震学、 矿物物理学、 地球化学、 岩石学及其地球动力学领域在物质相变上的理解极其关键;地球地幔的温度和成分对地球内部动力学的理解至关重要; 深源地震机制更不用说, 深部地震的分布特征、 地震破裂属性的观测、 俯冲板片中矿物学上的实验以及俯冲板片的地震、 岩石和热特征的研究等的交叉研究提出了不同的地震机制或验证了前人给出的地震机制; 地震学、 矿物物理学、

地磁学、 古磁学、 测地学和地球动力学等各学科的交叉来共同研究了地核及其其他行星内核的结构、 组成、 热力学和动力学属性。而地球内部各矿物、 岩石的状态方程所描述的压力、 体积和温度等热动力学上变量对整个地球动力学及其行星演化的研究起着不可磨灭的作用。

( 3)高精度的技术。随着32 位双处理器的超级计算机( supercomputers) 和集群( clusters) 纵观计算机的使用已经可以使数字模拟的分辨率高达120万像素,并提出了一系列新的研究方法及研究手段,像2D 的热力学有限元编码( SloMo) ,其一直被应用到研究岩石圈地幔相互作用上; 3D 平行有限元编码( 用PET Sc编写) ;能够应用到构造模拟中的大规模自由软件 Gale,一个并行的2D/ 3D 有限元代码;可研究热化学地幔对流等动力学的有限元程序代码 CitcomS v3 0 及有限元程序包ABAQU S,可对稳态水平对流的扩散方程进行精确求解等。除此之外随着全球地震台阵和计算机性能的不断增强,科学家们现在已经可以开始采集、 解析不仅是来自于强烈地震的地震信号,而且还能采集来自于人类脚下整个 波域的地震信号 海浪、气候模式、 地球与月亮的潮汐摩擦,甚至海平面变化也能获得全球地幔流动模型。给出的一系列地震台阵网( USArr ay 地震台网、 圣安德烈斯断层深度观测站、 板块边界观测站全球定位系统和应变计台阵等 .......

从上面的概览看,CFD还很难说在我国地震局里面开始运用

了,远没有运用失稳,转捩,突变的一系列判据不说,还有拿了钱办了别的和预报地震研究无关事情,关健是拿了钱以后还不断宣扬,地震是不可预报的,如果说現在不行还可以,定要坚持将来也没希望,这不符合认识论,所以往这方面的投入就很少。看这种不靠谱的声明多了,就感觉到这么庞大的队伍里面,参与使用计算分析来按照流体来计算地幔失稳流动特征的人,1%,甚至0.1%的人都不到,要么怎么会连用什么方程都搞不明白呢?!更就别说运用失稳和转捩的条件了

在这里,也想在地质结构方面向地质工作者请教,问题是在地质断面中有没有比较明显的地震爆发后形成不仅破裂,位移,倾斜,更重要的是发生扭曲的断面,地震烈度和这种扭曲有没有关系?比如关中大地震就是旋地转,如同华北拉通破坏里面的扭转隆起机制,地质层里面是否还有大量的线索可供使用

由中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室刘启元研究组与合作者通过在川西进行的三年地震波形数据大尺度综合分析研究,揭示了青藏高原向东侧向扩张的变形方式,揭示了2008年汶川大地震的深层次原因,其研究成果“证实青藏高原通过下部地壳物质流动和上部地壳沿断层块体滑移两种方式向东扩张”,

这个地壳物质流动有没有稳定性问题,断层块体滑移中间有没有扭曲形变?如果有扭曲形变在地貌分析上是容易看出来的,那么就意味着有类似的失稳现象



#地幔 #短临地震预报 #粘弹性 #失稳 #地震i



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2 黄德民 梁光河

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