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构造地震过程的两个力学破裂模型

已有 3087 次阅读 2017-2-5 14:50 |系统分类:科研笔记

构造地震过程的两个力学破裂模型

岳中琦

中国岩石力学与工程学会,在2016年8月,承办了“中国科协第111期新观点新学说学术沙龙”。它的主题是“大地震孕育机制及物理预测方法”。我有幸被邀请参加了这次盛会。在会上,我做了不少发言。其中一部分发言内容就是“地震过程的两个力学破裂模型”。我在本博文作简单介绍。

世界上第一个构造地震过程的力学破裂模型

1910年到2008年的百年时间内,世界上仅有一个公认的构造地震的力学破坏模型。它是断裂外部构造应力(板块挤压)加载到地壳岩石断裂带的力学破裂模型。它如图1所示。它就是Reid教授根据1906年旧金山大地震研究成果,在1910年提出的地震成因机理:外部构造挤压加载岩石断裂破坏力学模型(传统称它为,断裂弹性回跳假说)。一百年来,主流地震专家们一直根据它来研究地震、和预防、预测、预报灾难性大地震。

世界上第二个构造地震过程的力学破裂模型

到了2008年,世界上有了第二个构造地震过程的力学破坏模型。它就是断裂外部构造应力和断裂内部极高压气体的耦合加载到地壳岩石断裂带的力学破裂模型。它如图2所示。它就是岳中琦根据2008年汶川大地震研究成果,2008年提出的地震成因机理:外部构造挤压和内部极高压气体加载岩石断裂破坏力学模型(或简称它为,断裂气震假说)。九年来,地震地质研究人员逐渐地对它感兴趣,用它来研究地震、和预防、预测、预报灾难性大地震。


1和图2所示的两个地震力学模型的构造地质环境和外部加载条件完全一样。图1模型仅有一个加载动力。它就是外围重力-构造挤压应力的加载。图2模型仅仅在图1模型上加上了一样东西。它就是,在断层内部加上了密封的极高压气体。

因此,图2模型有两个加载动力:一个是外围重力-构造挤压应力的加载,另一个是断裂带内部高压气体的加载。地震断裂带就有了这两个应力场作用的叠加。由于断裂带受到了极高的挤压构造应力作用,这个岩石断裂带内部的气体压强可以非常高。

因此,这两个地震力学模型的区别就是断裂带是否存在高压气体和它的膨胀加载作用。

那么,这两个模型,哪个正确呢?哪个容易造成断裂扩展和破坏呢?

根据图1模型,在地壳重力和构造(或板块)推挤作用下,断裂带和附近岩石(岩体)产生异常挤压构造应力场。它的断裂带面上有很大的挤压应力。因此,断裂带再发生拉张破坏是不可能。同时,断裂面上也有很大的因挤压产生的摩擦面力。这个摩擦面力也使得断裂面难以产生剪切破裂,造成摩擦断裂的巨大温度增加,岩石可被变软、甚至熔化成岩浆。这就有了固体变形能转换为热能的生热作用的推理。这可大大增加岩石抵抗断裂扩展能力,岩石的断裂韧度大大增大了。

根据图2模型,断裂带和附近的应力场是内外两个加载力产生的两个应力场的叠加。它既可以有压缩应力和变形,又可有拉张和剪切应力和变形。它可造成断裂面上的挤压应力极小、或等于零、或转变为拉张应力。因此,断裂面的拉张破坏就非常方便和容易,同时,剪切破坏也是非常容易的。断裂面上极小或没有挤压应力,摩擦阻力就极小,剪切破坏也就容易了。同时,断裂面的再次破裂也就极少或没有摩擦生热效应了。断裂带的温度不会增大。

进一步地,断裂带内部的高压气体因断裂错动、膨胀需吸热降温,这可使得断裂带岩体温度降低。这也就有了固体的冷脆效应,使得岩石抵抗断裂扩展能力(断裂韧度)的降低,断裂可更容易、快速地扩展。

在另一方面,根据弹性力学或断裂力学理论,可计算出这两个力学模型的断裂-岩石应力场。它们的结果是不一样。

1模型的断裂带应力场变化是同远处施加的构造载荷一致、正相关的。如果断裂带附近应力场有变化(增加或减少),远处的构造应力场也应该有相应的变化(增大或减少)。然而,图2模型的断裂带耦合应力场是可以同远处施加的构造载荷不一致、不正相关的。断裂带内部高压气体载荷的变化(增大或减少)所造成的附加应力场,在断裂带附近是一致、正相关的。但是,这个附加应力场随着离气源的距离增大而以距离平方的反比快速衰减到零。因此,它在远处就会没有任何明显变化,

所以,这两个地震模型就解释了,我们在地表进行地震预测预报过程中,地表应力和应变的测量为什么难以捕获到地震的前兆信息。远场构造(板块)加载到断裂带是相对稳定的,在强度和时间上变化不应该很大。但是,断裂带内部极高压气体的变化,在远场(或地表)是难以观测到的。这种远场应力应变测量是难以发现到,极高压气体造成的断裂带内部和附近的应力应变变化。这就造成了,百年来,我们利用图1模型,在地表测量和预测地震的非常困难局面。这使得部分地震专家认为地震是不可预测。

在时间方面,图1模型的随时间变化尺度是极长期的、可能是几万年到百万年的。图2模型的压强pgas(x,t)和质量mgas(x,t)的时间变化尺度是极短暂的、可以是几秒钟到几百年或几千年的。更进一步,极高压气体在断裂带空隙的流动和膨胀变化速度可达到每秒钟5公里级。因此,它造成了极其快速的地震过程,且伴随有极其巨大的气体体积膨胀能、岩石固体变形能和重力势能的释放和转化。

或有人要问,高压气体怎么在自然中间加载到断层上面去?

随着从地表到地球深部的深度增加,地壳岩石重力和挤压构造应力场应该逐渐线性增加。如果这个认识是合理的话,我就有了以下力学分析来解答这个疑问。

在岩体内部的气压压强应该受到地壳岩体的三个主压应力控制、相关。由于气体抵抗剪切应力和变形的能力极低,因此,稳定在岩体空隙、孔隙和裂隙中的气体压强应该小于最大主压应力值。它可能等于三个主压应力值之和的三分之一。由于位于浅部的岩体挤压构造主压应力较低,因此,稳定位于浅部的气体压强也较低。由于位于深部的岩体挤压构造主压应力较高,因此,稳定位于深部的气体压强也较高。

所以,在深部岩体中的气体压强应该有较高的压强。这些气体可以通过断裂带往浅部岩体运移、聚集。深部的气体要往上走,必须到上覆断裂带或空隙内聚集。深部高压气体就自然地运移和添加到带有空隙孔隙的浅部断层带内部了。它就像水一样。因为重力作用,地表自由水容易从高处往低处流。如果在扣除重力影响后,前后或上下管道内封存的水(液)体或气体存在压强差,那么,水(液)体或气体就会从管道的高压端向管道的低压端流动。

因为气体压强在深部和浅部存在差异,位于深部较高岩体构造应力场的高压气体就一定向上部、浅部较低岩体构造应力场的低压环境流动。因此,下部深部的高压气体必须往上部、浅层岩体流。当它们运移到达完全致密高压的断裂带岩体段受阻以后,它们就聚集了。随着时间,就形成了断裂带内部的高压气囊。

这就有了较为长期的地震孕育过程,和后来极为短暂的地震暴发过程。

2017年2月5日14:50写成于香港大学黄克競楼办公室




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