登高望远分享 http://blog.sciencenet.cn/u/qsqhopeiggcas 天马行空,寻求真谛

博文

震源物理模型评述【1】:群雄逐鹿

已有 4711 次阅读 2016-5-19 10:10 |个人分类:科普|系统分类:科研笔记| 弹性回跳, 震源物理模型, 粘滑

记得和一位资深编辑大哥聊天时,他说到“学术研究要提倡百花齐放、百家争鸣。”我接着说:对头,学术要有一个自由争鸣的气氛,才能推动科研的进展。对某个问题的本质搞不懂时,大家都像是盲人摸象般地摸索,会提出很多假说,这时辩论是必要的,实证能确认认识是谬误或真理。当年对光的“波粒二象性”的认识,就是经过辩论而统一了认识。但是,科研的归宿是“一统江湖”,当然是对某个问题的“真谛”彻底搞明白的时候。从百家争鸣到一统江湖,往往需要诸多人士长期的艰苦探索啊!

哦,别扯了,再扯就有“段子手”的嫌疑了。  

近期,在写一篇《大地震孕育机制》的文章,因在引言和讨论部分要评述别人的工作,故写个连续剧博文,一是希望给执笔的学生“点燃烛火”照明,二是希望能抛砖引玉。

可能大家都有感受,写论文最令人发憷的是写引言和讨论部分,因为这里涉及到评述前人的工作。如何做到准确、客观地评述?那是相当地不容易。要写好,必须把别人的工作琢磨透,能一针见血地指出其核心问题。若能把原创作者未意识到的“潜伏”问题挖掘出来,就更好了。抓得准、挖的深,让人心服口服,对推动科学的发展大有裨益。

===================================================================

搞明白地震孕育发生机制是地震科学的重要基础问题之一,这对于实现地震物理预测和防震减灾具有重要的意义

构造地震按震源深度可分为浅、中、深3类,俺还是按照次序从浅到深说起吧。

关于浅源或中源地震机制(震源物理模型)的假说,主要有弹性回跳、粘滑与岩石破裂等,本文将简评之。

一、        弹性

       弹性回跳说是出现最早、应用最广的关于地震成因的假说,是Reid1910)根据1906年美国旧金山大地震时发现圣安德列斯断层产生水平移动而提出的一种假说。该假说的观点是:岩层受力发生弹性变形,当应力超过岩石弹性强度,发生断裂,接着断层两盘岩石整体弹跳回去,恢复到原来的状态,于是地震就发生了(图1)。

 

1弹性回跳震源模型示意图

   多耗点脑细胞,就晓得该假说存在如下缺陷:

   (1)这是一种描述大地震发生的假说,属于“瞬态”而非“过程”学说。

   (2)按照此观点,大震发生前,断层两盘岩石必然会发生较大的变形,即较大的弹性应变能,否则不会发生大地震,而现代GPS观测和高精度位移测量未发现大震前存在这样的大变形现象,与观测事实不符。反而在某些大震发生时,因断层急剧滑动,能观察到断层两盘岩层被错断的现象,如汶川地震形成的地表破裂带。

   (3)该假说颠倒了“因果”关系,即断层运动能导致岩层错断,而不是岩层回弹导致断层失稳发震。

   (4)该假说实际上认为能量的载体(震源体)是活断层两盘岩石,且其受力在弹性范围,因此不能解释孕震系统在大震前发生的preshockforeshock事件。

   (5)该假说仅适用于解释浅源大震的发生,而不适用于中源和深源地震,因为深度越大约束越强,缺乏足够的弹性回跳空间。

   其实,好多人还未搞明白该假说潜伏”的一个成立条件,俺就扒扒“内幕”吧。

如果断层带由软弱物质组成,即断层两盘岩石强度(准刚体)远大于断层带介质强度,则两盘岩石沿断层带必呈稳态蠕滑,难以积累较大的弹性变形;只有断层带含有高强介质,如障碍或凹凸体(Fig.2)时,两盘岩石变形受阻,才可能累积较大的弹性变形,这意味着弹性回跳说隐含着断层带内某些部位为高强介质(俺们称之为锁固段)的假设。如此,断层带内高强介质破裂就能发生地震,该假说岂不成了聋子的耳朵”?

 


Fig.2 Schematic illustration of asperity (locked patch)on the fault (From Ohnaka, 2013; Toshihiro et al., 2003, respectively)

 

二、粘滑说

上面说到,回跳说的问题多多。哦,有时科研就是一场“前赴后继”的接力赛,一代英雄谢幕了,千万个志士接过“红缨枪”继续群雄逐鹿,直至“问鼎”。这不,为完成Reid未竟的大业,Brace( 1966) 闪亮登场了。

Brace( 1966)出弹性回跳的物理机制可用摩擦滑动过程中出现的不平稳滑动( jerky sliding motion) ,即粘滑(stick-slip)来解释,其概念来自于室内试验现象的观测。在室内地质材料实验中,摩擦滑动常常伴随有粘滑地球上的浅源地震可以表述为新老断层滑动过程中的粘滑。”该大侠强调“产生地震应力降的能量来自震源区的围岩。”

影响断层活动方式的因素很多:一是温度,温度低于500,断层两侧岩体易产生粘滑;温度高于500。则易产生蠕动和蠕变。因此该假说也仅适用于浅源和中源地震。

粘滑概念的引入,将变形问题转化为摩擦问题的研究,或者说把沿着断层带两盘岩石的变形转换为滑动的研究Brace启动了粘滑说,Byerlee随后将之发扬光大。Byerlee1978认为可用弹簧滑块模型(图3)比拟粘滑,断层位移被设定为刚性块体的摩擦运动,变形被设定为弹簧的伸缩。


3 弹簧-滑块震源模型示意图

 

弹簧滑块模型在震源物理机制研究方面曾热闹非凡,俺曾看到过多篇跟风的文章。但是,很遗憾,没有人弄明白该模型其实是一个“不地震”的模型,不信?听俺慢慢道来。

Byerlee在模型中之所以引入弹簧,是因为地震需要弹性能的释放,弹性变形是必须滴!但恐怕连作者自己都不明白,该模型可用于描述观测到的粘滑现象,但不能用于解释地震的发生。

咱们捋捋,容易明白滑块代表断层两盘岩石,但弹簧(室内试验中的试验机)代表啥对象呢?略想想,原来弹簧代表原远场位移(u)加载,也就是相邻区域(我们称之为地震区)位移对滑块(震源体)加载。如此。相邻区域提供给震源体的应变能,在震源体超过摩擦强度突然滑动时,因滑块(震源体)为刚体,其能量将全部转化为滑块的动能、摩擦功及摩擦热能,震源体本身无弹性应变能释放,故不会发生地震。

总结下,貌似粘滑说是对回跳说的发展,但实际上是倒退!尽管回跳说有诸多缺陷,但好歹能给出大地震发生的一种“凑合”解释,粘滑说根本与地震不沾边!

粘滑说背后隐藏着什么“密码”?

断层运动只有受阻时,即在断层带内某些部位有高强障碍或凹凸体时,才能呈现“粘结”行为;当这些部位被剪断时,两盘岩石将发生突然“滑动”;当断层带内有多段高强介质时,就会出现沿着断层面“粘结”和“滑动“交替进行的行为。这意味着粘滑说也隐含着断层带内某些部位为高强介质(多锁固段)的假设。

如何让“粘滑说”地震呢?别急,把弹簧滑块模型简单改造下,就能“地震”了,即把“滑块”视为断层中的高强变形体,其因断层运动受载积累应变能,有能量就会破裂,小破裂小震,大破裂大震,锁固段被剪断时,沿断层剧烈滑动;未被剪断时,即使发生大震,滑动仍较小。再者,因为是“多”锁固段,就能保证地震们的可持续发展了。

三、岩石破裂说

上面说到,既然因断层运动导致的岩石破裂就能发生地震,搞那么多“弯弯绕”假说干啥?所以嘛,搞明白地震机制,还得从岩石破裂着手,绕弯子、兜圈子只能把人搞晕。奥卡姆剃刀定律(Occam's Razor, Ockham's Razor)强调的如无必要,勿增实体”(即“简单有效原理”),对研究地震机制乃至探索自然规律,具有普遍的启示意义。

整明白岩石破裂发生地震机制,最重要的是厘清积累能量的载体是什么?

对此,有不少学者提出了断层面上的包体、障碍体或凹凸体破裂模型,在俺看来,其方向无疑是正确的。包体模型分“软包体”和“硬包体”,但要注意“软包体”模型因不能积累较高的能量,故不能合理解释大地震的发生。

俺们的“孕震断层多锁固段脆性破裂”模型,对锁固段的定义更为广义,包括了硬包体、障碍体、岩桥与凹凸体等高强介质,与其它破裂模型的本质区别在于一个“多”,在于一个“逐次累进破裂”,在于“发现的加速破裂规律”,在于“诸多震例数据的支持”。

科研突破,依赖于丰富的多学科知识积累,依赖于逻辑推理的深度,依赖于丰富的想象力,依赖于形象与逻辑思维的统一。有了这些后盾,“灵感”就会光顾。

下一篇主要谈深源地震机制,题目暂定为:

震源物理模型评述【2】:三分天下

欲知后事如何,且听下回分解。

参考(略)




http://blog.sciencenet.cn/blog-575926-978306.html

上一篇:理论趋于完善的标志
下一篇:震源物理模型评述【2】:三分天下

7 魏焱明 徐晓 王少凯 杨正瓴 姚攀峰 hhttcs chaijf

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (5 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2021-4-18 08:25

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部