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震源物理模型评述【2】:三分天下

已有 3757 次阅读 2016-5-24 09:04 |个人分类:科普|系统分类:科研笔记| 深源地震, 震源物理模型, 地震机制

连续剧第一集【1】说到,搞明白地震机制,直接拿“岩石破裂”说事儿就行了,没必要故弄玄虚,整些貌似“高大上”的“学说”忽悠人。

按震源深度划分,深源地震(图1)是三种类型之一,可说是地震们的“三分天下”;对深源地震机制,学者们也提出了3种学说,在群雄逐鹿中“三足鼎立”,故本文题目取名为“三分天下”。

深源地震发震数量少,约占4%,一般不会对建筑物、人类生命安全等造成灾害。它的形成与板块运动和火山活动有着密切联系,对板块运动特征、地幔结构、浅源地震预测、地球深部物质等研究有重要作用和意义。


1 瓦努阿图群岛地区的深源地震(图片来自网络,无商业目的,在此致谢)

Sibson认为,板内浅源地震震源深度下限值与脆性-韧性转换带一致,所以容易理解浅源地震属于脆性破坏性质。与之相比,深源地震震源体处于更高的温度与围压环境,两者发震机制可能不同。在深源地震成因研究方面,Raleigh and Paterson提出了脱水致裂机制,Randal提出了橄榄石相变机制,Griggs and Baker 提出了剪切失稳机制。目前,对深源地震成因机制尚存争议,未达成共识。

俺先戴上“无色”眼镜,先看看这些学说有啥“毛病”。

1相变失稳机制

地球内部存在着2个全球性相变界面(文献):即410km(地幔转换带上界)附近橄榄石转变为瓦兹利石相变和660km(地幔转换带下界)附近的林伍德石转变为钙钛矿和镁方铁矿相变。Bridgman1945)提出深源地震由相变失稳产生,认为相变时体积急剧变化产生一种向体内收缩的内爆作用,从而发生深源地震。Kirby etal.(1991)Silveret al.(1995)认为,地球深部410660km是深源地震高发区域,与相变范围基本一致,有很好的对应关系,进而提出深源地震成因为相变失稳机制假说。

该假说的缺点是:(1)相变时内爆产生的地震波各向同性,无S波产生,而深源地震产生的地震波具有强烈的双力矩源或剪切分量,且S波强烈(Dziewonski and Gilbert,1974; Kawakatsu,1991;Houston,1993; Okal,1996; Estabrook,1996)(2)深源地震辐射花样表明其并无膨胀收缩,而是由于断层错动所致,这与相变体积急剧收缩的机制相违背(Ohmi and Hori,2000; Kirby et al.,1991,1996)(3)相变是矿物在一定温压条件下发生的,深源地震发生在板块内部,不满足相变条件,也无法解释同一位置的多次地震现象。(4)当相变发生时,瞬时快速产生体积突变才能发生地震,这需要在短时间内一定空间范围释放大量能量,这在地球深部的板块中难以实现(Kirby etal.,1996; Geller,1990)。同样,目前记录的大量M8.0深源巨震发生超剪切破裂,相变机制很难合理解释这种如此大的能量积累过程与瞬间释放现象。

2剪切熔融失稳机制

Bridgman(1936)在轴向压力5GPa的剪切实验中发现有断裂产生。Orowan(1960)认为这种断裂由蠕变导致,如果进一步加速蠕变,变形将集中在一个薄层中,最终发生剪切熔融失稳。Griggs and Handin(1969)在此基础上提出深源地震是剪切熔融失稳机制假说,认为该薄层由于温度升高产生熔融进而导致沿剪切带滑移,最终由于耗散产生剪切失稳形成深源地震。Ogawa(1987)完善该模型后,推断板块岩体会发生热逃逸,但要求剪切带厚度适中才能发生熔融。该机制能解释深源地震复发及其前震和余震、玻利维亚及斐济深源地震,以及暖俯冲带中很少出现深源地震等现象(Karato etal.,2001; Wiens and Snider,2001),还可解释汤加序列深源地震及其远程触发机制等(Tibi etal.,2003)

该假说缺点是:(1)该模型考虑影响因素较少,缺少实验数据支持,难以令人信服(干微等,2012)(2)1994年玻利维亚Mw8.3级深源地震产生的剪切熔融仅几毫米范围(Kanamoriet al., 1998; Bouchon and Ihmle,1999),不足以引起如此大的地震,且熔融时也无法释放如此巨大的能量。

3反裂隙断层机制

Kirty et al.(1987, 1991)通过冰和透闪石多晶体等类似物质的相变实验,认为在低密相转变为高密相过程中,初期相变可引起高压断裂。Green etal. (1990)利用显微结构发现在约15GPa条件下,橄榄石-瓦兹利石相变初期形成了大量反向裂隙,随压力增加,裂隙迅速连接在一起形成初始剪切断裂,最终突然破坏形成反裂隙断层,其本质归因于亚稳态橄榄石相变。该假说符合深源地震的双力矩源特征及剪切分量特征,有声发射现象,能将相变分层现象与深源地震分布联系起来,并有实验证明及力学机制解释(干微等,2012)

该假说缺点是:(1)发生相变的前提是存在亚稳态区(Kirbyet al.,1996; Geller,1990),因而深源地震只能局限于橄榄石-瓦兹利石的相变区域,这与实际情况不一致;此外,橄榄石亚稳态区是否存也受到质疑(Mosenfelder et al.,2001; Stein and Rubie,1999; Karato et al.,2001)(2)其他学者在相似条件下的实验中并未发现有反裂隙断裂产生(干微等,2012)(3)难以解释板块内地震的复发现象(Silver etal.,1995; Wiens and Snider,2001; Frohlich,1994)

上述分析表明,前人提出的深源地震形成机制假说存在诸多缺陷,难以解释诸多观测事实,需要另辟蹊径探寻新的假说或理论。

 

为什么深源地震不可以是岩石破裂呢?关键是诸多人认为“深源地震震源体处于更高的温度与围压环境,或处于塑性流动状态,不大可能发生脆性破裂。”果真是这样吗?

秦四清等人的研究表明,浅、中源地震均是断层错动导致锁固段发生脆性破裂所致。然而对深源地震,不少学者认为在高温高压条件下岩体表现出较强的塑性和流变性,不可能发生脆性破裂。我们认为这种观点较为片面,需要商榷

Wiensand Gilbert1996)指出,深源地震受板块热结构影响和控制,对温度极其敏感。俯冲板块以相对较冷的温度俯冲进入上地幔,在俯冲过程中,地球内部热量使其外缘逐渐变热,但板块内部温度并不太高。模拟结果表明,地幔410km660km附近温度仍可能处于相对较低的状态,约为14501600(Clooier et al.,2001; Thompson,1992)。深源地震一般发生在低温大洋俯冲带中,板块巨厚且导热性差(Anderson,1989),最冷部分比周围地幔可低1000K,并且这种温差可持续上百万年,一直保持到下地幔(Isacks etal.,1968; Minear andToksöz,1970;Frohlich,1989; Helffrich et al.,1989;Kirby et al.,1991; Stein,1995; Wiensand Snider,2001; Clooier et al.,2001;Jarvis and Lowman,2005)。深源地震基本发生在俯冲板块内部,而不是它的边界(Daniel, 1978)当冷板块俯冲到地幔深部时,其内部温度会低于周围地幔,在600700km深度温度甚至会低于600(Kirby, et al. 1996;Toksoz, et al. 1973; Furukawa, et al. 1994; 臧绍先等,1994)Gorbatov and Kostoglodov1997)、Wiens2001)与 Emmerson and Da2007)提出深源地震的发生完全取决于俯冲带温度机制而与其他因素无关,并认为尽管地幔处于高温状态,无论冷板块”还是“热板块”均保持低温状态,深源地震发生区域温度可小于600。室内高温高压试验表明,蛇纹石在1427GPa,甚至高达40GPa条件下均可发生脆性破裂(Irifune et al.,1996; 章军峰,2003),而下地幔顶部压力约23GPa(Ishii et al.,2011),由此可见温度是脆性破裂发生的关键所在。再者,俯冲带中存在大量断层,强度不高,水和流体对其有润滑作用,会减少原有断层的有效应力,易再次产生脆性破裂(Stein,1995)

大量地球物理资料和研究发现,深源地震与浅源地震的辐射图型、震级分布范围、发震时间、破裂速度和应力降等方面很相似,这表明深源地震形成机制与浅源地震一样,是某种形式的剪切破裂,由被抑制了的断层错动所致,存在着某些方面的必然联系(叶正仁等,1991;Wiens and Snider,2001; Kirty et al.,1991,1996)

从现有的震源机制解的资料看,深源地震基本上具有剪切破裂特点。例如,Ye et al.2013)的研究表明,2013524日鄂霍次克海域Mw8.3级深源超剪切地震(深度610km),形成了长度超过180km的断层撕裂和最大达10m的剪切滑动,其地震辐射表明,该地震的剪切断层可能与浅源地震没有区别,板块中存在应力水平显著的异质体。该断裂可能发生在已存断层面上,这一断层曾发生浅源地震,并随着板块俯冲到鄂霍次克海下方。该震和199469日玻利维亚Mw8.3(深度636km)这两次深源地震与浅源地震相比,具有类似的断层几何形状和有轻微偏差的剪切双偶。199439日汤加Mw7.6(深度564km)深源地震发生了一系列特殊余震,利用附近8个临时宽频带地震台数据发现这些余震的破裂速度、静应力降、数量、地震矩及时间幂律衰减等均与典型浅源地震余震相似(McGuire etal.,1997; Tibi et al.,1999; Wiensand Mcguire,1994)Jiao(2000)19762月至19993月期间的汤加深源地震统计发现,俯冲带中存在高度非均匀应力场或已有断层均可导致一些深源地震发生。

综上,搞科研不能“跟着感觉走”,而要“紧抓着事实的手”,“想当然”是搞科研的大忌。

究竟深源地震是否为岩石的脆性破裂呢?深源地震们同意否?

俺们对全球发生过深源地震的地震区的震情分析表明,确实是脆性破裂,深源地震们全体投了赞成票!哦,告诉你一个秘密,俺可没有给它们送过礼、套过近乎吆。

话说天下大势,分久必合,合久必分。浅、中、深地震们的机制可否均为岩石脆性破裂?能否有学说“一统江湖”?感兴趣的亲们可准备看第三集:

震源物理模型评述【3】:分久必合

参考(略)

上集:

1震源物理模型评述【1】:群雄逐鹿

http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=575926&do=blog&id=978306




http://blog.sciencenet.cn/blog-575926-979342.html

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