图解尼泊尔大地震极高压气体成因与机理

岳中琦

今年4月25日14时11分，尼泊尔（北纬28.2度，东经84.7度）发生了大地震灾难。到今天地震后第6天，已知地震已造成了6千多人死亡，万人受伤。由于地震造成了山体破坏垮塌、堵塞山区交通，位于高山冰雪的广大地震宏观震中地区的灾情可能还没有了解清楚。因此，估计死亡人数要万人以上。

这样的重大人员突然伤亡的根本原因在于，人们没有能力预知或预测地震发生的准确时间、地点和强度。

地震是，在地壳内和近地表沿数十到数百公里断裂带，在几秒到几十秒钟时间内，巨大到特别巨大的物理机械能量，突然快速释放，产生地震波、断层运动和地表破坏。这样的巨大机械能的高速、广泛释放一定会有与之密切相关的前兆！

哪为什么人们还是没有找到、发现和利用它呢？

根本原因何在？

我认为，根源在于指导人们思想和行为的地震成因理论仅仅部分正确。百年多来，地震专家们一直相信和坚信，地震是由活动地质断裂的突然主动破裂。地震能量是断层两侧岩体，因地壳变形而产生和储蓄的弹性应力应变能。这个固体弹性应变能，是经多年长期板块移动造成的，断裂两侧岩体的逐渐缓慢变形，而产生和积累的。地震能量的释放过程是断裂两侧弹性变形岩体在几秒到数十秒钟内的突然脆性破裂和扩展，和再弹性回弹。这种以固体弹性应变能作为地震能量是完全错误的。

我发现和论证了，发生地震的主要能量是，位于地壳深部断裂带内的、极高压甲烷天然气的体积膨胀能。地震是在重力、构造应力场与岩土体强度的配合和制约下，从地下深部、沿断裂带逃脱出的、飞速上升与侧升与挤胀的异常高压气体，和断裂带岩土体间的相互作用和绝热变化的瞬态完成过程。

根据现有的各种现象，我认为，尼泊尔大地震的能量是地下深部断裂带中密封压缩的极高压天然气体的体积膨胀能。它的形成机理可在以下用图1到图6来解释。

如图1所示，在高度挤压碰撞的青藏高原地壳板块与印度地壳板块的断裂带下部，存在海量极高压甲烷气体囊。气体压强可能有400 MPa到500MPa。但是，气体压强P(t)小于深部断裂带正压应力。 

如图2所示，每时每刻在地幔和地核生成的高压甲烷天然气体，逐渐地在高度挤压岩石断裂内部、下部积累和储存。由于固体岩石的挤压与刚度限制，气囊体积V(t)难以增大，压缩气体质量M(t)和压强P(t)越来越高。

如图3所示，终于，在今年4月25日14时11分，气体压强P(t)大于或等于了深部断裂带正压应力。囊内压缩气体与断裂带围岩之间的力学强度平衡被突然打破。

如图4所示，霎那间，小部分极高压缩气体挤胀开断裂围岩，以极快速逃出其原来气囊岩石闭圈，进入上覆断裂带之中。它的初始体积为，初始质量为 ，初始压强为P(0)。

     如图5所示，由于小部分气体的逃脱离开，极高压缩气体囊内的气囊体积V(t)、压缩气体质量M(t)和压强P(t)都突然降低、减小。从而，气囊四周的岩石固体的压应力又大于了气囊气体的压强P(t)。刚刚开启了的圈闭岩石断裂又被紧紧地闭合了。海量没有跑出的囊内部气体又被封闭了。

同时，如图6所示，上部断裂带压应力即随着深度减小而西安性降低。同时，由于岩石固体刚度限制和围压的降低，逃出来的压缩气体的体积仅能相应地增大，不能快速地增大。因此，随着深度的减小或压缩气体位置的上升，这部分逃脱出来的压缩气体压强P₁(t)可越来越大于断裂带压应力。从而，相对于围压而言极高压的气体对围压的挤胀、内部位移加载力也越来越大，加载范围也越来越广大。这造成了巨大的地表波动（所谓的面波）。

高压缩气体就能够在上部断裂带和不连续界面内高速挤胀、剪开、运移。这造成了断裂带岩石位错和开裂，并以地震波形式向外传播。同时，由于体积增大，压缩气体可向更广泛的断裂破碎带挤胀运移。部分压缩气体最终在局部断裂、脆散通道，冲喷出山地岩体，造成极大的、孤立的高速远程滑坡和山体崩溃。

因此，产生地震的总能量是逃脱出极高压缩气囊的部分气体的体积膨胀能。它可近似等于。

根据地震波反算，可推知，这次尼泊尔8.1级大地震的气体压强 P(0)在 400 MPa 到500 MPa 之间，脱出极高压缩气囊的高压缩气体体积  在 1 km³ 到 2 km³ 之间。如果这次尼泊尔大地震为 7.8级，那么，脱出极高压缩气囊的高压缩气体体积会大大降低，在 0.1 km³ 到 0.2 km³ 之间。

由于这些极高压气体的逃出，上部地壳岩体就要因区域构造应力和重力的作用而下沉和水平位移。

必须指出的是，这种在地壳深处（10 km到20 km深）的极高压气囊压强、体积和质量的随时间的变化是缓慢和和谐的。它们是难以被人们在地面用固体板块构造理论所指导的技术和手段测量到的。因此，人们迄今还没有能力预知或预测地震发生的准确时间、地点和强度。只能预料那里可能发生地震。

2015年5月1日22:00写成于香港大学黄克兢楼办公室

注1：本文图1到图6的构造底图来自网上他人介绍。

注2：大量极高压气体逃出其深部圈闭，气囊的上顶能力降低。这必然导致上覆地层山体在重力作用下下沉。今天（5月4日）见到了相关报道：科学家称尼泊尔地震后珠峰高度降低2.5厘米 http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2015/5/318152.shtm。

尼泊尔地震引发滑坡少于预期

来源：中国科学报 赵熙熙

http://news.sciencenet.cn/htmlpaper/2015123114122480238310.shtm 

然而在对尼泊尔廓尔喀地震发生前后拍摄的数千张卫星图像进行比对后，一个由64人组成的研究团队仅仅发现了4312次滑坡。研究人员在最近出版的美国《科学》杂志上报告了这一研究成果。 

此外，非同行评审的其他研究已经计数了更多的小型滑坡，但仍表明此次地震引发的滑坡远不及其震级所能引发的程度。 

主持这项研究的美国图森市亚利桑那大学冰川学家Jeffrey Kargel说，结果是，“一些山区受到了重创，而附近其他的地方则仅仅是在挠痒痒”。

Geomorphic and geologic controls of geohazards induced by Nepal’s 2015 Gorkha earthquake,

SCIENCE, Volume:351, Issue: 6269, Pages: 140-+ , DOI: 10.1126/science.aac8353, Published: JAN 8,2016

by J. S. Kargel, G. J. Leonard, D. H. Shugar, U. K. Haritashya,A. Bevington, E. J. Fielding, K. Fujita, M. Geertsema, E. S. Miles, J. Steiner,E. Anderson, S. Bajracharya, G. W. Bawden, D. F. Breashears, A. Byers, B.Collins, M. R. Dhital, A. Donnellan, T. L. Evans, M. L. Geai, M. T. Glasscoe,D. Green, D. R. Gurung, R. Heijenk, A. Hilborn, K. Hudnut, C. Huyck, W. W.Immerzeel, Jiang Liming, R. Jibson, A. Kääb, N. R. Khanal, D. Kirschbaum, P. D.A. Kraaijenbrink, D. Lamsal, Liu Shiyin, Lv Mingyang, D. McKinney, N. K. Nahirnick,Nan Zhuotong, S. Ojha, J. Olsenholler, T.H. Painter, M. Pleasants, K. C.Pratima, Q. I. Yuan, B. H. Raup, D. Regmi, D. R. Rounce, A. Sakai, ShangguanDonghui, J. M. Shea, A. B. Shrestha, A. Shukla, D. Stumm, M. van der Kooij, K.Voss, Wang Xin, B. Weihs, D. Wolfe, Wu Lizong, Yao Xiaojun, M. R. Yoder, N.Young

RESULTS: We mapped 4312 coseismic and postseismic landslides. Their distribution shows positive associations with slope and shaking intensity. The highest areal densities of landslides are developed on the downdropped northern tectonic block, which is likely explained by momentary reduction of the normal stress along planes of weakness during downward acceleration. The two largest shocks bracket the high-density landslide distribution, the largest magnitudes of the surface displacement field, and highest peak ground accelerations (PGAs).  

Landslides are heavily concentrated where PGA was >0.6g and slope is >30°. Additional controls on landslide occurrence are indicated by their clustering near earthquake epicenters and within specific lithologic units. The product of PGA and the sine of surface slope (defined as the landslide susceptibility index) is a good indicator of where most landslides occurred.  

A tail of the statistical distributions of landslides extends to low values of the landslide susceptibility index. Slight earthquake shaking affected vulnerable materials hanging on steep slopes—such as ice, snow, and glacial debris—and moderate to strong shaking affected poorly consolidated sediments deposited in low-sloping river valleys, which were already poised near a failure threshold. In the remote Langtang Valley, some of the most concentrated destruction and losses of life outside the Kathmandu Valley were directly due to earthquake induced landslides and air blasts.  

Complex seismic wave interactions and wave focusing may have caused ridgetop shattering and landslides near Langtang but reduced direct shaking damage on valley floors and at glacial lakes.

CONCLUSION: The Gorkha earthquake took a tremendous, tragic toll on human lives and culture. However,fortunately no damaging earthquake-caused glacier lake outburst floods were observed by our satellite analysis. The total number of landslides was far fewer than those generated by comparable earthquakes elsewhere, probably because of a lack of surface ruptures, the concentration of deformation along the subsurface thrust fault at 10 to 15 km depth, and the regional dominance of competent high-grade metamorphic and intrusive igneous rock types.

2016年2月2日添加