地震柱的概念及其基本特征^*

 

 

陈立军

 

 

自序：本文于4.12投稿国内某刊物，未被录用，故发到博客，以求一乐。

 

 

Conception of Seismic Cylinder and it’s Basic Characteristics

 

Chen Lijun

Earthquake Administration of Hunan Province, 410004 Changsha, China

 

Abstract: According to the principle of Seismo-geothermics, it was studied comparatively the depth of the earthquakes on the Earth, defined 24 seismic cylinders and formed M typed global heat engine belt, then according to the structure of the cylinder form to systematic research and concluded a series of physical properties and structural properties of cylinders, demonstrated the rationality of explain of the causes of earthquakes and volcanos as well as to prediction research of earthquake and volcano by the conception of seismic cylinder, so as to enrich the connotation of the conception of the seismic cylinder. It was said that the seismic cylinder was a important physical phenomenon and tectonic phenomenon of the Earth itself, and the conception of seismic cylinder was the material basis and tectonic basis for survival of Seismo-geothermics, and was maximum difference with today's popular geological theory such as plate tectonics, Geomechanics and the mantle plume theory. In order to the development of tectonic geology and the Geodynamics, it is necessary to further interpretation of the physical properties of seismic cylinder and its tectonics significance, improving the application value of the conception of seismic cylinder. If the mystery of seismic cylinder was broken, then the disaster of 90% of the world's earthquakes and volcanos is nice hope to deal with.

 

Key words: Seismo-geothermics;seismic cylinder;Benioff section;fast anomalous body of P wave;time sequence chart

 

摘要：本文根据地震地热说原理，对全球地震深度进行比较研究，定义了24个地震柱，组成了M型的全球热机带，并按照地震柱的构造形态对地震柱作系统研究，得出了地震柱的一系列物理属性和构造属性，论证了依据地震柱概念解释地震和火山的成因，以及对地震和火山进行预测研究的合理性，从而丰富了地震柱概念的内涵。地震柱是地球本身重要的物理现象和构造现象，是地震地热说赖以生存的物质基础和构造基础，也是地震地热说与当今流行的地质学派诸如板块构造、地质力学和地幔柱理论的最大区别。为了构造地质学和地球动力学的发展，有必要深入解读地震柱的物理属性及其构造学意义，提高地震柱概念的应用价值。如果地震柱的奥秘破解了，那么全球90%的地震和火山灾难就有希望应对了。

关键词：地震地热说;地震柱;本尼奥夫剖面;P波快速异常体;时序图

* 中国地震局2012年度老专家科研基金课题资助项目，编号201229；湖南省地震局2012年度地震科研课题资助项目，编号201201

 

1 前言

   

众所周知，人们定义了一个全球的俯冲带，大致从地中海，经喜马拉雅、印尼到汤加，然后折回太平洋西海岸往北，沿太平洋北岸、东岸直到南美洲，作为全球板块的碰撞与俯冲之所^[1] ，并且可以万能地解释该带上所有强震与火山喷发的成因^[2-5]。

本文利用美国网站的ANSS地震目录，取震源深度h≥100km作地震震中分布图如图1a所示。图中发现，沿此俯冲带的中、深源地震只分布在18个方框内。对这些方框内的地震用Origin软件绘制三维立体图像，发现中、深源地震的震源体只密集在若干个顶点向下的圆锥体之内。经过比对分析，本文定义了24个地震柱，如图1b所示。

研究发现，这些地震柱各有其本身的物理属性和构造属性，与俯冲带的说法迥然有异，因而构成本文的要义。

 

图1 全球中深源地震的分布与地震柱的划分

（据ANSS地震目录，1963～2011，M≥4）

 

Fig.1 The distribution of deep earthquakes and the division of the cylinders on the Earth

(Frome ANSS catalog, 1963-2011, M≥4)

 

2 地震柱的概念

   

根据地震地热说的原理^[6-7]，本文的地震柱概念（seismic cylinder），是指由中、深源地震活动、壳内地震和活火山所构成的地幔深部或上地幔内中、深源地震震源密集、顶点向下的圆锥形柱状地质体。因此，地震柱的划分是以地震和火山活动的共同特征来确定的,是地幔深部能量与地表能量交换的稳定通道，具有可视性、唯一性、独立性和稳定性。全球共计定义了21个Ⅰ级地震柱，3个Ⅱ级地震柱。Ⅰ级地震柱影响规模较大，Ⅱ级地震柱影响规模较小。壳内最大震级8以上可称超级地震柱。地震柱的命名与基本情况见表1。

地震柱概念区别于传统的地幔柱概念（mantle plume）。地幔柱理论诞生于1971年，Morgan 提出全球约有20个“热点”，并认为热点源区物质对流上升，其结构类似于“直达深部地幔的管子”，植根于地幔深部，且位置相对固定 ^[8]。该理论因为无法验证而遭到诸多质疑^[9-10]。其实地震柱也是一种特殊的地幔柱，只是不像传统地幔柱那样扑朔迷离。

 

表1  全球地震柱命名及其基本情况（修订版）

Tab.1 The names of global cylinders and it’s condition (revised edition)

* 资料统计1963～2011.4，据ANSS地震目录和GVP火山月报，M₀起算震级，N地震个数，Mmax壳内最大地震，Hmax最大震源深度。

 

3 地震柱的基本特征

 

3.1 地震柱的树型结构

   

地震柱形状类似于树，具有树根、树干和树冠，姑且称之为树型结构。同一个地震柱内，可以是单树型、双树型或多树型构造。还有树杈型，即同一个树根和树干上带有多个树杈的。不论什么样的结构，地震柱的顶部，即树冠部分很大，而其底部，即树根部分则都很小，多呈点状或短线状。典型的地震柱三维立体图像见图2。

地震柱均为独立活动，其活动程式各不相同，甚至同一地震柱内各分支的活动程式也不尽相同（详后）。

 

图2 典型的地震柱三维立体图像

（据ANSS地震目录，1963～2011，M≥4）

 

Fig.2 The typical three-dimensional images of seismic cylinder

(Frome ANSS catalog, 1963-2011, M≥4)

 

3.2 地震柱的树冠结构与特征

   

3.2.1 地震柱树冠的结构

 

地震柱沿着本身的倾斜角度在地表投影有一个出地点或出地区。地震柱的树冠是壳内地震和火山受到地震柱影响的区域，多分布在50km深度以内，绕地震柱的出地点分布，分布密度从中心向外衰减，地域比柱体大若干倍。地震柱的树冠不是一个固定的地块。

树冠部分的浅源地震活动多为散布，但也有形态特殊的。一种形态是爱琴海（图3a）和所罗门地震柱（图3b）的环形分布，一种形态是缅甸地震柱的棋盘格式构造（图3c）。缅甸地震柱的棋盘格式构造控制着区内几乎所有的壳内强震活动，甚至还控制着某些地幔型矿床（陈立军：初议缅甸地震柱的找矿前景，2011，科学网博客）。

 

 

图3 特殊的树冠结构

a) 爱琴海的环形结构，b) 所罗门的环形结构，c) 缅甸的棋盘格式构造

（据ANSS地震目录，1963～2011，M≥4）

 

Fig.3 Special crown structures

a) The ring in Agean sea, b) The ring in Solomon, c) The chessboard structure by Burma

(Frome ANSS catalog, 1963-2011, M≥4)

 

3.2.2 地震柱树冠的壳内地震与火山活动

 

地震柱树冠的壳内强震与火山活动具有如下一些特征：

1）地震柱近地表的强震活动大多分布在地震柱树冠的边缘地区，或者说是距离地震柱出地点较远的地区，100年以来有过喷发的活火山则大多分布在出地区周边，或者说是距离出地点较近的地区。图3中的树冠特殊结构是如此，其他普通树冠结构的地震柱亦是如此。作者在科学网博客中对每一个地震柱有逐一论述。

2）地震柱近地表的强震活动大多局限在上地壳内，下地壳内的甚少。

3）地震柱的壳内强震与火山是释放地震柱能量的两种不同方式，具有互补的特征，即可以互相制约、互相平抑。对印尼的研究表明，地震的预测和火山的预测具有同一性^①。

4）壳下地震，包括壳下的小震活动，都受到地震柱深部系统能量的控制，不像壳内地震那么多的随机干扰。因此，壳下地震活动的分布有可能指示未来壳内强震活动的可能地点或地域^②。

① 陈立军.试论地震预测与火山预测的同一性.地震预报与历史地震专业委员会联合学术交流会摘要集（2011年），p.83.

② 陈立军，陈晓逢.美国西海岸地震预测方法初探.湖南地震（内刊），2012

 

3.2.3 与地震柱树冠相关的岛弧和海沟

 

众所周知，火山可以造岛，地震可以造沟，因此太平洋的海沟和岛弧可能正是地震柱长期活动的产物，都只是近地表的构造现象。地震柱都是一些深达数百公里的锥体，而且各自空间取向不一（图4）。比如，日本地震柱深部取向与日本海沟的倾向并不一致。北马里亚纳地震柱是倾向南西的壁状结构，与之相伴的海沟却没有切断日本岛弧。因此，如果将日本海沟引伸到400公里的深度，作为碰撞和俯冲之所，是难以令人置信的。

 

 

图4 西太平洋地震柱的立体展布

（据ANSS地震目录，1963～2011，M≥4）

 

Fig.4 Three Dimensional Structure of cylinders in west Pacific Ocean

(Frome ANSS catalog, 1963-2011, M≥4)

 

3.3 地震柱树干的特性

   

地震柱的树干多近于直立，倾角大的地震柱较少。正如传统地幔柱所描述的那样，类似于“直达深部地幔的管子”，植根于地幔或上地幔深部，且位置相对固定。但地震柱比起传统地幔柱小很多，而且形状十分规整，柱面边界清晰。

 

3.3.1 地震柱的本尼奥夫剖面

 

横切地震柱的轴面，即可得到本尼奥夫剖面。图5是地震预测中需要用到的本尼奥夫剖面切片术。由图可见，本尼奥夫剖面只能存在于地震柱之内，横向无法伸展，相邻地震柱的本尼奥夫剖面也无法沟通。因此，将本尼奥夫剖面横向无限扩展成所谓的本尼奥夫带，甚至直接称为俯冲带，似乎是有违常理的。 

 

图5 菲律宾地震柱的本尼奥夫剖面切片术

（据ANSS地震目录，1963～2011，M≥4）

 

Fig.5 The slice technique of Benioff section in Philippines Cylinder.

(Frome ANSS catalog, 1963-2011, M≥4)

 

3.3.2 地震柱的P波快速异常

 

在有关俯冲带的地震层析成像技术研究中，可以得到很多关于地震柱的地震层析图像证据^[11-23]。24个地震柱至少有20个可以找到或多或少的证据。这些证据一致地表明地震柱属于P波的快速异常体。典型的地震柱图像如图6所示，是按照相关作者给出的平面分层图像转换为三维坐标后用Origin软件绘制成的三维立体图像。图6a中包括东汤加地震柱和西汤加地震柱，相应的P波的快速异常体也有两个分枝。图6b中的地中海地震柱包括意大利、土耳其和伊朗3个分支，P波快速异常体也呈相应的分布，只是左图不包括兴都库什地震，因而无法与兴都库什的P波快速异常体对应。研究还表明，在非地震柱地区，即有火山和浅源地震活动而无中、深源地震的地区，比如冰岛和夏威夷，则为P波的慢速异常体^③。

地震柱内的P波快速异常体或许具有和本尼奥夫剖面同样的特性。

③ 陈立军，胡奉湘，陈晓逢.全球地震柱的地震层析成像证据.湖南省地球物理学会2012年学术年会发表

  

 

图6 典型的地震柱P波快速异常体图像

a)汤加地震柱，地震层析结果立体图像据Dapeng Zhao等和Serge Lallemand等改编；b)地中海地震柱，地震层析结果立体图像据M. Nafi Toksöz等和W. Lowrie改编；左图据ANSS地震目录，1963-2011，M≥4。

 

Fig.6 Typital images of fast anomalous body of P wave in cylinders

a) in Tonga cylinder, the stereo image of seismic tomography results is reorganize from Dapeng Zhao et al and Serge Lallemand et al; b) in Mediterranean cylinder, the stereo image of seismic tomography results is reorganize from M. Nafi Toksöz et al and W. Lowrie; left image is from ANSS catalog, 1963-2011, M≥4.

 

3.3.3 地震柱的时序图

 

地震柱的时序图是研究地震柱活动性的最佳工具，也是地震预测和火山预测的必备工具。作者在科学网博客中有各个地震柱不同时期的时序图，典型的时序图如图7所示。地震柱的时序图可展示如下一些特征：

1）地震柱内的中、深源地震，具有明显的自下而上逐层驱动的活动方式。图7a有明显的3个地震活动层，地震从下、向中、向上成族活动，地表也如影随形，地震活动时强时弱。如果把意大利的地震活动说成什么跟什么俯冲的结果，实在与事实不符。

2）如果以自下而上逐层驱动的活动方式划分地震柱的活动期，24个地震柱可分为2期、3期、4期3大类（意大利为地中海地震柱的分支，不在此列）。每个活动期内的活跃期较长，一般10～20年不等，间歇期则较短，1～3年。由活动期的长短，可以估算地震柱自下而上逐层驱动的活动速率。由活动期内中深源地震活动强度，也可以大致估计未来壳内强震和火山喷发的强度。

按照1963～2011的地震资料分析，活动期划分结果表明，危地马拉、海地和日本为2活动期，所罗门、西汤加和东汤加为4活动期，其余均为3活动期。由此可见，太平洋周边也并非呈整体性活动的。

3）由地震柱树干中段的地震活动是否发育，可将地震柱划分为暴发性和渐进型2大类。所谓暴发性是指地震柱底部的活动能量可以直冲地表，容易发生特大地震，比如智利（图2）、日本（图4）、印尼等。所谓渐进型是指循规滔距者，大多数地震柱皆如此。

 

 

图7 典型的地震柱活动时序图

a)地中海地震柱意大利分支，b)兴都库什地震柱

（据ANSS地震目录，1963～2011，M≥4）

 

Fig.7 Typital time sequence chart in seismic cylinders

a) Italy offset of Mediterranean cylinder, b) Hindu Kush cylinder

(Frome ANSS catalog, 1963-2011, M≥4)

 

3.3.4 地震柱的熔岩囊

 

由图2可见，绝大多数地震柱在50～100km深度内皆有一个略大于柱体但远小于树冠的短柱，大概就是地震柱的熔岩囊。熔岩囊起着承下启上的作用，既是地幔深部上涌热能的仓库，也是壳内地震活动和火山喷发的能源库、岩浆库。熔岩囊的热能积累过剩时，或者仍以热能形式释放（火山），或者转换为机械能的形式加以释放（地震）。因此，地震和火山正是一对孪生兄弟。它们的互补特性是不难理解的。

 

3.3.5 地震柱的生命

 

图2的地震柱立体图像只是利用近50年来的地震资料所表现出来的现代地震柱。其实，地震柱是有生命的地质体，可以新生、衰减或消亡。最显著的例子是08号中国珲春地震柱和20号地中海西口地震柱，目前均划为潜在地震柱。它们的特点是有树根在，但树干或树冠不全。按照全球地震柱活动规律比照，中国珲春地震柱历史上应该也风光过，因此才有长白山和五大连池的火山喷发，但目前只有树根在，树干和树冠或者正在休眠，或者是倒向日本地震柱一侧。

另一个例子是意大利（图8）。由图8可见，意大利西海岸和西西里岛以西的火山逐渐向东南方向衰减，可见意大利历史上应该是一个较大的地震柱，目前地震柱的出地区已缩减至第勒尼安海东南一隅，活火山也缩减至此。还有很多地方，比如北美洲、勘察加、印尼等地都存在向东、向南衰减或运移之势。

 

 

图8 地中海地震柱意大利分支的衰落

（据ANSS地震目录，1963～2011，M≥4）

 

Fig.8 The decline in Italy offset of Mediterranean cylinder

(Frome ANSS catalog, 1963-2011, M≥4)

 

4 地震柱的构造学意义及其在地震预测与火山预测中的作用

   

由地震柱的概念和特性可以看到，每个地震柱都像是一部热机，形成稳定的通道，一呼一吸有韵律地实现地幔深部热能与地表能量的交换，造成壳内强震和火山的灾变。

24个地震柱在全球构成一个M型的热机带（图1b），控制着全球95%以上的壳内强震和87%的活火山，同时也像24颗钉子一样控制着大陆和大洋的相对位置。运用地震地热说的原理和地震柱的概念来解释这些壳内强震和火山的成因，可以得到意想不到的效果。她可以清楚地告诉您是哪个地震柱的活动所致。她还可以清楚地告诉您哪个地震柱未来会有灾难，哪个不大可能有。对日本9级地震的成因和震后火山活动的趋势，作者第一时间做过详细研究，也预测过台湾2011年或许无大震，科学网博客里有介绍。图9为日本9级地震后100天内周边经纬度为19°×35°范围的地震活动。由图9即可看出，日本地震柱是独立活动的，与碰撞和俯冲无关，距离震中1000km以外的新燃岳火山喷发也只是一种巧合。作者将有另文专述。

地震柱的时序图是地震预测和火山预测的极好工具，可以估计未来灾害的强度和大致时段。地震柱本尼奥夫剖面的切片术和壳下地震的震中分布可以估计未来灾害的大致地域。二者结合可以对未来灾害进行中、短期的预测。

目前的地震预测只注重地震活动的地表分布和时间序列、能量序列，显然是不够的。目前的火山预测似乎也只注重近地表微震动的监测与喷发机制的研究，显然也是不够的。正确的途径，除了已有的研究之外，还应注重未来地震和火山所处地震柱内中、深源地震活动的规律。比如中国的火山预测，东北地区火山复苏的可能性应该是比较小的，而腾冲和台湾的火山复苏则可能更为紧迫。

这里的预测是指M型热机带上针对7级以上壳内强震和VEI≥2的火山预测。对于该带以外地区的预测，甚至包括M带上火山与强震的构造条件和可能地点的预测，最好还是采用李四光的地质力学理论和方法^[24]。

地震可能按构造体系活动，如1970年代中国地震那样，也可能按地震柱活动，如印尼和日本9级地震那样。其实M带也是一种构造体系，热力学体系。至于地块之说，中国人用了30多年，除了地震之后能做出牵强附会的解释之外，对地震预测似乎并无建树。地震可能本不是按地块来活动的。实践证明，不论全球划分多少地块，中国画多少地块，可能也揭示不了地震活动的真相。这或许就是中国地震预测水平每况愈下的真正原因。

 

 

图9 日本9级地震后100天内周边地震活动图像

（据ANSS目录，2011.3.1～2011.6.23，M≥4。虚线框为地震柱影响区）

 

Fig.9 The image of earthquakes in 100 days after the earthquake magnitude 9 in Japan

(M≥4 during 2011.3.1 to 6.23 by ANSS catalog, dotted line frame is cylinder coverage area)

 

5 结论与致谢

   

    本文根据地震地热说原理，对全球地震深度进行比较研究，定义了24个地震柱，组成了M型的全球热机带，并按照地震柱的构造形态对地震柱作系统研究，得出了地震柱的一系列物理属性和构造属性，论证了依据地震柱概念解释地震和火山的成因，以及对地震和火山进行预测研究的合理性，从而丰富了地震柱概念的内涵。

地震柱是地球本身重要的物理现象和构造现象，是地震地热说赖以生存的物质基础和构造基础，也是地震地热说与当今流行的地质学派诸如板块构造、地质力学和地幔柱理论的最大区别。为了构造地质学和地球动力学的发展，有必要深入解读地震柱的物理属性及其构造学意义，提高地震柱概念的应用价值。如果地震柱的奥秘破解了，那么全球90%的地震和火山灾难就有希望应对了。

因此，作者曾经在自己的博客中呼吁：全世界的地震工作者和火山工作者联合起来！

关于地震柱活动的物理机制和构造机制，目前还只是一种假设^[7]，不再赘述。

值得说明的是，ANSS目录中的地震震级标度并不统一，震源深度的精度在2004年前后也有一些变化，但这不会影响到地震空间分布的宏观特征。本文没有涉及到地震强度的数值关系，也未涉及震源深度的精细研究。

 

本文引用的地震资料取自http://www.ncedc.org/ 网页的ANSS地震目录，火山资料取自http://www.volcano.si.edu/网页的GVP火山月报，谨此致谢。

 

2012-4-2 初稿

 

 

 

参考文献

   

[1] 金性春.板块构造学基础[M].1984.上海：上海科学技术出版社

[2] 孙文科.2011年日本大地震的科学解读[J]. 中国科技教育·科学家讲坛.2011年4期，57-60

[3] 擢英.揭秘2011日本东北大地震[J].物理，2011，Vol.40，No.12，807-808

[4] 张晁军，侯燕燕，胡彬，等. 新西兰2010年M7.1地震与2011年M6.3地震活动和灾害分析[J].国际地震动态，2011，No.4(Serial No.388)，44-51

[5] 胡道雄. 关于火山成因的探讨[J]. 新疆石油地质，2011，Vol.32，No.5，564-568

[6] 陈立军.中国地震震源深度与强震活动状态研究[J].地震地质.2000,Vol.22,No.4：p.360-370

[7] 陈立军. 地震地热说原理与应用[J]. 内陆地震, 2012, Vol.26, No.2

[8] G.F. Davies. 地幔柱存在的依据[J]. 科学通报, Vol.50, No.17, 2005.9, p.1801-1813

[9] G.R. Foulger. 地幔柱：为什么现在怀疑? [J].科学通报, Vol.50, No.17, 2005.9, p.1814-1819

[10] 牛耀龄. 关于地幔柱大辩论[J]. 科学通报, Vol.50, No.17, 2005.9, p.1797-1800

[11] J. Trampert, Robert D. van der Hilst. Towards a Quantitative Interpretation of Global Seismic Tomography[C]. INTERPRETATION OF TOMOGRAPHY. Earth’s Deep Mantle: Structure, Composition, and Evolution Geophysical Monograph Series 160. Copyright 2005 by the American Geophysical Union 10.1029/160GM05. P47-62

[12] S. Husen, R. Quintero, E. Kissling et al. Subduction-zone structure and magmatic processes beneath Costa Rica constained by local earthquake tomography and petrological modelling[J]. Geophys J. Int.(2003)155,11-32

[13] Guoming Jiang, Dapeng Zhao, Guibin Zhang. Seismic tomography of the Pacific slab edge under Kamchatka[J]. Tectonophysics, 465(2009), 190–203

[14] J.P. Brun, O. Oncken, H. Weissert,et al. Subduction Zone Geodynamics[M].Roma：Springer-Verlag Berlin Heidelberg，2009，p.50-55

[15] Dapeng Zhao, J. R. Kayal. Impact of seismic tomography on earth sciences[J]. SPECIAL SECTION: SEISMOLOGY 2000. CURRENT SCIENCE, Vol. 79, No. 9, 10 NOVEMBER 2000. 1208-1214

[16] Serge Lallemand • Francesca Funiciello. Subduction Zone Geodynamics[M]，Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2009

[17] M. Nafi Toksöz, Robert D. Van der Hilst, Margaret H. Benoit, et al. Seismic Tomography of the Arabian-Eurasian Collision Zone and Surrounding Areas [C]. 29th Monitoring Reseach Review: Ground-Based Nuclear Explosion Monitoring Technologies. Sponsored by Air Force Research Laboratory, (2010) 292-301

[18] W. Lowrie. Fundamentals of Geophysics, Second edition[M]. Cambridge University Press. Published in the United States ofAmerica by Cambridge University Press,New York, 2007.

[19] G.R. Foulger, M.J.Pritchard, B.R.Julian, et al. Seismic tomography shows that upwelling beneath Iceland is confined to the upper mantle[J]. Geophys.J.Int. (2001) 146, 504–530

[20] Dapeng Zhao. Multiscale seismic tomography and mantle dynamics[J]. Gondwana Research 15 (2009), 297–323

[21] 赵大鹏，雷建设，唐荣余. 中国东北长白山火山的起源：地震层析成像证据[J].科学通报，2004，Vol.49，No.14，p1439-1446

[22] 刘建华，刘福田，胥颐，等. 西北太平洋俯冲带的形貌特征及动力学状态探讨[J]. 海洋地质地球物理，2012（待刊）

[23] Daria Zandomeneghi. Passive and Active Seismic Tomography of Volcanic Islands Sao Miguel (Portugal) and Deception (Antarctica) [D]. Dissertation for the degree of Doctor of Earth Sciences

[24] 赵文津.继承和发展李四光地震预报思想[J].地质力学学报，2005，Vol.11，No.2，97-109