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最小耗能原理是与地震现象密切相关的自然界的普适性原理

已有 1620 次阅读 2019-12-27 17:53 |系统分类:论文交流

1 引言 

地震的预测、预报问题,是地球科学研究中公认的世界性难题。基于地震总会导致巨大能量的释放,而在释放如此巨大能量之前不会出现一些前兆是难以令人置信的认识,使得地震预报长期在以捕捉地震前兆为基础的经验性预测、预报的情况下徘徊。由于任何地震都不能脱离具体的地质构造环境,这就使得基于地震前兆的经验性认识必然带有很强的地域性,从而导致在试图确定地震发生的时间、地点和强度与各种地震前兆现象之间的关系时,甚至可能会面临比地震本身更为复杂的问题。这是目前根据地震前兆进行地震预测的最大障碍。

越来越多的学者已经认识到为了推进地震预测、预报研究,需要打破长期徘徊在以地震前兆监测为基础的经验性预报的局面,而应把注意力尽快转向研究以动力学为基础的数值预报上来。所谓数值预报,实质上就是根据物理问题的数学模型对系统的演变过程作出定量化的预测。地震的孕育和发生从本质上说是一个力学问题,已是众多地震研究者的共识,因此地壳应力的研究已日益受到重视,以有限元法为工具的地壳应力数值模拟成果也日益增多。但在如何根据这些地売应力数值模拟结果来确定地震发生的时间、地点和强度方面,目前还显得束手无策。因为地壳岩石不仅是非均质的,而且甚至是不连续的,所以用基于连续介质力学中的应力概念,根本无法判定地壳岩石在何时、何地会发生大尺度破裂而引发何等强度的地震。

笔者长期从事最小耗能原理及其应用研究。很长时间以来,一直认为最小耗能原理或许是与地震现象最密切相关的,自然界的普适性原理。因此尝试着循此思路做了一些研究,文献[1]就是这些研究工作的初步成果。它表明:或许文献[1]建立的新理论能为解决目前地震数值预报所面临的困难提供一些新的办法和途径。

 

2 根据地震前兆预测、预报地震的可能与困难 

文献[2]指出:一个7级大地震释放的应变能其数量级可达1015焦耳。很难置信在如此巨大的应变能释放之前不出现任何讯号’”,此讯号即所谓地震前兆(或称震前异常),它是当前赖以进行地震预测、预报的客观基础。通过观测、搜集并分析各种地震前兆来预测、预报地震,至今仍是地震预测、预报领域中的主流及最重要手段。正是基于此,地震学目前还是一门观测科学[3]

地震前兆包括直接与地震过程相联系和不直接与地震过程相联系两大类。前者如地震活动性、地震空区、b值、Q值、波速比等地震学前兆,以及通过地倾斜、地应变、地应力、自重变化等形式表现出来的地形变、地应力与重力前兆;后者如地磁、地电、地下水位、地下水化学和动物异常等[4]。由于地震前兆现象以及它与地震三要素之间关系的复杂性,要想使根据地震前兆预测、预报地震的可能性变成现实,仍存在不少问题和困难。这一方面是由于地震前兆往往是不均一地分布在一个远大于震源区的相当广阔的空间内,在地震前兆展布的这一广阔范围内通常都包含有若干个活动带及潜在的地震危险区,这就导致很难判断这些观测到的地震前兆究竟是其中的哪个构造带在孕育强震而引起的反映;另一方面,由于地震前兆随时间的变化情况复杂,既不是线性的升(或降)变化,也不是单纯的峰、谷形,往往是这几种形式变化的复杂组合,其中还渗杂着地球物理场的某些正常变化,而对后者的变化规律又至今还知之甚少,这就给地震前兆的起始与终止时间判定造成困难。另外,即使前兆已被确认为与某构造带的孕震过程有关,但何时发震?至今仍缺乏必震的判据。除此而外,不同地区地震前兆的表现方式差别也很显著,例如海城地震前的短临前兆表现为三起三落现象,而唐山地震前却没有这种现象,是什么物理原因在起作用,目前也不清楚。地震前兆的这些特点,大大限制了据之准确预测、预报地震的可能性[5]

以上情况表明:虽然强震发生前会出现地震前兆现象,但并不等于根据它就能准确预测、预报地震。这就是当前在地震预测、预报的主流方向上所面临的困难。

 

3 最小耗能原理是与地震現象密切相关的自然界的普适性原理 

3.1 地震应受到最小耗能原理的规范

地震问题是当今地球科学研究中公认的世界性难题。地震的可预测性的困难是源于人们不可能以高精度测量断层及其邻区的状态以及对于其中物理定律仍然几乎一无所知。虽然地震学家们早就形成了地震应该是一个与自然界的普适性定律密切相关的理论问题的共识,但它究竟与什么样的自然界普适性定律密切相关,却至今还没有定论,以致目前的地震学基本上还是一门观测科学[4,6]

迄今为止世界各国的地震学家通过长期不懈的努力,在地震预测特别是中长期预测方面取得了某些有意义的进展(例如:板块大地构造学说的确立、地震带特征地震概念的提出、地震空区的确认等,对于地震物理学与地震预测都有着重要意义。在环太平洋地震带,几乎所有的地震都发生在利用地震空区方法预先确定的空区内就是证明)。但这些有意义的进展,却都是源自于对地震现象长期观测所积累的资料和经验总结基础上所获得的结论,以致迄今地震学界对为什么会有这些结论(即对产生这些结论的原因)还有些说不明白。

由于诱发地震现象的机理与材料的破坏(包括强度、断裂与损伤)机理类似,基于对于地震现象和类似地震的其它现象的普适性的认识,必将有助于深化对地震现象的认识[4]。本文将论述上述被视为在地震学中有意义进展的一些重要结论,其实都是地震应受到最小耗能原理规范的必然结果。因为地震是由于地球构造运动导致地下岩石中的、促使岩石断裂的能量缓慢蓄积,直至达到临界值而突发大尺度破裂所致的一种需要消耗能量的自然现象,因此,地震应受到最小耗能原理的规范,所以最小耗能原理应该是与地震现象密切相关的自然界的普适性原理。

 

3.2 根据最小耗能原理,所谓"地震带"实际上就是地壳最薄弱的地带

众所周知,任何材料或结构的破坏(包括地下岩石的破裂),都需要耗能。根据最小耗能原理,任何材料或结构的破坏(包括引发地震的地下岩石大尺度破裂)都将在与其相应的约束条件下,以最小耗能的方式进行,也就是说任何材料或结构的破坏,都是在与其相应的约束条件下,以其最容易破坏(即耗能最小)的方式发生和进行的。什么是最容易破坏的方式?根据常识,在材料或结构的最薄弱之处最容易发生破坏。显然,这种常识与根据最小耗能原理得出的,关于任何材料或结构的破坏,都将在与其相应的约束条件下,以最小耗能的方式进行的结论是相符的,因为从最薄弱之处发生的破坏,就是耗能最小的破坏方式。

文献[6]指出:地球上那些断层活动最强烈的地质构造带往往就是地震活动带。全球两大地震带释放的地震能量占全球地震总能量的95%,是地壳活动最强烈的地带,也是活动板块边界的大断裂带。其中所说的两个大地震带就是环太平洋地震带和欧亚地震带(又称地中海喜马拉雅地震带),它们都是活动板块边界的大断裂带。根据大陆漂移学说,地球的地壳由几个实体板块构成,各自在热地幔上漂浮,持续地进行着地壳运动[6]。显然,这些活动着的板块边界断裂带,就是地壳的薄弱部分,而释放占全球地震总能量95%的环太平洋地震带和欧亚地震带,就是这些活动着的板块边界中的最薄弱部分,同时也是地壳断层活动最强烈的地质构造带。因为根据最小耗能原理,板块漂浮引起的地球构造运动所蓄积的能量(包括促使地下岩石大尺度破裂的能量),将向地壳的薄弱部分,特别是其最薄弱部分(即太平洋地震带和欧亚地震带)聚集,当这种能量聚集到能使地下岩石发生大尺度破裂并形成错动时,地震也就发生了。由于因漂浮所致的构造运动一直在不停地进行着,所以地震也就在这些板块边界的最薄弱部分不断地重演,从而形成所谓地震带

另外,由于对研究地震而言,地球可以认为是足够大,因此不排除在八个大小不一彼此相对运动着的一级板块内部也有它们的相对最薄弱之处(即板内断层带的某些部位,如拐弯点、间断点、雁列区、枢纽点和断层面坑凹起伏较大的地段[6])。根据最小耗能原理,地球构造运动所产生的促使地下岩石大尺度破裂的能量也将向这些相对的最薄弱之处聚集,当其聚集至临界值时将引发板内地下岩石大尺度破裂而导致所谓板内地震。文献[78]都根据最小耗能原理,用了专门的一节来讨论应力集中现象与强度问题以及为什么会有应力集中,其内容除了有可能用于研究板间断裂带的地震之外,也同样有可能作为应用最小耗能原理研究板内地震的理论基础。

 

3.3 用最小耗能原理来探讨关于"特征地震""地震空区"中的一些问题

所谓特征地震是指在指定的一段断层上将会准周期性地发生具有特征大小与平均复发时间的地震。而所谓地震空区则存在着两种提法:其一是指在时间上已超过平均复发时间,但仍未以特征地震的方式破裂过的一段断层;其二是把大地震震源区之间的空隙区认为是未来最可能发生大地震的地区,并将其称为地震空区[4]

根据特征地震地震空区概念预测、预报地震,曾被认为是在地震长期预测方面最突出的进展[4],因为在预测、预报发生在板块边界地震带上的大地震时,上述概念和提法曾得到一些震例的验证。但后来发现,据此进行的预测、预报既有与实际情况基本相符的实例,也有与实际情况相去甚远的实例。如日本的东海大地震和美国的帕克菲尔德地震的预报实践表明,按特征地震地震空区概念来预测、预报地震,即使对于像这样一种发生于板块边界的、看上去很有规律的历史地震序列,准确的预报也是很困难的[4]。原因何在?下面根据最小耗能原理来探讨其中的一些问题。

根据最小耗能原理,所谓特征地震现象的形成应该是有条件的。其应满足的条件是:准周期内该段断层(即所谓指定的一段断层)应该是所考虑的整个断层区间的最薄弱部位,并且其薄弱程度(即其每次发生再破裂而引发地震所需消耗的能量)基本不变;该段断层因地球构造运动所导致的、诱发地震的能量蓄积速率也基本上保持不变。只有当上述两个条件同时得到满足时,用特征地震概念预测、预报地震才会成功。但实际情况却是:特征地震区的薄弱程度会有可能因周期性复发的地震而重新整合,导致其薄弱程度的衰减或加强。显然,在因地球构造运动所导致的、诱发地震的能量蓄积速率相对稳定的情况下,只有当特征地震区的薄弱程度随着因周期性的复发地震重新整合而加强时才会呈现第一种提法的地震空区的情况。若特征地震区的薄弱程度随着因周期性复发的地震重新整合而衰减,则在因地球构造运动所导致的诱发地震的能量蓄积速率相对稳定的情况下,将会导致周期变短、震级减小情况的出现,并且当该特征地震区的薄弱程度衰减至时,与该特征地震区相邻的大地震震源区之间的空隙区则很有可能从原本不是最薄弱部位(原本的最薄弱部位是特征地震区)上升为新的最薄弱部位成为诱发地震能量的最主要聚集地,从而使之成为第二种提法的地震空区。由于对上述两种提法的地震空区而言,其薄弱程度都有所加强,所以在这样的地震空区将会发生震级更高的地震。

综上,在按上述特征地震地震空区概念进行地震的长期预测、预报时,应特别关注特征地震的发生周期及震级变化的总趋势。若总趋势是周期逐渐变短,震级逐渐降低,则随后如果发现在该指定的一段断层很长时间(即超过了平均复发时间)没发生地震的情况,那么这种属于第一种提法的地震空区就可能是假地震空区,而此时与之邻近的空隙区就可能会成为真的、属于第二种提法的地震空区;若特征地震的发生周期及震级变化的总趋势是周期逐渐变长、震级逐渐加强,则随后如果发现在该指定的一段断层很长时间(即超过了平均复发时间)没发生地震的情况,那么这种属于第一种提法的地震空区就可能是真地震空区,在上述真地震空区就可能会发生震级更高的地震。若特征地震区的薄弱程度因地震的重新整合出现有时加强、有时衰减的情况,则即使因地球构造运动所导致的诱发地震的能量蓄积速率保持相对稳定,也不可能有所谓的特征地震地震空区存在。当然,若再加上地球构造运动所导致的诱发地震的能量蓄积速率也不稳定,则更不可能有所谓的特征地震地震空区存在了。

由于受应用上述有关特征地震地震空区概念预测、预报地震曾获得一些成功事例的鼓舞,后来许多研究者又提出了多种地震空区的概念,并将其应用领域从板块边界拓展至预测、预报板内地震[9~20]。结果表明,这些具有新内涵的地震空区概念,在预测、预报板内地震方面虽然也获得一些震例的支持,但预测、预报的成功率同样也不够理想[21,22]。下面根据最小耗能原理对其中的一些问题进行探讨。笔者认为:所谓地震空区实际上是地震区(带)内的与其邻近区域相比,相对比较结实的一个区域。根据最小耗能原理,促使该地震区(带)地下岩石破裂的能量首先主要是向该地震区(带)内的更薄弱部位聚集,从而导致那些相对更薄弱的部位依其薄弱程度而逐次发生破裂,这样就造成在比较结实空区邻近区域内相继引发震级较低的地震。一旦该邻近区域的岩石破裂耗能过程结束(即这些相对更薄弱的部位均已破裂完毕),则原来较结实空区就会上升成为该地震区(带)的最薄弱部位,于是该空区也就成了促使地下岩石破裂的能量的主要聚集地。由于该空区比较结实,所以促使其地下岩石发生破裂所需消耗的能量也相对较多,在地球构造运动产生的促使地下岩石破裂的能量累积速率仍保持不变的情况下,要达到使该空区破裂的能量蓄积时间也就相对要长一些,因而此时会出现一段较为平静的时间。当促使该空区发生大尺度破裂的能量蓄积到与其相应的临界值时,更高震级(因为其结实所以其临界值更高)的地震也就在空区内发生了;根据以上分析,每次地震的主震似都应发生在空区之内。但实际上许多震例却并非如此,例如文献[22]“统计了中国大陆194次有空区主震前出现的298个空区(有些地震出现了多空区现象)。其中,主震发生在空区内部的有113个,占37.9%;发生在空区边缘的有48个,占16.1%;发生在空区外部的有137个,占46%。总体上大多数空区的主震发生在其边缘和外部。笔者认为,之所以会出现这种情况是因为由空区识别扫描所获之空区图像,实际上是经投影之后得到的平面空区而非三维空区。根据前述所谓地震空区实际上是地震区(带)内的与其邻近区域相比,相对比较结实的一个区域的定义可知,当此比较结实区域所占据的空间是该地震区内的一个不规则的几何体,并且其上下、前后、左右均被相对不够结实的区域所包围时,就会出现上述空区识别扫描无法形成平面空区或在该平面空区外发生主震的情况。

 

3.4 关于为什么"海岭的转换断层总是倾向于垂直于海岭"的讨论

中科院石耀霖院士在给笔者的电子邮件中指出:海岭的转换断层总是倾向于垂直于海岭的问题,用最小耗能原理应该容易讨论些。作者认为石院士的看法是完全正确的。因为根据板块构造学说,地球岩石圈运动的动力来自地幔物质的对流,对流发生于软流层并作用于地球岩石层底部。海岭形成于对流的上升区,海沟形成于对流的下降区。由于上升对流造成的、对岩石圈的向上顶托力的作用,导致岩石圈的破裂以致地幔上部软流层物质从中涌出而形成海岭,因此海岭实际上是一地壳板块间的断裂带。鉴于地球的半径很大,故可将海岭视为板块中间的一条裂缝,并且在此裂缝(即海岭)两边的板块岩石层还继续承受着因上升对流作用而造成的、向上的巨大顶托力。若该顶托力在沿裂缝(即海岭)长度方向相对均匀,并且此裂缝(即海岭)两边的板块岩石层的厚度也相对均匀,则此情况将类似于一具有长直线裂缝的平板,且在其上作用有垂直于板面的均匀压力的情况。显然,根据最小耗能原理,在此处于柱面弯曲状态的平板中产生的新裂缝一定会是沿着与原来的长直线裂缝(即海岭)垂直的方向,因为沿此方向开裂将是该平板最容易发生(亦即耗能最小)的破坏方式。这样就导致了海岭的转换断层总是倾向于垂直于海岭的情况发生。

 

3.5 最小耗能原理与地震预报准则

笔者认为:一个真正能完备地描述地球构造运动的动力学方程组,除了既具有不稳定的特解又允许有稳定的特解之外,还需要能够解决在什么样的特定情况下,才会导致不稳定的特解(即地震)的出现。这意味着在这样的动力学方程组中,除了应包括通常被认为是能够决定地球构造运动状态的、非线性的运动方程、物理方程和几何方程之外,还应该包含一个能够判定在什么样的情况下会导致上述非线性动力学方程组出现不稳定特解(即发生大地震)的准则。就像在对弹、塑性结构进行分析时,除了需要建立与之相应的平衡方程、物理方程和几何方程之外,还需要建立一个与之相应的屈服准则。否则缺少屈服准则的方程组就无法判定所研究的弹、塑性结构究竟是处于正常工作状态还是处于塑性流动状态。

众所周知,地震是由于地球构造运动导致地下岩石中的、促使岩石破裂的能量缓慢蓄积,直至达到临界值而突发大尺度破裂所致的一种需要消耗能量的自然现象。因此,诱发地震现象的机理与材料的破坏(包括强度、断裂与损伤)机理类似。文献[78]给出了用最小耗能原理解决问题的三种途径,并且指出其中的途径1实际上给出了一种导出材料破坏准则的新思路。即因为任何形式的材料破坏都需要消耗能量,所以材料的破坏过程实际上可视为一耗能过程,因此,它应受到最小耗能原理的规范。根据最小耗能原理,只要能够写出(即已知)材料破坏时的耗能率表达式(由文献[78]可知,也可以是只要能够写出破坏时的总耗能表达式),并将材料破坏准则视为实现材料破坏耗能必须满足的待定约束条件,则沿途径1即可确定材料的破坏准则。

鉴于诱发地震现象的机理与材料的破坏机理类似,因此,根据最小耗能原理也有可能类似地按上述新思路导出能够判定是否会发生地震的准则,在文献[1]中对此问题已作了深入讨论。


   


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