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仇勇海的博客

关于地震预测预报

 
 
 

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关于我

1970年中南矿冶学院地球物理勘探专业毕业后留校任教,从事电法勘探的教学和科研工作。1984年获得国家自然科学基金的资助,该项目“电流场与金属矿晕”1989年获中国有色金属工业总公司科技进步三等奖。1997年晋升为教授。“铜电解液净化工业生产试验”1999年获国家有色金属工业局科技进步三等奖。2000年获得政府特殊津贴。著作:地电化学基础及应用,译著:自然电场法文集,均为中南工业大学出版社出版。

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汶川5.12大地震时地形形变的解释  

2009-07-10 10:18:42|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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1、 地球结构

人们已经认识到地球是一个非均质体,内部具有分层结构,各层物质的成分、密度、温度各不相同。地球圈层分为地球外圈和地球内圈两部分。地球外圈有大气圈、水圈、生物圈和岩石圈四个部分;地球内圈进一步划分为地幔圈、外核圈和内核圈三个基本圈层。此外在地球外圈和地球内圈之间还存在一个软流圈,它是一个过渡圈层,位于地面以下平均深度约150公里处。岩石圈、软流圈和地球内圈一起构成了固体地球。对于地球岩石圈,除表面形态外,是无法直接观测到的。岩石圈是巴雷尔于1914年根据板块理论提出的地球圈层概念。岩石圈包括地壳和上地幔的上部。岩石圈厚度不均一,大洋部分在洋中脊的最新部分只有6~8千米,在最老部分则有100千米;大陆岩石圈厚一些,大都在100~400千米之间。岩石圈厚度和地球的半径比较,几乎可以忽略不计。由于地壳和上地幔顶部都是由岩石组成的,所以地质学家们把它们统称为岩石圈。

    地壳是地球表面的构造层,只占地球体积的0.8%。据其性质可分大陆地壳和大洋地壳。地壳和地幔之间以莫霍面分界。大陆地壳一般厚度为33-35千米。我国青藏高原是世界上地壳厚度最大的地区之一,平均厚度达70千米。大陆地壳覆盖地球表面的45%,化学组成以硅铝质为特点,地壳上部主要为花岗岩,下部主要为玄武岩。大洋地壳极薄,从上到下由三部分组成:海洋沉积物层平均厚度约300米(洋中脊附近几乎为零);镁铁质火成岩层以玄武岩和辉长岩为主,厚度为1.7±0.8千米;海洋层主要是地幔顶部水化作用形成的蛇纹岩,厚度为4.8±1.4千米。洋壳的厚度、年龄随距洋中脊的距离加大而变厚、变老。洋壳和陆壳在岩石组成上最明显的区别在于大洋地壳中至今没有发现花岗岩层,而在大陆地壳中花岗岩体却大面积分布。

地幔是位于地球金属地核之外的巨厚硅酸盐圈层,占地球体积的82%。地幔由于受到放射性同位素衰变的加热,引起地幔内部的大规模物质对流,通常认为板块运动就是由这一对流驱动的。地幔与地核的分界面为古登堡面。地幔厚约2800公里,分为上地幔和下地幔两部分。上地幔主要由橄榄岩和榴辉岩以及玄武岩岩浆组成,下地幔是由密度高的铁镁氧化物组成。

在探测地球的内部结构方面,通过地震波记录获得的地球物理资料揭示固体地球是由不同圈层构成的。地震波在地球内部传播时,分为纵波和横波。地震波的传播速度与地球内部物质的密度和性质密切相关。在不同性质和状态的介质中,地震波传播速度有显著变化。依据地球内部不同部分的地震波传播速度的资料,可以分析地球内部的结构。

南斯拉夫地球物理学家莫霍洛维奇在研究1909年的一次地震时发现,某些地震波到达观测站比预计的要快。在该界面附近,纵波的速度从7.0km/s左右突然增加到8.1km/s左右;横波的速度也从4.2km/s突然增至4.4km/s。其出现的深度在大陆之下平均为33km,在大洋之下平均为7km。现在已公认莫霍洛维奇不连续面为地壳地幔的分界面,简称莫霍面。

古登堡不连续面是1914年由美国地球物理学家古登堡首先发现的,它位于地下2885km的深处,首先是发现距震中11500~16000千米的范围内存在地震波的阴影区,解释为存在地核,其次是传播速度发生了明显的变化,纵波速度由13.64km/s突然降低为7.98km/s,横波速度由7.23km/s向下突然消失。后证实这是地核与地幔的分界层,该不连续面称为古登堡面。

2、 地壳均衡学说

地壳均衡学说是按照阿基米德原理(轻物质漂浮于液态重物质之上,力求达到均衡的现象),用以解释地壳运动原因的一种假说。100多年以前,在横穿北印度的大地测量中发现,喜马拉雅山引起的垂线偏差比假定它只是一个均质地球上的凸起要小得多。这一发现导致了对地壳均衡补偿理论的探索。1855年,普拉德和艾利同样认为:地壳和其下伏地幔的关系如同木块浮在水面上的关系那样。普拉特认为,地壳较高部分是由于它们具有较低的密度而受到抬升的结果,换言之,在补偿面以上各地的岩石密度是不同的。与这一认识对应,地下的补偿面应该近于处在同一高程上,故以这种补偿方式为基础的普拉特模型可以称作密度补偿模型。

艾利认为地球表层各处的物质组成是相同的,地壳增厚的地区(如山脉)与地壳变薄的地区(如海盆),不仅表现于其上界的高低起伏,下界呈镜象反映(山脉越高、山根越深),而且其界面是起伏不平的。艾利提出的这种补偿模式因此被称作深部补偿模式。深部补偿模式预言的结果与许多地区的地震测深结果是一致的,即大陆地壳与大洋地壳的下插深度相比,要远远大于大陆与洋底之间的高程差。

1889年,道顿以某一地区的地壳因剥蚀而负荷减轻,另一地区的地壳因沉积而负荷加重,均衡遭到破坏,使负荷减轻的地区上升,负荷加重的地区下降,以求得到的地壳平衡,以此解释地壳升降运动的原因。现代重力测量和地震研究资料表明,实际地壳均衡补偿过程比这两种理想模型都要复杂,普拉德和艾利的假设各有可取之处,二者结合可对岩石圈的均衡状态作出解释。

地幔对流和板块消减运动可能对地壳均衡有干扰,但就全球大范围而言,地壳仍趋于静力平衡状态。据统计,全球近90%的地区基本上处于地壳均衡状态。

 由于重力均衡作用,重力场可以反映地幔以及地壳、地幔边界的起伏状况,称之为地壳均衡。地壳均衡既不是一种力,也不是一个过程,它是地壳各部分之间建立一种平衡状态的普遍趋势。地壳单位体积内物质质量越大,沉陷在地幔里的部分也就越深,高原和高山的地壳就要比平原和盆地更深地陷入地幔。例如:第四纪以来,随着冰期中形成的冰盖消融,重量减轻,斯勘的纳维亚半岛一直在缓慢上升;每建一个大型水库就会诱发无数次小型地震。这都说明地壳有自动倾向静态平衡的趋势。

3、 地震时地形急剧变化源于地球引力与阿基米德浮力之间的相互作用

在地球内部,地球自转引起的惯性离心力随深度的增加而减少,这样,地球内部的重力可以简单地看成是地球的引力。一般认为,从地表到地下2,900公里深处,重力大致随深度而增加,在2,900公里处重力达到最高值,约1,000伽。从地表下2,900公里到地心,重力急剧减小,到地心为0。

引力是质量的固有本质之一。每一个物体必然与另一个物体互相吸引。尽管引力的本质还有待于定,但人们早已觉察到了它的存在和作用。接近地球的物体,无一例外地被吸引朝向地球质量的中心。因为在地球表面上的任何物体,与地球本身的质量相比,实在是微不足道的。

依据地壳均衡假说计算的异常称为重力均衡异常。区域重力调查规范中列举的计算重力均衡异常的公式为:Δgj=ΔgB+δgj,式中Δgj为均衡异常,ΔgB为布格异常,δgj为均衡改正值。当地壳处于均衡状态时,均衡异常接近于零。如果地壳处于不均衡状态,在地面将观测到明显的均衡异常,正的均衡异常表示补偿过剩;负的均衡异常表示补偿不足。在年轻的高山区,例如喜马拉雅山、阿尔卑斯山和深海沟都已观测到较强的均衡异常。

地壳的最表层是由脆性岩石层组成的。由于龙门山断裂带处于地壳非均衡状态,因此,在构造力的作用下发生了5.12大地震,对于地壳均衡而言,机会来到了,名副其实的千载难逢,在地震发生的短短一分多钟时间内,地壳深部的岩石中形成了一条长约300公里、深达30公里的大断裂,其中的200余公里出露地表,形成沿映秀—北川断裂分布的地表破裂带。

以古老的成都平原地区的地形作为参考点,阿基米德浮力(地壳浮在地幔上方)大于地球的引力(牛顿万有引力),龙门山断裂带西北方向山区地形抬高了。处于地壳重力非均衡状态的龙门山断裂带,5.12大地震以后,显然没有完全达到地壳均衡。由于岩石已经松动,在“润滑剂”地下水的作用下,次后发生了一系列余震。汶川5.12大地震主震后的余震,一直沿着“撕破”的地壳,分布在350多公里长,60公里宽的区域里。截至2009年6月18日12:00,至今共记录到余震56 396次,最大余震为5月25日16:21:46青川县6.4级地震

在邢台地震群发生的同时,在极震区的多次重复测量表明,地壳形变十分剧烈和反复不定。在每一次6级以上地震的震中都产生强烈的地面下沉,而在下一次强烈地震发生的地方出现明显的地面隆起,是邢台地震群地壳运动的重要特征。

1966年3月8日邢台牛家桥附近发生6.8级地震,在极震区形成一椭圆形状的下降区域,中心在马栏村,最大沉降量达到200多毫米多,在其北部的东汪一带明显上升。由于3.8大地震以后,仍然没有达到地壳完全均衡,而且脆性岩石层上升区域的调整过了头(与岩石的整体结构有关),结果在3月22日邢台东汪又发生7.2级地震,极震区下降区域的中心在马栏村,最大沉降量达到440毫米多,在其南部3月8日发生6.8级地震的极震区外的地区形出现明显的上升。由于3.22大地震时脆性岩石层上升区域的调整再次过了头,结果在3月29日在该隆起带范围内的官亭附近又发生了6.0级地震。邢台地震以后近20年的逐年分级地震频度统计,到1985年年底,邢台地区(北纬37°05′-38°00′,东经114°30′-115°15′)共发生1级以上地震21312次,其中大于等于6级地震5次。

在此以三次强烈地震后的地形作为目前情况下地壳均衡标准,那么,由于沉降带的范围落在束鹿地堑内,显示了地震中断陷地壳的强烈下陷运动,而断陷的两侧则是相对上升区,地壳的上升或者下降,总是受力的作用,在该情况下,重力作用大于浮力作用。平常情况下,束鹿地堑内的脆性岩石是被“冻结”在两侧的岩石之中,大地震发生的一瞬间,形成了断裂,因此在地球引力的作用下地壳发生了沉降运动。

河北唐山地震后,在发震断层的西北翼形成了上升区域,幅度为208毫米,而沉降区分布在发震断层的东南翼,三个下沉区分布在宁河东北、唐山市东南和滦县以西的雷庄附近,最大沉降量分别达到1 521毫米、718毫米、1 024毫米。三个下沉区的中心恰与滦县7.1级地震、唐山7.8级地震、宁河6.9级地震的震中位置大致吻合。唐山地震的地面沉降情况和邢台地震时的情况是接近的。

处于地壳非均衡状态下的地震带,在地震孕育过程中,由于地壳最表层脆性岩石层下的半柔性、柔性岩石层发生塑性形变,地面产生地形的形变,这是一个非常缓慢的过程。在地震发生时,半柔性、柔性岩石层突然发生回跳,这是一个非常急剧的过程,从量变转化为质变。例如:1668年7月25日山东郯城8.5级地震发生以前,在震中区东面海上有个小岛,由于地面隆起,小岛不断上升,后来居然和大陆连成一片;而地震爆发时,极震区东侧猛然上升,使相邻的江苏省赣榆东面的海水后退了15公里。

我们认为:深大断裂带是发生地震的外部有利因素,深大断裂带重力是否已经达到均衡是发生地震的决定性因素。在板块漂移过程中,凹凸不平的下地壳的不同部位受到了挤压、拉伸、旋扭等构造力作用,重力均衡尚未达平衡时,发生地震,深大断裂再次破裂。地震时地形急剧变化源于地球引力与阿基米德浮力之间的相互作用。

 

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