陳立軍

(湖南省地震局，湖南 長沙 410004）

0 前言

眾所周知，人們定義了一個全球的俯沖帶，大致從地中海，經(jīng)喜馬拉雅、印尼到湯加，然后折回太平洋西海岸往北，沿太平洋北岸、東岸直到南美洲，作為全球板塊的碰撞與俯沖之所[1]，并且可以萬能地解釋該帶上所有強震與火山噴發(fā)的成因[2～5]。

本文利用美國NCEDC網(wǎng)站的ANSS地震目錄[6]，取震源深度h≥100 km作地震震中分布圖（如圖1a所示）。圖中發(fā)現(xiàn)，沿此俯沖帶的中、深源地震只分布在18個方框內(nèi)。對這些方框內(nèi)的地震用Origin軟件繪制三維立體圖像，發(fā)現(xiàn)中、深源地震的震源體只密集在若干個頂點向下的圓錐體之內(nèi)。經(jīng)過比對分析，本文定義了24個地震柱 （如圖1b所示）。研究發(fā)現(xiàn)，這些地震柱各有其本身的物理屬性和構(gòu)造屬性，與俯沖帶的說法迥然有異，因而構(gòu)成本文的要義。

1 地震柱的概念

根據(jù)地震地熱說的原理[7～8]，本文的地震柱概念 （seismic cylinder），是指由中、深源地震活動、殼內(nèi)地震和活火山活動所構(gòu)成的地幔深部或上地幔內(nèi)中、深源地震震源密集、頂點向下的圓錐形柱狀地質(zhì)體。因此，地震柱的劃分是以地震和火山活動的共同特征來確定的，是地幔深部能量與地表能量交換的穩(wěn)定通道，具有可視性、唯一性、獨立性和穩(wěn)定性。全球共計定義了21個Ⅰ級地震柱，3個Ⅱ級地震柱。Ⅰ級地震柱影響規(guī)模較Ⅱ級地震柱大。殼內(nèi)最大震級8以上可稱為超級地震柱。

圖1 全球中深源地震的分布與地震柱的劃分[6]Fig.1 Distribution of deep earthquakes and division of the cylinders on the Earth[6]

地震柱的命名與基本情況見表1[6、9]。地震柱概念區(qū)別于傳統(tǒng)的地幔柱概念 （mantle plume）。傳統(tǒng)的地幔柱理論誕生于1971年，Morgan提出全球約有20個 “熱點”，并認為熱點源區(qū)物質(zhì)對流上升，其結(jié)構(gòu)類似于 “直達深部地幔的管子”，植根于地幔深部，且位置相對固定[10]。該理論因為無法驗證而遭到諸多質(zhì)疑[11、12]?，F(xiàn)在，據(jù)說 “地球上有200多個公認的熱點”，不過作者手頭有坐標的熱點只有71個[13]。其實，不見得每一個熱點都會變成地震柱。比如非洲南部和夏威夷是全球源自核幔邊界的兩大超級地幔柱，但它們并沒有變成地震柱。這是由各種地質(zhì)因素和地球深部原因所決定的。作者的目的是通過近50年的地震資料來描述所能發(fā)現(xiàn)的地震柱現(xiàn)象。其實，地震柱也是一種特殊的地幔柱，但地震柱是可以通過成熟的地震檢測技術(shù)測定的，不像傳統(tǒng)地幔柱那樣多解，那樣地撲朔迷離。

2 地震柱的基本特征

表1 全球地震柱命名及其基本情況Table 1 Names and basic conditions of global cylinders

2.1 地震柱的樹型結(jié)構(gòu)

地震柱形狀類似于樹，具有樹根、樹干和樹冠，姑且稱之為樹型結(jié)構(gòu)。同一個地震柱內(nèi)，可以是單樹型、雙樹型或多樹型構(gòu)造。還有樹杈型，即同一個樹根和樹干上帶有多個樹杈的。不論什么樣的結(jié)構(gòu)，地震柱的頂部，即樹冠部分很大，而其底部，即樹根部分則都很小，多呈點狀或短線狀。典型的地震柱三維立體圖像見圖2。

地震柱均為獨立活動，其活動程式各不相同，甚至同一地震柱內(nèi)各分支的活動程式也不盡相同。

圖2 典型的地震柱三維立體圖像[6]Fig.2 Typical three-dimensional images of seismic cylinders[6]

2.2 地震柱的樹冠結(jié)構(gòu)與特征

2.2.1 地震柱樹冠的結(jié)構(gòu)

地震柱沿著本身的傾斜角度在地表投影有一個出地點或出地區(qū)域。地震柱的樹冠是殼內(nèi)地震和火山受到地震柱影響的區(qū)域，多分布在50 km深度以內(nèi)，繞地震柱的出地點分布，分布密度從中心向外衰減，地域比柱體大若干倍。地震柱的樹冠不是一個固定的地塊。

樹冠部分的淺源地震活動多為散布，但也有形態(tài)特殊的，多與近地表的淺部構(gòu)造痕跡相關聯(lián)。一種形態(tài)是愛琴海 （圖3a）和所羅門地震柱 （圖3b）的環(huán)形分布，一種形態(tài)是緬甸地震柱的棋盤格式構(gòu)造 （圖3c）。緬甸地震柱的棋盤格式構(gòu)造控制著區(qū)內(nèi)幾乎所有的殼內(nèi)強震活動，甚至還控制著某些地幔型礦床[14]。

圖3 特殊的樹冠結(jié)構(gòu)Fig.3 Special crown structures

中國的淺源地震分布量大面廣，在地球上顯得很特別。中國東部的地震，作者贊同李四光新華夏系的構(gòu)造解釋。臺灣和中國西部地震，與11號臺灣及琉球地震柱 （含F(xiàn)1號馬尼拉地震柱）、17號緬甸地震柱和18號興都庫什地震柱的活動有關。作者在科學網(wǎng)博客中均有專題論述。

2.2.2 地震柱樹冠的殼內(nèi)地震與火山活動

地震柱樹冠內(nèi)的殼內(nèi)強震與火山活動具有如下一些特征：

（1）地震柱近地表的強震活動大多分布在地震柱樹冠的邊緣地區(qū)，或者說是距離地震柱出地點較遠的地區(qū)，100年以來有過噴發(fā)的活火山則大多分布在出地區(qū)周邊，或者說是距離出地點較近的地區(qū)。圖3中的樹冠特殊結(jié)構(gòu)是如此，其他普通樹冠結(jié)構(gòu)的地震柱亦是如此。作者在科學網(wǎng)博客中對每個地震柱逐一地論述過。

（2）地震柱近地表的強震活動大多局限在上地殼內(nèi)，下地殼內(nèi)的甚少。

（3）地震柱的殼內(nèi)強震與火山是釋放地震柱能量的兩種不同方式，具有互補的特征，即可以互相制約、互相平抑。對印尼的研究表明，地震的預測和火山的預測具有同一性①陳立軍.試論地震預測與火山預測的同一性.地震預報與歷史地震專業(yè)委員會聯(lián)合學術(shù)交流會摘要集，2011.。

（4）殼下地震，包括殼下的小震活動，都受到地震柱深部系統(tǒng)能量的控制，不像殼內(nèi)小地震那么多的隨機性。因此，殼下地震活動分布有可能指示未來殼內(nèi)強震活動的可能地點或地域②陳立軍，陳曉逢.美國西海岸地震預測方法初探.湖南地震，2012.。作者對美國西海岸的強震預測已經(jīng)得到證實[15]。

2.2.3 與地震柱樹冠相關的島弧和海溝

眾所周知，火山可以造島，地震可以造溝，因此太平洋的海溝和島弧可能正是地震柱長期活動的產(chǎn)物，都只是近地表的構(gòu)造現(xiàn)象。地震柱都是一些深達數(shù)百公里的錐體，而且各自空間取向不一。比如，日本地震柱與琿春地震柱組成全球唯一的雙腿地震柱 （圖4a），其深部結(jié)構(gòu)與日本海溝的構(gòu)造并不一致。北馬里亞納地震柱是傾向南西的壁狀結(jié)構(gòu)，與之相伴的海溝卻沒有切斷日本島弧。因此，如果將日本海溝引伸到400 km以上的深度，作為板塊的碰撞和俯沖之所，是難以令人置信的。

2.3 地震柱樹干的特性

地震柱的樹干多近于直立，傾角大的地震柱較少。正如傳統(tǒng)地幔柱所描述的那樣，類似于 “直達深部地幔的管子”，植根于上地?；虻蒯Ｉ畈?，且位置相對固定。但是，地震柱比起傳統(tǒng)地幔柱小很多，而且形狀十分規(guī)整，柱面邊界清晰。

2.3.1 地震柱的本尼奧夫剖面

通過地震柱出地點橫切地震柱的軸心，即可得到本尼奧夫剖面。圖5是地震預測中需要用到的本尼奧夫剖面切片術(shù)。由圖可見，本尼奧夫剖面只能存在于地震柱之內(nèi)，橫向無法伸展，相鄰地震柱的本尼奧夫剖面也無法溝通。因此，將本尼奧夫剖面橫向無限擴展成所謂的本尼奧夫帶，甚至直接稱為俯沖帶，似乎是將本尼奧夫剖面的作用夸大了。

2.3.2 地震柱的P波快速異常

圖4 西北太平洋地震柱的立體展布[6]Fig.4 Three dimensional structure of cylinders in north-west Pacific Ocean[6]

在有關俯沖帶的地震層析成像技術(shù)研究中，可以得到很多關于地震柱的地震層析圖像證據(jù)[16～28]。24個地震柱中至少有20個可以找到或多或少的證據(jù)。這些證據(jù)一致地表明地震柱屬于P波的快速異常體。典型的地震柱P波快速異常體圖像如圖6所示，是按照相關作者給出的平面分層圖像轉(zhuǎn)換為三維坐標后用Origin軟件繪制成的三維立體圖像。圖6a中包括東湯加地震柱和西湯加地震柱，相應的P波快速異常體也有兩個分枝。圖6b中的地中海地震柱包括意大利、土耳其和伊朗3個分支，P波快速異常體也呈相應的分布，只是左圖不包括興都庫什地震，因而無法與興都庫什的P波快速異常體對應。研究還表明，在非地震柱地區(qū)，即只有火山和淺源地震活動而無中、深源地震活動的地區(qū)，比如冰島和夏威夷，則為P波的慢速異常體①陳立軍，胡奉湘，陳曉逢.全球地震柱的地震層析成像證據(jù).湖南省地球物理學會2012年學術(shù)年會特邀學術(shù)報告，2012.。

圖5 菲律賓地震柱的本尼奧夫剖面切片術(shù)[6]Fig.5 Slice of Benioff section in Philippines Cylinder[6]

圖6 典型的地震柱P波快速異常體圖像Fig.6 Typical images of fast anomalous body of P wave in cylinders

地震柱內(nèi)的P波快速異常體或許具有和地震柱內(nèi)本尼奧夫剖面同樣的特性。

2.3.3 地震柱的時序圖

地震柱的時序圖是研究地震柱活動性的最佳工具，也是地震預測和火山預測的必備工具。作者在科學網(wǎng)博客中有各個地震柱不同時期的時序圖，典型的時序圖如圖7所示。地震柱的時序圖可展示如下一些特征：

（1）地震柱內(nèi)的中、深源地震，具有明顯的自下而上逐層驅(qū)動的活動方式。圖7a為地中海地震柱意大利分支的時序圖，有明顯的3個地震活動層，地震從下、向中、向上成簇活動，地表也如影隨形，地震活動時強時弱。如果把意大利的地震和火山活動說成什么跟什么 “俯沖”的結(jié)果，實在與事實不符。

（2）如果以自下而上逐層驅(qū)動的活動方式劃分地震柱的活動期，24個地震柱可分為2期、3期、4期3大類，當然也有個別多于4期的。每個活動期內(nèi)的活躍期較長，一般10～20年不等，間歇期則較短，1～3年。由活動期的長短，可以估算地震柱自下而上逐層驅(qū)動的活動速率。由活動期內(nèi)中深源地震活動強度的歷史比對，可以大致估計未來殼內(nèi)強震或火山噴發(fā)的強度和大致時間。

按照1963～2011年的地震資料分析，活動期劃分結(jié)果表明，危地馬拉、海地和日本為2活動期，所羅門、西湯加和東湯加為4活動期，其余均為3活動期。由此可見，太平洋周邊也并非呈整體性活動的。

（3）由地震柱樹干中段的地震活動是否發(fā)育，可將地震柱劃分為暴發(fā)性和漸進型2大類。所謂暴發(fā)性是指地震柱底部的活動能量可以直沖樹冠者，容易發(fā)生9級以上特大地震，比如智利 （圖2）、日本 （圖4）和印尼等。所謂漸進型是指循規(guī)蹈距者，大多數(shù)地震柱皆如此。

圖7 典型的地震柱活動時序圖[6]Fig.7 Typical time-sequence diagram in seismic cylinders[6]

（4）可能由于地震構(gòu)造環(huán)境的限制，各地震柱的活動均有各自的震級上限，以及不同的火山噴發(fā)史。

2.3.4 地震柱的熔巖囊

由圖2可見，絕大多數(shù)地震柱在50～150 km深度內(nèi)皆有一個略大于柱體但遠小于樹冠的短柱體，大概就是地震柱的熔巖囊。熔巖囊起著承下啟上的作用，既是地幔深部上涌熱能的倉庫，也是殼內(nèi)地震活動和火山噴發(fā)的能源庫、巖漿庫。熔巖囊的熱能積累過剩時，或者仍以熱能形式釋放 （火山），或者轉(zhuǎn)換為機械能的形式加以釋放 （地震）。因此，地震和火山正是一對孿生兄弟。它們的互補特征是不難理解的。

2.3.5 地震柱的生命

圖2的地震柱立體圖像只是利用近50年來的地震資料所表現(xiàn)出來的現(xiàn)代地震柱。其實，地震柱是有生命的地質(zhì)體，可以新生、衰減或消亡。最顯著的例子是08號中國琿春地震柱和20號地中海西口地震柱，目前均劃為潛在地震柱。它們的特點是樹根尚在，樹干或樹冠不全。按照全球地震柱活動規(guī)律比照，中國琿春地震柱歷史上也應該風光過，因此才有長白山和五大連池的火山噴發(fā)，但目前只有樹根在，樹干和樹冠或者正在休眠，或者是倒向日本地震柱一側(cè) （圖4，對日本地震柱和琿春地震柱的進一步研究證實了這個推測①陳立軍.試論日本9級地震的成因及對南海道地震預測的思考.2013.）。

另一個例子是意大利。由圖8可見，意大利西海岸和西西里島以西的火山逐漸向東南方向衰減，可見意大利歷史上應該是一個較大的地震柱，目前地震柱的出地點已縮減至第勒尼安海東南一隅，活火山也退縮至此。還有很多地方，比如北美洲、勘察加、印尼等地的火山活動都存在向東、向南衰減或運移之勢。

圖8 地中海地震柱意大利分支的衰落[6]Fig.8 Decline in Italy branch of Mediterranean cylinder[6]

3 地震柱的構(gòu)造學意義及其在地震預測與火山預測中的作用

由地震柱的概念和基本特征可以看到，每個地震柱都像是一部熱機，形成穩(wěn)定的通道，一呼一吸有韻律地實現(xiàn)地幔深部熱能與地表能量的交換，造成殼內(nèi)強震和火山的災變。

24個地震柱在全球構(gòu)成一個M型的熱機帶 （圖1b），控制著全球95%以上的殼內(nèi)強震和87%的活火山，同時也像24顆釘子一樣控制著大陸和大洋的相對位置。運用地震地熱說的原理和地震柱的概念來解釋這些殼內(nèi)強震和火山的成因，可以得到意想不到的效果。它可以清楚地告訴您是哪個地震柱的活動所致。它還可以清楚地告訴您哪個地震柱未來會有災難，哪個不大可能有。

對日本9級地震的成因和震后火山活動的趨勢，作者第一時間做過詳細研究和表述，也預測過臺灣2011年或許無大震?？茖W網(wǎng) “陳立軍的博客”里的分析與迄今的事實基本相符。圖9為日本9級地震后100天內(nèi)周邊經(jīng)緯度為19°×35°范圍內(nèi)的地震活動分布。由圖9可見，日本地震柱是獨立活動的，與碰撞和俯沖無關。距離震中1 000 km以外的新燃岳火山噴發(fā)也只是一種巧合。地震柱的基本特征不支持碰撞和俯沖之說，因此基于碰撞和俯沖觀念提出的一些假設性的質(zhì)疑是難以接受的。

地震柱的時序圖是地震預測和火山預測的極好工具，可以估計未來災害的強度和大致時段。地震柱本尼奧夫剖面的切片術(shù)和殼下地震的震中分布可以估計未來災害的大致地域。二者結(jié)合可以對未來災害進行中、短期的預測。

目前的地震預測只注重地震活動的地表分布和時間序列、能量序列，顯然是不夠的。目前的火山預測似乎也只注重近地表微震動的監(jiān)測與噴發(fā)機制的研究，顯然也是不夠的。正確的途徑，除了已有的研究之外，還應注重未來地震和火山所處地震柱內(nèi)中、深源地震活動規(guī)律的研究。比如中國的火山預測，東北地區(qū)火山復蘇的可能性應該是比較小的，而騰沖和臺灣的火山復蘇則可能更為緊迫。

這里的預測是指M型熱機帶上針對7級左右或7級以上殼內(nèi)強震以及VEI≥2的火山預測 （VEI為火山噴發(fā)指數(shù)）。對于該帶以外地區(qū)的預測，甚至包括M帶內(nèi)火山與強震的構(gòu)造條件和潛在震源的預測，最好還是采用李四光的地質(zhì)力學理論與工作方法[29]。

圖9 日本9級地震后100天內(nèi)周邊地震活動圖像[6]Fig.9 Seismic patterns in 100 days after the Japan M9 earthquake[6]

地震可以按構(gòu)造體系活動，如1970年代中國地震那樣，也可以按地震柱活動，如智利、印尼和日本9級地震那樣。其實M帶也是一種構(gòu)造體系，熱力學體系。至于地塊之說，中國人用了30多年，除了地震之后能做出牽強附會的解釋之外，對地震預測似乎并無建樹。 “地塊”可以作為地震活動的統(tǒng)計單元，如果作為地質(zhì)實體就得相當慎重了。地震可能本不是按地塊來活動的。實踐證明，不論全球劃分多少地塊，中國畫多少地塊，可能也揭示不了地震活動的真相。這或許就是中國地震預測水平每況愈下的真正原因。

4 結(jié)論

本文根據(jù)地震地熱說原理，對全球地震震源深度進行比較研究，定義了24個地震柱，組成了M型的全球熱機帶，并按照地震柱的構(gòu)造形態(tài)對地震柱作系統(tǒng)研究，得出了地震柱的一系列物理屬性和構(gòu)造屬性，依據(jù)地震柱概念解釋地震和火山的成因。以及對地震和火山進行預測研究的合理性，從而豐富了地震柱概念的內(nèi)涵。

地震柱是地球本身重要的物理現(xiàn)象和構(gòu)造現(xiàn)象，是地震地熱說賴以生存的物質(zhì)基礎和構(gòu)造基礎，也是地震地熱說與當今流行的地質(zhì)學派諸如板塊構(gòu)造、地質(zhì)力學和地幔柱理論的最大區(qū)別。為了構(gòu)造地質(zhì)學和地球動力學的發(fā)展，有必要深入解讀地震柱的物理屬性及其構(gòu)造學意義，提高地震柱概念的應用價值。如果地震柱的奧秘破解了，那么全球90%的地震和火山災難就有希望應對了。

作者按照地震地熱說原理和地震柱概念對臺灣地區(qū)、中國西部、美國西海岸和伊朗的淺源強震、菲律賓地震的預測，對危地馬拉地震柱的淺源強震和火山活動的預測，對新西蘭的火山預測， 均已初見成效[15，30～32]。

因此，作者曾經(jīng)在自己的科學網(wǎng)博客中呼吁：全世界的地震工作者和火山工作者聯(lián)合起來！

關于地震柱活動的物理機制和構(gòu)造機制，作者在 《地震地熱說原理與應用》一文中提出了一種假設[8]，已經(jīng)公開發(fā)表，本文不再贅述。

值得說明的是，ANSS目錄中的地震震級標度并不統(tǒng)一，震源深度的精度在2004年前后也有一些變化，但這不會影響到地震空間分布的宏觀特征。本文沒有涉及到地震強度的數(shù)值關系，也未涉及震源深度的精細研究。

致謝：本文得到施行覺教授、楊馬陵研究員、許昭永研究員、趙志新研究員、李松林研究員等的全力支持，萬方方碩士提供英語援助，謹此致謝。

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