彭志芳

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)， 山東泰安271001)

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探索與爭鳴

汶川大地震的超臨界流體與板塊自組織解耦致震機(jī)理*

彭志芳※

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)， 山東泰安271001)

摘要5·12汶川地震給人民帶來了深重災(zāi)難， 其發(fā)震機(jī)理亟需客觀闡明， 現(xiàn)特引入超臨界流體自組織解耦致震模型， 并充分汲取前人板塊運(yùn)動研究成果， 對汶川地震的致震機(jī)理進(jìn)行研究。 研究結(jié)果表明： 汶川地震孕震要素可概括為兩個， 一是超臨界流體， 二是板塊， 其中板塊又分垂直運(yùn)動和水平運(yùn)動兩種情況， 兩個要素互相促進(jìn)， 相干協(xié)同， 進(jìn)化發(fā)展， 孕育耦合， 自組織演化為遠(yuǎn)離平衡態(tài)近歸混沌邊緣時空延展的不完全耗散系統(tǒng)----孕震體， 然后在某一觸發(fā)因素作用下驟然崩解釋能釋物致震， 進(jìn)而維系固體地球巨耗散結(jié)構(gòu)的平衡， 有效降低了其全局崩解的風(fēng)險。 推而廣之， 超臨界流體與板塊運(yùn)動的有機(jī)統(tǒng)一是各類地震致震機(jī)理的原因。

關(guān)鍵詞汶川地震; 地震成因; 超臨界流體; 板塊運(yùn)動; 龍門山斷裂帶

引言

2008年5月12日14時28分4.1秒(當(dāng)?shù)貢r間) 中國四川省汶川縣發(fā)生MS8.0地震， 震中(31.021°N， 103.367°E)， 震源深度約14 km， 致使69227人罹難， 17923人失蹤， 愈374643人受傷。 震后多位學(xué)者就其致震機(jī)理相繼發(fā)文討論： 王衛(wèi)民等[1]以震前龍門山山脈單條斷層帶活動速率不超過2 mm/a的GPS觀測為依據(jù)， 認(rèn)為汶川地震是該區(qū)域呈NW-SE向擠壓的區(qū)域應(yīng)力長期作用孕育1000年的結(jié)果； 李勇等[2]研究認(rèn)為， 龍門山構(gòu)造帶及其內(nèi)部斷裂屬于地震活動頻度低， 但具有發(fā)生復(fù)發(fā)間隔不少于1000年超強(qiáng)地震的特殊斷裂； 薛艷等[3]經(jīng)研究認(rèn)為， 龍門山斷裂帶強(qiáng)震復(fù)發(fā)周期應(yīng)為2000～6000年， 較普遍認(rèn)為汶川地震復(fù)發(fā)周期為3000～5000年[4-7]。 誰知2013年4月20日8時2分(當(dāng)?shù)貢r間)龍門山斷裂帶以SW方向在四川省蘆山縣再次發(fā)生MS7.0強(qiáng)震， 震中(30.3°N， 103.0°E)， 震源深度約13 km， 再致196人罹難， 21人失蹤， 愈12211人受傷。 蘆山地震在一定程度上動搖了先前低速應(yīng)力超數(shù)千年孕育汶川地震的論斷， 即由表象推演的板內(nèi)推覆理論不可概括為汶川地震致震機(jī)理的全部。 由此， 曾雄飛[8]提出了地震結(jié)構(gòu)爆裂理論； 岳中琦[9]、 尚彥軍等[10]提出了氣體膨脹爆炸致震論； 曾明果等[11]則提出汶川地震與超臨界流體具有相關(guān)關(guān)系； 彭志芳[12]相應(yīng)地提出了超臨界流體的自組織解耦致震模型。 他們的新論述是對板塊推覆理論新的有機(jī)補(bǔ)充。 基于此， 作者對汶川地震的致震機(jī)理展開了研究， 基本明確了汶川地震的孕震要素即為超臨界流體和板塊， 兩要素為維系固體地球系統(tǒng)平衡相干耦合最終觸發(fā)致震。

1　汶川地震的孕震要素

5·12汶川地震地處青藏高原與四川盆地結(jié)合部的龍門山構(gòu)造帶， 其NW向?yàn)樗膳恕首斡≈г焐綆В?SE向?yàn)閾P(yáng)子地塊西緣的龍門山前陸盆地， 汶川—茂縣斷裂(后龍門山斷裂)、 映秀—北川斷裂(龍門山中央斷裂)、 灌縣—安縣斷裂(龍門山山前斷裂)和平武—青川斷裂等4條逆沖斷裂共同構(gòu)成龍門山構(gòu)造帶主體， 即龍門山前陸逆沖斷裂帶， 其中主要是映秀—北川斷裂。 龍門山?jīng)_斷帶內(nèi)普遍存在不同年代、 不同成因、 不同類型的互疊相覆巖體斷塊或斷片， 反映了其構(gòu)造變動對先期印支—燕山期構(gòu)造斷塊的改造性與繼承性， 從“彭灌雜巖體”的斷塊隆起， 到龍門山構(gòu)造帶大規(guī)模的“推覆體”、 “飛來峰”的形成， 都反映出龍門山大規(guī)模的隆升與新生代以來青藏高原的隆升密切相關(guān)[13]。 這就是汶川地震周邊區(qū)域大致的地質(zhì)構(gòu)造背景。 給人民帶來深重災(zāi)難的汶川地震是地殼驟然釋能振動并產(chǎn)生地震波的自然現(xiàn)象， 為其提供原初動力的正是固體地球系統(tǒng)蓄積的熱能， 并以超臨界流體、 板塊為蓄能媒介， 蓄能最終爆發(fā)表現(xiàn)為地震。 超臨界流體與板塊(水平運(yùn)動、 垂直運(yùn)動)相輔相成共同構(gòu)成了地震孕育的必要元素， 下面對其分別進(jìn)行闡述。

1.1分子內(nèi)能儲蓄媒介----超臨界流體

超臨界流體(supercritical fluid， 簡稱SCF)是介于氣液之間的一種既非氣態(tài)又非液態(tài)的高溫高壓態(tài)揮發(fā)性物質(zhì)。 SCF在溫度壓力都超流體臨界值的固體地球系統(tǒng)內(nèi)部廣泛存在， 在固體地球系統(tǒng)的長期演化進(jìn)程中， 由于地殼的單向圍限和地質(zhì)循環(huán)作用， 絕大部分水存在于固體地球系統(tǒng)內(nèi)部， 據(jù)計算， 現(xiàn)階段地球表面水僅為地球總水量的6%[14]， 固體地球系統(tǒng)內(nèi)部水與其演化過程中的其他流體殘余、 無機(jī)成因烴、 有機(jī)成因烴等共同構(gòu)成了固體地球系統(tǒng)內(nèi)部的以H2O、 CO2、 H2、 CO、 SO2、 H2S、 CH4等形式存在的C—H—O—S SCF體系[15]。 陸明勇等[16]對汶川地震前有關(guān)震情趨勢研究報告進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)， 在汶川地震前， 川滇、 甘青等震中周圍廣大地區(qū)的地下流體存在長趨勢變化異常， 且具有一定的演化特征， 并表現(xiàn)出流體異常出現(xiàn)時間早、 趨勢轉(zhuǎn)折、 破年變、 加速、 由外圍向未來震中遷移等變化特征， 進(jìn)一步的統(tǒng)計分析還表明， 汶川地震前地下流體長趨勢變化時間主要集中在震前37～62個月。 車用太等[17]分析指出， 汶川地震前的地下流體異常分布廣泛、 現(xiàn)象明顯、 特征顯著， 震中方圓1000 km范圍內(nèi)的地下流體異常占到了各類前兆觀測異常的46%。 曾明果等[11]則報道了汶川地震時， 震中汶川縣映秀鎮(zhèn)蔡家桿村蓮花心溝有巨量SCF噴發(fā)， 退相的高溫高壓SCF炸碎孕震庫上方圍巖騰起巨量黑煙、 碎石并裹挾碎屑雜石以牛眠—蓮花心溝為渠道在高近100 m的低空成噴射狀奔涌。 汶川地震震中的SCF噴發(fā)現(xiàn)象較明確的闡明了SCF與地震之間的相關(guān)關(guān)系， 它表明SCF以蓄能媒介的形式在地震孕育與爆發(fā)過程中發(fā)揮了重要作用， 構(gòu)成了地震孕育的一大要素。

SCF的蓄能機(jī)制在微觀上具體表現(xiàn)為承壓環(huán)境下分子勢能和動能的增加， 即SCF分子內(nèi)能的增加。 其中分子勢能是內(nèi)能的重要組成部分， 分子勢能的大小與分子間的相互作用力和相對位置有關(guān)， 其能量計算的經(jīng)驗(yàn)方程為：

(1)

U表示分子勢能，A、B為對應(yīng)分子或原子的待定參數(shù) (不同原子間A、B有不同取值， 對于2個碳原子間， 其參數(shù)值為B=11.5×10-6kJnm12/mol，A=5.96×10-3kJnm6/mol)，r為分子間距離。 分子間斥力與引力同時存在并隨分子間距離減小而增大， 隨分子間距離增大而減小， 且斥力減小或增大比引力變化要迅速。

①當(dāng)r=ro(ro=10-10m)時， 分子間引力和斥力平衡， 分子力為零；

②當(dāng)r

③當(dāng)r>ro時， 分子間引力大于斥力， 分子力呈現(xiàn)為引力；

④當(dāng)r≥10ro時， 分子間引力和斥力十分微弱， 分子力約為零；

⑤當(dāng)r→∞時， 分子間引力和斥力都為零， 引力引起的勢能最大；

⑥當(dāng)r→0時， 分子間引力和斥力最大， 斥力引起的勢能最大。

由上概括可知， 分子勢能與系統(tǒng)體積有關(guān)， 同等條件下， 系統(tǒng)體積越小勢能越大。 內(nèi)能的另一組成部分則是分子無規(guī)則運(yùn)動所產(chǎn)生的分子動能， 系統(tǒng)溫度是其分子熱運(yùn)動平均動能的標(biāo)志， 同等條件下， 溫度越高分子熱運(yùn)動平均動能越大。 對于某一整體系統(tǒng)而言， 同等條件下， 隨著系統(tǒng)分子數(shù)、 質(zhì)量的增加， 系統(tǒng)內(nèi)能增大。 在實(shí)驗(yàn)條件下模擬孕震SCF的熱力學(xué)狀態(tài)， 獲得單位體積(1 m3)SCF的分子內(nèi)能E1(J/m3)， 再依地震空區(qū)理論圈定孕震范圍得到SCF體積V(m3)為：

(2)

即估算出SCF蓄積地震能Escf的大小。 系統(tǒng)由物質(zhì)構(gòu)建， 故而一切系統(tǒng)皆具內(nèi)能， 其內(nèi)能大小主要由分子相對位置(體積)和熱運(yùn)動(溫度)以及分子類型、 數(shù)量、 物態(tài)等因素共同決定。 當(dāng)其中一個或多個因素改變時， 系統(tǒng)內(nèi)能隨之改變。 對于固體地球系統(tǒng)， 其內(nèi)能改變主要是通過做功和熱傳遞以及增加分子數(shù)、 物態(tài)變換來實(shí)現(xiàn)。 目前學(xué)界對固體地球系統(tǒng)的熱能來源仍存爭議， 但其熱能輸入大于大地?zé)崃鬏敵鲆咽遣粻幍氖聦?shí)， 當(dāng)熱傳遞降內(nèi)能作用已無法維系固體地球系統(tǒng)平衡時， 寄希望于對外做功和系統(tǒng)分子數(shù)的減少， 但幾乎近于封閉剛體的地殼卻嚴(yán)重阻礙著這兩類作用， 只有暫時變換分子物態(tài)讓其系統(tǒng)平衡， 其具體的作用機(jī)制如圖1固體地球系統(tǒng)的SCF蓄能機(jī)制模型所示， 由于富余熱能持續(xù)對某一單元系統(tǒng)的輸入作用， 系統(tǒng)溫度升高， 逐漸偏離平衡致使其內(nèi)能持續(xù)走高， 系統(tǒng)內(nèi)含物質(zhì)膨脹欲對外做功無望后先壓縮相對易壓縮的SCF(揮發(fā)分)進(jìn)而將富余熱能轉(zhuǎn)化為分子勢能暫儲于系統(tǒng)內(nèi)， 并和其他蓄能機(jī)制相耦合發(fā)展進(jìn)化， 最終以地震和不完全地震(所有除地震以外的固體地球系統(tǒng)的釋能釋物過程都屬于不完全地震)的形式迸發(fā)對外做功釋能釋物， 系統(tǒng)內(nèi)能因而得以降低并趨平衡， 再就是下一周期的地質(zhì)循環(huán)流體補(bǔ)充和富余熱能輸入， 全局表現(xiàn)為重力分異作用下固體地球系統(tǒng)總有排出低密度流體的趨勢， 與此同時， 又通過自身的地質(zhì)循環(huán)機(jī)制不斷地從外界獲得流體， 如此循環(huán)往復(fù)， 許多單元系統(tǒng)共同構(gòu)建了固體地球系統(tǒng)使其較穩(wěn)定的存在并可持續(xù)性發(fā)展。 當(dāng)然， 上述只是理想并抽象化的蓄能機(jī)理模型， 在實(shí)踐中， 這一機(jī)理藏于許多單元系統(tǒng)此起彼伏的地質(zhì)作用與熱能和SCF的隨輸同輸、 隨蓄同蓄、 隨釋同釋中。

SCF的蓄能機(jī)制在宏觀上具體表現(xiàn)為受限承壓環(huán)境下SCF的自組織儲能行為。 自組織是系統(tǒng)通過與外界交換物質(zhì)和能量以及信息等， 不斷降低自身熵含量， 提高其有序度的過程。 建立在與環(huán)境發(fā)生物質(zhì)、 能量交換關(guān)系基礎(chǔ)上的結(jié)構(gòu)即為耗散結(jié)構(gòu)， 系統(tǒng)的開放性、 非線性機(jī)制、 遠(yuǎn)離平衡態(tài)程度、 漲落是耗散結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的4個基本條件。 對于固體地球系統(tǒng)， 其通過絢麗多彩的地質(zhì)動力學(xué)景觀構(gòu)成了一個極復(fù)雜的熱力學(xué)開放系統(tǒng)， 并通過熱能與SCF源源不斷的輸入使系統(tǒng)偏離平衡態(tài)， 引發(fā)系統(tǒng)非線性的自反饋機(jī)制，再在漲落作用的推動下朝有序方向發(fā)展， 最終共同構(gòu)建成一個全局的固體地球巨耗散結(jié)構(gòu)。 而對于固體地球系統(tǒng)子系統(tǒng)之一的某一孕震系統(tǒng)而言， 在發(fā)震前其開放程度是有限或是緣于蓄能的基本要求處于完全封閉狀態(tài)， 待其開放釋能釋物時就意味著系統(tǒng)的崩解消亡， 若地震還未發(fā)生則孕震系統(tǒng)只能算作一個不完全耗散結(jié)構(gòu)， 只有等地震發(fā)生時才算完成了極初級耗散結(jié)構(gòu)的構(gòu)建。 如此奇特的子耗散結(jié)構(gòu)是為維系固體地球巨耗散結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定存在的特殊產(chǎn)物， 正是它的產(chǎn)生避免了固體地球系統(tǒng)的全局崩解， 其以耗散結(jié)構(gòu)的耗能與物“嗜性”消耗固體地球系統(tǒng)有效物質(zhì)(SCF)與富余能量， 等到不再消耗能量與物質(zhì)時， 通過自身的崩解突破圍限邊界向固體地球系統(tǒng)外散發(fā)能量與物質(zhì)而完成其極初級的生命歷程， 這就證明了耗散結(jié)構(gòu)在非開放體系中是不可能形成或長久保持的。 基于這樣的原因， 其雖能量與物質(zhì)供給可觀， 可是如果想向更高的有序體發(fā)展并沒有機(jī)會， 它把本應(yīng)長期緩慢釋放的正熵“憋”至生命的最后一刻驟然釋放了， 因而廣義上耗散結(jié)構(gòu)的形成也給人類帶來了深重災(zāi)難的地震事件， 許多非開放體系中不長久不完全子耗散結(jié)構(gòu)以SCF為儲能媒介， 以“自我犧牲”的姿態(tài)前仆后繼地構(gòu)建著生機(jī)盎然的固體地球巨耗散結(jié)構(gòu)。

1.2機(jī)械能儲蓄媒介----板塊

基于海底擴(kuò)張和大陸漂移的基本觀測事實(shí)， 板塊構(gòu)造論認(rèn)為， 巖石圈并非整體一塊， 而是在地幔對流作用下張裂為多塊各自獨(dú)立的巖塊， 這些相對于另一巖塊緩慢運(yùn)動的巖塊就稱為板塊。 目前較廣泛認(rèn)可的是將全球巖石圈分為6大板塊， 即太平洋板塊、 歐亞板塊、 印度洋板塊、 非洲板塊、 美洲板塊和南極洲板塊， 若細(xì)分則大板塊還可再分次一級小板塊。 對于承載巖石圈的軟流圈則一般認(rèn)為， 其在物性上與巖石圈有顯著差別， 其介質(zhì)品質(zhì)因子Q值低、 地震橫波波速低， 但電導(dǎo)率卻較高， 即屬于上地幔范疇中的低速高導(dǎo)層， 整體上呈流體塑性， 是上覆巖石圈板塊發(fā)生垂直方向重力均衡調(diào)整與水平方向大規(guī)模運(yùn)動的基本前提。 機(jī)械能作為地震能的重要組成部分即以垂向與水平運(yùn)動著的板塊為媒介在相應(yīng)形變儲能機(jī)制下得以儲蓄， 并與SCF儲蓄的分子內(nèi)能相干耦合最終觸發(fā)地震。

1.2.1板塊垂直運(yùn)動

通常， 板塊的垂直運(yùn)動主要由板塊重力均衡調(diào)整引起， 但在特殊的地質(zhì)條件下， 也會有部分水平方向力擠壓板塊而轉(zhuǎn)化為垂直運(yùn)動， 現(xiàn)為討論方便暫將其歸入下文板塊水平運(yùn)動的討論范疇。 當(dāng)組成板塊的巖塊相對重力正異常時， 巖塊將相對重力平衡基準(zhǔn)面下沉調(diào)整至重力均衡； 當(dāng)巖塊相對重力負(fù)異常時， 巖塊將相對重力平衡基準(zhǔn)面上浮調(diào)整至重力均衡。 但由于地塊與地塊之間存有摩擦力或相黏結(jié)， 在地塊呈現(xiàn)重力異常時并不能及時調(diào)整， 初始異常時只在調(diào)整界面上形成一剪切力， 調(diào)整界面即對應(yīng)后來的剪切面， 直至剪切力大于地質(zhì)斷層剪切強(qiáng)度時， 剪切面相鄰的兩地塊錯動形成垂向相對運(yùn)動， 在這之前相應(yīng)區(qū)域的巖體材料一直承擔(dān)著積蓄各方轉(zhuǎn)化而來能量的重任， 其能量轉(zhuǎn)化途徑主要是通過流體吸收太陽能和大地?zé)崃飨葘崮苻D(zhuǎn)化為動能， 流體動能再作用于相應(yīng)地塊， 對厚地塊巖體剝蝕、 卸載、 搬運(yùn)至相鄰薄地塊使之加載， 長此以往， 作用結(jié)果是使厚地塊相對重力負(fù)異常， 薄地塊相對重力正異常， 在調(diào)整界面上形成一對強(qiáng)大的相距極近、 大小相等、 方向相反的平行力， 最終將太陽能和大地?zé)崃髂艿绒D(zhuǎn)換為地震能儲存在板塊中的各級地塊間。 其能量的具體儲蓄量則可根據(jù)水土流失觀測資料和氣象數(shù)據(jù)來計算， 易得孕震上盤地塊流域出口斷面孕震時域內(nèi)泥沙累計流失質(zhì)量m1和孕震下盤泥沙堆積質(zhì)量m2， 依據(jù)剪切力互等定理， 推出剪切壓力Fs=(m1+m2)g/2， 再根據(jù)胡克定律得：

(3)

式中，Ev為板塊垂直運(yùn)動地震能蓄積量，K為巖體形變彈性系數(shù)，g為重力加速度，H為上盤與下盤垂直方向的形變高差。 廖永巖[18]的研究也指出， 在地質(zhì)監(jiān)測中呈現(xiàn)重力異常的地塊具有垂直運(yùn)動潛力， 水庫蓄水、 開山采礦、 水土流失、 泥沙堆積等大質(zhì)量物質(zhì)轉(zhuǎn)移都會有相應(yīng)地塊加載或卸載作用， 并直接對地塊的垂直運(yùn)動施以影響， 地塊相對運(yùn)動界面處發(fā)震可能性增大。 對汶川地震的垂直運(yùn)動進(jìn)行具體闡述的還有李勇等[2]， 其研究表明， 龍門山構(gòu)造帶以NW向?yàn)樗膳恕首蔚貕K厚殼厚幔區(qū)， 以SE向?yàn)閾P(yáng)子地塊薄殼薄幔區(qū)， 從龍門山前陸盆地向西部高原地殼急劇增厚， 形成1個莫霍面向西傾斜的陡變帶， 陡變帶的中心線對應(yīng)于龍門山?jīng)_斷帶的深部位置， 其相對地表斷裂帶位置明顯偏西， 這表明龍門山?jīng)_斷帶的空間位置應(yīng)是向西傾斜， 顯現(xiàn)出1個獨(dú)立的陸內(nèi)山鏈構(gòu)造負(fù)載系統(tǒng)。 資料顯示[19-20]， 汶川地震前龍門山地殼重力不均衡， 處于重力均衡欲調(diào)整期， 其中龍門山?jīng)_斷帶呈重力正異常， 龍泉山前陸隆起及其以東地區(qū)呈重力負(fù)異常， 保守估算自晚新生代中新世以來， 龍門山區(qū)域已有5～10 km厚的地層被剝蝕， 物態(tài)不一的堆積物大多搬運(yùn)至龍門山前陸盆地形成沖積扇和扇前沖積平原， 小部分隨河流而下至入?？诘娜侵薅逊e， 在龍門山區(qū)的水土流失主導(dǎo)下， 松潘—甘孜地塊呈相對重力負(fù)異常剝蝕卸載， 揚(yáng)子地塊呈相對重力正異常堆積加載， 于龍門山?jīng)_斷帶形成一強(qiáng)大剪切力， 而龍門山的上升速率卻只約為0.6 mm/a， 這正對應(yīng)了孕震地塊的閉鎖蓄能平靜， 隨后的汶川地震和蘆山地震對此作了最好的詮釋。

1.2.2板塊水平運(yùn)動

板塊水平運(yùn)動主要由固體地球系統(tǒng)內(nèi)熱力和重力聯(lián)合作用下的地幔對流粘滯力和新生洋中脊推力以及俯沖板塊拉力等共同驅(qū)動， 其中地幔對流驅(qū)動實(shí)質(zhì)是先由熱能和重力勢能轉(zhuǎn)化為固體地球系統(tǒng)內(nèi)流體動能， 再通過流體粘滯力傳至巖石圈轉(zhuǎn)化為板塊動能， 新生洋中脊推動實(shí)質(zhì)可概括為熱能向板塊動能的直接轉(zhuǎn)化， 俯沖板塊拉力則較簡明即為重力勢能向板塊動能的直接轉(zhuǎn)化。 在一定時空尺度上， 固體地球系統(tǒng)表面積可視為一定值， 但在同一時空尺度下， 組成巖石圈的板塊面積卻隨著海底新生洋中脊的擴(kuò)張而增大， 這一過程必然伴隨同等面積板塊的轉(zhuǎn)移或消亡， 才能維系系統(tǒng)表面積的相對恒定， 即對應(yīng)匯聚邊緣的板塊俯沖和板塊壓縮變形， 其中板塊壓縮變形是形成褶皺山系的重要機(jī)制， 隨著相向運(yùn)動板塊的進(jìn)一步擠壓碰撞， 應(yīng)力會沿著相對剛性的板塊向板塊腹地的薄弱地塊轉(zhuǎn)移。 最終， 固體地球系統(tǒng)的熱能和重力勢能轉(zhuǎn)成以物體機(jī)械運(yùn)動和形變所決定的機(jī)械能并儲蓄于已形變的巖體中， 為板內(nèi)構(gòu)造參與成因地震的孕育奠定了前提。 板塊水平運(yùn)動的蓄能機(jī)制同垂直運(yùn)動一樣遵循胡克定律， 其受力F不易測得， 速度v則可通過GPS觀測獲得， 故可根據(jù)力F=ma， 位移X=vt將其轉(zhuǎn)化得：

(4)

式中，Eh為板塊水平運(yùn)動蓄積的地震能，k為巖體形變彈性系數(shù)，m為形變孕震地塊質(zhì)量。 針對汶川地震張培震等[21]提出了多單元組合模型， 認(rèn)為其孕育和發(fā)生牽涉3個地質(zhì)單元: 松潘—甘孜地塊由于地殼結(jié)構(gòu)的軟弱而發(fā)生強(qiáng)烈震前形變， 是孕震的變形蓄能單元; 龍門山?jīng)_斷帶物質(zhì)強(qiáng)度較高， 不利于斷裂產(chǎn)狀滑動， 震前變形緩慢， 是孕震閉鎖單元; 揚(yáng)子地塊不易變形并接受來自太平洋板塊的強(qiáng)大反向應(yīng)力而對青藏高原的向東擴(kuò)展起著阻擋作用， 是孕震支撐單元。 GPS同震位移資料[22]顯示， 以龍門山中央斷裂為分界， 以西的松潘—甘孜地塊向SE向同震水平位移23.1～81.75 mm， 以東的上揚(yáng)子地塊西緣向NW向同震水平位移98.78～361.91 mm。 且在震前10年間尺度的GPS觀測資料中， 就有龍門沖斷帶中段顯示出明顯的水平擠壓和縮短， 呈現(xiàn)顯著的松潘—甘孜地塊與揚(yáng)子地塊相向運(yùn)動特征[23]。 在太平洋板塊與印度洋板塊對歐亞板塊俯沖碰撞的雙重動力學(xué)作用下， 揚(yáng)子地塊承接太平洋板塊的部分NW向應(yīng)力， 并向NW向擴(kuò)展使地殼結(jié)構(gòu)軟弱的松潘—甘孜地塊變形而將機(jī)械能儲蓄其中， 再在印度洋板塊NE向擠壓機(jī)制下發(fā)生NE向的應(yīng)力儲蓄變形， 而伴隨這一過程的青藏高原物質(zhì)隆升堆積又使龍門山?jīng)_斷帶的SE應(yīng)力得以集中， 即使得松潘—甘孜地塊NW 向變形得到進(jìn)一步加強(qiáng)， 這兩種形變機(jī)制在之后的汶川地震中直接參與主導(dǎo)了地塊的水平縮短和右旋走滑， 是汶川地震的重要動力源之一。

2　孕震要素的自組織解耦致震機(jī)理

青藏高原以東的松潘—甘孜地塊強(qiáng)烈隆升作用主要發(fā)生于晚三疊世和早侏羅世以及晚新生代時期， 其中的新近紀(jì)隆升最快達(dá)600 m/Ma， 就目前龍門山構(gòu)造帶仍以0.3～0.4 mm/a的速率持續(xù)隆升[24]。 揚(yáng)子地塊的沉降則始于晚三疊世與晚三疊—晚白堊世時期， 其沉降與松潘—甘孜地塊隆升基本正相關(guān)， 但晚白堊世以后， 松潘—甘孜地塊隆升速率顯著加快， 10 Ma以來映秀—北川斷裂兩側(cè)的隆升沉降差將近達(dá)40倍[25-26]。 (U-Th)/He低溫?zé)崮甏鷮W(xué)資料[27]顯示， 龍門山構(gòu)造帶巖石剝露年齡為10～20 Ma， 剝蝕速率約為0.65 mm/a。 自20 Ma以來， 沿青藏高原東緣龍門山構(gòu)造帶的狹長地域， 巖石剝蝕厚度均高達(dá)7～10 km[4， 28- 29]。 由此以板塊垂直運(yùn)動為引導(dǎo)的大震爆發(fā)就有了較為充分的地質(zhì)構(gòu)造基礎(chǔ)， 同震位移場垂向位移資料[30]顯示， 汶川地震發(fā)生時孕震地塊位移場急劇變化， 龍門山中央斷裂以NW向的松潘—甘孜地塊隆升， 以SE向的揚(yáng)子地塊下沉， 地表垂直向和水平向同震位移空間分布特征與震中區(qū)等震線特征高度吻合， 地表垂直與水平位移最大的汶川和北川地區(qū)即對應(yīng)受災(zāi)最嚴(yán)重的Ⅺ烈度極震區(qū)， 汶川和北川的垂直位移分別達(dá)2.8 m和2.6 m 。 在板塊垂直運(yùn)動蓄能變形的同時， SCF貫入圍巖裂隙使其介質(zhì)連續(xù)性和剪切強(qiáng)度降低， 地質(zhì)斷層得以活化， 有效促進(jìn)了構(gòu)造運(yùn)動， 構(gòu)造運(yùn)動的發(fā)展又為SCF的進(jìn)一步活動創(chuàng)造了條件， 二者相干耦合為極具危險的蓄能體系， 并迸發(fā)地下流體異常。 孕震體自組織孕育耦合至臨界極限的2008年5月12日14時28分4.1秒(當(dāng)?shù)貢r間)， 在強(qiáng)剪切力作用下， 映秀—北川斷裂帶下初始破裂點(diǎn)的巖體材料先行失效， 斷裂帶剪切錯斷， 幾乎與此同時觸發(fā)灌縣—安縣斷裂錯動破裂， 破裂是NE向和SW向同時破裂的雙側(cè)破裂， 并在發(fā)震5 s時錯動最快， 隨后停頓約4 s， 至發(fā)震14 s時以板塊垂直運(yùn)動為主導(dǎo)的第一階段地震結(jié)束， 共釋放全部地震矩的約9%。

胡寶群等[31-32]研究表明， 當(dāng)溫度和壓力同時達(dá)到臨界值時， 揮發(fā)性流體的相變將表現(xiàn)出最大的臨界奇異性， 其依據(jù)是Mie-Gruneisen方程：

(5)

(6)

式中，θ為地震斷層傾角， 即呈現(xiàn)發(fā)震上盤的逆沖形態(tài)， 這屬于發(fā)震15～34 s之間的第二階段地震。 在這一階段震中NE向約80 km處開始新的破裂并迅速向SW向傳播， 釋放全部地震矩的約60%。 SCF的巨量外排和發(fā)震上盤的驟然上行使震區(qū)局部中空承載失效， 發(fā)震上盤在重力作用下局部塌縮并發(fā)局部水平縮短， 震中NE向和SW向有零星破裂， 此為發(fā)震35～43 s的第三階段地震， 釋放全部地震矩的約8%。 印度洋板塊擠壓西藏地塊再傳至松潘—甘孜地塊而儲蓄的NE向應(yīng)力在斷層錯斷并得到充分活化后

圖2　汶川地震第一階段逆沖受力分析圖

得以釋放， 引發(fā)發(fā)震上盤后期右旋走滑， 并在逆沖斷面垂向擦痕下方刮刻記錄了近水平向的走滑擦痕， 此即為發(fā)震44～58 s時的第四階段地震， 釋放了全部地震矩的約17%， 造成震中NE向140 km處的北川和SW向150 km處的康定相繼破裂。 發(fā)震至120 s時地震事件基本結(jié)束， 其中在60～66 s時震中NE向200 km處殼內(nèi)斷層有1次較小破裂， 隨后震中SW向破裂結(jié)束， 而震中NE再續(xù)些許破裂， 最后的第五階段地震釋放了全部地震矩的約6%。 對震源時間函數(shù)的時間積分即得整個汶川地震事件釋放標(biāo)量地震矩9.4×1020J， 相當(dāng)于距震級MW7.9[30]， 或依MS8.0， 再由震級MS與地殼震動能E的關(guān)系式：

(7)

(8)

式中， 地震效率η即為地震控制工作的核心。 研究表明[12]， 地震釋能消減量等于不完全地震釋能增量， 適時適地開放能量釋放窗口有利于地震向不完全地震轉(zhuǎn)化， 可在一定程度上降低地震效率， 地震效率的降低將有效遏制地震時地殼震動機(jī)械能造成的巨大破壞。

3　結(jié)論

(1) SCF以蓄能媒介的形式在地震孕育與爆發(fā)過程中發(fā)揮了重要作用， 構(gòu)成了地震孕育的一大要素， 其蓄能機(jī)制在微觀上表現(xiàn)為承壓環(huán)境下分子內(nèi)能的增加， 即宏觀上受限承壓環(huán)境下SCF的自組織儲能行為。

(2) 機(jī)械能作為地震能的重要組成部分即以垂向與水平運(yùn)動著的板塊為媒介在相應(yīng)形變儲能機(jī)制下得以儲蓄， 并與SCF儲蓄的分子內(nèi)能相干耦合最終觸發(fā)地震。

(3) 汶川地震主震可分為板塊垂直運(yùn)動主導(dǎo)巖層錯斷的第一階段， 板塊水平運(yùn)動和SCF主導(dǎo)孕震體爆發(fā)致發(fā)震上盤逆沖的第二階段， 重力勢能主導(dǎo)震區(qū)空腔巖爆的第三階段， 板塊水平運(yùn)動主導(dǎo)發(fā)震上盤右旋走滑的第四階段， 以及后續(xù)釋能調(diào)整的第五階段。

(4) 汶川地震的巨大破壞主要源于釋放約60%全部地震矩的第二階段地震， 這一過程的主要因素為SCF， 適時適地用SCF以擴(kuò)移空間能在一定程度上降低其致震效率， 可有效避免破壞性地震的發(fā)生。

(5) 汶川地震的發(fā)震機(jī)理基本囊括了各大破壞地震的發(fā)震要素， 即SCF的運(yùn)移與板塊的垂向和水平運(yùn)動， 將其做有機(jī)調(diào)整就可對其他地震以合理的解釋。

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* 收稿日期：2016-03-20； 采用日期： 2016-07-06。

中圖分類號：P315.1；

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.07.010

Physical model for the supercritical fluid and plates self-organization of Wenchuan earthquake

Peng Zhifang

(Shandong Agricultural University， Shandong Taian 271001， China)

AbstractThe interpretation on the seismic origin of Wenchuan earthquake, which brought to the people in a grave disaster, are consequential. The physical model for the supercritical fluid self-organization of seismic origin is introduced in this paper, on the basis of previous plate motions research achievements that carried out on the study of Wenchuan seismic origin. The results show that: the Wenchuan earthquake gestation element focuses on two aspects: supercritical fluid and plate motions of the horizontal and vertical direction. These two aspects complement each other, promote reciprocally, develop evolutionarily, breed and coupling, self-organizing evolves to the not complete dissipative system that earthquake body, and bursts up suddenly to release energy by an inducing factor. The mechanism of the relief valve can release the tensions and keep a dynamic balance in the solid earth system, in order to effectively avoid risk that fully explode. By extension, the different genesis of a great variety of the earthquakes is an organic unity of supercritical fluid and plate motions.

KeywordsWenchuan earthquake; seismic origin; supercritical fluid; plate motions; Longmen mountain fault zone

※通訊作者： 彭志芳， e-mail: pzhf520@yeah.net。