杜建国 仵柯田 孙凤霞 崔月菊 李静 王昌盛
1.高压物理与地震科技联合实验室,地震预测重点实验室,中国地震局地震预测研究所,北京 100036 2.中国地质大学(北京)地球科学与资源学院,北京 100083 3.防灾科技学院,燕郊 065201
地震和火山都是地质历史中常发生的事件。在南非晚太古代Kameeldoor建造(2.8Ga)中已发现了震积岩(Schneiderhanetal., 2005);在北京房山地质公园中元古界雾迷山组发现了地震-海啸的岩石记录(梁定益等, 2009);最近,作者在河北柳江盆地上寒武统崮山组底部发现了震积岩。尽管人类对地震奥秘的探究一直没有停止,但是地震成因尚存在争议。1906年旧金山大地震之后,根据地表位移提出了弹性回跳假说(Reid, 1910),认为大部分地震是由剪切断错引起的,标志着地震学成了一门新学科。但是该唯像模型的致命错误是把地表位移(surface displacement)当作断层位移(fault displacement)。在岩浆活动产生地震的圆锥形力系模型基础上,建立了“补偿线性-矢量偶极模型”(compensated linear-vector dipole, Knopoff and Randall, 1970; Foulger andJulian, 2015)。20世纪60年代,建立了双力偶模型:在各向同性的弹性介质中剪切断层等价于在一个错动面上的双力偶分布(Burridge and Knopoff, 1964),经过定量研究双力偶力系模型,使其逐步成为传统的地震成因模型(Sykes, 1967; Isacksetal., 1968),促进了地震学的定量化发展。但是,双力偶模型的假设条件与固体地球非均匀、不连续、各向异性的含流体岩石介质完全不符。地震仪记录到的非双力偶型地震并不支持双力偶模型(Julian and Sipkin, 1985; Julianetal., 1998; Milleretal., 1998; Foulger and Julian, 2015)。
针对中国大陆地震活动的特点,已提出了多种成因模型,如大地震孕育发生的三阶段模式(郭增建等, 1974)、双层破裂模型(曾融生等, 1991)和地幔亚热柱控震模型(孙爱群等, 2010)、“坚固体孕震模式”(Mei, 1995)、综合模型(秦保燕, 1996)、岩体势-动能转换模型(徐常芳, 1998)、外力诱导致震模型(黄广思等, 2004)、“颗粒模型”(陆坤权等, 2012)、流体隐爆模型(Duetal., 2008; 杜建国等, 2010, 2018a; Duetal., 2021)以及燃气爆炸模型(岳中琦, 2013),等等。众多的地震成因模型大致可归纳为8种类型:流体隐爆、陨石撞击、矿物相变、火山喷发、岩崩、核爆、化学爆炸和水库诱发模型等(杜建国等, 2018a)。但是,哪种是产生天然中-强地震的主要成因机制尚需深入研究。
19世纪中叶提出了隐爆角砾岩的概念以来,在世界各地发现了越来越多的隐爆角砾岩;隐爆角砾岩受到找矿方面的重视,成为寻找金属矿(金、铀、钼、铅等等)的标志(Speers, 1957; Wright and Bowes, 1968; Officer and Carter, 1991; Laznicka, 1989; Jébrak, 1997; Xuetal., 2000; 卿敏和韩先菊, 2002; Rossetal., 2002; Cox and Ruming, 2004; Laughtonetal., 2005; Lietal., 2012; Craw, 2013; Gaoetal., 2017)。文献中较老的隐爆角砾岩是在加拿大西部1.60Ga的沃柰克超群(Wernecke Supergroup)中发现的(Laughtonetal., 2005)。最近,我们在河北柳江盆地太古代(2.5Ga)条带状混合花岗岩中发现了隐爆角砾岩。迄今为止,在中国至少有440处发现了隐爆角砾岩(Duetal., 2021),大约80%为燕山期形成的,其次为前燕山期的,9处为喜山期的。隐爆角砾岩是地球内部流体压力大于围岩强度和上覆岩石重力之和时,发生爆炸形成的动力变质岩(Laznicka, 1989; 章增风, 1991; Jébrak, 1997; Xuetal., 2000),隐爆角砾岩形成的同时产生地震。根据引起爆炸的流体状态,隐爆角砾岩大体可归纳为:岩浆爆炸、热液爆炸和蒸汽爆炸角砾岩(Laznicka, 1989; 章增风, 1991; Officer and Carter, 1991; Jébrak, 1997; Xuetal., 2000; 卿敏和韩先菊, 2002; Daviesetal., 2008; Casetal., 2011; Gaoetal., 2017)和流化角砾岩(Lietal., 2012)。本文意在根据岩石学观测资料和大地震现场考察资料以及能量估算结果,解释一些地震地质现象和地震的成因。
隐爆角砾岩结构和构造与火山角砾岩和断层角砾岩的截然不同。隐爆角砾岩形成于各种类型的寄主岩石中,其角砾成分可以是各种岩石和矿物,但在一个地点角砾成分是单一的,呈棱角状,几何尺寸从微米级到米级;基质是从高温热流体中晶出的,为热液化学沉淀或岩浆冷凝的矿物;典型的构造包括拼图构造、树枝状构造、网状构造等等。隐爆角砾岩中有时可见爆轰冲击波造成的碎裂锥(shatter cone),如在加拿大苏必利尔东北的斯莱特群岛的前寒武系中发育完好的天然碎裂锥,是冲击波作用的产物(Sage, 1978)。西秦岭分布着许多隐爆角砾岩,例如陕西商洛县碾子洼隐爆角砾岩,角砾的成分为灰色微晶石英岩,角砾的大小从微米到厘米级或更大,棱角状,具拼接构造;早期的裂缝被细粒石英和斜长石充填;晚期的裂隙切断早期岩脉,由方解石充填(图1),表明至少发生过两次隐爆,如果隐爆时间间隔不长,产生了双震型古地震或古地震群。
图1 陕西商洛县碾子洼隐爆角砾岩的手标本和单偏光显微镜下照片
柳江盆地新太古代条带状花岗岩化片麻岩,同位素年龄为250Ma(林建平等, 2005),上覆元古代青白口纪长龙山组碎屑岩。暗色花岗岩化片麻岩中形成的隐爆角砾岩,露头显示典型的网脉状构造,角砾和碎裂岩为暗色花岗岩化片麻岩,裂隙由石英充填;在显微镜下同样呈现网脉状构造、树枝状构造(图2)。
图2 河北省柳江盆地张崖子村西的隐爆角砾岩
柳江盆地东部落村东采石场的露头上,隐爆角砾岩呈现拼图构造、网脉状构造、树枝状构造,角砾成分单一,为早寒武世府君山组的微晶白云质灰岩,大小不一,基质(角砾间充填物)为多期形成的方解石;在显微镜下浅色脉状基质为不同粒度的方解石,也显示拼图构造(图3、图4)。这些角砾岩的特征标志着爆炸作用,是固体岩石在流体爆炸破裂的同时流体充填裂隙、降压使流体过饱和、矿物晶出形成的,不是断层错动形成的。断层角砾成分复杂,一般有定向性排列,呈扁豆状,角砾间为机械破碎的更小的颗粒,粒径小到微米,岩粉发生水化形成以含水矿物为主的断层泥。显然,地下爆炸形成隐爆角砾岩的同时,必然产生了地震。
图3 柳江盆地东部落村东采石场隐爆角砾岩
图4 柳江盆地东部落村东隐爆角砾岩照片
产生大地震的能量源于何处,是地球内部超高压力流体还是岩体断错释放的应变能?答案是大地震是隐爆作用产生的,岩石聚集的应变能不足以产生大地震。地球内部有丰富的流体。已有资料表明,地幔中赋存了大量水(van der Lee and Wiens, 2006),高温高压下流体的行为非常特殊,作为岩浆挥发分与熔体在高压下可以完全互溶(Bureau and Keppler, 1999)。实验表明地核和下地幔内可能有大量氢、氦、碳、氧、氮、硫等轻元素(张友联等, 2011)。流体不断地从地核和下地幔向外逃逸(Larin, 1993; Gilat and Vol, 2005; 杜乐天, 2017)。在超高压条件下,惰性气体也可以与其他元素化合,氦可以与其他轻元素形成固溶体或化合物。这意味着地球内部超高压条件下轻元素可能以固溶体、化合物或包裹体的形式被封存在地核和下地幔(Gilat and Vol, 2005; Pavlenkova, 2012; Hu and Liu, 2021)。当温压条件变化时,氢、氦等轻元素从固相分离出来形成流体,向外逸散,使地球持续脱气。高温高压实验表明,在核幔边界水与地核的铁反应可以产生游离氢(Maoetal., 2017)。超临界态流体携带大量能量,可以快速运移,并且其热导率在临界点附近非常高,是非常好的能量传输介质。地球化学测量表明,在地热和火山区气体(Du, 1994; Duetal., 1999, 2005, 2006; Shangguanetal., 1997; Zhouetal., 2015),裂谷盆地气藏(Du, 1994; Duetal., 1998; 杜建国等, 2010)和断裂带的气体(Wakitaetal., 1980; Zhouetal., 2010)均有地幔来源的气体。地核内的氢、氦等气体溢出为核幔边界“D”层形成,地幔柱、地震和火山活动传输了能量。含流体震源介质中,相对于屏蔽作用的岩石子系统,流体子系统则是一种高热导、高能密的物质;深部流体溶解的大量溶质(矿物质)在爆炸产生的裂隙沉淀形成各种岩脉和矿脉,使屏蔽介质重新具有强的屏蔽能力;形成新的封闭再次使流体聚集形成的超压高能地体(罗照华等, 2009)。氦同位素组成与大地热流通量密切相关,用3He浓度估算的全球脱气总能量释放率为5.12×1020J/y,与现在地球表面大地热流年释放能量的一半相当,这是全球每年火山和地震释放总能量的5倍多(Gilat and Vol, 2005, 2012; Vol, 2014)。
在高压下挥发分流体与硅酸盐熔体可以完全互溶(Bureau and Keppler, 1999)。当温度升高或围压降低时,深部超临界流体会瞬时性升高压力,超过围岩限制压力,有利于地震的发生。在岩石圈内矿物晶出和挥发分从岩浆中分离出来可以提供足够的能量产生地下爆炸。高温高压实验表明,在80~100km深度压力条件下,碳酸盐化碱性岩浆中CO2能够从液态转化为气态(Loper and McCartney, 1988)。CO2在高温高压条件下可以溶解于硅酸盐熔体,当压力低于~2.7GPa时,CO2出溶形成超临界相CO2(Wyllie and Huang, 1976)。在深度10km左右(压力~300MPa)的岩浆房,CO2出溶引起爆炸的能量约为1022J(Dalton and Presnall, 1998)。假设在超高压克拉通地区80km深的范围内有一个40km直径的球体,其内CO2初始压力为2.5GPa、体积分量为1%,突然释放CO2所做的机械能在1022J数量级(Morganetal., 2004)。长白山天池火山1199-1200年大喷发规模巨大,喷发柱高度为27km其上的火山灰云的高度可达33km,火山物质喷射到了大约1200km以外(刘若新等, 1998; 崔钟燮等, 2000)。据此,估计长白山天池火山大喷发能量为3.1×1019J。美国黄石0.63Ma前超级火山爆发释放的能量达到1.8×1019J,1980年5月圣海伦火山爆发的总能量为1.47×1017J,1815年印度尼西亚Tambora火山爆发释放的能量为1.4×1020J(Gilat and Vol, 2005)。如此大的能量超过了1960年智利9.5级地震释放的能量为4.02×1018J(Gilat and Vol, 2012)。显然,在壳-幔内聚集的超高压流体能够提供巨大的能量(Liang, 2017),地壳和地幔中超高压流体爆炸使岩石破碎和升温,并产生地震波。
构造地震学说认为地震是断裂瞬态位错、岩石释放应变能产生的。在岩石弹性变形阶段,构造应力作用于岩石而积累的应变能。尽管地球内部岩石力学参量的具体值难以测得,但是可以利用固体材料力学方法,通过估算高强度材料积累的应变能,厘定岩石积累应变能的上限。根据利用地震矩估算的中-强地震释放的能量,推算发生破坏性地震所需的震源体的体积。我们引用材料抵抗破损的极限能量经验公式(Gilat and Vol, 2005),材料机械损伤的极限能量(Q)是能量临界密度(W)和弹性变形带的最大体积(V)的函数,体积(V)是主破裂尖端半径(r)与破裂面面积(S)的积,即:
Q=W×V=W×r×S
选用高强度优质钢连续介质的Q值与岩石不连续介质做比较,优质钢抵抗破损的能量密度值为2.06×109J/m3,取600km×100km×20km的立方体的优质钢,其塑性变形带的最大体积:V=1.96×10-3m×72×109m2=141×106m3,则这个优质钢立方体屈服前能够聚集的最大应变能是(Gilat and Vol, 2005):
Q=141×106m3×2.06×109J/m3=2.9×1017J
由于岩石的结构连续性和弹性都没有钢的好,高的温度、低的变形速率等因素会降低材料的应变能,岩石内的裂隙也会降低岩石的应变能,所以岩石聚集的应变能是很有限的。实际地质情况下,震源体体积比上述优质钢立方体的体积小,材料在弹性位错过程中不能快速释放全部的应变能,而且释放的能量只有少部分转化为地震波。实验测得花岗岩抵抗破损的能量密度值为8×102J/m3(谢和平等, 2005),比优质钢的低7个数量级。假设60km×10km×20km的岩石震源体内延长轴方向断裂(破裂长度60km),释放的应变能应该小于108J。这比3.0级地震释放的能量(~2.0×109J)还要低。显然,岩石断裂释放的应变能不足以产生中-强地震。
中国大陆东部除若干超壳断裂和几条岩石圈断裂外,多数断裂切割深度在11~12km滑脱带以上,但是中-强地震的震源深度多数大于12km。断层两盘之间没有明显的位移,就不能释放大量应变能产生大地震。大地震现场考察表明震后没有发现所谓“发震断层”两盘的相对位移,而是断裂带或隐伏古河道等不连续界面上的地表破裂。震级大于4.5的地震有可能产生地表破裂(McCalpin, 1996),多数6级以上地震能产生地表破裂,但是有些7级地震也未产生地表破裂,如2013年4月20日四川的芦山MS7.0地震和2017年8月8日九寨沟MS7.0地震。地震产生的地表破裂切割深度一般不超过3m(McCalpin, 1996; Duetal., 2010; Guoetal., 2012)。地表破裂带不仅没有“根”,其位移量在短距离内变化很大。譬如,2001年11月14日昆仑山口MS8.1地震造成430km长的地表破裂,沿断裂带地表位移大小分布极不均匀(Fuetal., 2005)。2008年5月12日汶川MS8.0地震,沿北川断裂带产生了240km长的地表破裂带,水平位移量0~6.5m,垂直位移量0~4.9m(但没有发现龙门山相对四川盆地升高);沿彭灌断裂带产生70km长的地表破裂带,垂直位移量0~3.5m,沿断裂带地表位移量断续分布、变化很大(Xuetal., 2009)。2010年4月14日玉树MS7.1地震产生了约37km长的地表破裂,地表破裂深度多数几十厘米,最大不超过2m,其下面是完整的第四纪沉积物,沿断裂带地表位移量变化极大、分布很不均匀,地裂缝侧壁上有擦痕,有一处类似于旧金山地震造成的栅栏位错,位移量为2.1m(Guoetal., 2012; 杜建国等, 2018a)。值得注意的是,在地表破裂带内基岩出露的地方没有发现肉眼可见的断层两盘之间的相对位移,地表位移大小与第四系厚度、结构和构造,断层面结构及其法线方向与地震波传播方向交角等因素有关。
岩石圈中地应力作用方向不会发生瞬态、快速变化,长周期的地应力作用造成岩石褶皱和断层蠕滑,不利于岩石聚集大量应变能。龙门山断裂带的断层泥厚度可达2~3m,钻探揭示在575~595m深处存在断层泥(Kuoetal., 2014)。断层泥是断层活动搓碎岩石形成的岩粉和细粒角砾与水反应、黏土化的产物。这表明龙门山断裂长期处于蠕滑状态,北川断裂和彭灌断裂全新世以来还在活动(Densmoreetal., 2007),没有积累巨大应变能的可能性。此外,龙门山断裂带南端2013年4月20日发生了芦山MS7.0地震,没有发现地表破裂,也未观测到断层两盘的位移。新疆伽师1997年至1998年间发生了9次6级地震,产生了强震群。震群发生后,高密度地震台阵进行观测未发现震区地下有断层活动的地球物理证据(刘启元,私人通讯)。1973年2月6日四川省西部炉霍MS7.6级地震后,在鲜水河断裂两侧进行了102km数量级的大地三角测量,发现整个鲜水河断裂带两侧有1m多的水平位移(罗灼礼,私人通讯),其应变量在10-5的数量级;如此小的应变量不能释放巨大的应变能。在山东安丘地震台观测到了郯庐断裂的蠕滑,跨断层形变观测的山洞延长方向与断层的交角为45°,形变测量的山洞内1998年铺设的混凝土地面被断层活动错动,形成雁列式裂隙;2013年11月15日观测到大约6mm宽地面裂隙,表明郯庐断裂安丘-莒县段还在左旋滑动,滑动速率约为0.4mm/y(图5)。地震时沙土液化、地表破裂翻砂冒水等地质形象是大地波动产生的,而且这些现象有时并不是出现在断裂带(McCalpin, 1996)。地表的破裂和位错不能代表断层位错。不连续、切割浅的地表破裂与不连续的地表位错都是隐爆产生的地震波作用在松散沉积物造成的,而不是产生地震波的证据。
图5 山东安丘地震台跨断层山洞地面的雁列式裂缝(据杜建国等, 2018b)
由于温度和压力的作用,在地表15km以下岩石的行为以流变为主(杨恒和白武明, 2000)。高温高压实验表明,在室温、静压力3GPa的情况下,无水地幔岩石不可能发生脆性断裂(Green and Houston, 1995),围压会抑制脆性破裂和摩擦过程的发生。在平均地温梯度(2℃/100m)的条件下,地表30km以下的岩石不可能发生脆性断裂产生地震(Ruff, 2004)。高温高压实验证明,岩石在高准静水压下不能发生弹性回跳瞬间释放应变能。在中地壳与地幔内部任何一个单位体积的地体都受高的围压约束,由于地应力作用的方向在短期内不会改变,更不能变化方向高频反复作用,也没有地体快速运动需要的空间,所以当地壳和上地幔中某个地体在外力作用下发生破裂、位错,不能瞬间反向弹回。地球深部能够高频运动的应该是弹性波,而断层两盘不能高频反复变向运动。统计结果表明,1960-2016年全球发生7959个M≥6.0地震(数据源于USGS),震源深度≤20km的地震数占的比例为35.42%(1~10km的占17.23%),即大多数大地震发生在非脆性的岩石内。非刚性材料产生“刚性破裂”需要非常快的加载速率,但是地应力加载都是缓慢的,只有爆炸作用才能实现瞬态高速加载。蛇纹石高温高压实验表明,在岩石圈内的围压条件下,快速加温,实验样品发生爆炸,产生很强的弹性波(Xieetal., 2000)。隐爆角砾岩就是地球内部瞬态高速率加载产生的。
源于地核和下地幔的流体携带大量能量向上运移进入上地幔和地壳,在环太平洋、洋中脊和大陆裂谷等具有高大地热流通量的地带大量溢出地表,形成了全球地震带、火山带和地热带的重叠现象。流体在运移过程中可以自辟途径,当流体在地幔和地壳某些地方聚集时,压力大于围岩抗压强度和附加岩石静水压时,发生爆炸,产生地震,并形成新的流体运移通道;流体继续向外运移,直到排放到大气层为止。爆炸强度越高,产生的地震震级就越大。这样产生了不同深度、不同震级的地震。由于断裂带降低了岩石圈的束缚力,流体更容易从断裂带及其附近爆炸突破,向外逃逸,所以形成多数地震震中在断裂带附近分布的现象。第四纪火山也都是分布在大断裂带。全球地震震中分布表明M≥6.0的地震主要发生在拉张构造环境,如环太平洋的海沟带以及东印度洋海沟、洋中脊、非洲大陆裂谷和欧亚大陆中部裂谷系、地中海-波斯湾等地(杜建国等, 2018a)。隐爆产生地震的同时,不仅为成矿提供了空间,而且为超临界流体搬运的金属元素沉淀创造了条件,既隐爆产生地震,同时可以成矿。因此,隐爆角砾岩不仅是古地震的证据,也是找矿的标志。
目前,已发现许多的地震地质现象不能够用弹性回跳模型以及在此基础上建立的双力偶模型解释,而地震隐爆成因模型可以更合理地解释观测到的各种地震地质现象(Duetal., 2021)。
隐爆机制可以合理解释震群的发生。震群是在短期内发生的一系列没有主次之分的地震,震源多数在中、上地壳内。例如,1997年至1998年间新疆伽师地区发生了9次6级地震,产生了强震群。双震是其特殊的例子,第一次地震发生不久又发生一次同样震级的地震,而且小型余震较少。譬如,在苏门答腊岛特大地震短期内复发,2004年12月26日发生MS8.9地震(3.2°N,95.8°E),2005年3月28日发生MS8.6地震(2.0°N,97.0°E),两震中相距约200km,震源深度30km。两次大地震后共发生7级以上的余震11次(中国地震台网中心)。在2016年9月12日19点44分韩国发生5.1级地震,随后20点32分又发生了5.8级地震。破裂的岩石不可能在如此短的时间内愈合,断裂两盘岩石没有聚集弹性能的能力和时间,即已破裂的岩石不能再释放弹性能产生大地震。地震震群发生犹如天然间歇泉喷发一样,在一个地区有深部高能流体持续补给时,短时期内可以发生间断性爆炸,产生双震、震群以及余震。能量补给的速率决定复发时间间隔的长短。
超高压流体隐爆机制可以合理解释慢地震的形成。慢地震是一种作用时间持续数小时甚至数个月的特殊地震。利用近场应变计、大地测量方法和测震方法都记录到了慢地震。例如,利用测振仪记录到美国加州Sanda Maria的慢地震(Kanamori and Hauksson, 1992)和传播速度很慢的“无声地震”(Beroza and Jordan, 1990);利用大地干涉仪测量方法记录到意大利中部的几个慢地震震群,持续时间几十至几千秒(Crescentinietal., 1999)。尽管这类地震被认为是断层周期性缓慢位移引起的(Gombergetal., 2010),但是通过断层蠕滑、慢速滑动释放弹性能而产生地震不能令人信服。实际地质情况是大断裂带一般几百至几千米宽(郯庐断裂带部分地段的宽度超过10km),断裂带不可能聚集很多应变能,其中断层角砾或扁豆体之间的相对位移是消耗外来应力的过程。流体在深部岩石中非瞬态爆炸性运移,例如岩株、岩床、岩席、岩脉和蚀变带的形成过程,应该是形成慢地震的机制。
超高压流体隐爆机制可以合理解释地震和火山空间分布的一致性。全球地震带与火山带、地热带空间上的高度吻合(Dickinsetal., 1992; Gilat and Vol, 2005),表明流体作用是控制火山和地震活动的共同因素。地球深部流体将大量热能带到地球浅部,不仅降低了岩石的固相线温度,而且为熔融提供了热能。地球深部流体在运移过程中爆炸产生地震;流体运移到近地表形成地热田,出露地表形成喷气孔和温泉。因此,形成了地震带与火山带、地热带在空间上的高度吻合。海沟、火山岛弧和大陆裂谷带等拉张性构造环境的大地震(M≥6.0)发生的主要场所,如大洋海沟、大洋中脊、非洲裂谷、地中海-黑海-里海-波斯湾、欧亚大陆中部的伊塞克湖-阿拉湖-乌布苏湖-库苏古尔湖-贝加尔湖裂谷(Dickinsetal., 1992)。这表明地核-地幔流体向上逸散,上涌的地幔物质导致地壳减薄,在地壳上部形成拉张环境,形成了负地形,同时产生了地震。
全球广泛分布的隐爆角砾岩表明在地质历史中,乃至现今,隐爆是普遍现象,隐爆作用产生地震具有普遍性。地核和地幔流体向外逸散,携带大量能量和成矿物质,不仅为地震产生提供足够的能量,而且为成矿创造了必要的条件。源于核幔的流体通过聚集-爆炸-聚集-爆炸的循环模式运移,产生了不同深度、不同震级的地震。隐爆地震成因机制可以解释弹性和非弹性介质中瞬态高速加载产生地震,更好地解释非双力偶型地震、震群和慢地震等的形成,还可以解释隐爆角砾岩及其伴生矿藏的形成。