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震源物理模型评述【3】:分久必合

已有 4152 次阅读 2016-5-30 07:44 |个人分类:强震预测|系统分类:科研笔记| 地震机制, 震源物理

在前两集【1-2】连续剧中,我们已经指出,浅、中与深源地震机制可用简单的岩石破裂解释;前人提出的回跳和粘滑说,其实都隐含着断层带上有“锁固段”的假设。

我们提出的“孕震断层多锁固段脆性破裂理论”能否“一统江湖”呢?关键是地震们同不同意,专家们同意与否纯属“老头劈叉”。再者,能否用该理论,合理解释别人难以解释的问题。

先说说前者,俺们对包括中国及其周边在内的欧亚地震带与环太平洋地震带各主要地震区(图1)的分析表明,有史以来(公元前9999年到现在)的地震们除有5%的弃权外,全部投了赞成票。为啥有5%的弃权呢?这得简要说明下,免得有歧义。因为欧亚和环太平洋地震带发生的地震约占全球地震的95%,其它5%主要为海岭地震带,基本为鸟不拉屎的地方,这些地方开始有地震记录的时间约在1920年前后,对以数千年为单位的大震孕育过程来说,记载周期实在太短,难以进行分析,即使勉强能分析,可靠性也很差,所以只能“弃权”了。


1 全球地震带主要地震区划分图(V2.0版)

 

以下,看看根据我们的理论,能否合理解释有争议的科学难题?

1、为何地震应力降远小于岩石破裂应力降?

地震观测估计地震时的“应力降”为1~10MPa(陈运泰,2010,这与Tsuboi1933)所估计的地震临界应变数量级为10−4致。然而,根据实验室高温高压实验结果,岩石强度高达数百MPaBrace and Byerlee,1966,其应力降远高于地震应力降。对该问题,未有学者从物理机制上给出可信的解释。

根据孕震断层多锁固段脆性破裂理论,容易解释这种差异。某地震区主震发生时,即当前孕育周期最后一个锁固段发生宏观破裂时,因其不再受下一个锁固段约束,应力得到较充分释放,预计其应力降应与室内力学试验测定结果相一致;对主震前发生的标志性事件,即在锁固段峰值强度点发生的地震,因该锁固段发生宏观破裂时,受下一个锁固段约束,应力降值不会太大;对锁固段标志性事件之间发生的显著preshock事件,因是锁固段局部破裂导致的中间过程事件,故应力降应很小。

我们对全球各主要地震区的震情分析表明,各地震区均处于“青壮年”时期,主震尚未发生。由此判断,过去估测的某些地震的应力降应远低于室内试验结果。

2、热流佯谬

地震断层究竟是处于高应力状态,还是处于低应力状态?或者说,断层强度是高的还是低的?这是一个困扰地震学家数十年的科学难题(陈运泰,2010)。

如果地震断层强度低,那么不可能积累较高能量,因此不可能发生大地震;如果地震断层强度高,那么大地震时地震断层上的滑动肯定会因为克服摩擦而导致明显的“热流异常”Mckenzie1972)。然而,在圣安德列斯断层所做的热流测量并没有观测到热流异常(Brune et al1969, Henyey and Wasserburg,1971, Lachenbruch and Sass ,1988),这说明圣安德列斯断裂所能承受的最大剪应力不高,断层强度较弱。上述矛盾称作热流佯谬(heat flow paradox),也称作断层强度佯谬(fault strength paradox)或圣安德列斯(断层)佯谬(San Andreas paradox)。迄今,对热流佯谬问题,未有学者给出令人信服的解释。

我们认为,地震断层中存在一个或多个锁固段,即断层的某些部位强度高而其余部位强度低,也就是断层局部强度高而非整体强度高。强度高的锁固段部位承受应力集中,是高能量的载体;强度低的部位起传递或调整应力的作用。某个锁固段发生宏观破裂后,应力向下一个锁固段转移,导致下一个锁固段承受应力集中,可以此类推。如果“热流异常”确实能反映应力较高的情况,那么在锁固段发生较大破裂的部位,即大地震的的震源附近,震时或震后较短时间应能观测到明显的“热流异常”,而在其他部位则难以观测到。再者,在地表或近地表测定的热流,可能难以反映深部的实际情况,因为即使深部存在“热流异常”,其影响应在有限范围。

3、宏观前兆物理量特征

按照我们的理解,地震的本质是岩石“破裂”,用破裂演化过程容易解释前兆物理量的变化。

如图2(a)所示,压缩条件下脆性岩石的变形与破坏过程划分为5个不同阶段,其中OAABBCCDDE分别表示压密、弹性、稳定破裂、非稳定破裂与峰后破坏阶段。图3为不同岩石变形破坏阶段,裂纹发展演化示意图。


2 岩样加载过程中物理量变化规律(据陈颙和黄庭芳(2001)修改)


           (a)天然岩石           (b)裂纹闭合             (c)裂纹稳定扩展         (d) 裂纹非稳定扩展

3 岩样不同阶段微裂纹发展示意图

岩石宏观失稳破坏的本质是其累进性破裂所致,在变形破坏过程中,随裂纹扩展,必然会有一些物理量发生同步响应。陈颙和黄庭芳(2001)的研究表明,岩石变形过程中相应的物理量响应大致分为如2(b)所示的5个阶段。

(Ⅰ)在压密阶段(OA),裂纹闭合,该过程岩石主要物理指标(如波速、声发射数、电阻率、渗透率)背景图像基本不变或者稍有变化,体现为波速上升、饱水条件电阻率上升和渗透率下降。

(Ⅱ)在弹性变形阶段(AB),岩石处于一种均匀的变形状态,岩石的主要物理指标基本保持不变。

(Ⅲ)在稳定破裂阶段(BC),已有的裂纹扩展,此阶段变形速率有所增加,渗透率增大,同时电阻率、波速开始减小,岩石声发射数出现增加但增幅较小。

(Ⅳ)在非稳定破裂阶段(CD),不仅已有的裂纹扩展,还会产生新的裂纹,且裂纹的相互作用不断增强。自膨胀点起,微破裂出现丛集行为,破裂加速发展,以致贯通发生宏观破裂。在此阶段,岩石渗透定向通道基本形成,电阻率和波速迅速减小,声发射数急速增加。

综上所述,当岩石试样加载到膨胀点C时,有关物理量会出现显著异常变化。

4、自组织临界性

进入非稳定破裂阶段(CD)后,微破裂的发展出现了质的变化,体应变由压缩转为膨胀。由于破裂过程中所造成的应力集中效应显著,即使工作应力不变,破裂仍会不断地累进性发展,导致薄弱环节依次破坏。自膨胀点开始,微破裂在空间的分布出现应变局部化(图4~5),即已从无序向有序转化,因此膨胀点是自组织行为出现的开始点。当损伤累积至峰值强度点时,宏观破裂发生,即岩石发生突变失稳。换句话说,岩石失稳发生前,必须出现自组织过程。自组织是“因”,临界(失稳)是“果”。从破裂自组织出现到临界失稳,不是一个瞬态过程,对大地震孕育历时而言,是一个长期过程。我们对大地震标志性事件孕育过程的分析表明,一般这个过程少则需数年或数十年,多则可达数千年。


4  在岩石变形过程中微破裂的空间分布(据Mogi1985)修改)


5  花岗岩的应力应变曲线与AE活动(温度800°C以下)(据翟松韬等(2013)修改

5、还有不能解释的事儿吗?

可能俺们孤陋寡闻,还不知道有啥“难题”不能解释?这样吧,给“陈胜、吴广”们一个造反的机会,尽管拿着“梭镖、长矛”来此挑战吧!

俺觉得,科研就是一个大浪淘沙的过程,认识有误的学说会像沙子一样无声无息沉入海底,而有生命力的学说在实践中逐步会发扬光大。

俺们对全球地震区的震情分析已近“尾声”了,地震预测研究的核心科学问题也已经明朗了,这就是“岩石破裂的物理自相似”问题。揭示岩石破裂过程的物理自相似特征,构建多尺度岩石破裂体系致灾预测模型,将是俺们未来的主攻方向,这需要长期的艰苦攻关才能实现。“路漫漫系而修远兮,吾将上下而求索”,对这句名言,俺深以为然。

参考(略)

扩展阅读:

1震源物理模型评述【1】:群雄逐鹿

http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=575926&do=blog&id=978306

【2】震源物理模型评述【2】:三分天下

http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=575926&do=blog&id=979342

 



http://wap.sciencenet.cn/blog-575926-981116.html

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