瞬间地震过程是降温过程

板块断裂地震理论能量转化的悖论与证据

岳中琦

国际地震学与地球内部物理学协会（International Association of Seismology and Physics of the Earth's Interior，IASPEI，http://www.iugg.org/associations/iaspei.php）是国际大地测量与地球物理联合会（International Union of Geodesy and Geophysics, IUGG, http://www.iugg.org/）下属的七个协会之一。它起始于1895年，正式成立于1922年。它的宗旨是推进地震和其它地震波源、地震波传播、以及地球内部结构、性质和演化过程的研究。协会科学家们提出、引导需要世界各国合作的研究和科学交流。

IASPEI的地震专家们在1994年成立了专门工作组，着手编辑《新地震观测实践手册》。它在2012年出版[1]。这本手册的第三章第3节写道“It should be noted that most of the total energy release, E_T, is required to power the growth of the earthquake fracture and the production of heat. Only a small fraction of E_T = E_S + E_f (with E_f = friction energy) goes into producing seismic waves. The seismic efficiency, i.e., the ratio of E_S/E_T, is perhaps only about 0.01 to 0.1. It depends both on the stress drop during the rupture as well as on the total stress in the source region (Spence, 1977; Scholz, 1990).”

中国地震局监测预报司在2006年翻译出版的这本手册（图1）第78页写道：“需要注意的是总能量E_T的大部分被转化为地震破裂的生长和热能，而只有一小部分E_T=E_S+E_f（式中E_f为摩擦能）被转化为地震波。地震效率，其比值E_S/E_T大概只有0.01~0.1，它依赖于破裂过程中震源区的总应力和应力降（Spence，1977；Scholz，1990）。” （注：E_S是转化为造成地震波的辐射能）。

因此，现在地震专家们一致地认为，一次地震释放的总能量的90%到99%都被转化为地震破裂岩石的生长和热能。这同1910年H. F. Reid教授的观点是完全一致的。他们在文献[2，3]中指出，长期积累孕育断裂两侧变形岩石中的弹性变形能是造成地震的能量。这个能量转变成了地震波动能和大量断裂带的热能。因此，这个理论必然导致，地震过程是断裂带岩石因摩擦而大幅度升温过程。参见博文“旧金山大地震110周年纪念与地震研究三板斧”：http://blog.sciencenet.cn/blog-240687-971243.html。

在几秒到数十秒的地震瞬态变化过程中，地壳岩石的断裂（破裂）速度是2到3千米/秒，破裂长度是几十到几百千米。如果有90%到99%的地震释放能量被岩石之间的摩擦而转化成了热能，那么，地震断裂带两侧岩石必然高速增温。理论计算得到的岩石增温可达上万摄氏度，可将断裂两侧岩石熔化。可惜的是，百年来的研究数据和结果却没有人在地震断裂现场发现任何地震快速、高度增温现象。

国际著名断裂力学专家、英国皇家科学院院士、哈佛大学J. R. Rice教授对地震断裂进行了长达40多年的力学分析和研究。他在2006年发表于地球物理学报-固体地球（JGR-Solid Earth）论文中指出“low heat out flow from major faults and a scarcity of glass (pseudotachylyte) that would be left from rapid recooling of silicate melts”（主要地震断层热流量低和硅酸岩熔物的快速重新冷却而必然产生的玻璃却稀有）[4].

2013年6月20日，在北京召开的第13届国际断裂力学会议上，我汇报和论证了地震过程不是一种快速增温过程，而是一种快速降温过程的学术论文[5]。我介绍了以下的地震总能量没有能够转化为大量热能的证据。

2001年11月14日下午17时26分14.7秒，中国青藏高原北部昆仑山南麓发生了8.1级大地震，称为昆仑山口西8.1级地震（图2）。

据地震波数据计算，地震波辐射能量是8.9×10¹⁶焦耳。2001年11月16日，中国地震局就立即组织地震考察队到现场考察，分别在2002和2003年出版了考察研究专著（图3）。

地震图集收录了140幅彩色现场调查照片（图4）。可见到地表出现的同震破裂带全长达426 km，宽数百米。最为重要的是，我注意到破裂地表大多为冻土层和部分冰层。断裂的冻土和冰块都极其明显，呈拉张棱角状，没有任何熔化或融化痕迹（图4）。

根据传统地震成因理论，地震时地质岩体变形主动断裂造成的，地震时会释放巨大应变能和固体摩擦，要生大量（8.0×10¹⁸~ 8.8×10¹⁸焦耳）热能,一定能够融化这薄薄的地表冻土块和冰块的！

要问的问题是：这些数百千米长被地震错断、顶起、沉陷的地表冻土层为什么在地震时土体内部的冰没有被地震热能溶化成水呢？！这些被错断且移位冰块为什么在地震时没有被地震热能溶化成水而消失呢？！难道地震断裂摩擦造成的巨大热能不能立即上升到地表？！

我的答案是，冰冻岩土体是被极高压气体被动地裂开拉错断的！地震过程中，地壳岩石同震断裂是被极高压气体挤胀开的，断层面岩石之间是没有大量相互摩擦作用的。这样无摩擦的断裂错动和拉张是不会产生大量热能的，是不会快速高度增温的。同时，高压气体在断裂带快速地上升和膨胀是一种绝热过程。因此，气体膨胀要从两侧岩土吸取热能，而降温围岩的温度，增大岩石的脆性，降低岩石抵抗断裂扩展的断裂韧度和能力。这形成一种冷脆作用，使得断裂扩展能够继续极快速地进行。因此，这些被断裂的长长薄薄（50米到100米厚）的冻土层和小薄冰块能够被保存！最为重要的事实与认识是地震过程也是地下断裂带两侧岩土体和震中上方大气立即降温过程！

在高北纬冻土和冰川地区地区，发生过大量地震。但是，或许都没有见到断裂两侧岩土体被地震摩擦高温所熔化或融化现象。

因此，我可以断言，板块断裂地震理论的地震释放总能量的90%到99%都因挤压岩石之间摩擦被转化为热能是不符合事实的，是一种悖论。

我的发现是，瞬间地震过程是降温过程！

在我做完学术报告后，J. R. Rice 教授和McGill大学的A. P. S. Selvadurai教授（加拿大工程院院士、加拿大皇家科学院院士，我的博士导师）等朋友一道合影留念（图5）。

主要参考文献：

[1] P. Bormann (Ed.), New Manual of Seismological Observatory Practice (NMSOP-2), IASPEI, GFZ German Research Centre for Geosciences, Potsdam; 2012, http://nmsop.gfz-potsdam.de ; DOI: 10.2312/GFZ.NMSOP-2, urn:nbn:de:kobv:b103-NMSOP-2

[2] A.C. Lawson, The Mechanics of the Earthquake, The California Earthquake of April 18, 1906, Report of the State Earthquake Investigation Commission, Vol.1, Parts I and II, Carnegie Institution of Washington, Washington, D.C., USA. 1908, p. 451

[3] H.F. Reid, The Mechanics of the Earthquake, The California Earthquake of April 18, 1906, Report of the State Earthquake Investigation Commission, Vol.2, Carnegie Institution of Washington, Washington, D.C., USA. 1910, p. 192

[4] J. R. Rice, Heating and weakening of faults during earthquake slip, Journal of Geophysical Research –Solid Earth, 111(B05311), 2006, 1-29

[5] Z.Q. Yue, 2013. On incorrectness in elastic rebound theory for cause of earthquakes, Proceedings of the 13th International Conference on Fracture, June 16-21, 2013, Beijing, Paper No.S20-003 of Session S20, pp: 1-10.

2016年5月9日21:46写成于香港大学黄克競楼办公室

2016年6月23日12:46修改了题目