地震成因研究＊

李仕宏

(湖北省鄂州市 436003)

地震成因研究＊

李仕宏

(湖北省鄂州市 436003)

提出地球重力場(chǎng)中不平衡地殼固體環(huán)壓、環(huán)拉定位集中原理新概念。由于這一新概念的確立,關(guān)于地殼斜向滑力最大集中量的物質(zhì)質(zhì)量來(lái)源理論上可以達(dá)到純固體地殼全部質(zhì)量的量級(jí)。從而找到了地質(zhì)演化力源中尚未找到的第一力源。指出在斜向滑力等諸力作用下地球殼、幔中“固、液環(huán)流”的存在,論證了基于“固、液環(huán)流”的地質(zhì)演化的 6種地質(zhì)區(qū)型,進(jìn)而劃定了 9種地震成因的地質(zhì)界線。

莫霍面陡度;固體環(huán)壓;環(huán)拉定位集中原理;滑板公式;環(huán)流

1 引言

欲求地震成因,應(yīng)先有正確的地質(zhì)理論。本文試圖在現(xiàn)有地質(zhì)理論基礎(chǔ)上簡(jiǎn)略建立新的地質(zhì)理論框架,將地球殼、幔劃分為 6種地質(zhì)區(qū)型,從而分理出 9種地震成因的地質(zhì)區(qū)型界線,為區(qū)域地震成因研究奠定基礎(chǔ)。

2 已知的與地質(zhì)相關(guān)的力和量

2.1 地球質(zhì)量

地球質(zhì)量被認(rèn)為是一準(zhǔn)定值。故地殼圈層中的重力加速度基本為常數(shù),從地表至地下 70 km深處其值只在 9.81～9.847 m/s2小范圍內(nèi)變化。

2.2 地表低溫

相對(duì)地幔溫度而言,地殼上表面的環(huán)境低溫為準(zhǔn)定值,即在 0℃上下幾十度小范圍內(nèi)變化。

2.3 地表低壓

相對(duì)地幔壓力而言,地殼上表面環(huán)境低壓為定值,即一個(gè)大氣壓。

2.4 地殼下表面高溫

地殼下表面處 (莫霍面處)高溫值為 1 000℃。如果認(rèn)為地球吸熱、制熱與散熱平衡,那么具有較強(qiáng)保溫性能的地殼的下表面處的溫度應(yīng)該恒定[1]。

2.5 地球體積

地球體積是地球熱量的函數(shù),即

式中V表示體積,Q表示熱量。

如果地球吸熱、制熱與散熱平衡,那么就有地球體積為一定值的結(jié)論。

2.6 地殼下表面高壓

地殼下表面處 (莫霍面處)高壓值為 10 000大氣壓[1]。

2.7 垂向自重力

地球物質(zhì)在各自本處的垂向向心作用力,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中,F表示力,m表示質(zhì)量,g表示重力加速度。

2.8 巖漿液壓力

巖漿及與之混合的地幔固體物質(zhì)的自重共同組合成不定形壓力作用。其中含有它們的自重壓、溫度壓、密度壓等。其數(shù)學(xué)表達(dá)式由垂向自重與理想氣體運(yùn)動(dòng)方程綜合表出。

式中,ρ表示密度,h表示柱高,g表示重力加速度。

式中 P表示壓強(qiáng),V表示體積,N表示粒子數(shù),K為玻爾茲曼常數(shù),T表示溫度。若 N KT為常數(shù),則 P與V成反比。

2.9 固體結(jié)構(gòu)力

指固體巖石的凝聚力及其抵抗各種變形的能力。由于固體結(jié)構(gòu)實(shí)體可對(duì)抗來(lái)自各方向的作用力,故在實(shí)現(xiàn)力學(xué)平衡的過(guò)程中該力在其結(jié)構(gòu)所及的限度內(nèi)可依組合方式幫助任意方向接受或施加力的作用。巖石的結(jié)構(gòu)力決定巖石的抗拉、抗折、抗剪、抗壓等抵抗破壞的能力。其對(duì)拉、折、剪、壓的抵抗能力順序可表為:抗拉 ＜抗折 ＜抗剪 ＜拉壓。

固體地殼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度由其整體性、致密性、修造性以及其自有的軟、硬、碎、韌等彈、塑性質(zhì)綜合決定。

整體性:據(jù)認(rèn)為莫霍面是整體性最強(qiáng)的巖石結(jié)構(gòu)層面,地球的全球封閉性主要是依靠以莫霍面為最完整封閉面的固體地殼的整體性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

致密性:固體地殼各圈層由于受到重力分異作用及地球內(nèi)各相對(duì)方向的壓力作用而實(shí)現(xiàn)各自的致密性,顯然,由地表至莫霍面其致密性隨深度的增加而增強(qiáng),故固體地殼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨深度的增加而增加。所以有:下層地殼可作為上層地殼的滑板,結(jié)構(gòu)弱的上層地殼可在結(jié)構(gòu)強(qiáng)的下層地殼上滑動(dòng)。這一結(jié)論是本文立論的一個(gè)重要條件,稱為“滑板條件”。

修造性:固體地殼結(jié)構(gòu)存在破壞與修造機(jī)制。一般而言,高溫、運(yùn)動(dòng)與增距作用屬破壞因素,低溫與壓力屬修造因素。但高溫同時(shí)具有雙重作用,固體遭破壞后的碎塊的高溫重熔是低溫和壓力發(fā)揮修造作用的前提和條件。地殼固體結(jié)構(gòu)的破壞速率與修造速率的平衡與失衡決定固體地殼的演化方向。

3 與地質(zhì)相關(guān)的力——地球重力場(chǎng)中(有心力場(chǎng)中)不平衡地殼固體環(huán)壓、環(huán)拉定位集中原理

3.1 理想的平衡地殼

為了使固體地殼表面不被掩蓋,也為了使高溫、高壓固、液混合不被低溫、低壓固、液混合所混淆,本文暫略去地表液態(tài)水的地質(zhì)作用。同時(shí),為了論證需要,本文對(duì)莫霍面給出如下特殊定義：1)莫霍面是地球巖石圈中純固體地殼由上而下的結(jié)束面;2)莫霍面是地球巖石圈中含固體和熔融性液體兩種物態(tài)共存的上地幔圈層的由上而下的起始面。

本文只將地球考慮為無(wú)旋球體。根據(jù)地球物理學(xué)所稱的“正常地殼厚度”數(shù)據(jù),這里假定一個(gè)所謂“理想平衡地殼厚度”,這個(gè)厚度為 32 km[2]。所謂“平衡地殼”即指：1)全部純固體地殼圈層各處厚度相等;2)全部純固體地殼圈層各處物質(zhì)組分及結(jié)構(gòu)方式相同而且均勻。如圖 1所示,A、B實(shí)線及與其相連的虛線所示的兩球面為界面的中間部分為平衡地殼。無(wú)疑,在地球重力場(chǎng)中,平衡地殼物質(zhì)與上地幔物質(zhì)是處于力學(xué)平衡狀態(tài)的。以垂向相對(duì)的力為例,參與平衡的力有:垂重向心力,幔液壓離心力和純固體地殼物質(zhì)的結(jié)構(gòu)力,其中,純固體地殼的結(jié)構(gòu)力又可分為助向心結(jié)構(gòu)力和助離心結(jié)構(gòu)力兩種相反方向的作用力。平衡方程式為:

式中 F幔液壓離心為式 (4)中的 P。

圖 1 平衡地殼、不平衡地殼及地殼三區(qū)示意圖(未按比例)FIg.1 Sketch of balanced crust,unbalanced crust and three crust regions

3.2 演化的不平衡地殼

由圖 1A、B全封閉實(shí)線所示界面所圍成的中間部分表示演化的不平衡地殼,其中A為莫霍面,B為地殼上表面。由于純固體地殼存在兩方面的不均勻:1)各處結(jié)構(gòu)方式千差萬(wàn)別;2)相容性程度不同的各元素在各地分布不均勻,故處在部分熔融等物理化學(xué)作用條件下統(tǒng)一的平衡地殼不可能存在。力學(xué)平衡方程式 (5)必然發(fā)生偏離。在地殼結(jié)構(gòu)力(凝聚力)薄弱處或相容性綜合程度較弱處便形成了幔隆,地殼厚度變薄。相比之下,地殼結(jié)構(gòu)力 (凝聚力)較高處或相容性綜合程度較強(qiáng)處便形成了幔坳,那里的地殼比幔隆處厚,其莫霍面所在地勢(shì)比幔隆處的莫霍面低。

在幔隆處,地殼垂向相對(duì)力學(xué)平衡方程式為:

在幔坳處,地殼垂向相對(duì)力學(xué)平衡方程式為:

力 Y環(huán)拉集中助離心及 X環(huán)壓集中助向心的來(lái)源將由下文給出。在式 (5)、(6)、(7)所表明的垂向相對(duì)力學(xué)平衡關(guān)系中,力與抗力雙方各自遵守“共同出力或受力”規(guī)則。例如,在對(duì)抗對(duì)方來(lái)力的作用中,如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的抗力存在,則由諸抗力共同按組分性質(zhì)無(wú)偏廢地對(duì)抗對(duì)方來(lái)力,從而實(shí)現(xiàn)平衡。

至此,可以將地球按地殼及地幔演化的不平衡狀況依地殼厚度。劃分為 3個(gè)區(qū)域,即殼厚小于 32 km的幔隆區(qū)(圖 1C區(qū)),殼厚大于 32 km的幔坳區(qū)(圖 1D區(qū))和殼厚等于 32 km的平衡地殼厚度區(qū)。

3.3 莫霍面的陡度

根據(jù)重力區(qū)域補(bǔ)償理論,幔坳區(qū)的純固體地殼對(duì)地?？偙３钟幸欢ǖ牟迦肷疃?。如果幔坳區(qū)純固體地殼中的固體物質(zhì)質(zhì)量有增量機(jī)制存在,則其對(duì)地幔的插入增量與阿基米德浮力原理有相關(guān)性。所謂浮力,是定形物質(zhì)對(duì)等量不定形物質(zhì)實(shí)現(xiàn)力學(xué)平衡時(shí)的體積剩余效應(yīng)。由于純固體地殼物質(zhì)與地幔物質(zhì)密度差額不大 (約為 3.27-2.67=0.6 g/cm3),在扣除地殼結(jié)構(gòu)力作用之后,幔坳區(qū)地殼厚度增量中伸出地表的尺度仍然小于插入地幔的尺度。這樣便進(jìn)一步增加了幔坳區(qū)莫霍面與幔隆區(qū)莫霍面之間的陡度,即在幔隆區(qū)與幔坳區(qū)的莫霍面上進(jìn)一步形成了較陡的滑坡。如果將莫霍面的地質(zhì)作用與地表地質(zhì)作用相比,鑒于兩種原因：1)莫霍面在下;2)莫霍面高低陡度大于地表高低陡度。故地表地質(zhì)作用小于并服從莫霍面地質(zhì)作用。

3.4 地球重力等勢(shì)面

地球的各重力等勢(shì)面,是指在地球重力場(chǎng)中以地心為中心,連續(xù)以各種距離為半徑的各連續(xù)的同心球面。顯然,高處即離地心遠(yuǎn)處的等勢(shì)面的重力勢(shì)高于低處即離地心近處的等勢(shì)面的重力勢(shì)。等勢(shì)面相互之間重力勢(shì)的變化是連續(xù)的。幔隆區(qū)莫霍面的重力勢(shì)高于幔坳區(qū)莫霍面的重力勢(shì)。

3.5 地球重力場(chǎng)中 (有心力場(chǎng)中)不平衡純固體地殼斜滑環(huán)壓、環(huán)拉定位集中原理及其數(shù)學(xué)表達(dá)式——滑板公式

圖 2 幔坳區(qū)滑板“彈簧”受力示意圖ⅠFig.2 SketchⅠof loaded skateboard and‘spring’in the mantle banding area

基于重力等勢(shì)面概念,處在地球重力場(chǎng)中的物質(zhì)都將受到由高等勢(shì)面指向低等勢(shì)面的重力推動(dòng)作用。如圖 2及圖 3所示。圖 2表示幔坳區(qū)滑板“彈簧”一種受力情形,圖 2中 A表示受到最大擠壓的滑壓力集中區(qū)。圖 3表示幔隆區(qū)滑板“彈簧”另一種受力情形,圖 3中A1表示受到最大斜滑摩擦拉力集中區(qū)。圖 3中 F幔液壓離心及箭頭表示幔液液壓力,液壓在莫霍面下的推張可與莫霍上的摩擦拉張進(jìn)行相長(zhǎng)疊加。另在圖 2和圖 3中 B、C均表示彈性固體地殼,D、E均表示下滑地殼質(zhì)量,M均表示莫霍面。莫霍面上的純固體物質(zhì)都按“上層被下層所托”的順序,依托莫霍面附近的高強(qiáng)度固體結(jié)構(gòu)物

圖 3 幔隆區(qū)滑板“彈簧”受力示意圖ⅡFig.3 sketchⅡof loaded skateboard and‘spring’in the mantle lift area

質(zhì)為滑板,在重力作用下,由幔隆處滑向幔坳處。其中任意物質(zhì)點(diǎn)均可稱為 3點(diǎn)：1)受力點(diǎn);2)施力點(diǎn); 3)傳力點(diǎn)。

莫霍面上的純固體地殼物質(zhì)沿所謂斜向滑板即在下層巖層上滑動(dòng)規(guī)律可由滑板公式進(jìn)行數(shù)學(xué)描述?；骞接尚被聣旱幕瑝汗胶托被Σ恋幕絻晒浇M成。如果摩擦力為零,斜滑下壓的滑壓公式可表示為：

式中,m表示滑動(dòng)質(zhì)量,g為重力加速度,α為滑向與水平面的夾角。F滑壓可分解為垂向和平向兩個(gè)分量,即:

圖4 滑壓公式示意圖Fig.4 Sketch of slip-pres formula

斜滑摩擦的滑拉公式可表示為：

同圖 4一樣,AO表示莫霍面,A點(diǎn)表示幔隆處莫霍面,O點(diǎn)表示幔坳處莫霍面。

圖5 滑拉公式示意圖Fig.5 Sketch of slip-pull formula

必須明確,這里的滑板公式所描述的力學(xué)場(chǎng)所是涵蓋地球重力場(chǎng) (有心力場(chǎng))中的位勢(shì)高球面和位勢(shì)低球面中的任意點(diǎn)的。所以有如下結(jié)論：在地球重力場(chǎng)中(有心力場(chǎng)中),不平衡地殼的勢(shì)位高球面圈環(huán)中的所有物質(zhì)都將受到沿任意方向的薄弱斜面連續(xù)連環(huán)地滑流到低勢(shì)位處集中直至滑流到最低勢(shì)位處實(shí)現(xiàn)最大集中的勢(shì)位壓力作用。并在連續(xù)連環(huán)形成滑流的同時(shí)相伴對(duì)高滑源處產(chǎn)生圈環(huán)集中直至對(duì)最高滑源處產(chǎn)生圈環(huán)最大集中的摩擦拉力作用。本文稱這一結(jié)論為不平衡地殼固體環(huán)壓、環(huán)拉定位集中原理,或球面壓力和球面拉力定位集中原理。根據(jù)這一原理,可以毫不夸張地說(shuō),在世界屋脊喜馬拉雅山脈的純固體地殼最深處,即全球最深幔坳處的莫霍面上,滑板公式中的滑動(dòng)質(zhì)量m自三維空間的來(lái)源量可達(dá)到全球純固體地殼全部質(zhì)量的量級(jí)。如疑慮尚存,可簡(jiǎn)舉一例：設(shè)在地球南極水平高度 2 m處有一滴水,如有一根水管由這滴水處出發(fā),先下降 0.1 m,再沿水平高度 1.9 m處等勢(shì)面延伸至北極,再拐彎到北極水平高度 1 m處,假設(shè)水流能量和質(zhì)量損耗為零,勿容置疑,這滴水在北極最終能從與其在南極自重相反的方向流出。此例說(shuō)明,高勢(shì)位處物質(zhì)在通道連通的條件下,對(duì)與其自重方向不同的任意指向的低勢(shì)位處都存在斜向流壓?？梢?jiàn),在不平衡地殼的最低幔坳處,可獲得全球最大的固體滑壓集中力 (即式 (7)中的力 X環(huán)壓集中助向心),并擠壓抬升或推動(dòng)象喜馬拉雅山這樣的世界屋脊,甚至更高更大的世界屋脊。同理,在最高幔隆處可獲得全球最大的滑拉集中力 (即式 (6)中的力Y環(huán)拉集中助離心)。滑板公式斜角所對(duì)的垂直高度即重力勢(shì)差高度受純固體地殼結(jié)構(gòu)力約制。但由其斜邊和鄰邊所代表的平向線度在漫長(zhǎng)時(shí)間里則可達(dá)到大洋和大陸尺度的量級(jí),甚至可接近地球大園周長(zhǎng)尺度的量級(jí)。不平衡地殼固體環(huán)壓、環(huán)拉定位集中原理這一新概念的確立,無(wú)疑找到了地球地質(zhì)演化力源中尚未找到的第一力源。

這種新力源所顯示的力的集中規(guī)律具有怎樣的獨(dú)立特色呢?下述比較可使我們一目了然。

在理想的平衡地殼中,可能產(chǎn)生各種力的集中,那種集中屬于或然性質(zhì)的隨機(jī)集中;而在不平衡地殼中所存在的這種斜滑環(huán)壓,環(huán)拉的定位集中則屬于由必然性質(zhì)的發(fā)展趨勢(shì)所決定的定向集中。兩種“集中”存在本質(zhì)區(qū)別。這也是本文對(duì)后者使用“定位集中”4字名稱的來(lái)由。

3.6 固流

在幔隆處垂向相對(duì)力學(xué)平衡方程式 (6)和幔坳處垂向相對(duì)力學(xué)平衡方程式 (7)中,各有 4種力參與平衡作用。其中 F垂重向心和 F幔液壓離心為“定值、全額”出力方;固體結(jié)構(gòu)力為“有限度的被動(dòng)、適應(yīng)”出力方;固體環(huán)壓、環(huán)拉集中力為“具有集中過(guò)程的由大勢(shì)所趨的主動(dòng)”出力方。顯然,依據(jù)平衡條件,一旦主動(dòng)力集中超過(guò)被動(dòng)力的限度,固體物質(zhì)則按趨勢(shì)方向產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。

因此,在純固體地殼中必然存在源于幔隆處而匯于幔坳處的地殼固體物質(zhì)流。本文稱這種物質(zhì)流為固流。由于固流的存在,固流高壓區(qū)即幔坳處的物質(zhì)密度分異對(duì)礦床的形成具有決定性意義。圖 6為洋、陸殼中固流剖面流向示意圖。圖 6中虛線 B表示水平面,A表示地殼上表面,M表示莫霍面。

圖 6 洋、陸殼中固流剖面流向示意圖 (含液流流向示意)Fig.6 Sketch of the flowing direction on the profile of the solid flow in the ocean and continent srusts(including the liquid flow)

4 液壓、液流

4.1 幔坳區(qū)地殼下的高液壓勢(shì)

幔坳是固流的匯區(qū)。由于地殼固體物質(zhì)源源不斷地流向這里,至使匯聚于這里的固體物質(zhì)在垂向重力及斜向環(huán)壓集中力的作用下,通過(guò)重力均衡過(guò)程,壓迫莫霍面不斷下降。使該處幔液本來(lái)體積所占有的空間不斷被侵占,至該處幔液體積減小。根據(jù) (4)式,壓強(qiáng) P與體積 V成反比,故 P不斷增大,液壓勢(shì)增高。另外,高溫圍熔也在一定范圍內(nèi)導(dǎo)致液壓勢(shì)增高。

4.2 幔隆區(qū)地殼下的低液壓勢(shì)

此處產(chǎn)生低液壓勢(shì)的因素有 3:1)此處系固流源區(qū),由于固體物質(zhì)的流失,據(jù)式 (6),F結(jié)構(gòu)助向心作用減小,V增大,P減小;2)由于固體物質(zhì)流失,至F垂重向心減小,V增大而 P減小;3)莫霍面下高溫熔融作用有至V增大使 P減小的作用。由于 3種制造低壓因素同時(shí)作用,雖存在隆區(qū)外隆過(guò)程有利地殼降溫和對(duì)地殼加壓而產(chǎn)生一定的對(duì)地殼固體結(jié)構(gòu)的修造作用,但后者使隆區(qū)體積收縮的速率較低,前者使隆區(qū)體積擴(kuò)大的速率較高,實(shí)現(xiàn)不了對(duì)抗平衡。于是便造就了幔隆區(qū)幔液的低液壓勢(shì)。

4.3 液流

由于在幔坳與幔隆的幔液之間存在高低液壓勢(shì)差,故在它們之間必有幔液液流存在。幔坳為液流源區(qū),幔隆為液流匯區(qū)。液流方向見(jiàn)圖 6莫霍面下方箭頭所示。

5 固、液環(huán)流場(chǎng)

5.1 平衡固、液環(huán)流

由上述對(duì)固流和液流的討論知,幔坳區(qū)是固流的匯區(qū),但同時(shí)又是液流的源區(qū);幔隆區(qū)是固流的源區(qū),但同進(jìn)又是液流的匯區(qū)。于是有結(jié)論:在幔坳與幔隆之間存在固、液環(huán)流。

設(shè)m固入、m固出分別為單位時(shí)間內(nèi)幔坳區(qū)固體流入量和幔隆區(qū)固體流出量,設(shè) m液出、m液入分別為單位時(shí)間內(nèi)幔坳區(qū)液體流出量和幔隆區(qū)液體流入量,則平衡固、液環(huán)流的基本格局為:

在平衡固、液環(huán)流情形下,純固體地殼分別在幔坳區(qū)和幔隆區(qū)的破壞速率與修造速率相等。

平衡固、液環(huán)流的具體流動(dòng)過(guò)程如下:

幔隆區(qū)地殼在莫霍面下經(jīng)受高溫熔融作用和高壓外推作用,地殼外表面開(kāi)裂,固體向其周邊各幔坳方向流動(dòng),在流動(dòng)的同時(shí),又以集中的摩擦拉張力作用于幔隆處的地殼。故幔隆處地殼物質(zhì)同時(shí)受到 3種作用:1)高溫熔融;2)高壓外推;3)固流拉張。遂使固流得以維持,并在本處制造了一定程度的幔液低壓區(qū)。具體過(guò)程如果屬于固、液平衡環(huán)流過(guò)程,則要求純固體地殼結(jié)構(gòu)由于高溫和運(yùn)動(dòng)等增距作用所產(chǎn)生的破壞速率與由低溫及高壓所產(chǎn)生的修造速率相等。

在幔坳區(qū),純固體地殼物質(zhì)出現(xiàn)堆積和集中擠壓。這些被堆擠的物質(zhì),較輕者被向上抬舉或向其他低抵抗處推進(jìn)。較重者則擠壓下部地殼,使下部地殼向下出現(xiàn)彈性位移,并與輕物質(zhì)的上升高度按一定倍率向地幔插入。從而制造本處幔液高壓區(qū)。同樣,如果過(guò)程本身屬于固、液平衡環(huán)流過(guò)程,也要求對(duì)純固體地殼的破壞速率與修造速率相等。

由于幔液壓力勢(shì)差的存在,必然形成幔液液流。幔液液流與地殼固流構(gòu)成固、液環(huán)流。隨著固、液環(huán)流過(guò)程的延長(zhǎng)和各種條件差異的存在,平衡固、液環(huán)流將不可避免地產(chǎn)生對(duì)平衡的偏離。幔坳、幔隆區(qū)地殼厚度的差異將逐步擴(kuò)大。顯然幔隆區(qū)為大洋,幔坳區(qū)為大陸。就地表而言,固、液環(huán)流總的流向是:固流由大洋流向大陸,液流由大陸流向大洋。固、液環(huán)流的全球大勢(shì)由各局域固、液環(huán)流構(gòu)成,各局域固、液環(huán)流最終將被全球固、液環(huán)流大勢(shì)所淹沒(méi)。固、液環(huán)流在全球的分布稱為地球固、液環(huán)流場(chǎng)。

如果將固、液環(huán)流稱為環(huán)流線的話,那么在整個(gè)殼、幔三維空間中,能夠得到由固滑壓力線(或固滑拉力線)和液壓壓力線組成的力場(chǎng)分布圖。很清楚,幔隆區(qū)為固滑壓力線(或固滑拉力線)的始端和液壓壓力線的終端。幔坳區(qū)為液壓壓力線的始端和固滑壓力線(或固滑拉力線)的終端。

如果全球各處幔隆、幔坳之間的固體重力偏離平衡的勢(shì)差總和與它們莫霍面之下的幔液壓力偏離平衡的勢(shì)差總和相等,則全球固流總和與液流總和相等,這種狀況稱為全球固、液環(huán)流總平衡。

5.2 不平衡固、液環(huán)流

固、液環(huán)流平衡始終只能代表地質(zhì)演化的總趨勢(shì)。任何具體的演化階段,不平衡因素的產(chǎn)出始終接連不斷。只要有相對(duì)幔坳與幔隆的產(chǎn)出,幔隆、幔坳處的固有差異便成為不平衡因素產(chǎn)出的總根源。這個(gè)固有差異是:幔隆區(qū)的幔液壓力對(duì)純固體地殼的推張是幫助此處由固流摩擦所產(chǎn)生的拉張作用的,恰此處正是固體流失的源區(qū),有理由斷定:此處地殼結(jié)構(gòu)的修造速率小于其破壞速率;而幔坳區(qū)的幔液壓力對(duì)地殼的上推則是抵抗那里由固體垂向自重和固環(huán)壓集中所造成的對(duì)地殼厚度急變處的拉張作用的,有理由斷定:那里的純固體地殼的修造速率大于其破壞速率。由于固有差異的存在,使地殼莫霍面在幔隆和幔坳之間的陡度不斷改變,于是便導(dǎo)至了固、液環(huán)流隨莫霍面陡度變化的正相關(guān)性變化。

在固、液環(huán)流隨幔隆、幔坳區(qū)莫霍面陡度的增大而增大的過(guò)程中,幔隆區(qū)地殼厚度越來(lái)越薄,幔坳區(qū)地殼厚度越來(lái)越厚。純固體地殼往往首先在地殼厚度最薄處的幔隆區(qū)即環(huán)拉力最集中處發(fā)生弧狀、線狀或片狀的貫穿性破裂。使這里的巖漿在 10 000個(gè)大氣壓力的趨動(dòng)下,大規(guī)模、高速率涌出地面,經(jīng)重力作用下降,經(jīng)低溫作用凝結(jié),形成新的固體地殼。當(dāng)巖漿大規(guī)模、高速率涌出地面后,原由巖漿所占據(jù)的空間處,相對(duì)幔液壓力而言,便形成了一個(gè)超級(jí)低壓區(qū),于是,幔坳處的幔液在這時(shí)便大規(guī)模、高速率地流向這里,并維持這里巖漿繼續(xù)上涌。不過(guò),隨上涌巖漿形成新地殼厚度的增加及老莫霍面受集中環(huán)拉作用的下降,使巖漿的上涌通道逐步減小,其上涌規(guī)模和速率也逐步下降?；仡^再看地殼最厚處即環(huán)壓最大集中的幔坳區(qū)的情形,當(dāng)幔液大規(guī)模、高速率流向超低液壓區(qū)時(shí),便在流離原處留下了超低負(fù)壓區(qū),原液壓在流離原處所承擔(dān)的對(duì)力學(xué)平衡的貢獻(xiàn)則被相應(yīng)拆除,與厚殼垂向重力和滑壓集中力的對(duì)抗將主要由地殼固體結(jié)構(gòu)助離心作用力承擔(dān),故在厚度急變處即幔坳區(qū)周邊孤形區(qū)或線狀區(qū),極具可能發(fā)生貫穿性地殼破裂,造成幔坳區(qū)的下沉,固體地殼可以大規(guī)模、高速率地落向地幔。由于此處系地殼固體擠壓區(qū),幔液一般不會(huì)涌出地面。在這一演化運(yùn)動(dòng)的劇烈階段中,因?yàn)獒［耆詾獒［?幔隆仍為幔隆,故固、液環(huán)流仍以原方向進(jìn)行,不過(guò)其流動(dòng)強(qiáng)度逐步減小。

當(dāng)幔隆區(qū)與幔坳區(qū)垂向地殼厚度演化至平衡地殼厚度時(shí)(32 km厚)則稱其演化進(jìn)入了地殼平衡態(tài)。在進(jìn)入地殼平衡態(tài)的過(guò)程中,幔隆區(qū)與幔坳區(qū)的進(jìn)入方式是不同的。幔隆區(qū)幔液上涌使地殼增厚速率大于固、液環(huán)流使地殼減厚的速率,故以地殼增厚的方式進(jìn)入平衡厚度。而幔坳區(qū)固體下落使地殼減厚速率大于地殼增厚速率而以地殼減厚的方式進(jìn)入平衡厚度。地殼進(jìn)入平衡厚度階段,固、液環(huán)流停止。當(dāng)固、液環(huán)流停止后,原幔隆區(qū)巖漿的上涌仍將進(jìn)行,地殼增厚過(guò)程也繼續(xù)發(fā)生,遂使其莫霍面下降,進(jìn)而使該區(qū)演化為新幔坳區(qū);原幔坳區(qū)由于固體物質(zhì)已被壓緊,固體物質(zhì)質(zhì)量的增量機(jī)制已經(jīng)結(jié)束,液壓則使其莫霍面抬升,使地殼上表面開(kāi)裂,至使那里演化為新幔隆區(qū)。于是產(chǎn)生了與老固、液環(huán)流反向的新固、液環(huán)流,從而啟動(dòng)新一輪的固、液環(huán)流演化,重復(fù)固、液環(huán)流由小到大,再由大到小的變化。

固、液環(huán)流強(qiáng)度可以定義為單位時(shí)間內(nèi)全球由環(huán)流源區(qū)流向匯區(qū)的物質(zhì)質(zhì)量的多少。由于固、液環(huán)流強(qiáng)度依賴于莫霍面陡度,由上述討論可知,幔隆、幔坳之間莫霍面陡度存在由小變大,再由大變小的過(guò)程。因此,一種方向的固、液環(huán)流強(qiáng)度必然也存在由小變大,再由大變小的歷程。于是可以將一種方向的固、液環(huán)流強(qiáng)度劃分為由小變大和由大變小的“兩半”。根據(jù)對(duì)一種方向的固、液環(huán)流的這種“兩半”的劃分,可以將幔隆、幔坳地殼依其厚度變化方向并以地殼平衡厚度為界線劃分為“向平衡幔隆、幔坳”和“離平衡幔隆、幔坳”。所謂幔隆、幔坳的“向、離平衡”是指其地殼厚度變化方向向平衡厚度接近和由平衡厚度向厚度減小或增加的方向偏離。本文稱“離平衡幔隆、幔坳”為年輕型幔隆、幔坳,稱“向平衡幔隆、幔坳”為年老型幔隆、幔坳。這里的“年輕”與“年老”便對(duì)應(yīng)了上述對(duì)一種固、液環(huán)流方向的“兩半”的劃分。

如果幔隆、幔坳演化對(duì)等,可將不平衡固、液環(huán)流的殼,幔演化劃分為旋回 6階段(表 1)。

表 1 幔隆、幔坳演化旋回Tab.1 Evolution cycle of mantle life and mantle band

為了便于直觀地研究地震成因,可將表 1所描述的地球殼、幔演化旋回 6階段簡(jiǎn)化為按同一幔隆(或幔坳)處的地殼上表面在大陸和大洋中垂向變化的 4個(gè)階段的周期振蕩。

現(xiàn)以原始幔隆處地殼上表面的垂直振蕩為例,制作表2。

表 2 原始幔隆地殼上表面垂向變化周期振蕩表Tab.2 L ist of periodical oscillation of the vertical change of the up crust surface of originalmantle life

需要指出：與原始幔隆相對(duì)應(yīng)的原始幔坳處的地殼上表面垂向變化四階段與表 2四階段振蕩相差180°,即反相。

6 地震成因分類

6.1 發(fā)生地震的根源

固體物質(zhì)間距離的增加,是固體結(jié)構(gòu)至破壞的唯一原因?？梢詫?duì)破壞給出這樣的定義：結(jié)構(gòu)物質(zhì)之間,當(dāng)吸引力為零時(shí),尚有離開(kāi)速度或離開(kāi)力,即為破壞。根據(jù)文獻(xiàn)[3]中的點(diǎn)旋半徑振蕩力學(xué)定律,兩平衡質(zhì)點(diǎn)只有當(dāng)它們運(yùn)動(dòng)達(dá)到它們之間距離最遠(yuǎn)點(diǎn)時(shí),它們之間的吸引力和離開(kāi)力則同時(shí)達(dá)到最小值,只不過(guò)此時(shí)離開(kāi)力更小罷了。根據(jù)上述定義和該定律所示之途徑,實(shí)現(xiàn)破壞的辦法只有一個(gè),那就是增加距離。發(fā)生在純固體地殼中的地震的根本成因是固體結(jié)構(gòu)被破壞。事實(shí)上,對(duì)固體的擠壓也是最后通過(guò)質(zhì)點(diǎn)間距離的增加而實(shí)現(xiàn)破壞的。正因?yàn)槿绱?對(duì)固體直接施加拉張而至破壞比施加擠壓而至破壞所用之力往往少一個(gè)數(shù)量級(jí)。由此可以推斷,在任何可能發(fā)生地震的場(chǎng)合,只要有對(duì)等的拉張作用參與,則地震的第一成因必為拉張。這是研究純固體地殼地震最主要的力學(xué)依據(jù)。也是本文前述幔隆區(qū)地殼最薄處和幔坳區(qū)周邊地殼厚度急變處容易發(fā)生斷裂或貫穿破裂的根本原因。

6.2 地震成因的地質(zhì)分類

將地震劃分為兩個(gè)類別,即地幔地震和地殼地震。地幔地震指主要發(fā)生在幔坳區(qū)莫霍面以下的地震,也是人們平時(shí)所說(shuō)的中、深源地震。這類地震的成因是：由于自幔隆處首先出現(xiàn)幔液低壓區(qū),形成液流,于是從幔隆至幔坳各沿線會(huì)逐步出現(xiàn)幔液負(fù)壓區(qū),處于負(fù)壓區(qū)之上的地幔固體物質(zhì)在其結(jié)構(gòu)失衡的條件下,因自重和接受固體環(huán)壓集中作用向下掉落因而發(fā)生地震。

地殼地震是發(fā)生頻率較高,所占地震比例較大的一類地震。為了認(rèn)識(shí)地殼地震,首先應(yīng)該了解固、液環(huán)流中的固流方式。純固體地殼的固流方式可簡(jiǎn)略地概括為如下 4種：1)彈性限度內(nèi)的蠕變流動(dòng); 2)定向塑性流動(dòng);3)彈性回跳前移;4)斷裂滑移。第 1)、2)種方式不發(fā)生有感地震,第 3)、4)種方式就是發(fā)生地震的直接機(jī)制。純固體地殼中的固流方式與地質(zhì)、地殼類型密切相關(guān)。只有弄清純固體地殼各處的地質(zhì)、地殼類型,才能判明地殼某處發(fā)生地震的具體成因,才有可能對(duì)地殼未來(lái)發(fā)震時(shí)間和震源地點(diǎn)的預(yù)測(cè)提供可靠依據(jù)。為此,本文給出地震成因與地質(zhì)、地殼分類如表 3所示。

由于篇幅所限,本文旨在給出地震成因之框架。關(guān)于各具體地域地震成因及預(yù)測(cè)屬系統(tǒng)研究工程,需另行撰文逐一探討。

7 總結(jié)與討論

7.1 總結(jié)

不考慮自旋運(yùn)動(dòng)的地球的地質(zhì)演化以及地震成因主要是由 5種形式的力的相互作用所決定：物質(zhì)垂向自重力,固體結(jié)構(gòu)力,幔液液壓力,固體環(huán)壓定位集中力和固體環(huán)拉定位集中力。地球殼、幔中固、液環(huán)流的產(chǎn)生和變化體現(xiàn)了地質(zhì)演化的階段性。根據(jù)地質(zhì)演化的階段性可以確定地殼演化的具體類型。人們可以根據(jù)具體的地殼類型,結(jié)合探測(cè)數(shù)據(jù),應(yīng)用力學(xué)規(guī)則尋根索源,確定區(qū)域地震的具體成因。

從地震成因全局上看問(wèn)題,可將地震成因排序如下：

1)固體環(huán)壓、環(huán)拉定位集中與固、液環(huán)流是發(fā)生地震的主導(dǎo)因素;

2)地球自旋振蕩是發(fā)生地震的修改因素;

表 3 地震成因與地質(zhì)、地殼分類Tab.3 Seis mogenesis and geological and crustal classification

3)其他內(nèi)、外波力是發(fā)生地震的可能引發(fā)因素。

7.2 討論

本文所揭示的年輕型幔隆、幔坳向年老型幔隆、幔坳的過(guò)渡,是地殼通過(guò)發(fā)生貫穿性破裂的劇烈過(guò)程而實(shí)現(xiàn)過(guò)渡的。這只是對(duì)全球大勢(shì)的一般描述。然而,在不同的具體條件下,也應(yīng)該存在不發(fā)生貫穿性地殼破裂的劇烈過(guò)程實(shí)現(xiàn)幔隆、幔坳由“離地殼平衡厚度”朝“向地殼平衡厚度”的轉(zhuǎn)型。比如,處在大幔隆與大幔坳中間的幔隆和幔坳可以分別通過(guò)推移和整體下沉的圍熔等較平靜的過(guò)程實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型。

1 楊倫,等.普通地質(zhì)學(xué)簡(jiǎn)明教程[M].武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社,1998.

2 中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司.地球物理學(xué)概論[M].北京：地震出版社,2007.

3 李仕宏.地震成因——地球自旋變速、變形振蕩[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué),2009,(增刊)：163-173.

STUDY ON SEISMOGENESIS

Li Shihong
(Ezhou City of Hubei Province,Ezhou 436003)

A new concept about the unbalanced crustal solid encircle presure and encircle pull locating and concentering principle in the earth gravity field is proposed.According to the concept the maxi mum crcustal oblique sliding force concentration amount can make the matter quality source reach the magnitude of all quality of pure solid crust,in theory.Tuswe have discovered the first force source which could not be found in the past work about force source for geological evolution.Further more,we point out that there exist the circulation of solid and liquid in the crust and mantle under the action of a number of force for example,the oblique sliding force,expounds and proves six kinds of geological regions based on the geological evolution of‘circulation of solid and liquid’and further divides the geological boundaries based on nine kinds of seismogenesis.

abrupt ofMoho;solid encircle presure;encircle pull locating and concentering principle;skate bording for mula;circulation

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0149-08

2009-10-25

李仕宏,男,1947年生,湖北鄂州人,系鄂州市科技局原科技中心成員,近期從事地震成因方面的研究.E-mail：lixiaoling20069 @163.com

P312

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