層狀材料褶皺對幾種地質(zhì)活動機(jī)理研究的啟示*

許宏 苑爭一 黃彤飛 王嘯 陳正先 韋進(jìn) 張翔? 黃元

1) (中國科學(xué)院物理研究所,北京凝聚態(tài)物理國家研究中心,北京 100190)

2) (中國地質(zhì)大學(xué)(北京)數(shù)理學(xué)院,北京 100083)

3) (中國地震臺網(wǎng)中心,北京 100045)

4) (山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,青島 266590)

5) (北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院,北京 100081)

6) (中國地震局地震研究所,地震大地測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430071)

從制備層狀材料褶皺得到啟示,給出了地球地質(zhì)活動的一些可能的機(jī)理性解釋.層狀晶體的褶皺可以通過在柔性基底上施加的單軸或雙軸應(yīng)力實(shí)現(xiàn),這與地球的層狀結(jié)構(gòu)及地球表面的山體褶皺形成機(jī)理有許多相似之處.由于地球質(zhì)量分布不均勻且存在自轉(zhuǎn),因此各個板塊的轉(zhuǎn)動慣量是不一樣的,本文指出南北半球之間存在自轉(zhuǎn)角速度差異,對赤道附近的地形地貌及地質(zhì)活動可能產(chǎn)生重要影響.本文給出了地震、火山以及大陸漂移等地質(zhì)活動新的機(jī)理解釋.針對中國特殊的地形地貌,提出了物質(zhì)流假說并詳細(xì)論述了物質(zhì)流的流動趨勢,指出中國大陸地質(zhì)活動和板塊交界處的地質(zhì)活動的機(jī)理存在明顯差別.物質(zhì)流假說可以較好地解釋中國的地震災(zāi)害、礦藏資源分布及中東地區(qū)石油豐富的可能成因,為中國未來預(yù)測地震災(zāi)害及礦藏資源開發(fā)提供了新的理論參考.該工作為人類更好地避免自然災(zāi)害、理解地球上的自然現(xiàn)象及合理利用自然資源提供了新的啟示.

1 引 言

大到宇宙的形成和演化,小到人類社會的變遷,任何紛繁復(fù)雜的表象背后都有其物理上的簡單性.從熱力學(xué)的角度看,世界總體在朝熵增加的方向發(fā)展,簡單來講是在從不均勻到均勻的方向發(fā)展.在固體材料中應(yīng)力的存在正是不均勻性的一種體現(xiàn),以石墨烯為例,不同的應(yīng)力可以使石墨烯產(chǎn)生氣泡結(jié)構(gòu)、褶皺結(jié)構(gòu)等[1-4].近年來,隨著二維材料研究領(lǐng)域的不斷深入,人們逐漸認(rèn)識到應(yīng)力調(diào)控可以有效地改變材料的各種性質(zhì).在一些層狀半導(dǎo)體材料中,研究人員發(fā)現(xiàn)應(yīng)力可以調(diào)控材料的能帶結(jié)構(gòu),改變材料的發(fā)光特性以及電學(xué)性質(zhì)等[5-7].

近十多年來,二維材料的研究得到了廣泛的關(guān)注,極大推動了凝聚態(tài)物理和化學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展,也為未來柔性、透明電子器件的應(yīng)用提供了新的突破口.第一個被發(fā)現(xiàn)的二維材料石墨烯,是利用膠帶機(jī)械解理石墨晶體得到的,目前機(jī)械解理方法也逐漸發(fā)展成為二維材料制備中的一種重要手段.常用的機(jī)械解理方法包括氧氣等離子體處理法,金屬輔助解理法等.在過去的研究中,發(fā)展了一套新型機(jī)械解理方法,制備出了大面積高質(zhì)量的二維材料,包括石墨烯、MoS2、WSe2等,并且可以通過優(yōu)化不同的解理參數(shù)實(shí)現(xiàn)對材料應(yīng)力的調(diào)控,在不同的材料體系中獲得褶皺、氣泡等特殊結(jié)構(gòu)[3,8,9],這種方法為研究層狀材料的本征物理性質(zhì)提供了新的契機(jī).

在利用機(jī)械解理方法制備二維材料的過程中,常會在平整的薄片上發(fā)現(xiàn)一些褶皺結(jié)構(gòu),這是由于在解理過程中存在局域應(yīng)力,使得層狀材料層間產(chǎn)生滑移導(dǎo)致的.通過分析不同的應(yīng)力施加形式,我們發(fā)展了一種制備層狀材料褶皺的新方法,結(jié)果表明單軸應(yīng)力可以產(chǎn)生平行的褶皺,而雙軸擠壓應(yīng)力可以產(chǎn)生褶皺的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).褶皺結(jié)構(gòu)為研究層狀材料在應(yīng)力應(yīng)變下的行為提供了一個非常好的微觀物理模型.應(yīng)力導(dǎo)致的應(yīng)變不僅在微觀的層狀材料中很常見,在宏觀世界中這種現(xiàn)象也是普遍存在的,如山脈的形成可以看作是地表附近受擠壓應(yīng)力后形成的褶皺結(jié)構(gòu).本文從層狀材料褶皺里的應(yīng)力應(yīng)變行為作為切入點(diǎn),系統(tǒng)地分析了微觀層狀材料到宏觀地殼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變現(xiàn)象和產(chǎn)生的物理機(jī)理,對地震、火山以及大陸漂移等眾多地質(zhì)學(xué)相關(guān)的現(xiàn)象進(jìn)行了深入地思考和分析,從理論層面對地球演變過程中的一些特殊地質(zhì)現(xiàn)象給出了新的可能性解釋.這不僅為人類探索地質(zhì)活動提供了新的觀點(diǎn),也為未來人類預(yù)測和防范地震、火山等地質(zhì)災(zāi)害開辟了新的思路.板塊交界處火山帶和地震帶幾乎是重合的,而中國大陸是多地震而少火山的,結(jié)合中國特殊的地形地貌及地質(zhì)活動特點(diǎn),本文提出了物質(zhì)流假說,指出了中國境內(nèi)可能的物質(zhì)流分布、取向及隨時間的演化規(guī)律。我國境內(nèi)重力固體潮的變化分布也為驗(yàn)證物質(zhì)流假說提供了較為直接的實(shí)驗(yàn)證據(jù).物質(zhì)流假說可以很好地解釋中國的地震特點(diǎn)和石油、天然氣分布規(guī)律,以及中東地區(qū)石油豐富的可能成因.物質(zhì)流假說對于中國預(yù)測地震、尋找礦藏資源、合理開發(fā)利用自然資源及宏觀經(jīng)濟(jì)布局都有非常重要的意義.

2 褶 皺

2.1 層狀材料褶皺的加工

褶皺的形成是由于材料內(nèi)部受到不均勻擠壓應(yīng)力導(dǎo)致的,大到地球的表面,小到層狀晶體材料都可以觀察到這種現(xiàn)象.層狀材料中的褶皺已經(jīng)有很多研究報(bào)道,人們發(fā)現(xiàn)應(yīng)力的引入使得材料的許多性質(zhì)發(fā)生改變,如能帶結(jié)構(gòu)、光電性質(zhì)等[2,10,11].通過對柔性襯底上的層狀材料施加單軸應(yīng)力,可以制備出平行褶皺[12];而目前對于雙軸應(yīng)力施加后產(chǎn)生的褶皺還沒有太多的報(bào)道.我們通過分析層狀材料與基底熱膨脹系數(shù)的差異,找到了一種制備層狀材料褶皺的新方法.以石墨烯或薄層石墨為例,首先將石墨烯解理到聚二甲基硅氧烷 (polydimethylsiloxane,PDMS) 膜上,然后再將其放入液氮中進(jìn)行瞬間冷卻,就可以高效制備出石墨烯褶皺[13].選擇PDMS是由于這種材料的熱膨脹系數(shù)高[14],在冷卻的過程中形變量大,降溫收縮時對層狀材料有非常明顯的雙軸擠壓應(yīng)力.這種方法可以推廣到更多的層狀材料體系,如MoS2,WSe2等(圖1(d)).褶皺產(chǎn)生后對材料的性質(zhì)有顯著的改變,以WSe2為例,該材料的多層是間接帶隙半導(dǎo)體,而單層是直接帶隙半導(dǎo)體,單層具有很強(qiáng)的光致發(fā)光特性.熒光成像結(jié)果表明,由于層間耦合變?nèi)?在多層WSe2褶皺上也會出現(xiàn)較強(qiáng)的熒光峰,因此褶皺的引入對于層狀材料性質(zhì)有顯著的調(diào)控作用.

褶皺形成后會改變層狀材料的層間距,因此會引入一些新的效應(yīng).通過透射電子顯微鏡(transmission electron microscope,TEM)對石墨烯褶皺的橫截面進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)在褶皺產(chǎn)生之后,形變區(qū)域的層間距會發(fā)生明顯增加[13].如圖2(e)—(f)所示,在多層石墨烯的褶皺上,平整區(qū)域的層間距是0.33 nm,而形變的區(qū)域?qū)娱g距增加到0.41 nm,層間距增加了24%.層間距的增加會使褶皺產(chǎn)生一種微通道效應(yīng),為小分子或液態(tài)的物質(zhì)提供一個更容易輸運(yùn)的通道,這與本文后面講到的物質(zhì)流有密切關(guān)系.

2.2 層狀材料褶皺與地表的結(jié)構(gòu)

眾所周知,地球的結(jié)構(gòu)可以分為地殼、地幔和地核,地殼處于最表面,也呈現(xiàn)出明顯的層狀特征(圖2(a)).地幔頂部和地球下部構(gòu)成的巖石圈是剛性比較大的層.地球上陸地表面存在許多的山脈和河流,如果從衛(wèi)星上俯瞰地球,會發(fā)現(xiàn)這些地表非常類似層狀材料表面產(chǎn)生的褶皺網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(圖2(b)).許多山體在斷面上呈起伏的褶皺結(jié)構(gòu)(如圖2(c)),并且表現(xiàn)出明顯的層狀特征,與圖1中層狀材料中褶皺的產(chǎn)生過程類似,都是由于受到應(yīng)力后產(chǎn)生的形變.

圖1 液氮法快速制備層狀材料褶皺結(jié)構(gòu)[13] (a)層狀材料褶皺的制備過程示意圖,首先將層狀材料解理到柔性PDMS基底上,然后將其快速浸沒到液氮中;(b)解理到PDMS上的薄層石墨烯樣品光學(xué)照片;(c)液氮處理后石墨烯表面形成大量的褶皺網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);(d)多層WSe2褶皺的光學(xué)照片;(e) WSe2褶皺處的熒光成像(1.6 eV附近),(b)和(c)圖的比例尺為50 μm,(d)和(e)的比例尺為 5 μmFig.1.Preparation of wrinkle structures on layered materials by fast-cooling treatment in liquid nitrogen[13]:(a) Schematic diagram of the preparation process of layered material wrinkles.First,the layered material is cleaved onto the flexible PDMS substrate,then rapidly immersed the substrate in liquid nitrogen;(b) optical images of one thin-layer graphene flake cleaved onto PDMS film;(c) a large number of wrinkle network structures formed on the surface of graphene after liquid nitrogen treatment;(d) optical image of multilayer WSe2 wrinkles;(e) photoluminance mapping image of the multilayer WSe2 flake with wrinkles (at ～1.6 eV).The scale bars are 50 μm for (b) and (c),and 5 μm for (d) and (e).

圖2 地球的結(jié)構(gòu)與材料中的褶皺 (a)地球的結(jié)構(gòu)由內(nèi)而外可以分為地核、地幔和地殼;(b)念青唐古拉山附近的衛(wèi)星地圖、隆起的山體交錯在一起,形成褶皺的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu);(c)山體斷面處的褶皺;(d)石墨烯褶皺截面處的TEM照片[13];(e)高倍下的TEM照片;(f)圖(e)中黃色和紅色框中的石墨烯層間距,可以看出形變區(qū)域相比于平整區(qū)域?qū)娱g距從0.33 nm增加到0.41 nmFig.2.The structure of the Earth and wrinkles in materials:(a) The structure of the Earth can be divided into core,mantle and crust from the inside out;(b) the satellite map near the Nyainqentanglha Mountain,where the uplifted mountains are intertwined to form a wrinkle network structure;(c) wrinkle structures at the cross section of one mountain;(d) transmission electron microscopy (TEM) image at the cross section of one graphene wrinkle[13];(e) high-resolution images of the wrinkle corner;(f) the lattice spacing at the selected areas marked by yellow and red box in (e),the interlayer distance increased from 0.33 nm at the flat region,to 0.41 nm at the strained region.

3 地震、火山等地質(zhì)活動

3.1 山體的形成與地殼活動

前面提到層狀材料褶皺可以通過快速冷卻的方法進(jìn)行加工,而大陸表面山體的形成與層狀材料褶皺的形成機(jī)理極其相似.地球形成早期溫度非常高,巖漿在逐漸降溫過程中由于物質(zhì)分布不均勻,從液態(tài)變成固體的過程中本身就會產(chǎn)生起伏,這一過程類似冬天玻璃上形成的冰花.在逐漸降溫的過程中,地殼上層逐漸受到下層凝固時產(chǎn)生的擠壓,地球上大部分板塊內(nèi)部的山體都是凝固過程(即冷卻過程)中產(chǎn)生的應(yīng)力造成的.而部分板塊交界處的山體是由于板塊相遇后擠壓隆起形成的,最典型的就是喜馬拉雅山脈,以及南北美洲之間的科迪勒拉山脈(Cordillera),這兩個山脈的走向和板塊的邊緣是平行或者重合的.

3.2 地震的形成與新的分類方法

長期以來地震的形成機(jī)理都是地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的重要研究方向,科學(xué)家們提出了許多機(jī)理解釋[14-16].在討論地震產(chǎn)生的成因之前,先考慮在什么情況下地球上是沒有地震的,在不考慮太空中隕石墜落地球和人類開采礦產(chǎn)資源引起的地震情況下,以下幾種情況將不會導(dǎo)致地震等地質(zhì)活動.

1)如果地球沒有自轉(zhuǎn),那么板塊之間在不考慮太陽引力的情況下將不會產(chǎn)生滑移,因此也不會出現(xiàn)地震、火山等現(xiàn)象.

2)如果地球是一個全固態(tài)非層狀星球,將不會有地殼板塊的滑移,就不會產(chǎn)生地震.

由于地球的自轉(zhuǎn)及地球質(zhì)量分布不均勻,導(dǎo)致不同板塊之間的轉(zhuǎn)動慣量其中I為轉(zhuǎn)動慣量,mi為某一板塊的質(zhì)量,ri為距離地軸的垂直距離)和轉(zhuǎn)動動能是有差別的.地殼層是較硬的層,而地幔是較軟的層,這就使得不同板塊之間在自轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生滑移和相對運(yùn)動,表現(xiàn)出擠壓、碰撞和撕裂等行為,從而引起地震和火山等地質(zhì)活動.因此大陸漂移學(xué)說背后有簡單的物理機(jī)制,地球板塊間質(zhì)量不均勻和自轉(zhuǎn)的關(guān)聯(lián)是造成這一現(xiàn)象的最主要原因,這與李四光先生關(guān)于板塊漂移產(chǎn)生機(jī)理的猜想是一致的[17].在不考慮地球以外的星體、隕石對地球的影響情況下,地球的角動量是守恒的,如果人類的探測手段足夠精確,就會發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域或板塊間的角速度并不相同,大陸漂移就是角速度差異的表現(xiàn)之一.板塊的漂移驅(qū)使著地球各處的角速度逐漸趨于相同.

從物理學(xué)的角度來看,根據(jù)板塊間受力形式的不同,可以分為擠壓和拉伸應(yīng)力,因此將地震分為上抬型地震、下陷型地震和滑移型地震似乎更加的簡單合理.板塊交匯處常常是應(yīng)力最集中的區(qū)域,這些地方地震和火山活動也非常活躍(圖3).最為大家熟知的就是喜馬拉雅山脈和青藏高原,它們是由于亞歐板塊和印度洋板塊碰撞形成的巨大地表褶皺.由于地球自轉(zhuǎn)的影響,亞歐大陸和美洲大陸在太平洋區(qū)域逐漸靠近,如果把太平洋板塊看作靜止的,那么就相當(dāng)于太平洋板塊在受到來自歐亞大陸和美洲大陸的擠壓,而在地軸的另外一側(cè),大西洋卻在被撕裂,因此在大西洋的中間有一個貫穿南北半球的洋中脊.太平洋被擠壓逐漸變小,而大西洋被拉伸逐漸變大,這解釋了為什么環(huán)太平洋周圍全是火山和地震帶,而大西洋周邊沒有大的火山地震帶.如果按照這一解釋對環(huán)太平洋周圍的地震分類,環(huán)太平洋區(qū)域的地震應(yīng)該主要是上抬型地震.在中國境內(nèi),沿郯廬斷裂帶分布的渤海灣地震(1888年)、海城地震(1974年、1975年)等均與郯廬斷裂的走滑剪切運(yùn)動相關(guān).大西洋本應(yīng)該作為一個獨(dú)立的板塊來進(jìn)行地質(zhì)研究,但是由于被撕裂成了三大塊,因此往往被地質(zhì)學(xué)家分別劃分到了美洲板塊、亞歐板塊和非洲板塊.印度尼西亞是全球地震和火山最活躍的區(qū)域之一,從衛(wèi)星圖片上觀察,這個區(qū)域處于多個板塊交匯的地方,并且也是南北半球交匯處,地震火山等地質(zhì)活動非常多.印度尼西亞的南面和西南面是澳大利亞-印度板塊,北面是亞歐板塊,東部伊里安島的北面是太平洋板塊,東北部的塔勞群島、馬魯古群島北段的東北方是菲律賓板塊,因此印尼處于四個板塊交界處.更為重要的是,由于南北半球的質(zhì)量分布不均勻,導(dǎo)致轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)速會有差別,南半球的質(zhì)量小,轉(zhuǎn)動慣量小,因此自轉(zhuǎn)角速度就相對要快;相反,北半球轉(zhuǎn)速要稍慢,使得南北半球在印度尼西亞區(qū)域有咬合和扭轉(zhuǎn).印度尼西亞東側(cè)的班達(dá)海旋渦狀構(gòu)造主要是由于南北半球咬合、扭轉(zhuǎn)以及板塊相互擠壓形成的特殊結(jié)構(gòu).南北半球的自轉(zhuǎn)角速度之間的差異會使在赤道附近的地形發(fā)生扭曲,這也是造成印度尼西亞、中美洲和大西洋中部的海嶺特殊形狀(S形)的可能原因(圖4).南北半球的角速度差別在之前的地質(zhì)研究中鮮有報(bào)道,這一假說也需要更多地質(zhì)學(xué)家深入地探索和印證.

圖3 (a)全球地震分布圖;(b)全球火山分布圖,可以看出除中國大陸以外,火山分布和地震分布是吻合的;(c)和(d)日本的富士山地面圖片和衛(wèi)星圖片,從圖(d)中可以看出富士山恰好處于三個板塊的交匯處;(e)石墨烯褶皺的原子力顯微鏡照片,可以看出褶皺的交匯點(diǎn)與地面上火山(c),(d)有相似之處Fig.3.(a) Global seismic distribution map;(b) global volcanic map.It can be seen that volcanic distribution and seismic distribution are consistent except for mainland China;(c) and (d) are the ground and satellites pictures of Japan's Mount Fuji,it can be seen that Mount Fuji is just at the intersection of three plates (d);(e) atomic force microscopy image of the graphene wrinkle,which is similar to the volcano shown in (c) and (d).

圖4 由于南北半球角速度之間存在差別,赤道附近地區(qū)會出現(xiàn)地形的扭曲 (a)印度尼西亞地區(qū);(b)南北美洲交界處;(c)大西洋中部.紅色虛線表示的是該地區(qū)總體的地形走勢,黑色虛線表示赤道Fig.4.Due to the angular velocity difference between the northern and southern hemispheres,the terrain distortion will occur in the vicinity of the equator:(a) The Indonesian region;(b) the border between North and South America;(c) the central Atlantic Ocean.The red dotted line indicates the overall topographic trend of the region,the black dotted line is the equator.

3.3 中國大陸的物質(zhì)流

中國的臺灣、新疆、西藏和云南處于板塊交界處,因此地震活動也比內(nèi)陸其他地區(qū)更加頻繁.臺灣位于環(huán)太平洋地震帶上,而中國的西南邊陲處于喜馬拉雅山地震帶上,原則上中國的其他地區(qū)不應(yīng)該有較大的地震,但實(shí)際情況并非如此.從圖3(a)和3(b)的對比可以看出,地球上火山和地震帶的分布基本是一致的,但是中國卻是一個多地震但少火山的國家,由此可知中國內(nèi)陸的大部分地震與環(huán)太平洋地震帶等板塊交界處的地震類型不一樣,有著自己的特點(diǎn).首先,中國的地勢結(jié)構(gòu)表明,西部海拔高,東部海拔低,這也就使得地殼上的塑性物質(zhì)在這個區(qū)域有從勢能高到朝勢能低的方向移動的趨勢[18,19].如果從地球衛(wèi)星圖片上來看中國的版圖,會非常容易地發(fā)現(xiàn)有三條主要的地勢走向:一條是沿阿爾金山脈、祁連山脈、秦嶺、太行山脈和大興安嶺;另一條是沿著喜馬拉雅山脈,也就是中國的西南邊界;還有一條是沿四川中部和橫斷山脈,如圖5所示.這和中國的地震帶的分布是吻合的.前面通過研究多層石墨烯橫截面發(fā)現(xiàn),褶皺產(chǎn)生之后會使得形變區(qū)域的層間距發(fā)生明顯的增加,這就為一些小分子或者流體類物質(zhì)提供了一個非常好的通道,使得物質(zhì)在擴(kuò)散和流動的過程中更加容易從形變的區(qū)域通過.大型的山脈是這種地殼宏觀層狀材料的褶皺,它們在產(chǎn)生形變之后也同樣會使得層間距增加,為一些流動性的物質(zhì)提供一個天然的通道(如圖2(c)中的山洞).層狀材料褶皺產(chǎn)生后的通道效應(yīng)與具體材料沒有關(guān)系,只與層狀結(jié)構(gòu)有關(guān)系,任何的層狀結(jié)構(gòu)受到擠壓產(chǎn)生褶皺后都會有層間距的增加,不管是石墨烯類的層狀晶體還是地殼.因此我們提出了針對中國特殊地形地貌的物質(zhì)流假說,這里的物質(zhì)流包括石油、天然氣、地下水和上地幔中的塑性物質(zhì)等多種在地殼內(nèi)部可流動的物質(zhì).下面將圍繞這一假說進(jìn)行多方位的探討.

首先對具有褶皺結(jié)構(gòu)的通道進(jìn)行水流速模擬.如圖6所示,將具有層狀結(jié)構(gòu)的通道在不同褶皺頂角的情況下進(jìn)行模擬,設(shè)定入口處壓強(qiáng)為1000 Pa,出口處的壓力為0 Pa;平整區(qū)域的層間距為1 mm,通道的長度為80 mm.結(jié)合Navier-Stokes方程,并將其轉(zhuǎn)化為k-方程組:

其中ρ為流體介質(zhì)的密度;u為流體速度;μ為動力黏性系數(shù);μT為湍流黏性系數(shù);σk,σε,Cε1,Cε2和 Cμ為湍流模型常數(shù);k為湍流動能;ε為湍流耗散率;Pk為湍流動能生成項(xiàng).根據(jù)以上方程組和邊界條件,即可得到圖6中不同結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果.這些數(shù)值計(jì)算的結(jié)果表明,褶皺形成后,由于頂端的層間距增加,褶皺拐角處的水流速度會大于平整的區(qū)域,頂角處的水流隨著頂角角度的減小也隨之增加.這進(jìn)一步印證了褶皺形成后會產(chǎn)生明顯的通道效應(yīng).

圖5 中國的地勢走勢及地震帶 針對中國特殊的地形結(jié)構(gòu),可以將中國的大型山脈走勢用虛線進(jìn)行表示,粉色部分是中國主要的地震帶分布Fig.5.China's topographic trend and seismic zone.In view of China's special topographical structure,the orientation of the main mountains can be marked with the dashed lines,and the distribution map of China's seismic belt is marked with the pink color.

在地表上可以將巨大的山脈看成是隆起的褶皺,而在山脈的底下可以更好地為物質(zhì)輸運(yùn)提供通道.印度板塊和亞歐板塊碰撞形成喜馬拉雅山脈以后,地幔處的液體物質(zhì)為了保持壓力的平衡,會使流動性的液體物質(zhì)從隆起的區(qū)域上涌,然后再沿著層狀褶皺中的縫隙向其他區(qū)域擴(kuò)散.在中國特殊的地勢環(huán)境下,更有利于地下物質(zhì)從勢能高的區(qū)域流向勢能低的區(qū)域.在物質(zhì)不斷移動的過程中,會有應(yīng)力在各個位置積累,這種地震的成因和環(huán)太平洋周圍的地震是不一樣的.因此從這個角度來看,中國西部的地震往往會使海拔下降,而在東部地震則會導(dǎo)致海拔升高.

針對中國地形地貌提出的物質(zhì)流假說可以通過一些實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢測.第一種是物質(zhì)標(biāo)定的方法:在這三股物質(zhì)流的上游通過鉆探的方式把標(biāo)記物注入到特定地層,然后在注入地點(diǎn)的多個方向進(jìn)行采集,最后的結(jié)果應(yīng)該是只有沿物質(zhì)流的方向才會檢測到高濃度的標(biāo)記物質(zhì),例如在甘南藏族自治州附近注入標(biāo)記物,一定時間后在四川西部山區(qū)及秦嶺地區(qū)應(yīng)該會觀察到標(biāo)記物.第二種方法是在物質(zhì)流的上游進(jìn)行注水,物質(zhì)流的下游會受到壓力的影響產(chǎn)生響應(yīng).大慶油田開采之初,很多油井非常淺,有些油井直接往上噴(松基三井,井深1050 m),但是隨著開采得越來越多,只有更深的油井才能產(chǎn)石油,而如果在上游對其進(jìn)行物質(zhì)注入,將會壓迫兩段之間的石油往下游移動,進(jìn)而提高石油的產(chǎn)量.另外一個現(xiàn)象也可以很好地證實(shí)物質(zhì)流假說的正確性:很多枯竭的油井在閑置一段時間后可以恢復(fù)到開采之初的水平,這說明在停產(chǎn)的時間段內(nèi)有物質(zhì)重新補(bǔ)充過來,當(dāng)然這不能夠用來證明石油是可再生資源.

在此需要指出的是,根據(jù)大量的調(diào)查和分析,我們認(rèn)為石油天然氣不可能是生物死亡后形成的,而應(yīng)該是星球形成早期就存在,并且也不應(yīng)該只是地球上獨(dú)有的(太陽系行星中如火星、木星已被證實(shí)有甲烷[20,21]).石油天然氣是化石燃料的觀點(diǎn)是經(jīng)不起推敲的,像沙特的加瓦爾油田(3264 km2),探明儲量達(dá)112億噸,而目前全球的生命體總的有機(jī)物含量才約為550億噸[22],通過簡單的比較就可以知道把地球上五分之一的生命體聚集在一個小的區(qū)域并完全轉(zhuǎn)化為石油幾乎是不可能的.生命體死亡之后要參與到食物鏈循環(huán)和地球的物質(zhì)循環(huán)中,而不是一直在某個地方持續(xù)不斷的收集碳元素并沉積轉(zhuǎn)換為碳?xì)浠衔?未來如果在其他星球上找到石油將進(jìn)一步印證這一假說.一百多年來,石油的有機(jī)成因說和無機(jī)成因說一直存在爭議.已經(jīng)證實(shí),地球深層存在大量的富二氧化碳流體,這些流體所排出的二氧化碳在上升的過程中,可以與H2發(fā)生著名的費(fèi)托反應(yīng)而生成烴類,并且二氧化碳在高溫高壓下也可以直接和水反應(yīng)生成有機(jī)物,因此從無機(jī)的二氧化碳生成石油和烴類的反應(yīng)渠道其實(shí)非常多,完全沒有必要等到生命產(chǎn)生之后再形成石油和天然氣等有機(jī)物.有機(jī)物與生命起源的因果關(guān)系和時間順序或許長期以來都被搞反了,從事物發(fā)展的角度來看也應(yīng)該是先有地球早期形成的石油、天然氣等簡單的有機(jī)物,再出現(xiàn)生命這樣的復(fù)雜有機(jī)物.太陽系的行星中甲烷等有機(jī)物是普遍存在的,把星體初期形成的物質(zhì)作為生命存在過的假設(shè)是不合理的.越來越多的科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明,海底的火山口很可能是生命起源的地方,在這種有溫度梯度的環(huán)境下,有機(jī)物、無機(jī)鹽以及水有很大幾率可以產(chǎn)生微小囊泡狀的單細(xì)胞結(jié)構(gòu),關(guān)于生命的起源是一個非常大的話題,受限于本文研究范圍不作深入地探討,僅作為物質(zhì)流假說的一個引申.

圖6 水在不同結(jié)構(gòu)的管道中流速模擬結(jié)果 (a)彎折管道模型的側(cè)視圖;(b)-(f)不同頂角的管道橫截面流速分布圖Fig.6.The simulation results of water flow rate in different channel structures:(a) The side view of one wrinkled channel;(b)-(f) the flow rate mapping images selected at cross section of channels with different top angle.

3.4 火山與海嘯的形成

在制備的層狀材料褶皺中,經(jīng)常會看到在網(wǎng)狀褶皺結(jié)構(gòu)中的一些交匯點(diǎn),這些區(qū)域由于產(chǎn)生了很大的形變,導(dǎo)致晶格結(jié)構(gòu)、晶格曲率等發(fā)生很明顯的變化,直接影響材料的物理和化學(xué)性質(zhì).通過氫氣等離子體處理,發(fā)現(xiàn)所有褶皺交匯的點(diǎn)都是化學(xué)反應(yīng)活性最高的地方,以多層石墨烯褶皺為例,褶皺交匯點(diǎn)的碳原子要比平面區(qū)域碳原子化學(xué)活性高許多.同樣的反應(yīng)時間和反應(yīng)條件,褶皺交匯處被刻蝕得更快,其次是褶皺上,而平整區(qū)域化學(xué)活性相對是最穩(wěn)定的(圖7(b)和圖7(c)).褶皺和褶皺交匯點(diǎn)除了化學(xué)鍵被拉伸和改變方向以外,層間耦合也與平整區(qū)域有很大差別,這些都會改變材料的物理和化學(xué)性質(zhì),在化學(xué)反應(yīng)中該區(qū)域變得比平整區(qū)域更加活躍.

地球上的火山與層狀材料中的褶皺有非常相似的地方,這些位置都是活性非常強(qiáng)的區(qū)域.如果俯視地球表面會發(fā)現(xiàn),許多火山都是在受到板塊擠壓的區(qū)域,尤其是在環(huán)太平洋火山帶周圍,而大型的火山往往是在三個板塊交匯的中心區(qū)域,如日本的富士山、意大利的埃特納火山等,這兩座火山都類似于層狀材料中褶皺交匯的節(jié)點(diǎn)(圖3(c)—(e)),該區(qū)域?yàn)榈刭|(zhì)結(jié)構(gòu)的薄弱帶,巖漿更容易在該區(qū)域頂破地層噴出地表.

地震、火山和海嘯有著密切的關(guān)系,但也有很大差別.上抬型地震、隆起型海嘯和火山都是地殼某些區(qū)域受到擠壓后上抬形成的,環(huán)太平洋周圍的地震、火山和海嘯大都屬于這種類型.下降型地震和海嘯都是由于某些區(qū)域被拉伸后地殼下沉導(dǎo)致的.對于某些大型活火山引發(fā)的地震,主要為下陷型地震,影響范圍較小,震級也相對較弱.從短時間上來講,火山的爆發(fā)有利于特定區(qū)域釋放應(yīng)力,降低了特大型地震災(zāi)害的發(fā)生;而從更長遠(yuǎn)的時間來看,火山的爆發(fā)是在釋放地球內(nèi)部的能量(主要是熱量),這將加速地球的能量耗散,從而使地球更快地冷卻,降低地質(zhì)活動的數(shù)量,最終影響地球的自然壽命.當(dāng)然地球表面的溫度除了受太陽能量、內(nèi)部能量和人為因素以外,還受太陽在銀河系中公轉(zhuǎn)的影響,地球在某些特定時期曾經(jīng)非常寒冷(如冰河紀(jì)).

圖7 層狀材料中的褶皺與地球上的火山 (a)一座正在噴發(fā)的火山;(b)石墨烯褶皺在氫氣等離子體中處理10 h后的形貌圖片[13];(c) 圖7(b)中不同位置(A,B,C三個區(qū)域)測得的拉曼光譜,結(jié)果表明在褶皺交匯處石墨烯被完全刻蝕掉,而在褶皺上被部分刻蝕掉,在平整區(qū)域變化最小,位于1580和2720 cm—1的G峰和2D峰在平整區(qū)域相對較強(qiáng)Fig.7.The wrinkles in layered material and the volcanoes on the Earth:(a) An erupting volcano;(b) an optical image of graphene wrinkles after 10 hours hydrogen plasma treatment[13];(c) Raman spectra of graphene measured at different locations (A,B,C) in Fig.7(b).The Raman spectroscopy results show that the graphene is completely etched away at the intersection of the wrinkles,and partially etched away on the single wrinkles,with the smallest change in the plane region,and the G and 2D peaks (1580 and 2720 cm—1) measured at flat area are relatively strong.

任何事物都有其兩面性，地震和火山等地質(zhì)活動的發(fā)生表明我們地球仍然處于非常有活力的階段，地球衰亡的過程也是這些地質(zhì)活動逐漸消失的過程；但對于我們當(dāng)今人類社會的活動來講，這些地質(zhì)活動更多的是一種災(zāi)難，因此研究地震等地質(zhì)活動的機(jī)理從而避免和降低自然災(zāi)害的影響，對于人類發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3.5 中國的特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)

中國的地震類型與環(huán)太平洋的地震有很大的不同.中國的地震除了喜馬拉雅山脈、臺灣和東北地區(qū)受板塊間擠壓以外,其他大部分地區(qū)的地震活動都是由于中國特殊的西高東低的地勢結(jié)構(gòu)決定的.從衛(wèi)星圖片和中國以往的地震發(fā)生位置可以判斷,中國大陸可能存在物質(zhì)流動,這類物質(zhì)(石油、天然氣、地下水等可流動的物質(zhì))在地殼的淺層進(jìn)行輸運(yùn),主要是在地表褶皺(山脈)的底下進(jìn)行流動.雖然山脈在地表上看主要是堅(jiān)硬的巖石,但從層狀結(jié)構(gòu)的角度來分析,山脈以下更容易形成物質(zhì)流的通道(圖2(c)),這一點(diǎn)與圖2(d)中的石墨烯褶皺是一樣的,當(dāng)褶皺隆起之后,褶皺下面的三角區(qū)域成為了基底和石墨烯之間的一個微小管道,物質(zhì)可以更容易地在該通道流通.因此在中國主要的大型山脈(如秦嶺、太行山脈和橫斷山脈等)下面有望開采出更多的礦藏資源,如石油和天然氣等.物質(zhì)流主要也是沿著大型的山脈流動,成為中國地質(zhì)活動的主要驅(qū)動力,當(dāng)源自中國西部的物質(zhì)流在某些地區(qū)發(fā)生堵塞、加速或者斷流等現(xiàn)象時都會積累應(yīng)力或改變地層之間的摩擦系數(shù),誘導(dǎo)該地區(qū)產(chǎn)生地震,這種地震不是板塊直接碰撞造成的,而是局部物質(zhì)積累或者流失造成的.從某種意義上來講這是歐亞板塊和印度板塊碰撞后產(chǎn)生的次生地質(zhì)活動,青藏高原被抬高以后,為了保持地球內(nèi)部相同深度的壓力準(zhǔn)平衡，地殼下的物質(zhì)在板塊碰撞的裂縫處先上涌，然后密度較大的流動物質(zhì)再從地勢高的地方移動到地勢低的地方，如水、石油、天然氣等；而密度低的氣態(tài)流體則會往地勢高的地方聚集并溢出地殼，如氦氣.因此，尋找氦氣資源應(yīng)該在地勢較高的地方去勘探，而不是去盆地里.

中國大陸范圍內(nèi)自西向東存在物質(zhì)流動也可以從石油和天然氣的分布上獲得證據(jù),這些資源的分布與中國的地震帶及圖5所示的三條線有密切關(guān)系.中國東北大慶油田與西部的塔里木油田實(shí)際上是一脈相承的,大慶油田正是沿著圖5所示的藍(lán)色線自西往東的物質(zhì)流聚集在松遼盆地周圍產(chǎn)生的.中國西北部與吉爾吉斯坦、塔吉克斯坦、巴基斯坦交界的區(qū)域,一部分物質(zhì)往東流,另外一部分物質(zhì)往西流.在往西流的過程中逐漸形成了下游的伊朗、伊拉克等石油大國的地形地貌(圖8).結(jié)合物質(zhì)流假說和地表的形貌可以判斷出來上游的阿富汗和巴基斯坦也應(yīng)該有相當(dāng)可觀的石油資源,而阿曼灣、波斯灣和阿拉伯海地區(qū)處于這股物質(zhì)流的下游,石油儲量更是多的驚人,幾乎占了目前已經(jīng)探明的世界石油儲量的三分之二以上.長期以來對于中東地區(qū)的石油形成機(jī)理并沒有比較信服的理論,而物質(zhì)流假說可以很好地解釋這一現(xiàn)象.根據(jù)物質(zhì)流假說就可以很好地理解為什么陸地上也有石油,因?yàn)檫@些有機(jī)物本身就是地球形成初期就存在的物質(zhì),也就沒有必要區(qū)分陸相生油和海相生油理論,生物成油學(xué)說也都無需再回答生物是如何死亡、如何被掩埋等問題.

圖8 塔里木盆地形成后西側(cè)的物質(zhì)流,途經(jīng)巴基斯坦、阿富汗、伊朗和伊拉克等國家Fig.8.The matter flow on the west side after the formation of the Tarim Basin,which flow through countries such as Pakistan,Afghanistan,Iran,and Iraq.

塔里木盆地形成后,另外一股物質(zhì)流從西側(cè)往東流(圖9(a)),該過程中遭遇到了特殊的地形結(jié)構(gòu),逐漸的被分流和匯合.鄂爾多斯盆地的形成使得這股自西向東的物質(zhì)流被扭轉(zhuǎn)到朝東南方向流動,同時形成秦嶺地貌.在很長一段時間里,這股物質(zhì)流從甘肅南部與來自青藏高原的物質(zhì)流匯合朝東南方向流動(圖9(b)),造就了中國東南各省的主要地貌結(jié)構(gòu),輻射范圍包括了兩湖、兩廣、浙江、福建、云南、貴州和四川.在漫長歲月中,這股強(qiáng)大的物質(zhì)流不斷受到外部環(huán)境帶來的影響,包括兩湖盆地、湘中盆地和南昌盆地等,這些盆地的形成順序也是有先后的,這一點(diǎn)可以通過山體的走勢進(jìn)行大致地判斷(圖9(c)).物質(zhì)流的北側(cè)沿著隴南市-漢中-十堰-襄陽-安慶-黃山-臺州方向流動,浙江省東側(cè)的東海地區(qū)正是由于處于這股物質(zhì)流的下游,因此蘊(yùn)藏著豐富的石油天然氣,未來有望在浙江和福建兩省沿海周圍發(fā)現(xiàn)新的大油田.中國境內(nèi)的大別山和黃山等都是這股物質(zhì)流作用下產(chǎn)生的.后來這股物質(zhì)流被分流成兩支,其中一支被南陽盆地和南華北盆地阻擋改道朝東北方向流(圖9(f)),而另外一支朝西南方向流(圖9(d)).朝東北的物質(zhì)流形成了太行山、大興安嶺,并且在下游的松遼盆地出形成了中國著名的大慶油田,當(dāng)然也包括渤海灣油田;而朝西南方向流的物質(zhì)流與喜馬拉雅山脈和昆侖山之間的物質(zhì)流匯合,形成了橫斷山脈的特殊地形,下游的緬甸、老撾、越南、泰國和馬來西亞的地貌與這股物質(zhì)流都有密切關(guān)系(圖9(e)),而這些國家的石油和天然氣也都是這股來自中國的物質(zhì)流帶來的.在這個區(qū)域地勢最低的是中國南海,這里應(yīng)該蘊(yùn)藏著這股物質(zhì)流最大的石油和天然氣資源,尤其是中沙群島到南沙群島之間的區(qū)域,該地區(qū)的石油儲量有望和波斯灣媲美,具體數(shù)據(jù)還需要地質(zhì)勘探人員來核算.根據(jù)中國地形地貌和物質(zhì)流的分析可以知道,中國境內(nèi)物質(zhì)流有三個大的流出口分別位于新疆喀什地區(qū)、云南省的西南部和黑龍江與內(nèi)蒙古的北部.如果未來物質(zhì)流假說得到進(jìn)一步的驗(yàn)證,中國應(yīng)該針對這三股物質(zhì)流出口,保護(hù)并利用好境內(nèi)的資源,防止境內(nèi)資源過度的流失.

圖9 根據(jù)物質(zhì)流假說提出的中國地形地貌的演變過程 (a)亞歐板塊和印度板塊撞擊后形成了喜馬拉雅山脈,使得中國境內(nèi)的物質(zhì)流自西向東移動,如紅色虛線所示,藍(lán)色虛線代表塔里木盆地;(b)物質(zhì)流被鄂爾多斯盆地改道朝東南方向流動,形成了中國東南沿海的特殊地形;(c)兩湖盆地,湘中盆地和南昌盆地形成后,物質(zhì)流被進(jìn)一步改道,形成多個山脈;(d)四川盆地的形成使得朝東南方向的物質(zhì)流產(chǎn)生了兩個主要分支,一部分向南流動形成橫斷山脈,另一部分在南陽盆地和南華北盆地的影響下朝東北方向流動,形成了太行山脈和大興安嶺;(e)受四川盆地的影響,朝南的物質(zhì)流繼續(xù)向南流動,對緬甸、老撾、泰國、越南和馬來西亞的地形地貌產(chǎn)生了重要影響;(f)中國目前大陸周邊的主要物質(zhì)流走向示意圖Fig.9.The evolution process of China's topography based on matter flow hypothesis:(a) After the collision of the Asia-Europe plate and the Indian plate,the Himalayas are formed,causing the matter flow in China to move from west to east,as indicated by the yellow dotted line;the red dotted line represents the Tarim Basin;(b) the matter flow is diverted to the southeast by the Ordos Basin,forming a special terrain on the southeast coast of China;(c) after the formation of the two lake basins,the Xiangzhong Basin and the Nanchang Basin,the matter flow is further diverted to form multiple mountain ranges;(d) the formation of the Sichuan Basin caused the matter flow along southeast into two main branches,one of which flows southward to form the Hengduan Mountains,and the other part flows northeastward under the influence of the Nanyang Basin and the South North-China Basin,forming the Taihang Mountains and the Daxinganling Mountains;(e) affected by the Sichuan Basin,the southward matter flow continues to flow southward,which influences the topography of Myanmar,Laos,Thailand,Vietnam,and Malaysia;(f) a schematic diagram of the main current matter flows around China's mainland.

綜上所述,中國的地質(zhì)活動及石油天然氣的分布與中國西高東低的地形有直接關(guān)系.除了喜馬拉雅山脈和臺灣地區(qū),中國的地震災(zāi)害可能都是由于三股主要的物質(zhì)流產(chǎn)生的,因此只要能夠把握這股物質(zhì)流的流動特性就會對中國地震發(fā)生做出更準(zhǔn)確的預(yù)測.石油天然氣等資源的分布看上去與地震活動無關(guān),實(shí)則有非常密切的關(guān)系.石油和天然氣的開發(fā)會對物質(zhì)流產(chǎn)生影響,中國境內(nèi)近代的一些大地震除了自然因素以外,還應(yīng)將一些人為因素考慮進(jìn)去,尤其是在一些大型油氣田的上游及周邊.

為了更好地闡述物質(zhì)流的觀點(diǎn),本文以近幾年四川地區(qū)地震為例進(jìn)行展開說明.四川盆地是中國最大的天然氣工業(yè)基地.據(jù)中石油的最新一次資源評價結(jié)果顯示(2018年),四川盆地天然氣總資源量達(dá)到38萬億方(1方=1 m3),約合300億噸石油當(dāng)量.其中,可采天然氣資源量達(dá)到26萬億方,約合 200億噸石油當(dāng)量,位居全國第一.在2004年,四川盆地天然氣年產(chǎn)量突破100億方.隨后以年均20億方的驚人增速上產(chǎn),并于2015年達(dá)到了300億方的年產(chǎn)量,相當(dāng)于3萬個100 m長寬高的山體體積,如此巨大體積的物質(zhì)不斷地從四川盆地被抽走,導(dǎo)致四周高山地區(qū)的物質(zhì)不斷地往低地勢補(bǔ)充.來自青藏高原的物質(zhì)流(朝東南方向)和從甘南地區(qū)的物質(zhì)流(朝西南方向)在四川西部匯合,隨著四川盆地地區(qū)資源的開發(fā),物質(zhì)流會產(chǎn)生朝東南方向的應(yīng)力,最終有可能是自然因素和人為誘導(dǎo)的因素共同起作用,使得在極其淺層(7—14 km)的地方發(fā)生了這場8.0級大地震.地震發(fā)生后該地區(qū)整體在水平方向朝東側(cè)移動,并且水平高度升高了11—12 m[23],這也有力地證明了物質(zhì)流假說的正確性.

近年來,中國地震局利用定點(diǎn)臺站連續(xù)重力觀測手段,對中國大陸的重力固體潮汐因子進(jìn)行了系統(tǒng)地觀測.固體地球潮汐變化導(dǎo)致地球表面的重力產(chǎn)生周期性的微小變化,稱之為重力固體潮,重力固體潮的潮汐和非潮汐變化是重力場的動態(tài)表現(xiàn),可反映出地球表層環(huán)境和地球內(nèi)部的物質(zhì)運(yùn)動特征.潮汐因子是刻畫重力固體潮潮汐變化的有效參數(shù).潮汐因子并不是一個固定不變的值,而是非常容易發(fā)生變化,這表明地殼中存在一些流動的物質(zhì)使得潮汐因子隨時間發(fā)生變化.這為上面討論的物質(zhì)流提供了非常直接的證據(jù).目前國家地震局利用潮汐因子的變化,推測物質(zhì)流動和聚集的方向,并根據(jù)其變化特征推測未來強(qiáng)震可能的發(fā)生地點(diǎn)[24].通常,區(qū)域物質(zhì)集聚的地方,在重力場的作用下向外擴(kuò)散,地殼發(fā)生“張裂”變化;區(qū)域物質(zhì)流失的地方,在重力場的作用下流入物質(zhì),地殼發(fā)生“壓縮”變化,震例研究表明,地震容易發(fā)生在“張裂”-“壓縮”的轉(zhuǎn)換部位.

需要指出的是,盡管地震的產(chǎn)生原因和誘導(dǎo)因素很多,但是在分析成因的時候要把主要原因和誘導(dǎo)因素進(jìn)行區(qū)分對待.早在20世紀(jì)80—90年代,中國的地質(zhì)學(xué)家周玖等[25,26]就針對中國西南地區(qū)的地質(zhì)活動提出過物質(zhì)流的論述,2010年中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所的白登海等[27]通過對地磁觀測也發(fā)現(xiàn)了中國青藏高原存在兩股巨大的物質(zhì)流.但是本文關(guān)于物質(zhì)流假說的討論與他們的研究不同,本文基于中國地貌的幾何結(jié)構(gòu)和基本的物理原理為出發(fā)點(diǎn),通過礦藏分布及地質(zhì)活動作為印證,系統(tǒng)地解釋了中國宏觀地形地貌的形成順序和演變過程,同時也解釋了中東地區(qū)、東南亞地區(qū)礦藏資源和地形地貌的形成機(jī)理.這一物質(zhì)流學(xué)說對于預(yù)測中國大陸的地質(zhì)災(zāi)害,合理開發(fā)利用礦產(chǎn)資源以及經(jīng)濟(jì)建設(shè)過程中的宏觀布局都有重要意義.

4 地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測

上面對各種地震、火山和海嘯的成因進(jìn)行的分析,有些觀點(diǎn)是在前人的基礎(chǔ)上結(jié)合作者近年來的研究成果提出的新思路.雖然人類在巨大的自然災(zāi)害面前表現(xiàn)得非常渺小,但是當(dāng)理解了其背后的機(jī)理之后則有利于更好地做好預(yù)測和防范.

地震、火山和海嘯都是地殼在應(yīng)力作用下釋放能量的過程,要想在較大時間范圍準(zhǔn)確地預(yù)測這些地質(zhì)活動目前還非常困難,建立準(zhǔn)確的預(yù)測模型需要對地球結(jié)構(gòu)及質(zhì)量分布、不同板塊間力學(xué)常數(shù)(如彈性系數(shù),楊氏模量等)、以及與太陽、月亮的相對位置等信息進(jìn)行系統(tǒng)地分析.雖然經(jīng)過幾個世紀(jì)的積累,地質(zhì)學(xué)家已經(jīng)發(fā)展出了多種預(yù)測地質(zhì)活動的方法,但是到目前為止地質(zhì)活動的預(yù)測仍然缺乏非常有效的技術(shù)手段.遼寧海城里氏7.3級地震是世界上截至目前唯一一次沒有爭議、具有科學(xué)意義和社會效益的成功地震預(yù)報(bào)[28-30].在對前面幾種地質(zhì)活動機(jī)理理解的基礎(chǔ)上,人們應(yīng)該跳出之前的一些思維定式,從原理上出發(fā)來尋找新的預(yù)測手段.下面將主要以地震為主,闡述一下對于地震預(yù)測的一些新見解.

環(huán)太平洋周圍的火山和地震主要是由于地球自轉(zhuǎn)過程中,不同板塊擠壓產(chǎn)生的.這類地震大都是地殼深處的擠壓后斷裂形成的,因此震源深度較深(大于60 km).深源地震常常發(fā)生在太平洋中的深海溝附近.在馬里亞納海溝、日本海溝附近,都多次發(fā)生了震源深度達(dá)五六百公里的大地震.以近代智利和印尼的幾次地震為例:

2018年12 月16日17時42分在印度尼西亞(南緯 3.85°,東經(jīng) 140.29°)發(fā)生 6.0 級地震,震源深度80 km;

2005年3月 28日 23時 09分 (印尼當(dāng)?shù)貢r間),8.7級地震,震源深度46 km;

1934年6 月29日發(fā)生于印度尼西亞蘇拉威西島東的地震,震源深度720 km,震級為6.9級,為目前地震震源最深的記錄;

2018年11 月1日19時19分(北京時間2日6時19分),智利塔拉帕卡大區(qū)伊基克市東北89 km處,震源深度為95 km;

2018年9月 7日 10時 39分在智利發(fā)生5.6級地震,震源深度90 km;

2010年2 月27日,智利第康塞普西翁發(fā)生里氏的8.8級特大地震,震源位于地下60 km,為有史以來的第五強(qiáng)震.

環(huán)太平周圍地震的特點(diǎn)通常是震源深度大、活動頻繁,這類地震在地表非常難以預(yù)測.通過分析震后的橫波和縱波可以判斷震源的大致位置,利用地震波這種機(jī)械波與電磁波的速度差來實(shí)現(xiàn)預(yù)警的方法往往只能在短時間內(nèi)提供信息.原理上,在距離震源50 km內(nèi)的地區(qū),會在地震前10 s收到預(yù)警信息;90—100 km內(nèi)的地區(qū),能提前約20 s多收到預(yù)警信息,因此這種方法很難讓人們有足夠的時間來應(yīng)對.針對板塊交界處的地震(如環(huán)太平洋地震帶),利用高精度空間測量技術(shù),可以建立相對位置的網(wǎng)狀系統(tǒng)來對地震進(jìn)行預(yù)測.由于這類地震是板塊間相對運(yùn)動造成的,受限于目前人類的技術(shù)水平,如果只是探測地下淺層的各種信息往往不能全面地了解各個地區(qū)所受應(yīng)力的大小,因此也就不能準(zhǔn)確地估計(jì)地震的發(fā)生時間、地點(diǎn)和強(qiáng)度.假如在環(huán)太平洋周圍以及太平洋各個島上建立一些精確位置測量系統(tǒng),利用不同地區(qū)間的相對位置變化,就可以較準(zhǔn)確地得知兩個區(qū)域之間相對位置是靠近還是遠(yuǎn)離,或者移動速度是變大還是減小.

中國的火山活動較少,而地震活動較多,并且地震都屬于淺源地震,這也是中國地質(zhì)活動不同于太平洋周圍其他國家的地方.正如前面提到的那樣,中國的地震應(yīng)該主要?dú)w因于西高東低的地勢結(jié)構(gòu),地幔處的流動性物質(zhì)從喜馬拉雅山脈上涌之后從勢能高的區(qū)域流向勢能低的區(qū)域,如果在某些地方物質(zhì)流受到阻礙、截流或者加速等,都會引發(fā)潛在的地震災(zāi)害.陸坤權(quán)和曹則賢等[14,31]從流變學(xué)角度出發(fā),在研究地震機(jī)理時也提出了淺源地震和深源地震都是堵塞-解堵塞轉(zhuǎn)變,是解堵塞后巖石層塊滑移或流動造成的能量釋放,這一觀點(diǎn)與物質(zhì)流的解釋有很多相通之處.張國民等[32]以1970年1月—2000年5月中國大陸震級≥2.0的淺源地震為基礎(chǔ),研究了它們的深度分布特征,結(jié)果表明,中國大陸地震的平均深度為16±7km,東部地區(qū)為13±6km,西部為18±8km,東部比西部平均偏淺5 km,而青藏高原的海拔在3—5 km,平均海拔4 km,這也進(jìn)一步暗示中國東西部之間有明顯物質(zhì)流是符合實(shí)際情況的.

針對中國的地震類型,許多地震學(xué)家提出了多種預(yù)測方法,包括動物行為異常、旱震理論等.大地震前許多動物會表現(xiàn)出行為異常,這種現(xiàn)象在中國的多次大地震中都有記錄,并且得到了國際上地震學(xué)家的高度關(guān)注[12,33-38].日本和美國的地震學(xué)家也曾研究過地震與動物行為異常之間的關(guān)系,但是他們的結(jié)論是二者之間并沒有明顯的聯(lián)系.美國地質(zhì)勘探局的地球物理學(xué)家Andy Michael說[39]:“動物的舉動被太多的因素所干擾,交配、捍衛(wèi)領(lǐng)地、掠食等.很難從中找到與地震相關(guān)聯(lián)的舉動.”德國波茲坦地球科學(xué)研究中心的科學(xué)家通過對新西蘭、日本和意大利的地震進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)地震與動物之間的行為并沒有特別確定的關(guān)系[40].盡管震前動物行為異常的觀點(diǎn)在中國和日本非常流行,并且在中國境內(nèi)成功預(yù)測了幾次大地震,但是西方學(xué)者對動物預(yù)測地震持懷疑態(tài)度.地震前會有超聲波、次聲波、地表溫度變化及微弱的機(jī)械振動等,這些人類不敏感的信號,對于一些動物來說會非常容易感受到,因此這種觀點(diǎn)是有一定科學(xué)依據(jù)的,但為什么這種現(xiàn)象多數(shù)是在中國被觀察到,而在其他地區(qū)不是那么的靈驗(yàn)一直是一個未解之謎.這主要是因?yàn)橹袊牡卣鹋c世界其他地區(qū)的地震成因不同導(dǎo)致的,所以這種利用動物來預(yù)測地震的方法并不具有普適性.中國內(nèi)陸的地震并不是地球板塊運(yùn)動造成的,而是較為緩慢的物質(zhì)流造成的,這種地質(zhì)活動發(fā)生在地表較淺的區(qū)域,并且地震前的變化需要積累較長時間.由于震源淺,并且震前幾天或者幾個月內(nèi)會提前釋放一些信號,這就使得一些動物能夠感受到地表震動前的變化.而對于板塊交界處的地震,震源深,且地震過程時間短,因此地震發(fā)生時信號衰減快,持續(xù)時間短,動物難以感受到次聲波、超聲波、溫度及振動的變化,地震前也就不會表現(xiàn)出異常行為.

除此以外,中國的地震還有一些自身的特點(diǎn),比如大地震前都會有長時間的干旱.1972年,耿慶國[41]提出“旱震關(guān)系與大地震中期預(yù)報(bào)方法”,成功預(yù)報(bào)了1975年的海城地震,特別是1976年的唐山地震.他提出的旱震理論認(rèn)為,6級以上大地震的震中區(qū),震前1—3年半時間內(nèi)往往是旱區(qū).旱區(qū)面積隨震級大小而增減.在旱后第三年發(fā)震時,震級要比旱后第一年內(nèi)發(fā)震增大半級.旱震理論其實(shí)與本文前面提出的物質(zhì)流假說有密切聯(lián)系,通過物質(zhì)流假說可以很好地理解旱震理論的正確性和適用范圍.由于中國西高東低的地勢結(jié)構(gòu),物質(zhì)流遷移過程中會在某些地方發(fā)生堵塞、減速和堆積,在某些局部物質(zhì)被抽空的過程中也會加速上游或周圍物質(zhì)的補(bǔ)充.當(dāng)物質(zhì)在某些區(qū)域流動受到阻礙并逐漸積累時,該地區(qū)就會有逐漸被抬高的趨勢,導(dǎo)致地下水逐漸下移,當(dāng)物質(zhì)流攜帶的物質(zhì)熱量較高時,還會導(dǎo)致該地區(qū)地溫升高,出現(xiàn)暖冬和降水減小等現(xiàn)象.在地震爆發(fā)前,地下水位變化將會更加地明顯.這也就解釋了為什么中國的大地震前幾年都會出現(xiàn)大面積的干旱,并且在地震前幾天會出現(xiàn)地下水位的急劇變化,井水變渾濁,地電導(dǎo)率變化等現(xiàn)象.如果這股物質(zhì)流中攜帶大量的磁性金屬物質(zhì)將會導(dǎo)致地磁場發(fā)生變化.旱震理論雖然被中國的多次大地震驗(yàn)證,但是它對于板塊交界處的國家并不適用,如印尼、日本、智利、美國等國家,因?yàn)檫@些國家的地震大多是板塊交界處的深層地震,地震發(fā)生頻繁、積累時間短或降雨量本身較多,不一定出現(xiàn)明顯的長年干旱現(xiàn)象.特別是對于赤道附近的國家,長年的干旱現(xiàn)象比較少見,如印尼、厄瓜多爾、秘魯、巴西等國家,除了降雨量豐沛以外,該地區(qū)的有些地震也受到南北半球咬合扭轉(zhuǎn)的影響,這些與干旱沒有直接關(guān)系.美國加州自從2011年以來長期處于干旱狀態(tài),根據(jù)旱震理論加州最晚應(yīng)該在三年后的2014年左右發(fā)生大地震,但是8年過去了,人們?nèi)匀粵]有看到旱震理論預(yù)測的大地震的發(fā)生;而印尼的火山和地震等更是難以找到與干旱的相關(guān)性.因此旱震理論是有適用范圍的.

根據(jù)不同的地震成因,科學(xué)家需要尋求不同的預(yù)測手段,并且將多種變化相互聯(lián)系起來,做好長期、中期和短臨的預(yù)測,最大限度地降低地質(zhì)災(zāi)害給人類生活造成的生命和財(cái)產(chǎn)損失.簡單來講,針對板塊交界處的地震活動,人們應(yīng)該通過觀測不同地區(qū)水平方向的變化來判斷地震可能發(fā)生的位置和時間;針對中國的地震災(zāi)害,應(yīng)該在物質(zhì)流假說的指導(dǎo)下主要探測物質(zhì)流流動過程中的變化,以及由垂直方向引起的變化,如干旱、水位變化、地磁和地電導(dǎo)率的變化等,同時結(jié)合宏觀的異常變化,實(shí)現(xiàn)對中國地震從中長期預(yù)測到減災(zāi)時效更好的短臨預(yù)測的轉(zhuǎn)變.

5 結(jié) 論

通過把層狀材料轉(zhuǎn)移到柔性基底上進(jìn)行應(yīng)力加工,制備了層狀材料褶皺的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu).柔性基底與層狀材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)與地球的結(jié)構(gòu)有很多相似之處,地表的山體對應(yīng)層狀材料中的褶皺,而火山對應(yīng)層狀材料褶皺的交匯節(jié)點(diǎn).通過進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn),由于地球的自轉(zhuǎn)和地球質(zhì)量的分布不均,導(dǎo)致地幔上的不同板塊之間會有滑移,成為造成地震、火山和海嘯的主要原因.在地震的分類中,針對其產(chǎn)生的機(jī)理不同分成了上抬型地震、下陷型地震和滑移型地震.通過對赤道附近,尤其是印度尼西亞地區(qū)的地質(zhì)活動和地貌分析,指出了南北半球之間的自轉(zhuǎn)角速度不一致,印度尼西亞和中美洲的特殊地形分布正是由于南北半球之間的轉(zhuǎn)動慣量存在差異,導(dǎo)致在赤道附近產(chǎn)生了咬合和扭轉(zhuǎn)造成的.

通過對中國地形地貌進(jìn)行分析,提出了宏觀的物質(zhì)流假說并進(jìn)行了系統(tǒng)地闡述,指出喜馬拉雅山脈和青藏高原的形成對中國的地質(zhì)活動和礦藏資源分布產(chǎn)生了潛在影響.該理論不僅系統(tǒng)地解釋了中國大陸的地震活動、石油等礦藏分布,還進(jìn)一步指出了緬甸、泰國、老撾及越南的地形地貌、礦產(chǎn)資源與中國境內(nèi)物質(zhì)流的關(guān)系,以及中東地區(qū)如伊朗、伊拉克等地區(qū)石油豐富的可能原因.中國大陸的地震都與源自西部青藏高原及新疆地區(qū)的物質(zhì)流有密切關(guān)系.隨著科技的發(fā)展和生產(chǎn)力水平的提高,中國的地震已經(jīng)不僅僅是一種純粹的自然災(zāi)害,人類的生產(chǎn)活動(如石油、天然氣的開采等)也會誘發(fā)大地震的形成.物質(zhì)流假說與耿慶國先生提出的旱震理論具有相通之處,同時本文也指出了旱震理論的適用范圍.

根據(jù)地震的不同成因,本文提出了針對中國地震和板塊交界處地震預(yù)測的新見解.在板塊交界處,除了常規(guī)的預(yù)測手段以外應(yīng)該重點(diǎn)觀察不同區(qū)域之間相對運(yùn)動速率的變化;而在中國境內(nèi)的地震應(yīng)該主要關(guān)注由物質(zhì)流引起的變化,如地下水位的變化,地表垂直位移的變化等.

本工作從層狀材料的應(yīng)力加工出發(fā),提出了地質(zhì)活動和地球演化的新見解,對于理解地球上的地震、火山和海嘯等自然災(zāi)害的形成以及預(yù)測各種自然災(zāi)害有重要幫助;物質(zhì)流假說為中國境內(nèi)尋找多種礦藏資源提供了新的思路,對于中國未來的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和戰(zhàn)略布局都會有重要意義.