地震,作为自然界最具破坏力的力量之一,往往在一瞬间摧毁城市、改变地貌。然而,你是否想过,地震的背后或许隐藏着一种鲜为人知的“热力密码”?近年来,中国科学院地质与地球物理研究所张旗研究员团队提出了一种令人耳目一新的观点:许多浅源大地震的成因,可能并非单纯的构造活动,而是与炙热的岩浆活动密切相关。这种“热震”理论颠覆了传统认知,为破解地震之谜带来了全新的突破口。唐山、汶川、邢台等一系列震惊世界的破坏性地震,是否都与地下岩浆的隐秘活动有关?答案或许即将揭晓!
地震作为一种破坏性极强的自然灾害,其成因复杂多样,长期以来困扰着科学界。近年来,中国科学院地质与地球物理研究所张旗研究员带领的团队提出了一种全新观点:部分地震可能与岩浆活动密切相关。研究表明,岩浆因其高温特性,与其活动相关的地震被称为“热震”;而传统认为由构造运动引发、无明确热源的地震,则被归类为“冷震”。包括唐山地震、邢台地震、汶川地震、海城地震、松原地震及积石山地震在内的许多破坏性强、震源较浅的地震,可能都属于“热震”。
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地震是一种破坏性极强的自然灾害,其成因复杂,预测难度极大。传统的地震研究以构造地震为主,认为地壳板块运动产生断层位移,从而释放能量引发地震。然而,近些年,中国科学院地质与地球物理研究所张旗研究员团队提出了与传统构造地震理论不同的新思路:有些地震可能是由岩浆活动引发的“热震”,而非传统的“冷震”。
这一理论的核心在于地下超临界流体的相变。研究表明,深部岩浆活动会加热下地壳的变质岩,产生超临界流体。当温度和压力下降时,这些流体转变为气体,体积迅速膨胀,造成高压爆炸,引发地震。这种与岩浆活动密切相关的爆炸地震的直接证据是“隐爆角砾岩”,它标志着震源中心的存在。
与传统构造地震理论相比,爆炸地震理论不仅可以解释构造地震难以解释的现象,还为地震预测和减灾提供了可能性。例如,通过监测岩浆热场和地下气体变化,可以更准确地预测浅源地震的地点甚至临震时间。
这一新理论为地震成因的研究提供了崭新的视角,也为破解地震预测难题带来了希望。通过整合不同学派的研究成果,地震预测技术或许能在未来取得突破,进一步降低地震灾害的风险。
地震破坏性大,地震成因争论大,地震预测一筹莫展。地震成因复杂,按成因分类,大体可分为构造地震与非构造地震两类。构造地震是当前学术界的主流观点。非构造地震种类很多,其中爆炸地震(或隐爆地震)可能是最重要的。爆炸地震理论的核心概念是地下气体爆炸,隐爆角砾岩是爆炸地震的关键证据,隐爆角砾岩(筒)即震源中心。超临界流体转变为气体,气体体积膨胀,进而冲破围岩阻力是导致爆炸的原因。按照构造地震理论,地震是很难预测的,而按照爆炸地震理论,地震是可以预测的。按照构造地震理论,减震防灾是几乎不可能的,而按照爆炸地震理论,浅源地震(<10 km)减震防灾也可能是有办法的。
全球地震频繁,地震破坏性大,地震预测一筹莫展,地震理论争议大,其中,地震能否预测可能是人们最关注的焦点。地震是一种极具破坏性的自然灾害,通常发生在地下深处几千米至几百千米,很难预防预测。但是,并不是没有办法。全球每天发生 10,000 多起地震,其中绝大部分是震级小的地震,人们关注的是浅源的破坏性大的大地震,地震预测也主要关注破坏性大的大地震。
关于地震成因,学术界目前坚持的主流观点仍然是弹性回跳理论[1]。这个理论肯定有它合理的内核。问题是,学术界沿用这个理论解释地震 100 多年,地震预测依然一筹莫展。那么,我们是否应当换一个思路,重新考虑一下地震成因问题呢?
基于弹性回跳的地震预测,在近几十年的实践过程中,并没有很好地给出令公众满意的提示,特别是对于毁灭性的大地震,例如唐山地震、汶川地震等。公众对及时的震前预测性提示的期待,成了我们继续探索地震成因的动力,同时也是我们努力的目标。
1 地震理论新思路
全球地震带分布与全球板块俯冲带、全球火山带分布重叠(图 1),于是人们得出结论:火山和地震均与构造活动密切相关,俯冲带构造是地震的主要机制。这可能就是构造地震理论的主要依据。
如果改换一下思路:全球火山带与全球地震带分布重叠,是否说明地震与火山和岩浆之间有更密切的成因联系和因果关系而不是与板块俯冲作用(构造)有关呢?如图 1 所示,板块俯冲带的确是地震频发区,但是,在板块扩展脊,尤其板内海山(如夏威夷海山链、印度洋东 90°海岭)地震也非常频繁,而上述地区,尤其海山链,那里基本上没有大的构造活动,但火山喷发则频繁发生。火山之所以喷发,是由于岩浆向上挤压冲破上覆围岩阻力导致的。因此,岩浆地震、火山地震、爆炸地震也可能是地震沿板块俯冲带分布的原因。
地震为什么会有震源?如果是构造引起地震,构造呈带状分布,构造地震是否应当是一个面或一个带呢?
换一个思路:震源现象其实是支持隐爆地震理论的,因为隐爆地震可能源于一个点(爆炸中心,图 2),也可能是不规则的非点源。对应的,震源爆炸后固化形成的岩石称作隐爆角砾岩或隐爆角砾岩筒。角砾岩筒是一个柱体,大致垂直于地面(图 3)。隐爆角砾岩筒宽几米、几十米或几百米,最大的可达 1 km(可能是多次爆炸的结果),深度几至十几千米,故隐爆角砾岩筒投影到地面大体是一个点。
大部分地震沿构造带分布,部分地震还产生了地表位移,于是人们依据地表位移推断,地震是断层位移造成的,是断层位移释放应变能产生了地震,谓之构造地震。例如沿安第列斯断层带发生的地震、沿龙门山断裂带发生的地震等。
换一个思路:地震之所以成带分布,也可能是由一个一个震源连接起来的,许许多多大大小小的地震以及余震震源构成了地震带(图 4)。爆炸地震不排斥地震沿构造断裂带分布,是因为隐爆角砾岩多数也是沿断裂带分布的。地震与深部侵入体有关,而侵入体的形态以及许多侵入体的分布总体上是受构造控制的。于是,一个一个震源是沿构造带分布的(图 4)。
什么是爆炸地震?地下深处爆炸所形成的地震谓之爆炸地震。爆炸中心即震源中心,隐爆角砾岩既是震源中心的标志,也是爆炸地震的证据。
图 4 汶川地震震中分布
构造地震机制似乎可以解释沿构造分布的、脆性介质中产生的地震,但是无法解释陆内不位于断裂带的地震和中、深源地震。全球沿俯冲带分布的地震,大陆沿构造带分布的地震,可以用构造地震理论解释(图 1)。陆内陆震就无法用构造地震解释,例如唐山、海城、邢台地震等[5-7,9]。唐山地区无明显的大断裂,有一些小断裂,而唐山地震甚至不在上述小断裂带上[10];唐山地震没有前震,地震是突然发生的,毁灭了一座大城市。邢台地震的前震少,余震频繁,地震造成的地裂缝呈放射状分布[10],也说明不是构造地震所为。虽然汶川地震是在龙门山断裂带上,可是,汶川地震前汶川是被排除在可能发生大地震的预测之外的,可惜不久就发生了汶川里氏 8.0 级大地震。
而隐爆地震既可以解释沿构造带分布的地震,也可以解释板内陆震。沿构造带分布的地震,现象是与构造有关,实际上是可能与侵入体有关(图 4)。
地震是多成因的,构造肯定能够引发地震,我们不否认构造地震成因论。流体爆炸也能引发地震,这也是对的。构造地震理论是目前学术界的主流,但是,构造地震理论并不完美,构造地震有许多很难解释的问题。例如,为什么大地震后没有观测到断层位移?为什么岩石聚集的应变能与大地震释放的能量差几个数量级?在非脆性岩石缓慢加载的地质环境中如何产生构造地震?其实,弹性回跳理论从提出至今已经 100 多年了,没有经过证伪;没有经过证伪的理论只是猜测,还不能称为理论。而爆炸地震理论不同,爆炸地震是根据隐爆角砾岩提出来的,隐爆角砾岩即是古地震的标志,隐爆角砾岩即古地震的震源中心,是经过了证伪的(按照“以古论今”的原则)。虽然爆炸地震理论在学术界目前很少有人认可,但是,爆炸地震理论可能是更接近地震真实情况的。理由如下:
(1) 爆炸地震理论可以解释构造地震能够解释的问题,也可以解释构造地震不能解释的问题。
(2) 对于大地震,构造地震理论很难解释,而用爆炸地震理论很容易解释。
(3) 地震存在震源,这个事实是不利于构造地震而有利于爆炸地震理论的。
(4) 按照构造地震理论,地震是很难预测的,而按照爆炸地震理论,地震是可以预测的,海城地震预测成功即是一个极好的实例。唐山地震虽然没有预测到,但是“青龙奇迹”却见证了科学家对地震的预测能力[10]序2。爆炸地震可以预测的原因在于爆炸前可能会发生气体泄漏,而深部气体有些是有毒有害的(如甲烷、硫化氢等),动物就可以出现异常反应(如鸡飞狗跳、牛马羊不进圈、烦躁不安等),有些人也会感到头晕,地下水质水温会发生变化等,这些都是地震的前兆。由于隐爆角砾岩位于侵入体上方的岩浆热场范围内,如果能够检测到岩浆热场的范围,那么就可以推测出爆炸中心的位置,因为爆炸中心大体应当位于岩浆热场的中心部位,因此,在地震三要素中,目前,至少爆炸地震的地点是可以大致确定的。爆炸地震发生的时间在气体泄漏之后,如果动物有异常反应,且反应比较强烈,则预示地震将在 1 天或几个小时内发生。目前,地震震级确定还有困难,仍然需要大量研究和经验的积累;震源的物质特性、受力特性、温压特性等都影响震级的大小;对地震的发震时间较难以确定。
(5) 按照构造地震理论,减震防灾是几乎不可能的。而按照爆炸地震理论,浅源地震(<10 km)减震防灾是有办法的,是人力可控的。例如在许多油田,地震发生的频率以及震级明显低于油田开发前。胜利油田附近由于深钻多,地震发生的频率明显降低是一个实例。
上述几点的主旨不是在构造地震与爆炸地震之间争长短,而是启迪一种思维。在科学研究中,改换思维是非常重要的。改换思维,比发现真理和发明创造更加重要。
2 隐爆角砾岩:爆炸地震的证据
前面叙述中,提出了地震理论新思维的问题,那么,如何改变思维呢?对于地震这个特定的现象,我们先看事实吧。事实确定无疑了,再考虑是怎么形成的?规模多大?会产生什么效应?如何识别?如何预测?等等。
隐爆角砾岩(角砾岩筒)属于爆炸成因,已经获得大家的公认。实际上,它就是古代地壳中爆炸地震的直接产物。隐爆角砾岩图片见图 5~10,类似的实例还有很多,野外许多地方也可以发现,只是由于不认识,可能不少被遗漏了。例如有些文献提到的流化角砾岩、液化角砾岩、热液角砾岩、硅化角砾岩等,可能都是隐爆角砾岩,甚至某些构造角砾岩也可能是隐爆角砾岩。
Quartzite 为石英岩角砾;Qz + Pl 为早期的充填基质细粒石英 + 斜长石;Cc 为晚期的填充基质方解石 a. 隐爆角砾岩照片,采自矿洞内约 1.5 km 深处的掌子面;b. 隐爆角砾岩手标本;c、d. 隐爆角砾岩显微照片
图 5 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[7]
Gg—花岗岩化片麻岩;Qz—石英a. 隐爆角砾岩野外照片,不同宽度石英脉形成;b. 显微照片
图 6 河北省柳江盆地张崖子村西的隐爆角砾岩[7]
a. 分水岭 ZK0306 钻孔北风化的隐爆流化圆砾岩;b. 后沟 PD51 黄铁矿化皮壳状溶蚀隐爆圆砾岩;c. 螃蟹沟 PD19 黄铁矿化皮壳状隐爆圆砾岩;d. 火古洞沟 PD103 皮壳状溶蚀隐爆圆砾岩
图 7 河南嵩县分水岭 - 后沟一带震源遗迹出露的一级隐爆角砾岩体流化与圆化隐爆圆砾岩[11]
a. 后沟 PD51 平硐终端大型网格状隐爆震裂岩;b. 木头沟 PD02 平硐叠瓦状隐爆震裂角砾岩
图 8 河南嵩县分水岭 - 后沟一带震源遗迹隐爆角砾岩体边缘的大型网格状震裂岩及叠瓦状震裂角砾岩[11]
Qz—石英;Kfs—钾长石;Cal—方解石;Mol—辉钼矿;Deb—岩粉岩屑;Ber—蚀变岩角砾a. 螃蟹沟 PD19 平硐强硅化含角砾隐爆圆砾岩;b. 螃蟹沟 PD21 硅化石英钾长石辉钼矿含角砾圆砾岩;c. 螃蟹沟 PD21 石英钾长石方解石含角砾圆砾岩;d. 螃蟹沟 PD19 强硅化岩砾岩屑角砾岩;e. 分水岭一级隐爆岩体 NW 端 ZK0903 钻孔的岩浆质胶结隐爆角砾岩岩芯(直径 60 mm);f. 图 e 下中部角砾岩的放大图,角砾主要为蚀变片麻岩
图 9 河南嵩县分水岭 - 后沟一带震源遗迹隐爆角砾岩体核心部位出现的隐爆角砾岩及含角砾隐爆圆砾岩[11]
Bt—黑云母;Ms—白云母;pl—斜长石;Qz—石英a. 隐爆角砾岩中的角砾主要呈撕裂状、锯齿状、尖棱状、次尖棱状,角砾可拼合;b. 热液隐爆角砾岩由岩块、角砾及胶结物两部分组成,角砾状构造清楚;c. 花岗斑岩脉枝侵入隐爆角砾岩内,与隐爆角砾岩的界线清晰、截然;d. 石英斑晶主要呈撕裂状、锯齿状、尖棱状、次尖棱状,石英斑晶裂纹发育,无波状消光;e. 碎裂的石英斑晶可拼合,石英斑晶裂纹发育,无波状消光;f. 石英斑晶主要呈撕裂状、锯齿状、尖棱状,基质中的成分与围岩相同
图 10 江西省石门寺矿区隐爆角砾岩野外及镜下特征[12]
3 爆炸地震的实质
爆炸地震理论说的是气体膨胀引发地震,故爆炸地震的实质是高压气体爆炸,隐爆角砾岩就是气体膨胀高压爆炸形成的,即是地震的震源位置。地下哪里来的气体?是从流体转变来的,是超临界流体在临界点压力之下转变为气体时发生的。
流体一般有三态(固态、液态、气态),超临界态是第 4 态(图 11)。例如水即可在不同的温压条件下呈现不同的相态:低温下是冰,常温下是水,温度超过 100℃是气,当温度大于 374.3℃、压力大于 22.1 MPa 时,水即转变为第 4 相态:超临界水。流体组成不同,临界点温度不同。若流体由纯水组成,其临界温度为 374.3℃,随着流体含盐度的增加,临界温度也将不断升高;若流体中溶入 CO₂,随着 CO₂含量增加,临界温度将不断下降[13]。这种超临界现象最早是英国的 Thomas Andrews 于 1869 年发现的。超临界流体分子间力很小,类似气体;密度却很大,接近液体,是一种气液不分的状态,没有气液相界面,也就没有相际效应,因而其溶解能力和萃取能力大为提高。超临界流体是一种可压缩的高密度流体[14-15],尤其在临界点附近,压力和温度的微小变化会使其密度发生很大的变化[16]。产于下地壳底部的流体由于温度压力很高而呈超临界流体(图 11),超临界流体的黏度是液体的 1%,自扩散系数是液体的 100 倍,具有良好的传质特性。
图 12 超临界流体的转变示意(据梁光河,私人通讯)
超临界流体当温度和压力下降时将转变为液体和气体,如果压力降低超过临界压力,按照图 11 的红色箭头所示,超临界流体将转变为气体,体积膨胀几百倍(图 12),许多隐爆角砾岩可能就是这种机制形成的。
如果是温度下降为主,超临界流体将按照图 11 的白色箭头方向转变为流体,不发生隐爆。图 13 模拟了侵入体上方的热结构系统,显示了流体相态的分布,超临界流体(粉红色)转变为常规流体(蓝色)与气体(浅绿色)的部位。
黑色实线为温度等值线;蓝色实线为流体压力等值线;粉红色区域为超临界水(临界点温度和压力分别大于 374℃和 2.086 MPa 的流体);灰色为不可渗透的侵入体;蓝色为两相(液体和气体)共存的区域;浅绿色为温度低于临界温度的单相气体。图中还显示了液体(灰色)和气体(黑色)的流动矢量(在不同的流体相或模拟之间不按比例缩放);a、b、c. 不同时代(距今 7300 年、2750 年、2450 年)岩浆热场温度变化情况
图 13 上地壳浅部超临界流体演变示意[17]
图中展示了美国华盛顿雷尼尔山国家公园中新世 - 上新世的塔图什侵入体的横剖面示意,由于岩体的侵入,在岩体上部形成了许多小构造(裂隙),有利于岩浆贯入形成岩床状、岩墙状以及不规则状的小岩体
图 14 花岗岩上部小岩体形成示意[18]
那么,压力在什么情况下下降呢?应当在形成真空时出现,侵入体上方可以出现这种情况,如图 14 所示。岩体侵入,会对围岩产生挤压,岩体自身也存在一个向上的浮力(图 14)。如果岩体为一穹窿状,岩体上部围岩将产生拉张作用,形成一系列张性裂隙,有利于岩浆贯入形成小岩体[18]。
在侵入体上方,是温度下降的部位,超临界流体很可能在这个部位转变为流体与气体(图 14)。穹窿状的侵入体对围岩的挤压极易形成断裂,断裂形成真空(图 14),压力骤降,超临界流体转变为气体(图 11),气体体积膨胀,形成高压,造成隐爆,导致地震(图 2~3)。
研究表明,全球到处发育的隐爆角砾岩是爆炸作用具有普遍性的典型表现,文献[5]中报道的全球隐爆角砾岩达数千个之多。在中国至少有 440 处发现了隐爆角砾岩[19],其中大约 80%(352 处)为燕山期形成的,79 处为前燕山期的,9 处为喜山期的[17]。Sillitoe[20]总结了与矿石有关的隐爆角砾岩形成的 6 种模式,如岩浆热液角砾岩、热液(火山)角砾岩、岩浆(火山)角砾石、侵入角砾岩和构造角砾岩等。从上述研究看出,隐爆角砾岩与岩浆活动有密切的关系,隐爆角砾岩的下部应当是侵入体。隐爆角砾岩与岩体有关,本质上是与流体有关。隐爆角砾岩的特征是气体爆炸产生的棱角状碎片、网状和锯齿状结构,以及源自岩浆或地热流体的基质(图 5~9)。鉴于隐爆角砾岩与构造角砾岩的区分并不十分清楚,可能有不少隐爆角砾岩被漏报了。
隐爆角砾岩的力学表现即地震,隐爆角砾岩可能是造成地震的重要原因[5,18,20]。地震发生的机制令人困惑,最近,通过研究地震与隐爆的动力学关系,建立了一个新的地震成因模型[18]。世界各地也发现了越来越多的由地表下爆炸产生的隐爆角砾岩。来自地壳深部的高能流体,在向上运移过程中聚集在一些地方,当流体压力超过宿主岩石的承压压力时,流体就会发生爆炸。因此,地质史上盛行的隐爆爆炸产生了无数的古地震。像地热和火山活动一样,这种地质过程永远不会结束。因此,隐爆可以被认为是地震发生的最主要机制[5]。早先认为,地震主要是构造变形引发的,最近,有越来越多的证据表明,许多地震并没有明显的位移,反而伴有强烈的流体与岩浆的迹象,说明地震与流体有关,可能是超临界流体转变为常规流体和/或气体时压力骤然变化、气体体积急剧膨胀导致的。例如汶川地震、唐山地震等[5-9,19]。陈志耕[11]等在东秦岭发现的一个 216.8 Ma 前的 7.0 级隐爆形成的大地震的震源遗迹,该隐爆角砾岩与 I 型花岗岩的侵入有关,是超临界流体转变为常规流体和气体造成的巨大压力超过所处深度的静岩压力与聚压空间围岩的破裂强度极限后,在地壳深部产生强烈隐爆所形成的[6]。杜建国等[5]调查了我国多个隐爆角砾岩出露区域,用流体隐爆合理地解释了地震的成因机制,特别注意到了深部流体在地震孕育过程中的作用,认为许多岩脉群的形成都与流体导致的岩石破裂直接有关,并伴有强烈的地震。梁光河[6]也指出,地震过程实际上是一种地下超临界流体的相变过程,通常表现为流体的退相爆炸。汶川地震后,通过开展地球物理探测发现,地下很可能存在中间岩浆房和原始岩浆房,地震过程中的侵位使得浅部富集 P、S、Fe、Mn 等元素。诸多研究和实例说明,构造地震是一种由断裂运动激发引起的地下隐爆和成矿过程,研究震裂的特征以及伴生蚀变矿物的物性特征对找矿具有一定的指导意义[6]。
隐爆(角砾岩)即地震。它比较合理地解释了那些没有构造变形也能够发生地震的机制,解释了地震为何会引起地下水变质、引发动物异常反应、引发天气异常变化的原因。道理很简单,因为有深部流体上来。
研究表明:
(1) 地球内部和深部存在很多流体,在下地壳温压条件下存在的流体为超临界流体,它具有极强的溶解性和迁移性,且具有萃取围岩中有用金属元素的能力。
(2) 当超临界流体温度压力下降越过临界点,流体体系失衡,流体溶解性急剧降低,导致大量成矿物质沉淀和聚集。许多热液矿床可能就是这个原因形成的。
(3) 超临界流体转变为常规流体和气体,体积膨胀数百倍,强烈挤压围岩,围岩失衡破裂,形成隐爆角砾岩。
(4) 隐爆(角砾岩)即地震,研究表明,大地震大多是流体引发的,说明隐爆可能是地震形成的主要机制。
总之,地下深处为超临界流体,超临界流体相变即产生隐爆角砾岩,隐爆角砾岩有利于成矿,隐爆即地震。综上“四位一体”模式可能是今后值得关注的对象,它既是成矿的部位,也是地震的震中。成矿与地震挂钩,在地震带找矿,可能是一个新的研究方向。
因此,爆炸地震不是流体造成的,而是超临界流体转变为气体时体积膨胀形成的高压引发的,爆炸地震的实质是气体高压爆炸。爆炸地震的关键是超临界流体的作用,超临界流体转变形成的流体和/或气体的温度较低,故由隐爆角砾岩作为震源的地震属于浅源地震。隐爆能否发生的决定性因素是压力骤降,而位于侵入体上方的构造断裂是最可能形成瞬间真空从而导致气体爆炸的。爆炸是压力释放,压力最可能沿构造断裂释放。故爆炸地震理论的基本思路是:超临界流体转变为气体,气体膨胀产生高压,高压导致爆炸,爆炸表现为岩石破碎,构造挤压、错断。因此,无论是构造地震还是爆炸地震,殊途同归,表现的均是构造破坏;构造地震理论认为构造活动是地震的起因,爆炸地震认为流体是地震的起因。起因不同,表现形式基本相同,故区分二者的确有困难。
4 震源的位置、相关流体和岩浆热场
地震有震源,震源的概念恰恰符合爆炸地震理论,因为爆炸地震理论是因爆炸产生的,爆炸是有中心的,爆炸中心即震源(图 2)。即使是隐爆角砾岩筒,由于隐爆角砾岩筒大多与地面大角度相交或大体垂直地面,从地面上来看,也基本上是一个点(图 3)。
爆炸、隐爆是震源的标志。爆炸、隐爆的标志是隐爆角砾岩或隐爆角砾岩筒。
隐爆角砾岩出现在超临界流体转变为常规气体的位置,出现在深部侵入体(隐伏岩体)的上方(图 15),出现在岩浆热场的范围(图 16)。
1—每次爆破开辟的空间;2—爆破的叠加部分;3—最后一次爆破;4—爆破推进后的剩余部分a. 第一次隐爆;b. 第二次隐爆;c. 第三次隐爆;d. 隐爆的全过程
图 15 隐爆角砾岩筒形成演化模式[4]
超临界流体来自下地壳,是地幔上涌烘烤下地壳底部,使下地壳底部的变质岩发生脱水作用,变质岩中的含水矿物(角闪石、绿帘石、黑云母等)脱水形成的。
流体的数量有多少?如果流体的数量微不足道,即无法引起较大的地震。研究表明,脱水作用产生的流体(主要是水)的量很大,远大于来自地幔的水(地幔原则上不存在含水矿物,而下地壳广泛存在含水矿物,除少数榴辉岩外)。如果下地壳主要是斜长角闪岩组成的,角闪石的质量分数为 30%,角闪石中水的质量分数为 3%,则变质岩水的质量分数为 1%。如果地幔上涌的范围是 100 km×100 km×4 km,则影响的体积是 40,000 km³,脱水作用产生的流体体积即为 400×3=1,200 km³(设变质岩密度为 3 g/cm³,水密度为 1 g/cm³)。脱水作用产生的水的分配非常复杂,如果假设其中的 1/3 是自由水,1/3 加入了部分熔融形成花岗质熔体,还有 1/3 返回到残留的变质岩中去。那么,自由水为 400 km³,如果只有其中 5%(质量分数)的自由水可以上升到地壳浅部,也达到可观的 20 km³了。
下地壳流体如何上升到地壳浅部?深部流体不可能到处上升,由于地热梯度,地热场的作用,分散的流体不可能上升到地壳浅部,只有在岩浆岩发育的部位及其附近的流体有可能沿着岩浆岩侵位形成的岩浆热场上升(图 16)。其余没有侵入体的地方,由于温度场的温度很快降低,高温流体只能到达中地壳,而很难上升到地壳浅部(图 16~17)。
图 16 热液矿床成矿四阶段及下地壳超临界流体形成演化示意
①隐伏岩体;②超临界流体分布范围;③常规流体与气体;④小岩体(岩墙、岩脉、岩枝、岩床等);⑤隐爆角砾岩;⑥大气水(地下水)临界面;⑦最佳成矿部位(白色方框);⑧最佳成矿部位的地表显示
图 17 隐伏岩体 + 流体成矿模型示意
图 16 中示意地表示了热液矿床形成的 4 个阶段(产生 - 循环 - 上升 - 沉淀),还表示了水平分布的地热场与围绕侵入体分布的岩浆热场之间的关系,A、B、C 示意地表示了 3 个侵入体。图 16 表明:下地壳弥漫了超临界流体(黑色小箭头所示),其中只有位于某些侵入体(如侵入体 B、C)下方(白色方框内)的流体可以到达地壳浅部(A 岩体存在岩浆热场,但是没有流体叠加),其他部位的超临界流体绝大部分都消失在下地壳上部或中地壳;隐爆角砾岩(黄色三角形所示)位于岩浆热场的范围、侵入体的上方以及超临界流体临界面的上方;地下水临界面(蓝色虚线所示)代表地下水的下界面,在侵入体上方的地下水临界面位置下移[21],可能是由于位于岩浆热场范围内的地下水与深部流体进行了广泛的交流使地下水进入更深部位所致。因此,处于侵入体之上和地下水临界面上方的隐爆角砾岩范围可能是最佳成矿部位,大体相当于图 17 中的白色方框范围(含矿流体、气体与地下水交汇区,小岩体以及隐爆角砾岩也主要位于该区)。
许多人主张流体可以沿构造断裂带从深部上来。构造断裂是脆性的,在上地壳可以发生剪切、伸展、拉张,至塑性的中地壳和下地壳,将转变为塑性断裂(如韧性剪切带),表现为强烈的塑性变形。故如果流体沿断层出现,断层下部很可能触及了地壳浅部的隐伏岩体,至少接近了岩浆热场。
岩浆热场理论是张旗等在 10 年前提出来的[22-30],主要是为了解决岩体与流体之间的关系,解决流体是如何上升的,成矿与岩体的关系等而提出的(图 18)。
大体以 100℃为界,热液矿床成矿受岩浆热场控制,温度低于 100℃,空间超出 100℃线的范围,即不利于成矿了。这个范围也是“就矿找矿”的边界
图 18 岩浆热场示意[31]
炽热的岩浆岩侵入在地壳中,会在其周边围形成一个热场,可称为“岩浆热场”。“岩浆热场”并不是一个新概念,相关的内容早已出现在国外文献中了,如国外文献对 heat transfer,thermal effect,heat process,thermal gradient(热传递、热效应、热过程、热梯度)等的研究[27-28]。国外研究没有形成一个统一的术语,也不用“岩浆热场(magma-thermal field,MTF)”这个术语。国内学者王伏泉[32]、罗文积等[33]和於崇文[34]等最早对岩浆热场进行了研究,其中罗文积等[33]给予岩浆热场概念以精辟的阐述,他们是“岩浆热场”学说的先行者和开拓者。
“岩浆热场”是指:在一个很短的时间内,在一个局部的地区出现的岩浆活动,使该区域地热梯度明显上升,形成一个局部区域的瞬间热场。热场的规模通常很小,离岩体约几米至几千米。热异常和等温线叠加在地热场之上,大体垂直于地热场分布(图 17)。岩浆热场范围的大小和形状与侵入体的温度、成分、形态、大小、侵入深度以及流体、构造、围岩性质等有关。岩浆热场与地热场不同,包括它们各自热的来源不同、热的分布不同、地温梯度不同、热场规模不同、持续的时间不同、热与流体的关系不同以及研究方法不同等[22-25]。
岩浆热场说是建立在岩浆物理学、岩浆动力学、岩浆热力学和流体动力学基础上的,它依赖于对岩浆的形成、侵位、冷却、固结及其对围岩的影响等知识的了解。牵涉到岩浆的温度、压力、黏度、密度、流变等基本问题。岩浆热场学是地热学的一个分支学科[22-24],岩浆热场是叠加在地热场之上的(图 16);地热场是全球性分布的,岩浆热场是局部的;地热场基本上是静态的,岩浆热场则是动态的、瞬间(几百年至几十万年)出现和消失的;地热学研究现代热场的分布、变化及其应用;岩浆热场学研究古代岩浆侵入导致的热场分布、变化及其应用。地热场是排斥流体的,岩浆热场则是需要流体的。岩浆热场是流体赖以循环、上升、汲取地壳中有用金属元素的重要场所。
岩浆热场是矿床学研究的一个重要理论,它探讨的是岩浆与成矿(包括金属与非金属固体矿床、油气及煤等能源矿床、变质热液矿床、沉积热液矿床等)的关系,具体体现了成矿的四阶段理论。矿床学研究中的超临界流体问题、隐爆角砾岩问题、地下水与成矿的关系问题以及隐伏岩体找矿问题等,均是以岩浆热场理论作为基础的。在这里,岩浆岩侵入带来的热是根源,热导致流体的转变是关键,含矿流体转变成矿是结果。
此外,岩浆热场还是超临界流体上升的部位,是超临界流体转变为常规流体与气体的部位,是隐爆角砾岩出现的部位(图 3,图 16~18),是成矿的有利部位,是地下深处地震的震源部位。因此,岩浆热场理论是一个多用途的理论。
(1) 爆炸地震理论的核心概念是地下气体爆炸、隐爆引起地震,故隐爆角砾岩是隐爆、爆炸的证据,隐爆角砾岩或隐爆角砾岩筒即震源的位置。
(2) 隐爆的原因是超临界流体转变为气体,气体体积膨胀,压力增加数百甚至数千倍(水与蒸汽的体积比是 1:1673)[35],高压气体冲破围岩阻力导致的。
(3) 地震地点预测的方法:查明全国或部分重点地区的局部地热场异常(岩浆热场),监测正在活动的有流体和气体伴生的地热场异常,即可准确预测可能发生地震的地点。
(4) 地震发生的时间,即超临界流体转变为气体时体积膨胀形成的高压冲破围岩阻力发生爆炸的时间,此即地震发生的时间。这个时间很难预测,需要监测震源部位压力的变化、流体、气体的变化,查明变化的拐点,积累经验,才有可能预测,但是,准确预测很难。
(5) 地震震级取决于流体的数量、气体体积膨胀的规模、围岩阻力的大小,以及断层、地层情况,围岩封闭的情况等,许多目前还不了解。
(6) 本方法仅能预测浅源地震,不能预测深源地震。由此带来的一个优点是有可能采取打深钻尽可能接近隐爆中心,释放压力,减震防灾。
5 不同地震理论,相同预测目标
地震的表现是地下发生了破坏,地下破坏是非常复杂的,包括岩石破碎、破裂,地层折断,地块错断、滑移、挤压、弯曲、变形等。地震的地表表现则是地面震动、断裂滑移以及由此引发的一系列效应(大气、地下水、雷电、人体及动物的异常反应等)。
地表破坏。地表破坏一般是地下破坏的降级反应,一个是构造破坏强度的降级,另一个是破坏复杂性的降级。强度降级是很容易理解的,震源浅,降级可能不明显;震源深,降级反应可能就比较明显了。例如地下 10 km 处如果出现 100 m 的断距,延伸到地表可能仅几米了。故地表所见的构造破坏强度不一定代表震源区破坏的强度。构造复杂性降级主要表现的是地下深处复杂变动的简化反应。例如,地下爆炸可以造成震源区岩石大量破碎、地层滑移、地块位移、扭曲、褶皱、折断等,上述复杂的破坏到了地表就被简单化了,主要表现为上下左右的震荡与地表褶皱扭曲滑移等。
地震破坏。地震破坏第一种可能,正如构造地震认为的那样,是构造活动主导的;第二种可能是爆炸引起的,其地表表现与构造地震的地表表现可能是相近的。构造地震认为是构造活动主导的,这是可能的。地震破坏,也可能是爆炸的,其地表表现与构造地震的地表表现可能是相近的。爆炸带来的破坏本身就是构造破坏。构造诱发的地震可以造成地表断裂、错断;爆炸诱发的地震也可以造成地表的断裂、错断,没有本质的不同。由此,爆炸除了中心区是岩石爆裂破碎外,仍然是以构造断裂活动为最重要的表现。这个现象与构造地震理论导致的结果可能是很难区分的。因此,一个现象可以有多种不同的原因、多种不同的解释。许多不同成因引发的地震的地表效果也可能是大致雷同的,如果一定要分出个子丑寅卯,可能是无能为力的。
因此,研究地震,无须在地震理论上争个高低优劣,也无须在不同地震理论的野外现象区分上耗费精力,而应当在地震预测上能够有所作为。构造地震理论认为是构造诱发地震,其实,构造地震理论并不排斥流体的作用,只是认为流体是附带的作用而已。而爆炸地震认为,超临界流体转变为气体诱发的破坏,破坏的力优先沿着构造断裂扩展,其唯一的、最重要的表现即断裂走滑位移,其效应与构造地震的破坏作用很难区分。因此,尽管学术见解不同,仍然是有共同语言的。
因此,殊途同归,构造地震理论也罢,流体地震理论也罢,爆炸地震理论也罢,尽管预测的理论依据不同、准确度不同、方法不同,但能够预测地震即可。我们要做的是:吸收各派理论的可取之处,吸收各派理论有益于地震预测之处,采用大数据方法,综合归纳分析,得出最佳的地震预测方法,这也是今后地震预测的一个出路。
6 结论
(1) 地震破坏性大,地震理论争议大,地震预测一筹莫展,地震问题多多。上述四句话描述了地震学界目前面临的状况。
(2) 地震成因复杂,大体可分为构造地震与非构造地震两类。构造地震是目前学术界的主流见解。非构造地震种类很多,如流体地震、隐爆地震、垮塌地震、核爆炸地震、人工地震等。其中最重要的可能是隐爆地震或爆炸地震。爆炸地震是由岩浆活动引发的,岩浆是热的,故爆炸地震属于热震;相对而言,构造地震因无明显热源,则为冷震。
(3) 爆炸地震理论的核心概念是地下气体爆炸,隐爆角砾岩是爆炸地震的证据,隐爆角砾岩(筒)即震源中心。超临界流体转变为气体,气体体积膨胀,进而冲破围岩阻力是导致爆炸的原因。超临界流体来自下地壳,是地幔上涌加热下地壳变质岩导致脱水作用产生的。超临界流体只有沿着岩浆热场才能上升到地壳浅部,在地壳浅部温度和压力下降超过临界点温度和压力后发生的。
(4) 爆炸地震理论可以解释构造地震能够解释的问题,也可以解释构造地震不能解释的问题,尤其是浅源的、破坏性大的大地震,构造地震理论很难解释,而用爆炸地震理论很容易解释。地震存在震源中心,这个概念与事实本身是不利于构造地震而有利于爆炸地震理论的。
(5) 按照构造地震理论,地震是很难预测的;而按照爆炸地震理论,地震是可以预测的。在地震三要素中,目前,至少地震地点是可以精准预测的,时间与震级还有困难,但是地震发生时间和震级的控制因素是明白的,临震预测需要大量研究和经验的积累。按照构造地震理论,减震防灾是几乎不可能的,而按照爆炸地震理论,浅源地震(<10 km)减震防灾是有办法的,可能是人力可控的。
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