陳立軍，胡奉湘，陳曉逢

(湖南省地震局，湖南 長沙 410004）

0 前言

作者在研究大陸漂移、板塊構(gòu)造、地質(zhì)力學、地幔柱理論的基礎(chǔ)上，提出了地震地熱說（eismo-geothermics）[1、2]。地震地熱說認為，全球有兩大構(gòu)造系統(tǒng)，即由24個地震柱組成的M型熱機帶和由大洋中脊組成的W型冷機帶（圖1）。熱系統(tǒng)主宰全球幾乎100%的7級以上殼內(nèi)強震和近90%活火山的災變，冷系統(tǒng)則統(tǒng)領(lǐng)全球殼內(nèi)應力場的調(diào)整和緩慢的大陸漂移運動。

地震柱概念（seismic cylinder）區(qū)別于傳統(tǒng)的地幔柱概念（mantle plume）。地幔柱理論誕生于1971年，Morgan提出全球約有20個“熱點”，并認為熱點源區(qū)物質(zhì)對流上升，其結(jié)構(gòu)類似于 “直達深部地幔的管子”，植根于地幔深部，且位置相對固定，從而解釋了地表“熱點”位置相對固定的特點[3]。該理論因為無法驗證而遭到諸多質(zhì)疑[4、5]。

本文的地震柱概念，是指由中、深源地震活動、殼內(nèi)地震和活火山所構(gòu)成的地幔深部或上地幔內(nèi)中、深源地震震源密集、頂點向下的圓錐形柱狀地質(zhì)體。因此，地震柱的劃分是以地震和火山活動的共同特征來確定的，是地幔深部能量與地表能量交換的穩(wěn)定通道，具有可視性、唯一性、獨立性和穩(wěn)定性。地震柱形狀類似于樹，具有樹根、樹干和樹冠，姑且稱之為樹型構(gòu)造。同一個地震柱內(nèi)，可以是單樹型、雙樹型或多樹型的構(gòu)造。還有樹杈型，即同一個樹根和樹干上帶有多個樹杈的。全球共計定義了21個Ⅰ級地震柱，3個Ⅱ級地震柱。Ⅰ級和Ⅱ級地震柱的分支又可衍生出26個Ⅲ級地震柱。地震柱的編號與命名結(jié)果見表1。

圖1 全球地震柱分布圖Fig.1 The distribution map of seismic cylinders on the Earth

表1 全球地震柱命名 （修訂版）Table 1 The names of global cylinders and it's degree (Revised edition)

研究結(jié)果表明，地震柱內(nèi)部的中、深源地震以熱能形式自下而上逐層驅(qū)動，到達殼內(nèi)并推動地殼構(gòu)造活動，引發(fā)殼內(nèi)強震與火山噴發(fā)，最后通過近地表層晚期隨機地震活動將剩余能量消減完畢，構(gòu)成完整的地震鏈過程。如此往復，周而復始，24個地震柱活動錯落交替，構(gòu)成全球地震與火山活動復雜的過程與格局[2]。

地震柱的活動機制區(qū)別于“俯沖”和“碰撞”之說，是一種熱能的活動而不是冷物質(zhì)的機械運動。因此，本文將引用國內(nèi)外科學家們所做的地震層析成像技術(shù)的成果，就地震柱的物理屬性進行初步的討論。

2 地震柱的地震層析成像證據(jù)

據(jù)江國明等介紹[6]，自從Aki和Lee的開創(chuàng)性工作以來[7]，天然地震層析成像方法已成為人們研究地球內(nèi)部速度結(jié)構(gòu)的一種非常有效的工具。根據(jù)所用的地震數(shù)據(jù)不同，地震層析成像法可分為體波成像和面波成像；根據(jù)震源是否在研究區(qū)域內(nèi)，體波成像又可分為近震層析成像和遠震層析成像。由于近震射線在地殼內(nèi)的交叉較好，所以近震成像法適合研究地殼及上地幔頂部的速度結(jié)構(gòu)[8]，而遠震射線在區(qū)域地震臺網(wǎng)下的上地幔內(nèi)交叉較好，因此遠震層析成像法在研究上地幔速度異常分布、地幔柱形態(tài)以及俯沖帶速度結(jié)構(gòu)等方面均具有直接、快捷的優(yōu)勢[9]。

本文收集國內(nèi)外專家的工作成果200余篇，將其中與地震柱直接有關(guān)的結(jié)果羅列如下。這些工作成果都是用于證明“俯沖帶”速度結(jié)構(gòu)的，作者用以證明地震柱的速度結(jié)構(gòu)，也算是對這些工作成果的另類解釋。

2.1 南美洲地震柱的地震層析成像證據(jù)

據(jù)J.Trampert等的研究結(jié)果[10]，可以給出南美洲地震柱的物理結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2a為該地震柱內(nèi)部中、深源地震震源用Origin軟件繪制的三維立體分布圖像，包括南智利地震柱和北智利地震柱，圖2b為地震柱內(nèi)P波高速異常體的大致圖像，是由Trampert的平面圖像換算為三維坐標后用Origin軟件繪制的立體圖像（下同）。由圖可見，圖2a、b兩圖的空間圖像是大致相似的，說明南智利地震柱和北智利地震柱應該是一個P波高速異常體。

圖2 南美洲兩地震柱及其地震層析結(jié)果立體圖像示意圖Fig.2 The sketch map of fast anomalous body of P wave in 2 seismic cylinders in South America

2.2 危地馬拉地震柱的地震層析成像證據(jù)

據(jù)S.Husen等的研究結(jié)果[11]，可以給出危地馬拉地震柱的物理結(jié)構(gòu)如圖3所示。由圖可見，本地震柱應該是一個P波高速異常體。圖3b地震層析結(jié)果的研究區(qū)范圍偏窄，未能覆蓋整個地震柱，因而造成左右兩圖的位置偏離。

圖3 危地馬拉地震柱及其地震層析結(jié)果立體圖像示意圖Fig.3 The sketch map of fast anomalous body of P wave in Guatemala seismic cylinder in Central America

2.3 鄂霍次克海地震柱的地震層析成像證據(jù)

據(jù)Guoming Jiang[12]和江國明[6]的研究結(jié)果，可以給出鄂霍次克海地震柱的物理結(jié)構(gòu)。如圖4所示。圖4a中未包含白令海地震。由圖可見，本地震柱也是一個P波高速異常體。但是，圖4a和圖4b存在較大的偏差，可能出于如下原因。

（1）地震層析的數(shù)學模型問題，或者地震層析的空間范圍與地震柱不完全匹配。

（2）或許，本地震柱的中、深源地震主要活動在高速異常體旁的低速層內(nèi)。

目前來看，第一種可能性要大一些。遠震層析中上地幔內(nèi)的交叉尺度較大，肯定存在一定的系統(tǒng)誤差，因而要確定高速異常體的準確位置有待專門的地震層析研究。

2.4 湯加地震柱的地震層析成像證據(jù)

據(jù)J.P.Brun、Dapeng Zhao和Serge Lallemand的研究結(jié)果[13～15]，可以給出湯加地震柱的物理結(jié)構(gòu)，如圖5所示。圖5a包括東湯加地震柱和西湯加地震柱。由圖可見，這兩個地震柱同樣是P波高速異常體。圖5b中向上有兩個分枝，分別對應東、西兩個地震柱。

2.5 地中海地震柱的地震層析成像證據(jù)

據(jù)J.P.Brun[13]、M.Nafi Toksоz[16]和W.Lowrie[17]的研究結(jié)果，可以給出地中海地震柱的物理結(jié)構(gòu)如圖6所示。由圖可見，本地震柱亦是P波高速異常體，而且具有3個分支，即意大利分支、土耳其分支和伊朗分支。3個分支由西向東漸弱，波速異常與地震柱活動水平相一致。圖6a中不含興都庫什地震，因此圖6a、b兩圖在興都庫什地區(qū)有所差異。

圖4 鄂霍茨克地震柱及其地震層析結(jié)果立體圖像示意圖Fig.4 The sketch map of fast anomalous body of P wave in Okhotsk seismic cylinder

圖5 湯加地震柱及其地震層析結(jié)果立體圖像示意圖Fig.5 The sketch map of fast anomalous body of P wave in Tonga seismic cylinder

3 非地震柱熱點的地震層析成像證據(jù)

在所檢索到的200多篇文獻中，未發(fā)現(xiàn)不存在地震柱的地方出現(xiàn)明顯的P波高速異?，F(xiàn)象。相反，在冰島和夏威夷兩地，火山活動十分活躍，但是沒有中、深源地震活動，不能定義為地震柱，其波速異常情形也與地震柱的情形迥異。

據(jù)G.R.Foulger等[18]的結(jié)果，可以給出冰島的熱柱結(jié)構(gòu)如圖7a所示，據(jù)Dapeng Zhao[19]的結(jié)果，可以給出夏威夷的熱柱結(jié)構(gòu)如圖7b所示。由圖可見，這兩個熱點都是P波低速異常體。

圖6 地中海地震柱及其地震層析結(jié)果立體圖像示意圖Fig.6 The sketch map of fast anomalous body of P wave in Mediterranean seismic cylinder

圖7 冰島和夏威夷的地震層析結(jié)果立體圖像示意圖Fig.7 The sketch map of slow anomalous body of P wave in Iceland and Hawaii

4 關(guān)于地震層析結(jié)果的若干假定

上述已經(jīng)考察過的7個地震柱均為P波高速異常體，其中包括南美洲（含01號南智利和02號北智利）、03號危地馬拉、06號鄂霍次克海、湯加（含14號西湯加和15號東湯加）和19號地中海地震柱。其實也還有關(guān)于04號海地[10]、05號白令海[12]、07號日本[19]、08號中國琿春[19、20]、馬里亞納海溝（含09號北馬里亞納和10號南馬里亞納）[21]、11號臺灣及琉球[19、21]、16號印尼、18號興都庫什[16]、21號南桑威奇[10、22]、F3號北美洲等地震柱的零星資料，同樣也具有P波高速異常體的特征。相反，在沒有中深源地震而有火山活動的地方，比如冰島和夏威夷，地震層析結(jié)果則表明為P波低速異常體。

是什么原因造成如此涇渭分明的差異？這里可能涉及到深源地震的成因。1970年代以前就有關(guān)于深源地震機制的相變說[23]。但是，此說是基于俯沖帶冷物質(zhì)亞穩(wěn)態(tài)相變的，只是將地表地震的斷裂錯動機制拓展到了幾百公里深度以下。

然而，深源地震全部集中在地震柱之內(nèi)。地震柱是一種P波的高速異常體，表現(xiàn)為熱能上涌的模式[2]，不能沿用殼內(nèi)地震的斷層破裂機制，必須另辟蹊徑。因此，本文引入了C.E.Brennen的空化理論[24]：在一定的熱力學條件下，地震柱內(nèi)部可能產(chǎn)生空化現(xiàn)象，由相變-成核-生長-潰滅而完成深源地震的孕育與破裂機制。

沿此思路，并參照李四光的地質(zhì)力學理論[25、26]，本文提出了關(guān)于波速異常的如下若干假設。地震層析中P波速度的定義為：

式中M為P波的彈性模系數(shù)，M=K+4μ/3，ρ為波動介質(zhì)密度。在假設存在上涌侵入體而且假設M不變的情況下（一級精度近似的條件下），則Vp只與密度ρ有關(guān)，于是可以提出關(guān)于P波速度異常的如下假定：

假定1：在地球自轉(zhuǎn)角速度變更的適當相位，部分地幔深部重物質(zhì)沿著某種習慣性通道向地表方向甩出，形成上地幔的某種熱柱，構(gòu)成地震、火山、大陸漂移的主要能源來源。

地球自轉(zhuǎn)角速度變更的適當相位，地幔深部上涌的重物質(zhì)由于向心力和重力作用回落；周而復始，構(gòu)成熱柱的活動韻律。

假定2：部分熱柱滿足空化的熱力學條件，由相變-成核產(chǎn)生空泡或空泡流，構(gòu)成地震柱。地震柱內(nèi)空泡逐漸生長并上升到一定深度潰滅，形成中、深源地震活動，釋放熱能，并由下而上構(gòu)成逐層驅(qū)動之勢。由于空泡或空泡流的存在，使得地震柱內(nèi)物質(zhì)密度低于柱外環(huán)境物質(zhì)，從而形成P波的高速異常體。

假定3：部分熱柱不滿足空化條件，沒有中、深源地震活動，但由于地幔上涌物質(zhì)密度略高于環(huán)境物質(zhì)，從而形成P波的低速異常體。

假定2類似熱機工作原理，適用于全球24個地震柱。引發(fā)6級、7級、8級的中、深源地震所需空泡尺寸很大，因此地震越活躍的地震柱內(nèi)P波高速異常的反差越大。從圖2至圖6中b圖的圖例可以定性地確定異常反差的大小。假定3適用于冰島、夏威夷以及大洋中脊帶內(nèi)有火山和淺源地震而無中、深源地震活動的地區(qū)。

5 討論和結(jié)論

本文根據(jù)地震地熱說的原理，收集國內(nèi)外大量地震層析成像成果，研究了全球24個地震柱的物理特性。研究結(jié)果表明，地震柱屬于P波的高速異常體。高速異常體的形態(tài)與地震柱內(nèi)中、深源地震活動的的立體分布基本吻合，因而與地震柱內(nèi)的本尼奧夫剖面也基本一致。于是，本尼奧夫剖面和P波的高速異常體構(gòu)成了地震柱的兩個重要的物理屬性[28]。

在地震地熱說的原理中我們知道，本尼奧夫剖面只能存在于地震柱的內(nèi)部，橫向無法擴展，相鄰地震柱的本尼奧夫剖面也無法相互溝通[2]。盡管地震層析并不像本尼奧夫剖面那樣確定，而且在巖石圈內(nèi)由于巖體密度差異較大而使得P波速度的擾動較大，但是在一定深度以下，上地?；虻蒯Ｉ畈浚琍波速度的擾動將趨于穩(wěn)定。似乎可以推論，深部的P波高速異常體也只能存在于地震柱的內(nèi)部，橫向無法擴展，相鄰地震柱的高速異常體也無法相互溝通。

因此，人們將圖1上24個地震柱所處的M型熱機帶定義為"俯沖帶"，可能是一種思維方法的錯誤。盡管圖上看起來24個地震柱比較密集分布，但是這些地震柱只是一些深度達到數(shù)百公里的圓錐體，除了太平洋西岸部分地震柱間距較小，大多數(shù)地震柱間距都在1 000 km以上，其P波高速異常體和本尼奧夫剖面又都受到空間尺度的限制，根本無法橫向勾連，無法成帶。人們發(fā)現(xiàn)了本尼奧夫剖面，也發(fā)現(xiàn)了P波高速異常體，在深度上的圖像很漂亮，于是在寬度上加以盲目擴展，構(gòu)成大量的板塊俯沖帶模型[27]，顯然是在無意中夸大或誤解了地震柱的這兩個物理屬性。

加之，地震柱內(nèi)部的活動機制也并非冷物質(zhì)的俯沖，但這不在本文的討論之列。但是，無論怎么說，試圖用“俯沖”和“碰撞”的概念來萬能地解釋M型熱機帶上占全球90%以上的所有殼內(nèi)強震和火山噴發(fā)的災變，是容易使得人們思想僵化的。人們只要聽說日本9級地震是碰撞和俯沖造成的，于是就不求甚解了。

地震柱是地震地熱說賴以生存的構(gòu)造基礎(chǔ)和物質(zhì)基礎(chǔ)，是與當今流行的地質(zhì)學派[29～32]諸如板塊構(gòu)造、地質(zhì)力學和地幔柱理論的最大區(qū)別。深入解讀地震柱的物理屬性及其構(gòu)造學意義，或許能為構(gòu)造地質(zhì)學和地球動力學帶來革命性的大討論。

致謝：本文得到楊馬陵研究員、許昭永研究員、施行覺教授、馮德山教授等的全力支持。

[1]陳立軍.中國地震震源深度與強震活動狀態(tài)研究[J].地震地質(zhì)，2000，22(4)：360-370.

[2]陳立軍.地震地熱說原理與應用[J].內(nèi)陸地震，2012，26(2)：108-122.

[3]G.F.Davies.地幔柱存在的依據(jù)[J].科學通報，2005，50(17)：1801-1813.

[4]G.R.Foulger.地幔柱：為什么現(xiàn)在懷疑?[J].科學通報，2005，50(17)：1814-1819.

[5]牛耀齡.關(guān)于地幔柱大辯論[J].科學通報，2005，50(17)：1797-1800.

[6]江國明，趙大鵬.張貴賓.遠震層析成像中的地殼校正研究及應用 [J].地球物理學報，2009，52(6)：1508～1514.

[7]Aki K， Lee W H K.Determination of three dimensional velocity anomalies under a seismic array using first Parrival times fromlocal earthquakes[J].A homogeneous initial mode1.J.Geophys.Res.1976， 81： 4381～4399.

[8]田有，趙大鵬，孫若昧，等.1992年美國加州蘭德斯地震一地殼結(jié)構(gòu)不均勻性對地震發(fā)生的影響[J].地球物理學報，2007，50(5)：1488-1496.

[9]趙文津，薛光琦，吳珍漢，等.西藏高原上地幔的精細結(jié)構(gòu)與構(gòu)造-地震層析成像給出的啟示[J].地球物理學報，2004，47(3)：449-455.

[10]J.Trampert,Robert D.van der Hilst.Towards a quantitative interpretation of global seismic tomography.interpretation of tomography.Earth's Deep Mantle:Structure,Composition,and Evolution Geophysical Monograph Series 160[J].Copyright 2005 by the American Geophysical Union 10.1029/160GM05.P47-62.

[11]S.Husen,R.Quintero,E.Kissling et al.Subduction-zone structure and magmatic processes beneath Costa Rica constained by localearthquake tomography and petrologicalmodelling [J].GeophysJ.Int，2003，155,11-32.

[12]Guoming Jiang,Dapeng Zhao,Guibin Zhang.Seismic tomography of the Paci?[J].c slab edge under Kamchatka.Tectonophysics,2009，465:190-203.

[13]J.P.Brun,O.Oncken,H.Weissert,et al.Subduction zone geodynamics[M].Roma：Springer-Verlag Berlin Heidelberg，2009.

[14]Dapeng Zhao,J.R.Kayal.Impact of seismic tomography on earth sciences[J].special section:seismology 2000， current science,2000， 79(9)： 1208-121.

[15]Serge Lallemand o Francesca Funiciello.Subdu ction zone geodynamics[M].Roma:Springer-Verlag Berlin Heidelberg,2009

[16]M.Nafi Toks?z,Robert D.Van der Hilst,Margaret H.Benoit,et al.seismic tomography of the arabianeurasian collision zone and surrounding areas.29th Monitoring Reseach Review:Ground-Based Nuclear Explosion Monitoring Technologies.Sponsored by Air Force Research Laboratory,2010： 292-301.

[17]W.Lowrie.Fundamentals of Geophysics[M].Cambridge University Press.Published in the United States ofAmerica by Cambridge University Press，New York,2007.

[18]G.R.Foulger,M.J.Pritchard,B.R.Julian,et al.Seismic tomography shows that upwelling beneath Iceland is con?ned to the upper mantle[J].Geophys.J.Int， 2001， 146： 504-530.

[19]Dapeng Zhao.Multiscale seismic tomography and mantle dynamics[J].Gondwana Research 15， 2009， 297-323.

[20]趙大鵬，雷建設，唐榮余.中國東北長白山火山的起源：地震層析成像證據(jù) [J].科學通報，2004，49(14)：1439-1446.

[21]劉建華，劉福田，胥頤，等.西北太平洋俯沖帶的形貌特征及動力學狀態(tài)探討[C]//中國海洋湖沼學會第九次全國會員代表大會暨學術(shù)研討會論文摘要匯編 ，2007.

[22]Daria Zandomeneghi.Passive and Active Seismic Tomography of Volcanic Islands Sao Miguel(Portugal)and Deception (Antarctica).Dissertation for the degree of Doctor of Earth Sciences

[23]劉雷，杜建國，易麗.亞穩(wěn)態(tài)橄欖石相變與深源地震研究進展[J].地震，2007，27(3)：41-49.

[24]C.E.Brennen.Cavitation and Bubble Dynamics[M].Oxford University Press,1995

[25]李四光.地質(zhì)力學概論[M].北京：科學出版社，1973.

[26]李四光.地質(zhì)力學方法[M].北京：科學出版社，1976.

[27]金性春.板塊構(gòu)造學基礎(chǔ) [M].上海：上?？茖W技術(shù)出版社，1984.

[28]陳立軍.地震柱的概念及其基本特征[J].華南地震，2013，33（1)：1-13.

[29]趙文津.大陸漂移，板塊構(gòu)造，地質(zhì)力學[J].地球?qū)W報，2009，30(6)：717-731.

[30]胡明，廖太平.構(gòu)造地質(zhì)學[M].北京：石油工業(yè)出版社，2007.

[31]Geoffrey F.Davies.地幔柱存在的依據(jù)[J].科學通報·前沿，2005，50(17)：1801-1813.

[32]童航壽.地幔柱構(gòu)造研究概述[J].鈾礦地質(zhì).2009，25（4）：193-201.