吳曉媧， 秦四清， 薛雷， 楊百存， 李培， 張珂

中國科學院地質與地球物理研究所 中國科學院頁巖氣與地質工程重點實驗室, 北京　100029

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基于震例探討大地震的物理機制

吳曉媧， 秦四清*， 薛雷， 楊百存， 李培， 張珂

中國科學院地質與地球物理研究所 中國科學院頁巖氣與地質工程重點實驗室, 北京100029

查明大地震物理機制對地震預測和防震減災具有重要意義.本文評述了當前主流地震機制假說，指出用于描述淺源地震機制的彈性回跳說和粘滑說存在諸多缺陷；前人提出的脫水致裂、相變失穩(wěn)、剪切熔融和反裂隙斷層作用等中-深源地震機制假說，均存在與觀測事實不符的情況.本文簡要介紹了近些年我們發(fā)展的孕震斷層多鎖固段脆性破裂理論，指出斷層運動導致鎖固段累進性破裂發(fā)生地震，稱鎖固段在體積膨脹點和峰值強度點發(fā)生的顯著地震為標志性地震事件.震例分析表明，淺源、中源、深源及其混合型地震區(qū)標志性地震事件的孕育規(guī)律均遵循該理論.進一步的討論指出，彈性回跳說和粘滑說均隱含著斷層面上存在鎖固段的假設；深源地震震源體具有發(fā)生脆性破裂的環(huán)境條件；該理論能合理解釋地震應力降遠小于室內巖石破裂應力降、熱流佯謬和自組織臨界性這些難點問題.這充分說明，大地震物理機制均可統(tǒng)一解釋為鎖固段脆性破裂.

地震區(qū)； 鎖固段； 大地震； 物理機制； 脆性破裂

1　引言

大地震具有突發(fā)性強、破壞性嚴重和預測難度大等特點，常給人類生命財產造成重大損失，如2008年汶川大地震造成近7萬人死亡，直接經濟損失達6920億元(袁一凡，2008).弄清大地震物理機制對地震預測和防震減災具有重要意義，盡管國內外諸多學者為此已做出不懈努力，但目前對其物理機制的認識尚存爭議，仍未取得共識(Kanamori and Brodsky，2004；陳運泰，2007；陸坤權等，2014).

構造地震按震源深度可分為3類，即淺源地震(深度<70 km)、中源地震(深度70～300 km)和深源地震(深度>300 km).由于不同深度震源體所處溫度、壓力等條件相差較大，故地震物理機制可能不同.為此，前人針對不同類型地震分別提出了一系列假說，試圖解釋地震成因.

1.1淺源地震機制研究現(xiàn)狀

前人針對淺源地震機制提出的主流假說主要有3種，即彈性回跳說(Reid，1910)、粘滑說(Brace and Byerlee，1966；Scholz，1998)和巖石破裂說(Das and Aki，1977；Wyss et al.，1981；梅世蓉，1995).

圖1　彈性回跳說示意圖(Reid，1910; 江在森和武艷強，2012)(a) 無彈性應變積累； (b) 震前應變積累(斷層鎖閉)； (c) 震時彈性應變釋放.Fig.1　Schematic illustration of elastic rebound hypothesis (Reid,1910; Jiang and Wu,2012)(a) Inelastic strain accumulation; (b) Strain accumulation (fault locking); (c) Elastic strain release.

(1)彈性回跳說：是Reid(1910)研究1906年舊金山大地震時，基于圣安地列斯斷層產生水平移動的特征提出的假說.該假說認為：巖層受力發(fā)生彈性變形，當應力超過巖石彈性強度時，斷層兩盤巖石整體回彈至原來狀態(tài)，于是大地震發(fā)生(圖1).容易知道，該假說僅適用于解釋淺源大震的發(fā)生，而不適用于中源和深源地震，因為大震或巨震發(fā)生時會釋放巨大能量，故回跳需足夠大的空間，然而目前并無證據(jù)表明地球深部存在這樣的空間(Griggs and Handin，1960；Orowan，1960).該假說與如下觀測事實相悖：1)若此假說成立，則大震發(fā)生前，斷層兩盤巖石必然會發(fā)生較大變形，這樣才能積累較大的彈性應變能，否則不會發(fā)生大地震，但這與觀測事實不符.現(xiàn)代GPS和高精度位移測量表明，某些大震發(fā)生前并未觀測到這樣的大變形現(xiàn)象(武艷強等，2013；雷啟云等，2015；劉剛等，2015)，反而在某些大震發(fā)生時，因斷層急劇滑動，能觀察到斷層兩盤巖層被錯斷的現(xiàn)象，如汶川大地震所形成的地表破裂帶(徐錫偉等，2008；張勇等，2008).這說明該假說可能顛倒了“因果”關系，即斷層滑動能導致巖層錯斷，而不是巖層回彈導致斷層失穩(wěn)發(fā)震；2)該假說認為地震能量的載體(震源體)是活斷層兩盤巖石，且其受力在彈性范圍，因此不能解釋震源體在大震前發(fā)生的預震(preshock)或前震(foreshock)事件.

圖2　彈簧-滑塊模型示意圖(據(jù)Byerlee(1978)修改)Fig.2　Schematic illustration of spring-block model(modified after Byerlee(1978))

(2)粘滑說：針對彈性回跳說與觀測事實相悖的問題，Brace and Byerlee(1966)提出彈性回跳的物理機制可用摩擦滑動過程中出現(xiàn)的不平穩(wěn)滑動(即粘滑)解釋.顯然，粘滑概念的引入，將彈性回跳說的斷層變形問題轉化為兩盤巖石摩擦問題(劉力強，2014)，或者說把沿著斷層帶兩盤巖石的變形轉換為滑動的研究.圖2是Byerlee(1978)為解釋粘滑說構建的、目前廣為采用的彈簧-滑塊模型，模型中斷層位移被設定為剛性塊體的摩擦運動，變形被設定為彈簧的伸縮，彈簧對滑塊起加載作用.Byerlee在模型中之所以引入彈簧，是因為地震需要彈性能的釋放，彈性變形依然是必須的(劉力強，2014).應該指出，該模型可用于描述觀測到的粘滑現(xiàn)象，但不能用于解釋大地震的發(fā)生.容易知道，彈簧―滑塊模型用于解釋大地震發(fā)生機制時，滑塊代表斷層兩盤巖石，彈簧(室內實驗中的試驗機)代表遠場位移(u)加載，也就是相鄰區(qū)域(即相鄰地震區(qū))對滑塊(震源體)加載.如此，相鄰區(qū)域提供給震源體的應變能，在震源體超過摩擦強度突然滑動時，因滑塊(震源體)為剛體，其能量將全部轉化為滑塊的動能、摩擦功及摩擦熱能，震源體本身無彈性應變能釋放，故不會發(fā)生大地震.因此，表面上看粘滑說是對彈性回跳說的發(fā)展和改進，但實質上卻是一種倒退.

此外，粘滑說還存在如下缺陷：1)已有研究表明(Brace and Byerlee，1966，1970)，溫度對粘滑作用的影響相當明顯，當巖石溫度超過500 ℃時，難以發(fā)生粘滑而易發(fā)生蠕動或蠕變.考慮到地殼深度超過25 km時溫度大多已接近500 ℃(Collier et al.，2001；安美建和石耀霖，2007)，故粘滑說主要適用于解釋震源深度25 km以內的淺源構造地震；2)由于假定大震發(fā)生前斷層兩盤“粘結不動”，故難以解釋觀測到的預震或前震事件.

圖3　斷層或板塊俯沖帶中的鎖固段示意圖(據(jù)Toshihiro et al. (2003)和Ohnaka(2013)修改)Fig.3　Schematic illustration of locked patches on faults or subduction zones (modified after Toshihiro et al.(2003) and Ohnaka(2013))

(3)巖石破裂說：斷層運動導致巖石破裂就能發(fā)生地震，所以弄清地震機制，仍需從巖石破裂著手，并厘清積累能量的載體.為此，不少學者提出了障礙體模型(Das and Aki，1977)、凹凸體模型(Wyss et al.，1981)和包體模型.包體可分為軟包體(Brady，1974，1975)和硬包體(梅世蓉，1995)，因“軟包體”不能積累較高能量，故該模型不能合理解釋大地震的發(fā)生.秦四清等(2010)提出的“孕震斷層多鎖固段脆性破裂”理論，認為積累高能量的載體為斷層或板塊俯沖帶中的鎖固段，如硬包體、障礙體、巖橋與凹凸體等高強度介質(圖3).與其它破裂模型的本質區(qū)別在于：一是指出有多個不同強度與尺度鎖固段并存的可能；二是強調逐次累進性破裂；三是發(fā)現(xiàn)了加速破裂規(guī)律，且有諸多震例數(shù)據(jù)的支持.

1.2中-深源地震機制研究現(xiàn)狀

中源和深源地震常發(fā)生于匯聚型板塊俯沖帶，發(fā)震數(shù)量較少，一般不會對建筑物、人類生命安全等造成嚴重危害.它們的形成與板塊運動和火山活動有著密切聯(lián)系，對研究板塊運動特征、地幔結構、淺源地震預測與地球深部物質等有重要意義.

Sibson(1977，1982)認為，板內淺源地震震源深度下限值與脆性-韌性轉換帶一致，所以容易理解淺源地震屬于脆性破壞性質.與之相比，中-深源地震震源體處于更高的溫度與圍壓環(huán)境，兩者發(fā)震機制可能不同.在中-深源地震成因研究方面，前人提出了脫水致裂機制、相變失穩(wěn)機制、剪切熔融機制和反裂隙斷層作用機制等假說.

(1)脫水致裂機制：Raleigh and Paterson(1965)在高溫實驗中發(fā)現(xiàn)，在較小剪切應力作用下蛇紋石脫水導致有效應力及強度降低，易發(fā)生脆性破裂.最近，Okazaki and Hirth(2016)在變形實驗中發(fā)現(xiàn)硬柱石也能發(fā)生脫水脆性破裂.板塊在俯沖過程中，溫度和壓力隨深度不斷增加，當達到一定的溫壓條件時會發(fā)生礦物的脫水反應(Mishra and Zhao，2004；干微等，2012).該假說主要用于解釋中源地震成因(余日東和金振民，2006).在誤差允許范圍內，蛇紋石的脫水邊界與雙震帶的位置一致(Green et al.，2010)，故該假說能很好地解釋中源雙震帶的分布(Yamasaki and Seno，2003).然而，Chernak and Hirth(2010)在實驗中發(fā)現(xiàn)，葉蛇紋石的脫水反應更多的是促進均勻的變形而不是局部的脆性破壞，故脫水作用是否為中源地震成因受到質疑.

(2)相變失穩(wěn)機制：Bridgman(1945)提出深源地震由相變失穩(wěn)所致，認為地幔主要礦物橄欖石相變時體積會急劇變化，產生一種向體內收縮的內爆作用，從而導致深源地震發(fā)生.之后，Kirby et al.(1991)和Silver et al.(1995)相繼指出地球深部410～660 km是深源地震高發(fā)區(qū)域，這恰好與地球內部相變范圍有一致的對應關系.然而，該假說的缺陷顯而易見：1)相變時內爆產生的地震波各向同性，無S波產生，而深源地震產生的地震波具有強烈的雙力矩源或剪切分量，且S波強烈(Dziewonski and Gilbert，1974；Kawakatsu，1991；Houston，1993；Estabrook and Kind，1996；Okal，1996；趙素濤，2012)；2)深源地震的地震波輻射花樣表明，其與相變時體積急劇收縮的假說相違背(Kirby et al.，1991)；3)相變需要礦物在一定溫度壓力條件下才能夠發(fā)生，但深源地震發(fā)生在板塊內部，其溫度壓力可能達不到相變要求(見第4節(jié)論述)；4)該假說無法解釋重復地震的現(xiàn)象(Wiens and Snider，2001)；5)相變時瞬時快速的體積突變才能導致地震發(fā)生，這就需要一定位錯空間，然而目前并無證據(jù)表明地球深部存在這樣的空間(Griggs and Handin，1960；Orowan，1960；Kirby et al.，1996).目前已有大量M≥8.0級深源地震發(fā)生超剪切破裂的記錄，而相變機制難以合理解釋如此大的能量積累過程與瞬間釋放現(xiàn)象；6)地球內部存在兩個全球性相變界面(Flanagan and Shearer，1998)，即410 km(地幔轉換帶上界)附近橄欖石轉變?yōu)橥咂澙嘧兒?60 km(地幔轉換帶下界)附近的林伍德石轉變?yōu)殁}鈦礦和鎂方鐵礦相變.然而，實際觀測表明，深源地震并非呈全球性分布，而是主要位于環(huán)太平洋匯聚型板塊邊界附近，呈帶狀分布.

(3)剪切熔融機制：Bridgman(1936)最先在圍壓為5 GPa的剪切實驗中發(fā)現(xiàn)有破裂產生，Orowan(1960)認為這種破裂由蠕變導致，Griggs and Handin(1960)在此基礎上正式提出剪切熔融假說，認為加速蠕變開始后，剪切帶變形將逐漸局限在某一薄層中，可能通過產生的熱量導致剪切熔融，進而失穩(wěn)發(fā)生深源地震.該假說作為中-深源地震機制的一種解釋，能合理解答重復地震以及玻利維亞與斐濟地震斷層面寬度問題(干微等，2012)，但該假說的缺陷同樣不容忽視：1)缺少實驗數(shù)據(jù)支撐且難以在實驗室中得到驗證(周翊，1994；趙素濤，2012)；2)Ye et al.(2013)的研究表明，2013年鄂霍次克海MW8.3級深源地震可能涉及到剪切破裂，但幾乎沒有熔融發(fā)生.

(4)反裂隙斷層作用機制：Kirby(1987)通過相變實驗發(fā)現(xiàn)，在低密相轉變?yōu)楦呙芟噙^程中，初期相變可引起高壓斷裂.Green et al.(1990)通過觀測實驗樣品的顯微結構發(fā)現(xiàn)，當壓力達到15 GPa時，橄欖石-瓦茲利石開始出現(xiàn)反裂隙，隨壓力增加裂隙連接在一起，最終形成反裂隙斷層.該假說符合深源地震的雙力矩源特征及剪切分量特征，能建立相變分層現(xiàn)象與深源地震分布的聯(lián)系，并有實驗證明及力學機制解釋(干微等，2012).然而，該假說存在如下缺陷：1)相變發(fā)生的前提是存在亞穩(wěn)態(tài)區(qū)(Geller，1990；Kirby et al.，1996)，而橄欖石亞穩(wěn)態(tài)區(qū)是否確實存在仍有爭議(Karato et al.，2001；Mosenfelder et al.，2001；Wiens，2001)；2)其他學者(Dupas-Bruzek et al.，1998; Karato et al.，2001)在幾乎完全相同條件下的實驗中并未發(fā)現(xiàn)反裂隙斷裂產生；3)該假說所預測的深源地震斷層面寬度為10～20 km(Karato et al.，2001)，但實際地球物理觀測表明某些深源地震斷層面寬度遠大于此值(Kikuchi and Kanamori，1994；Wiens et al.，1994；Tibi et al.，1999；Ye et al.，2013).

綜上所述，目前關于淺源和中-深源地震物理機制的主流假說，均存在諸多有爭議的問題，且難以自圓其說，故需另辟蹊徑探尋新學說.20世紀70年代后，前人逐步認識到地震孕育過程與地殼中的應力變化和巖石變形密切相關，相繼提出各種破裂模型(Das and Aki，1977；Brune，1979；Jones and Molnar，1979；Wyss et al.，1981；耿乃光等，1986；梅世蓉，1995).在此基礎上，我們于2010年首次提出了孕震斷層多鎖固段脆性破裂理論(秦四清等，2010)，歷經6年的發(fā)展，該理論已漸趨完善.

本文首先簡介孕震斷層多鎖固段脆性破裂理論，然后通過典型震例分析闡明該理論能否合理解釋淺源、中源與深源地震機制，并討論某些學界關注的熱點和難點問題.

2　孕震斷層多鎖固段脆性破裂理論

巖石力學實驗表明，巖石變形破壞過程可分為如圖4所示的5個階段.加載時，巖石破裂導致聲發(fā)射(微破裂或微震)事件發(fā)生.加載初期，微破裂在空間呈現(xiàn)均勻分布特征(圖5)，當加載至體積膨脹點時，微破裂叢集，震群事件開始發(fā)生，震群事件是巖石宏觀破裂前監(jiān)測技術可識別的唯一地震活動性前兆.以單鎖固段為例，當加載應力達到其峰值強度點時，宏觀破裂發(fā)生，即主震事件發(fā)生.主震事件后一定時間范圍內的系列破裂事件稱之為余震.峰值強度點以前發(fā)生的系列破裂事件標志著巖樣處于能量積累階段，峰值強度點及以后發(fā)生的系列破裂事件標志著巖樣處于能量釋放階段.定義體積膨脹點與峰值強度點之間的系列破裂事件為預震事件，臨近峰值強度點的預震為前震事件.

圖4　三軸壓縮下巖石(鎖固段)變形破壞過程示意圖Fig.4　Schematic illustration of deformation and failure process of rock (locked patch) under triaxial compression

圖5　巖石變形過程中微破裂的空間分布(據(jù)Mogi(1985)修改)Fig.5　Spatial distribution of micro failures during rock deformation (modified after Mogi(1985))

基于斷層運動模式及相關地震活動性受斷層面上一個或多個高強度“鎖固段”所控制的新認識，以及室內巖樣(鎖固段)被加載至體積膨脹點時開始出現(xiàn)的唯一前兆——震群事件，秦四清等(2010)結合重正化群理論與損傷理論，首次提出了“孕震斷層多鎖固段脆性破裂理論”，其數(shù)學描述可簡單表示為：

(1)

式中，Sc為第1個鎖固段體積膨脹起點對應的CBS(Cumulative Benioff Strain)值，Sf(k)為第k個鎖固段峰值強度點對應的CBS值.

式(1)首次給出了巖石(鎖固段)加載過程中體積膨脹點與峰值強度點之間的量化應變關系.基于此，可根據(jù)鎖固段膨脹起點對應的CBS值，提前給出鎖固段發(fā)生宏觀破裂對應的臨界CBS值，結合實時監(jiān)測信息可進行預測.

需說明的是，Benioff應變計算取決于一個地震區(qū)某孕育周期完整且準確的地震目錄.由于歷史地震目錄不完整或誤差較大，故初始應變誤差不可避免，會影響預測臨界CBS值的精度.計算該誤差的公式為:

(2)

斷層運動導致鎖固段累進性破裂發(fā)生地震，我們稱鎖固段在體積膨脹點和峰值強度點發(fā)生的顯著地震為標志性地震事件.設MC和MF為鎖固段體積膨脹點和峰值強度點對應的標志性地震事件震級，MP為鎖固段在此期間發(fā)生的預震或前震事件震級，在震級標度統(tǒng)一的情況下，其震級關系(秦四清等，2016c)一般應滿足：

(3)

(4)

主震事件前的第k個和第k+1個鎖固段峰值強度點所對應的標志性地震事件震級，常呈現(xiàn)如下關系：

(5)

其中，MF(k+1)=MF(k)-0.2較為多見.

原理上，某地震區(qū)一個孕育周期主震事件發(fā)生前所積累的彈性應變能(Ea)，應等效于主震釋放的彈性應變能(Em)和余震釋放的彈性應變能(Er)之和，即：

(6)

對未發(fā)生過主震的地震區(qū)，可根據(jù)式(6)判斷某次顯著地震是否為主震事件.

3　震例分析

我們認為，地震區(qū)可定義為由區(qū)域性大斷裂圍限形成的斷陷或隆升塊體，塊體內部斷裂(地震)活動密切相關，相鄰塊體以剪切或擠壓方式相互影響其加載方式或速率，但不改變各自大震孕育規(guī)律.根據(jù)孕震斷層多鎖固段脆性破裂理論，秦四清等(2016a，b，c)對全球主要地震帶共劃分了62個地震區(qū)(圖6),其標志性地震事件孕育規(guī)律均嚴格遵循該理論.截至目前，對某些地震區(qū)7次預震事件和1次標志性地震事件的前瞻性預測已得到實際驗證(秦四清和薛雷，2011；秦四清等，2012，2013，2014a，b，c，d).我們將以5個典型地震區(qū)為例，說明用該理論解釋淺源、中源與深源地震機制的適用性.

3.1淺源地震區(qū)

海原地震區(qū)(圖6中編號23)是一個淺源地震區(qū)，曾發(fā)生M≥8.0級地震4次(表1).

圖7示出了該地震區(qū)當前孕育周期經誤差修正后標志性地震事件之間的力學聯(lián)系(秦四清等，2016c).根據(jù)1561年8月4日寧夏中寧東MS7.5級地震發(fā)生前的CBS值，可較準確地連續(xù)預測到1654年7月21日甘肅天水南MS8.0級地震、1739年1月3日寧夏平羅MS8.2級地震與1920年12月16日寧夏海原MW8.3級地震的臨界CBS值.根據(jù)秦四清等(2014a)提出的主震事件判識原則，判斷該區(qū)當前孕育周期存在第4鎖固段，當其被加載至峰值強度點時，應發(fā)生標志性地震事件.

表1　海原地震區(qū)M≥8.0級地震事件Table 1　The earthquake events with M≥8.0 in the Haiyuan seismic zone

可看出，其標志性地震事件孕育規(guī)律遵循孕震斷層多鎖固段脆性破裂理論，說明該淺源地震區(qū)大(巨)震機制為鎖固段脆性破裂.

3.2中源地震區(qū)

興都庫什地震區(qū)(圖6中編號58)位于印度板塊和歐亞板塊交界附近，是一個以中源地震為主的地震區(qū)，曾發(fā)生M≥7.3級地震14次，其中中源地震10次(表2).

圖8示出了該地震區(qū)當前孕育周期經誤差修正后標志性地震事件之間的力學聯(lián)系(秦四清等，2016c).根據(jù)1909年7月7日阿富汗巴達赫尚MW7.9級地震發(fā)生前的CBS值，可較準確地連續(xù)預測到1921年11月15日巴達赫尚MW7.9級地震、1949年3月4日法扎巴德MW7.7級地震與巴達赫尚1983年12月30日/1985年7月29日MW7.5級雙震的臨界CBS值.根據(jù)秦四清等(2014a)提出的主震事件判識原則，判斷該區(qū)當前孕育周期存在第4鎖固段，當其被加載至峰值強度點時，應發(fā)生標志性地震事件.

圖6　全球主要地震區(qū)劃分圖(2.0版)(秦四清等，2016d)Fig.6　Division map of main seismic zones in the world (Version 2.0) (Qin et al.，2016d)

編號日期緯度,經度(°)深度(km)震級地震類型11506-07-0634.70,69.20MS7.321832-01-2236.50,71.00180.0MS7.4中源地震31842-02-1934.40,70.50MS7.541896-09-2337.00,71.00160.0Muk7.5中源地震51909-07-0735.39,70.25200.0MW7.9中源地震61911-02-1838.33,72.6315.0MW7.3淺源地震71921-11-1536.20,70.71240.0MW7.9中源地震81935-05-3028.94,66.4825.0MW7.5淺源地震91949-03-0436.56,70.70228.7MW7.7中源地震101965-03-1436.41,70.72207.8MW7.4中源地震111983-12-3036.37,70.74214.5MW7.5中源地震121985-07-2936.19,70.9098.7MW7.5中源地震132002-03-0336.50,70.48225.6MW7.4中源地震142015-10-2636.52,70.37231.0MW7.5中源地震

圖7　海原地震區(qū)公元前193-02—2015-11-21之間CBS值與時間關系1920年海原地震按MW8.3級考慮(秦四清等，2016c)； 數(shù)據(jù)分析時選取MS≥5.5級地震事件；誤差修正已被考慮.Fig.7　Temporal distribution of CBS in the period from B.C. February 193 to 21 November 2015 for the Haiyuan seismic zoneThe 1920 Haiyuan earthquake is considered as MW8.3 (Qin et al.，2016c). The earthquake events with MS≥5.5 are selected for data analysis. The error correction is also considered.

圖8　興都庫什地震區(qū)1505-07-06—2016-02-24之間CBS值與時間關系數(shù)據(jù)分析時選取ML≥6.5級地震事件；誤差修正已被考慮.Fig.8　Temporal distribution of CBS in the period from 6 July 1505 to 24 February 2016 for the Hindu Kush seismic zoneThe earthquake events with ML≥6.5 are selected for data analysis. The error correction is also considered.

可看出，其標志性地震事件孕育規(guī)律遵循孕震斷層多鎖固段脆性破裂理論，說明該中源地震區(qū)大震機制為鎖固段脆性破裂.

3.3深源地震區(qū)

琿春地震區(qū)(圖6中編號31)處于歐亞板塊與鄂霍茨克板塊交界附近，是最具代表性的、以深源大地震為主的地震區(qū)，曾發(fā)生M≥7.2級地震20次(表3)，其中深源地震11次.

圖9示出了該地震區(qū)當前孕育周期經誤差修正后標志性地震事件之間的力學聯(lián)系(秦四清等，2016b).根據(jù)1900年1月11日日本海Muk7.8級地震發(fā)生前的CBS值，可較準確地連續(xù)預測到1918年1月30日俄羅斯濱海邊疆區(qū)MS7.7級地震與1949年9月23日日本海MS7.8級地震的臨界CBS值.根據(jù)秦四清等(2014a)提出的主震事件判識原則，判斷該區(qū)當前孕育周期存在第3鎖固段，當其被加載至峰值強度點時，應發(fā)生標志性地震事件.

可看出，其標志性地震事件孕育規(guī)律遵循孕震斷層多鎖固段脆性破裂理論，說明該深源地震區(qū)大震機制為鎖固段脆性破裂.

3.4混合型地震區(qū)

雅加達和北海道地震區(qū)，均發(fā)生過淺源、中源與深源地震，稱之為混合型地震區(qū).

3.4.1雅加達地震區(qū)

該地震區(qū)(圖6中編號34)位于澳大利亞板塊、印度板塊、緬甸板塊與歐亞板塊交界附近，曾發(fā)生M≥8.2級地震10次(表4).截止到2016年2月24日，該地震區(qū)曾發(fā)生M≥7.5級地震55次，其中淺源地震47次，中源地震5次，深源地震3次.

表3　琿春地震區(qū)M≥7.2級地震事件Table 3　The earthquake events with M≥7.2 in the Hunchun seismic zone

圖9　琿春地震區(qū)19-02—2016-01-03之間CBS值與時間關系數(shù)據(jù)分析時選取MS≥6.5級地震事件；誤差修正已被考慮.Fig.9　Temporal distribution of CBS in the period from February 19 to 3 January 2016 for the Hunchun seismic zoneThe earthquake events with MS≥6.5 are selected for data analysis. The error correction is also considered.

圖10示出了該地震區(qū)當前周期經誤差修正后標志性地震事件之間的力學聯(lián)系(秦四清等，2016a).

表4　雅加達地震區(qū)M≥8.2級地震事件Table 4　The earthquake events with M≥8.2 in the Jakarta seismic zone

圖10　雅加達地震區(qū)1629-08-01—2016-02-24之間CBS值與時間(據(jù)秦四清等(2016a)修改)數(shù)據(jù)分析時選取MS≥7.0級地震事件；誤差修正已被考慮.Fig.10　Temporal distribution of CBS in the period from 1 August 1629 to 24 February 2016 for the Jakarta seismic zone.(modified after Qin et al.(2016a))The earthquake events with MS≥7.0 are selected for data analysis. The error correction is also considered.

根據(jù)1818年11月8日印度尼西亞巴厘海MS8.5級地震發(fā)生前的CBS值，可較準確地連續(xù)預測到1861年2月16日拉貢迪MS8.5級地震、1938年2月1日班達海MW8.5級地震與2004年12月26日蘇門答臘西海岸MW9.0級地震的臨界CBS值.根據(jù)秦四清等(2014a)提出的主震事件判識原則，判斷該區(qū)當前孕育周期存在第4鎖固段，當其被加載至峰值強度點時，應發(fā)生標志性地震事件.

3.4.2北海道地震區(qū)

該地震區(qū)(圖6中編號38)位于鄂霍茨克板塊、歐亞板塊、北美洲板塊、太平洋板塊與菲律賓板塊交界附近，曾發(fā)生M≥8.3級地震19次(表5).截止到2016年2月24日，該地震區(qū)曾發(fā)生M≥7.5級地震83次，其中淺源地震75次，中源地震3次，深源地震5次.

表5　北海道地震區(qū)M≥8.3級地震事件Table 5　The earthquake events with M≥8.3 in the Hokkaido seismic zone

圖11示出了該地震區(qū)當前孕育周期經誤差修正后標志性地震事件之間的力學聯(lián)系(秦四清等，2016a).根據(jù)1898年6月5日日本海溝Muk8.7級地震前的CBS值，可較準確地連續(xù)預測到1952年11月4日勘察加東部近海MW8.9級地震與2011年3月11日日本宮城東部近海MW9.0級地震的臨界CBS值.根據(jù)秦四清等(2014a)提出的主震事件判識原則，判斷該區(qū)當前孕育周期存在第3鎖固段，當其被加載至峰值強度點時，應發(fā)生標志性地震事件.

圖11　北海道地震區(qū)144-02-15—2016-02-24之間CBS值與時間關系數(shù)據(jù)分析時選取MW≥7.0級地震事件；誤差修正已被考慮.Fig.11　Temporal distribution of CBS in the period from 15 February 144 to 24 February 2016 for the Hokkaido seismic zoneThe earthquake events with MW≥7.0 are selected for data analysis. The error correction is also considered.

對上述兩個混合型地震區(qū)的震情分析表明， 其標志性地震事件的孕育規(guī)律均遵循著孕震斷層多鎖固段脆性破裂理論.

4　深源地震震源體的賦存環(huán)境

前人(Kirby et al.，1991；Frohlich，1994)通常認為深源地震不大可能是巖石脆性破裂所致，主要原因在于“深源地震震源體處于更高的溫度與圍壓環(huán)境，可能呈熔融或塑性流動狀態(tài)，不具有發(fā)生脆性破裂的條件.”果真如此嗎？

Wiens and Gilbert(1996)指出，深源地震受板塊熱結構影響和控制，對溫度極其敏感(Stein，1995；Wiens，2001).俯沖板塊以相對較冷的溫度俯沖進入上地幔，在俯沖過程中，地球內部熱量使其外緣逐漸變熱，但板塊內部溫度并不太高.研究結果表明(Thompson，1992)，地幔410 km和660 km附近溫度分別接近1450 ℃和1600 ℃.深源地震一般發(fā)生在低溫大洋俯沖帶中，板塊巨厚且導熱性差，溫度最低區(qū)域比周圍地幔可低1000 ℃，并且這種溫差可持續(xù)數(shù)百萬年(Kirby et al.，1991).

深源地震主要發(fā)生在冷俯沖板塊內部，而不是它的邊界(McGuire et al.，1997；Wiens，2001).Emmerson and Da(2007)認為深源地震的發(fā)生取決于俯沖帶溫度機制而與其它因素無關.盡管地幔處于高溫狀態(tài)，但板塊內部均保持低溫狀態(tài)，深源地震發(fā)生區(qū)域溫度可能小于600 ℃(Dan et al.，2005；McKenzie et al.，2005).Kirby et al.(1996)也認為該區(qū)域溫度為500～700 ℃.室內高溫高壓實驗表明，蛇紋石在高達40 GPa條件下仍可發(fā)生脆性破裂(章軍峰，2003)，而下地幔頂部壓力約23 GPa(Ishii et al.，2011).這再次說明巖石能否發(fā)生脆性破裂關鍵取決于溫度.巖石高溫高壓實驗表明，花崗巖在低于800 ℃環(huán)境下(翟松韜等，2013)、蛇紋石在900 ℃以下(Dobson et al.，2002)與石榴石在1000 ℃以下(Voegelé et al.，1998)，均表現(xiàn)為脆性破裂行為.再者，礦物脫水會減少原有斷層的有效應力，有利于發(fā)生脆性破裂(Stein，1995).

諸多學者的研究表明，深源地震與淺源地震諸多特征具有相似性(Kirby et al.，1991；Green and Houston，1995；Wiens，2001)，如輻射圖型、震級分布范圍、震源-時間函數(shù)、破裂速度和應力降等(干微等，2012).這意味著深源地震物理機制與淺源地震類似，是某種形式的剪切破裂，由斷層錯動或板塊俯沖所致.

從現(xiàn)有震源機制解的資料看，深源地震具有剪切破裂特點.例如，Ye et al.(2013)的研究表明，2013年5月24日鄂霍次克海域MW8.3級深源超剪切地震(深度610 km)，形成了長度超過180 km的斷層撕裂和最大達10m的剪切滑動，其地震輻射表明，該地震的剪切破裂可能與淺源地震沒有區(qū)別；該震和1994年6月9日玻利維亞MW8.3級深源地震(深度636 km)，與淺源地震相比，具有類似的斷層幾何形狀和有輕微偏差的剪切雙偶.1994年3月9日湯加MW7.6級深源地震(深度564 km)后發(fā)生了一系列余震，利用附近8個臨時寬頻帶地震臺數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)這些余震的破裂速度、應力降、數(shù)量及時間冪律衰減等均與典型淺源地震余震相似(Wiens et al.，1994).Jiao et al.(2000)統(tǒng)計分析了1976年2月至1999年3月間的湯加深源地震，指出俯沖帶中存在高度非均勻應力場或已有斷層均可導致一些深源地震發(fā)生.

上述分析說明，深源地震震源體具有發(fā)生脆性破裂的環(huán)境條件，深源地震機制可能與淺源地震類似.

5　大地震的物理機制

上述震例分析表明，孕震斷層多鎖固段脆性破裂理論可統(tǒng)一描述淺源、中源與深源地震的孕育規(guī)律.不僅如此，若仔細推敲，易知前人提出的彈性回跳說和粘滑說，實際上均隱含著斷層帶或板塊俯沖帶存在“鎖固段”的假設.

對彈性回跳說而言，如果斷層帶由軟弱物質組成，即斷層兩盤巖石強度(準剛體)遠大于斷層帶介質強度，則兩盤巖石沿斷層帶必呈穩(wěn)態(tài)蠕滑，難以積累較大的彈性變形；只有斷層帶含有高強介質(即鎖固段)時，兩盤巖石變形受阻，才可能累積較大的彈性變形，這意味著彈性回跳說實際隱含著斷層帶內某些部位存在鎖固段的假設.

對粘滑說而言，斷層運動只有受阻時，即在斷層帶內某些部位存在高強度障礙體或巖橋時，才能呈現(xiàn)“粘結”行為；當這些部位被剪斷時，兩盤巖石將發(fā)生突然“滑動”；當斷層帶內存在多段高強介質時，就會出現(xiàn)沿著斷層面“粘結”和“滑動”交替進行的行為.這意味著粘滑說也隱含著斷層帶內某些部位存在鎖固段的假設.如此，可對前述彈簧―滑塊模型稍加改造，便可合理解釋大地震機制. 若“滑塊”間的斷層面介質含有鎖固段，其因斷層運動受載積累應變能，有能量就會破裂，小破裂發(fā)生小地震，大破裂發(fā)生大地震，但只要鎖固段未被剪斷，即使發(fā)生大震，滑動仍較小，呈現(xiàn)粘結行為.只有鎖固段被剪斷時，沿斷層才會劇烈滑動.再者，如果存在“多”鎖固段，則可發(fā)生持續(xù)性地震活動.

對剪切熔融說而言，若剪切帶介質含有鎖固段，其加速蠕變開始后的變形局部化視為破裂叢集，根據(jù)孕震斷層多鎖固段脆性破裂理論也能合理解釋這種機制.

上述分析表明，彈性回跳說、粘滑說和剪切熔融說本質上均可統(tǒng)一到孕震斷層多鎖固段脆性破裂理論，表明該理論具有普適性，并可合理解釋如下學界關注的熱點和難點問題.

5.1為何地震應力降遠小于室內巖石破裂應力降?

地震發(fā)生時，觀測到的應力降為1～10 MPa(Kanamori and Anderson，1975；陳運泰，2010)，主要分布范圍為2～6 MPa(臧紹先，1984).然而，高溫高壓實驗結果表明(Brace and Byerlee，1966；Ismail and Murrell，1990)，巖石破裂應力降可達100～700 MPa，其應力降遠高于地震應力降.對于該問題，其他地震機制假說均不能給出令人滿意的解釋.基于孕震斷層多鎖固段脆性破裂理論，認為：某地震區(qū)主震發(fā)生時，即當前孕育周期最后一個鎖固段發(fā)生宏觀破裂時，因其不再受下一個鎖固段約束，應力能得到較充分釋放，預計其應力降值應與室內力學實驗測定結果一致；對主震前發(fā)生的標志性地震事件，因該鎖固段發(fā)生宏觀破裂時，受下一個鎖固段約束，應力降值不會太大；對鎖固段標志性事件之間發(fā)生的顯著預震事件，因是鎖固段局部破裂導致的中間過程事件，故應力降值應很小.

我們對全球62個地震區(qū)的震情分析表明(秦四清等，2016a，b，c)，當前周期各地震區(qū)主震事件均尚未發(fā)生.由此判斷，過去估測的某些地震的應力降應遠低于室內實驗結果.

5.2熱流佯謬

地震斷層強度是高的還是低的？這是一個困擾地震學家數(shù)十年的科學難題(Miller，2002；陳運泰，2010).如果斷層強度低，不可能積累較高能量，因此不可能發(fā)生大地震；如果斷層強度高，大地震發(fā)生時斷層滑動摩擦產生明顯“熱流異?！?Mckenzie and Brune，1972).然而，在圣安德列斯斷層并未觀測到這種異常(Brune et al.，1969；Henyey and Wasserburg，1971；Lachenbruch and Sass，1988；Scholz，2002)，這說明圣安德列斯斷層所能承受的最大剪應力不高，斷層強度較弱.上述矛盾被稱作熱流佯謬，也稱作斷層強度佯謬或圣安德列斯(斷層)佯謬.

我們認為，孕震斷層中存在一個或多個鎖固段，即斷層的某些部位強度高而其余部位強度低，也就是斷層局部強度高而非整體強度高.強度高的鎖固段承受應力集中，是高能量的載體；強度低的部位起傳遞或調整應力作用.某個鎖固段發(fā)生宏觀破裂后，應力向下一個鎖固段轉移，導致下一個鎖固段承受應力集中，以此類推.如果“熱流異常”確實能反映應力較高的情況，那么在鎖固段發(fā)生較大破裂的部位，即大地震的震源附近，震時或震后較短時間應能觀測到明顯的“熱流異常”，而在其他部位則難以觀測到.再者，大地震發(fā)生后，目前無法直接準確地測量摩擦產生的熱能，只能通過淺層地殼地熱的測量值來推斷其大小(晏銳等，2011).因此，在地表或近地表測定的熱流，可能難以反映深部的實際情況，因為即使深部存在“熱流異?！?，其影響應在有限范圍.

5.3自組織臨界性

自組織臨界性(SOC)這一概念最早由Bak et al.(1987)提出，指的是一個具有持續(xù)能量供給且由許多基本單元組成的系統(tǒng)，當單元之間具有非線性相互作用時，會自發(fā)地演化到某個臨界狀態(tài).目前國際上圍繞地震預測問題的爭論，很大程度上與地震的自組織臨界性模型有關.Geller et al.(1997)認為：“地球處于一種自組織臨界狀態(tài)，其中任何小地震都有可能級聯(lián)式地發(fā)展成一個大地震.”據(jù)此，認為地震不可能被預測.自組織和臨界性有什么聯(lián)系呢？這可根據(jù)孕震斷層多鎖固段脆性破裂理論給予解答.巖石力學實驗表明，在加載到體積膨脹點之前，巖石破裂過程是穩(wěn)定的，不會出現(xiàn)自組織過程；當巖石被加載至體積膨脹點時，不僅已有的裂紋擴展，且會產生新的裂紋，微破裂開始叢集，此時即使停止加載也不能保持穩(wěn)定平衡，系統(tǒng)會自發(fā)地向巖石宏觀破裂點——臨界點演進，因此體積膨脹點是自組織行為出現(xiàn)的開始點.當損傷累積至峰值強度點時，宏觀破裂發(fā)生，巖石發(fā)生突變失穩(wěn).換言之，巖石失穩(wěn)發(fā)生前，必須出現(xiàn)自組織過程.自組織是“因”，臨界失穩(wěn)是“果”.從破裂自組織出現(xiàn)到臨界失穩(wěn)，不是一個瞬態(tài)過程，對大地震孕育歷時而言，是一個長期過程.我們對大地震標志性事件孕育過程的分析表明(秦四清等，2016a，b，c)，這個過程一般少則需數(shù)十年乃至數(shù)百年，多則可達數(shù)千年.

6　結論

(1) 本文評述了當前主流地震物理機制假說，指出彈性回跳說和粘滑說本質上均隱含著鎖固段假設，深源地震震源體具有發(fā)生脆性破裂的環(huán)境條件.

(2) 震例分析表明，各地震區(qū)標志性地震事件孕育規(guī)律均遵循著孕震斷層多鎖固段脆性破裂理論，淺源、中源和深源地震均為鎖固段脆性破裂所致.

(3) 該理論能合理解釋地震應力降遠小于室內巖石破裂應力降、熱流佯謬和自組織臨界性這些難點問題.

致謝感謝國家自然科學基金資助項目(41572311；41302233)對研究工作的資金支持.

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(本文編輯劉少華)

Physical mechanism of major earthquakes by earthquake cases

WU Xiao-Wa, QIN Si-Qing*, XUE Lei, YANG Bai-Cun, LI Pei, ZHANG Ke

KeyLaboratoryofShaleGasandGeoengineering,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China

Understanding the physical mechanism of major earthquakes is very important for earthquake prediction and its disaster reduction. The mainstream hypotheses on earthquake mechanism are reviewed in this paper. It is pointed out that the elastic rebound and stick-slip hypotheses, both of which are usually used to explain the mechanism of shallow-focus earthquakes, have some serious drawbacks, and that such hypotheses explaining the mechanism of intermediate- and deep-focus earthquakes as the dehydration embrittlement, phase transition instability, shear melting and anticrack-associated faulting, are inconsistent with some observation data. Thus, it is necessary to establish a new hypothesis or theory on earthquake mechanism. The brittle failure theory of multiple locked patches in a seismogenic fault system developed by us since 2010, is introduced in the present study. It is stated by the theory that the progressive failures of locked patch result in the occurrence of earthquakes due to the fault movement. Hereafter, the significant earthquakes occurred at its volume expansion and peak strength points are referred to as characteristic ones. The earthquake cases indicate that the seismogenic processes of shallow-, intermediate- and deep-focus characteristic earthquakes can be well explained by the theory. We emphasize that both the elastic rebound and stick-slip hypotheses contain the same implicit assumption that there exist locked patches in the seismogenic faults, and that the source body of deep-focus earthquakes is with appropriate environment conditions leading to brittle failures. Moreover, some controversial issues, such as seismic stress drop much less than that of rock failure in the laboratory test, heat flow paradox and Self-Organized Criticality (SOC), are discussed and can be reasonably explained by the theory. The present study shows that the physical mechanism of major earthquakes is attributed to the brittle failures of locked patches.

Seismic zone; Lock patch; Major earthquake; Physical mechanism; Brittle failure

10.6038/cjg20161016.

國家自然科學基金項目(41572311；41302233)資助.

吳曉媧，女，1985年生，主要從事巖石破裂致災機理研究.E-mail：xiaowabj@163.com

秦四清，1964年生，河北行唐人，中國科學院地質與地球物理研究所研究員，主要從事工程地質、非線性巖土力學與巖土工程類研究.目前科研興趣：強震預測研究.E-mail：qsqhope@mail.iggcas.ac.cn

10.6038/cjg20161016

P315

2016-07-20，2016-08-21收修定稿

吳曉媧， 秦四清， 薛雷等. 2016. 基于震例探討大地震的物理機制. 地球物理學報，59(10):3696-3710,

Wu X W, Qin S Q, Xue L, et al. 2016. Physical mechanism of major earthquakes by earthquake cases.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(10):3696-3710,doi:10.6038/cjg20161016.