物理学报特刊论地震发生机制.pdfVIP

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 21 (2014) 219101 编者按 本刊曾于2012 年发表了陆坤权等人的论文“ 以颗粒物理原理认识地震”(《物理学报》, 2012, 61, 119103), 他们将地壳作为大尺度岩 石层块和断层泥组成的离散态体系处理, 研究了地震孕育的能量积累和力传播过程, 获得对地震前兆和地震预测方法原理的新认识. 鉴于地震 发生的物理机制和过程仍是没有认识清楚的问题, 此前将浅源地震归因于地壳岩石的弹性回跳,以此计算得到的地震能量与实际观测结果有很 大矛盾, 无法理解, 而中源和深源地震成因也没有弄清. 作者根据物理学原理, 特别是近年凝聚态物理发展的一些新观念, 同时依据已有观测事 实, 从新的视角对地震发生机制进行了深入探讨, “ 论地震发生机制” 一文,提出了与传统观点不同的新见解, 可对地震现象给予合理解释. 为鼓 励更多的物理学研究工作者关心和探索物理学在理解和防止重大自然灾害中的作用, 本刊特刊出这篇长稿, 以期引起读者的更多思考和讨论. 论地震发生机制∗ 陆坤权 曹则贤 厚美瑛 姜泽辉 沈容 王强 孙刚 刘寄星 1)(中国科学院物理研究所, 北京凝聚态物理国家实验室, 北京 100190) 2)(哈尔滨工业大学物理系, 哈尔滨 150001) 3)(中国科学院理论物理研究所, 北京 100190) ( 2014 年9 月1 日收到; 2014 年9 月1 日收到修改稿) 地震发生的物理机制和过程是还没有认识清楚的问题. 此前人们将浅源地震归因于弹性回跳, 根据这 一观点和岩石实验结果计算得到的地震能量与实际观测结果有很大矛盾, 被称之为“热流佯谬”. 中源和深 源地震发生在地幔区域, 其成因也没有合理的解释. 考虑到地壳和地幔是离散集合态物质体系及其慢动 力学运动行为的基本特点, 本文根据物理学原理, 特别是近年凝聚态物理发展出来的相关新观念, 并依据 已有观测事实, 从新的视角探究地震发生的物理机制. 1) 关于地壳岩石层中的应力分布：在不考虑构造力 时, 依据万物皆流的流变学原理, 原始地壳岩石在自重压强长时间作用下, 纵向和横向应力相同, 没有差应 力. 大地构造力推动岩块滞滑移动挤压断层泥, 施加于其他岩块, 逐渐传递和积累. 这种附加的横向构造 力与原始岩石中应力叠加, 形成地壳岩石层中的实时应力. 由于断层泥属于颗粒物质体系, 具有与岩石不 同的力学特征, 其弹性模量比岩石小得多, 且随压强而增大, 导致构造作用力随深度非线性增大. 给出了 地壳中构造应力分布及其变化规律. 2) 关于地壳岩石层强度：地壳岩石的自重会使岩石发生弹性—塑性转 变. 通过对弹性—塑性转变深度的计算, 并根据实际情况分析, 给出了地壳岩石弹性、部分塑性和完全塑性 三个区域的典型深度范围. 在部分塑性区, 塑性体比例达到约10% 以上时, 发生塑性连通, 这时岩石剪切 强度由塑性特征决定. 塑性滑移的等效摩擦系数比脆性破裂小一个数量级以上, 致使塑性滑移时岩石剪切 强度比脆性破裂小得多. 同时, 随深度增大, 有多种因素使得岩石剪切屈服强度减小. 另一方面, 地震是大 范围岩石破坏, 破坏必然沿薄弱路径发生. 因此, 浅源地震岩石的实际破坏强度必定比通常观测到的岩石 剪切强度值低. 给出了地壳岩石平均强度和实际破坏强度典型值随深度的分布规律. 3) 关于地震发生的 条件和机制：地震发生必定产生体积膨胀, 只有突破阻挡才可膨胀. 地震发生的条件是：大地构造力超过岩 石破坏强度、断层边界摩擦力以及所受阻挡力之和. 因此, 浅源地震是岩石突破阻挡发生的塑性滑