誘發(fā)地震及冰川形成時的造海作用

1、地球科學原理之 12 誘發(fā)地震及冰川形成時的造海作用廣東海洋大學廖永巖(電子信箱:rock6783根據(jù)前一回的“ 地幔浮力面理論” , 我們現(xiàn)在來分析冰川形成時的造海作 用。為了便于理解冰川作用的機理,我們先來分析一下誘發(fā)地震。誘發(fā)地震是人類 活動引發(fā)的地震。主要有水庫地震、礦山地震等。水庫蓄水時, 大量水轉入, 在水庫處形成巨大荷載。 根據(jù)“地幔浮力面平衡” 原理,水庫處將相對“地幔浮力面”下降,這樣就引起水庫處地面下陷而形成 地震。礦山開采時,大量礦物(如煤炭轉出,在礦山處形成巨大卸載。根據(jù)“地 幔浮力面平衡”原理,礦山處將相對“地幔浮力面”上升,這樣就引起礦山處 地面上升而形成地震。石油

2、開采形成的地震和礦山地震類似。雖然水庫地震和礦山地震的發(fā)震機理,目前尚有爭議 (Gupta, 1992;Gupta, 2002; 秦四清和張倬元 , 1995。但地震界一致公認,印度的 Koyna 水庫 6.4級 (11-12-1967 (Gupta, 1985; Agrawal, 1972; Murthi, 1968和中國的新豐江水庫 6.1級(19-03-1962地震 (Chen and Talwani, 1998; Rui 1978,都是由于水庫蓄 水后引發(fā)的地震;德國東部 Suna 鉀堿礦區(qū) 5.2級(24-06-1975和波蘭 Lublin 銅礦區(qū) 4.5級(24-03-1977 (

3、張少泉等 , 1994及中國湖南邵東煤礦 3.2級(04-09-1997地震,都是由于采礦或采煤引起的地震 (Gibowicz and Guterch, 1982; Gibowicz, et. al., 1981; Cook, 1970;肖和平 , 1998。據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)(1981 :10m<壩高 90m 的 11000座大壩,發(fā)生水庫地震的概 率為 0.63%; 90m<壩高 140m 的大壩,發(fā)生水庫地震的概率為 10%;壩高 140m 的大壩,發(fā)生水庫地震的概率為 21%(易立新等 , 2003。這說明,水庫 地震的發(fā)生,明顯與壩高和庫容呈正相關;壩越高,庫容越大,發(fā)生水庫地震

4、 的可能性就越大。 礦山地震, 也與礦井深度和開采量正相關 (肖和平 , 1998;陳德 貽等 , 1996。Koyna 水庫蓄水 5年后發(fā)最大震(震源深度 27 km ,新豐江水庫蓄水 2年后發(fā) 最大震(震源深度 5 km (易立新和車用太 , 2000。水庫地震,具有明顯的滯后 性,這說明水體對巖石的作用,是一種緩慢作用過程。水庫區(qū)域能發(fā)生地震, 就說明水庫水體作用于巖石, 已引起了巖石層的斷裂。 Koyna 水庫, 庫深 100m , 庫容 2.78×109m 3, 庫面積 1.15×102km 2, 玄武巖底質; 新豐江水庫, 庫深 97m , 庫容 1.15

5、15;1010m 3(約 1.15×1013kg , 庫面積 3.9×102km 2, 花崗巖底質 (易立新和車用太 , 2000;楊清源等 , 1996。 這說明, 象 Koyna 和新豐 江水庫這樣的水深和庫容(水體質量 ,能引起玄武巖或花崗巖巖石層斷裂, 引發(fā) 6級以上的地震 (楊清源等 , 1996。從以上可以看出, 雖然水庫蓄水和礦山采礦, 致巖石層斷裂發(fā)生地震的機理, 尚有待進一步研究 (秦四清和張倬元 , 1995, 但水庫蓄水和礦山采礦能致玄武巖或花崗巖層斷裂,已是不爭的事實。和誘發(fā)地震一樣,冰川引起造海作用,也 是由于巨大質量的轉移造成的 (Kivioja

6、, 1967。 因為水庫地震的發(fā)生, 明顯與壩 高和庫容呈正相關;壩越高,庫容越大,發(fā)生水庫地震的可能性就越大?？梢?想象一下, 假設南極不是冰蓋而是一個水庫, 當一個水庫貯水高度達到 2450米, 也就是 Koyna 水庫或新豐江水庫的壩高的 24倍, 你能保證這個超級“水庫”不 會引發(fā)地震嗎?你能保證這個超級“水庫”處不下沉嗎?因為 90m<壩高 140m 的大壩,發(fā)生水庫地震的概率為 10%;壩高 140m 的大壩,發(fā)生水庫 地震的概率為 21%(易立新和車用太 , 2003,你估計一下,這個“壩高” 2450米 的南極巨無霸“水庫”發(fā)生地震的概率是多少?所以,當面積 1.4

7、15;107km 2、 重約 2.64×1019kg 、平均厚 2450m 、最厚處 4645m 的南極冰蓋形成時 (秦大河和 任賈文 , 2001,引起南極下陷,及引起地球巖石圈最易破裂處的花崗巖或玄武 巖質巖石圈開裂,是很自然的。現(xiàn)以南極冰蓋為例,分析冰川形成時的造海作用。南極冰蓋未形成時,巖石圈和地幔處于流體靜力學平衡狀態(tài)(見圖 3, a 。 當南極冰蓋形成時, 2.64×1019kg 的海洋水轉移至南極,引起海退;海洋巖石 殼上的重量將減少,南極大陸巖石殼上的重量將大大增加(見圖 3, b 。因這 種作用是緩慢進行的, 地球將表現(xiàn)出明顯的塑性 (劉本培和蔡運龍 ,

8、2000(見圖 3, c-f 。根據(jù)“地幔浮力面平衡”原理,南極冰蓋下的巖殼將大幅度下降(見 圖 3, c-f 。圖 3. 南極冰川形成引起的造海過程 . A,巖漿從洋中脊涌出; B ,南極冰川; C ,老巖石殼; D ,軟流層; E ,由洋中脊處涌出巖漿形成的新海洋巖石殼 .地球是一個密閉流體球體,巖石圈就是這個密閉流體的容器(見圖 2 。根據(jù) 流體力學原理,密閉流體在外力的作用下,流體不會或幾乎不會被壓縮;根據(jù) 巴斯噶原理:“施加壓強于密閉容器內的流體,此壓強無變化地傳到流體的各 部分及容器的器壁” (趙景員, 五淑賢 , 1981。 所以, 當巨大重量的冰川引起南 極巖石殼下陷時,將產生

9、巨大的壓強,流體地幔會把這個壓強傳至地幔的任何 地方,并傳至垂直于地殼的任何方向,且壓強不變,方向向外(見圖 3, b 。 這樣,地球將在這個巨大作用力的作用下,向外膨脹(圖 3, c-f 。圖 4. 洋中脊形成和海底擴張 . A,海洋巖石殼外側; B ,海洋巖石殼內側; C ,巖漿流動方向; D ,海底擴張方向; E ,老洋底; F ,早期形成的新洋底; G ,較遲形成的新洋底; H ,最后形成的新洋底 . 地球向外膨脹時,地球表面積將增加;也就是說,冰川形成的巨大作用力,將 利用類似水庫地震或礦山地震形成時, 致巖石斷裂的機制, 在巖石圈的某處 (最 易破裂處,一般為洋中脊 ,將其撕裂(圖

10、 3, c-e 。為了釋放壓力,巖漿將會 從破裂處流出(圖 3, c-e 。這樣就形成了洋中脊,從而使海洋得到擴張(見圖 4 。洋中脊逐漸流出巖漿(見圖 4, b-e , 直至把冰川施加的壓力全部釋放完為 止。這就是造海運動(見圖 4, b-e 。因洋中脊處巖漿的噴出,是由于流體的壓力造成的,所以,洋中脊處噴出的 巖漿,是比較容易流動的地幔深處類玄武巖巖漿的巖漿(見圖 2, C ,形成的 巖石是玄武巖。其實,大陸巖石殼處也有巖漿上涌,只是大陸巖石殼較厚,巖 漿不可能涌出地面,只會浸入陸殼的裂隙而形成浸入巖。但這種巖石大多由地 幔淺處較輕的中性或酸巖漿形成 (見圖 2, B , 多為高 SiO

11、2巖石類, 如花崗巖。 冰川是逐漸形成的,洋中脊處的巖漿噴出,也是緩慢進行的,玄武巖巖漿噴 出后凝固 (圖 4, b-c , 再噴出再凝固 (圖 4, c-e 。 從而使地殼擴張 (圖 4, b-e 。 南極冰蓋對地球的作用,屬于單極冰川作用,因北冰洋是海洋,冰川只能從 一極擠壓地球。若是雙極冰川,冰川將從二極擠壓地球。冰川一旦形成, 冰川就會流動, 巨大冰川的流動產生的力量是巨大的。 所以, 當在一極或二極形成的冰川, 它流動時產生的力量一旦大于位于它下面的地殼 的抗張力,將造成地殼的破裂。大陸板塊一旦破裂,就會產生和海洋洋中脊一 樣的造海作用。隨著新海洋的形成,引起原來大陸板塊的解體。受不

12、同巖石殼抗張力大小不同的影響, 有的地方容易形成洋中脊式的海洋巖 石殼擴張。有的海洋巖石殼或大陸巖石殼,只有當壓力足夠大時,才可能形成 洋中脊擴張。也就是說,并不是所有的海洋的洋中脊都一定是同時或同等強度 地噴發(fā)巖漿而形成造海運動。有的先,有的后,有的快,有的慢。先形成洋中 脊的,洋底先擴張,后形成的,洋底后擴張,不形成洋中脊的不擴張。形成洋 中脊強度大的,洋底擴張快,形成洋中脊強度小的,洋底擴張慢。在新解體的 板塊之間形成的洋中脊,也一樣符合以上的變化規(guī)律。這樣,地球表面海洋的 分布和大小,將重新進行調整。有的海洋大小不變,有的海洋增大,有的海洋 縮小;在原來沒有海洋的地方,也會重新形成海洋

13、。冰川的形成時具有造海作用, 那冰川消融時會有什么作用呢?這種作用又是 怎么起作用的?且聽下回分解。未完,待續(xù)。下回預告 :地球科學原理之 13 冰川消融時的造山運動參考文獻:陳德貽,劉奇武,楊建明 . 湖南婁底煤田礦山誘發(fā)地震的分析 . 中國地震, 1996, 12(3 :325-330劉本培,蔡運龍 . 地球科學導論 . 北京:高等教育出版社 . 2000. 8-303秦大河,任賈文主編 . 南極冰川學 . 北京:科學出版社 .2001. 1-220秦四清, 張倬元 . 水庫誘震機制新理論的探索斷層帶弱化與巖體軟化效應誘 震理論 . 工程地質學報, 1995, 3(1 :35-44肖和平 . 煤礦誘發(fā)地震研究 . 華南地震, 1998, 18(4 :83-87楊清源,胡毓良,陳獻程,陳凌岳 . 國內外水庫誘發(fā)地震目錄 . 地震地質, 1996,18(4 :453-461易立新,