地震按深度可分為3類:淺源地震(深度小於70公里)中源地震(深度70~300公里)和深源地震(大於300公里)。其中,中源地震和深源地震又被籠統的稱為深源地震。
地球上約有78%的地震發生在地球淺部深度小於70公里的地方,即淺源地震,也就是能夠產生脆性破裂和沿先存斷層摩擦滑動"從而釋放彈性應變能產生地震波。而深度大於300公里的地震約佔全球地震總數的4%。
淺源地震和深源地震的機理到底有什麼不同呢?
平常我們接受的對地震的解釋是這樣的:斷層受到應力的作用,達到一定的程度的時候,就會發生破裂滑動。這是對淺源地震機理的解釋,也就是說這種地震發生於斷層上,是斷層面兩側巖體相對滑動的結果。這在本質上是一種摩擦滑動,並釋放出地震波,產生破壞。關於斷層的更多討論,可以看這兩個個帖子(人與斷層的恩恩怨怨和淺源地震(
先看幾張比較直觀的圖
1、深源地震發生在哪裡
首先看一下在世界範圍內的分佈
世界範圍內深遠地震分佈,主要集中在匯聚板塊的邊界,即圖中黃色部分[5]
這還需要補充一點知識,就是板塊的邊界可以分為離散型邊界、匯聚型邊界和轉換邊界;離散型邊界主要是洋中脊,在這裡板塊相互分離,併產生新的地殼;而匯聚型板塊邊界,就是兩個板塊相對運動,並擠壓,比如青藏高原就是亞歐板塊和印度板塊相互擠壓的結果。上圖中,既有影區又有黑線的地方就是匯聚型板塊邊界,板塊在這裡擠壓,然後就有俯衝了。深源地震全部發生在擠壓板塊邊緣。這是俄羅斯勘察加半島在600公里深處發生的8.3級地震就是在典型的匯聚型板塊。更多板塊邊界的東西,看這裡索羅門群島地震:太平洋為何不太平?
再說一下深度。
這裡就要說到一個詞,叫俯衝。舉個栗子。我們都知道,太平洋現在在縮小,但是,這就遇到一個問題,大洋下面也是堅硬的地殼,那麼大洋在縮小,大陸在靠近,大洋下面的地殼去哪裡了呢?答案是,進到地球裡面去了,也就是說俯衝到地幔裡面去了。更多,還要看這裡了索羅門群島地震:太平洋為何不太平?
仔細看一下這個圖。
a是俯衝的示意圖。豎向表示深度,橫向就是水平方向了。綠色表示的大洋的岩石圈(大洋地殼+地幔的一部分,厚度約為80公里)在俯衝帶的地方向下,進入地幔,並一直往下,直到大約660公里的深度。這個俯衝下去的岩石圈就叫俯衝板片。在這裡,俯衝下去的板片會有兩種命運:一是繼續向下,直到地核和地幔的交界(約2900公里處);二是停留在660公里之上。不過,一般認為第二種俯衝板片的命運也是最終會到核幔邊界去,只不過在660公里處作了一個短暫停留(可能也就千萬年而已)。這兩種命運的板片,在a圖中都有表示。a圖中板片中紅色的點表示地震。
再看c圖,這個是地震頻率對深度的變化圖。橫軸是每年發生地震數目的頻率,豎軸表示深度。可以看出來,從地表開始,隨著深度的增加,地震發生的次數是遞減的,到約200公里的地方,地震幾乎不再發生。但是,400公里的地方,地震又多了起來,直到約660公里,地震就消失了。
為了更清楚,看下面的圖
圖中橫座標是地震頻率(對數座標),縱座標是深度。在30~50公里有一個顯著的上升,隨後中源地震頻率隨著,深度變化成冪指數減少,直到350公里附近時,地震頻率達到了一個最小值,往下再次增多。[6]
實際上,板片實際上俯衝到哪裡呢?
注意,幾個扇形圖是橫切板塊邊界的深度剖面,藍色的部分就表示俯衝下去的板片。可以看出,太平洋周圍的板片實際上是可以俯衝到很深的地方的。更多的解釋,看這裡索羅門群島地震:太平洋為何不太平?
2、為什麼會有深源地震
這個問題,現在還沒有得到很好的解決。傳統的地震學理論認為,地震只能發生在脆性的岩石中,也就是說只能集中在地殼的中上部(對俯衝帶,>50公里,其他地區>25公里)。從下地殼往下,岩石的變形行為主要為塑性,是不能產生的地震的。
但是,1920年,深源地震第一次被提出,受到了廣泛的質疑。從1928年開始,這種地震才得到了證實,就一直是一個研究熱點。但是直到現在,還是沒有弄清楚,到底為什麼會發生深源地震。
傳統的斷層摩擦理論是不能用來解釋深源地震的,因為在地球深處(地幔),壓力非常之大,斷層產生已屬不易,而要求斷層發生滑動所需要的力更是大的驚人。所以,深源地震不能再用斷層滑動的理論去解釋了。但是,大量的觀測和研究發現"深源地震與淺源地震在震級分佈範圍、震源時間函式、破裂速度和應力降等方面都相似,甚所以淺源地震的動態觸發機制也可以在深源地震中起作用,並且這種動態觸發的地震通常發生在地震區下面或附近的無震區。這些又暗示了,淺源地震和深源地震又有一定的相似性。
要解釋其機理,首先要明白,俯衝板片在俯衝的過程中,到底發生了什麼。
地球,越往下越熱,越近表層約冷。俯衝板片本來是在冷的表層的,現在進入了熱的地球深處,是要被加熱的。但是,岩石的導熱效能非常的差,加熱的十分緩慢,這就導致俯衝板片的溫度和周圍地幔的溫度有比較大的差別。一般的材料(包括岩石),溫度越高,脆性越小,受力的時候越易發生塑性變形,也就越不容易發生地震。普通的地幔就是這個樣子,溫度比較高,不會發生脆性的斷裂。而俯衝下去的板片,溫度相對較低,就可能在適合的條件下產生斷裂並滑動,產生地震。
再一個,就是水。畢竟板片是從大洋中俯衝下去的,會把一部分水帶到地幔中去,一直到400公里以下。當然量是非常少的,但就是這些水對深源地震有著非常重要的影響。
總算到重點了,深源地震的機制主要有一下幾個。
(1)脫水脆裂
水。。。這個水並不全是日常生活中的水,在深部地球研究中,H2O、H、NH3、OH等含氫元素的很多物質都可以稱為水,這些東西的存在,可以對深部物質活動起到“潤滑”的作用。比如,如果沒有這些東西,岩石就非常難於滑動,如果有了即使是非常少量的這些東西,岩石的強度就會被大大的降低,活動性就會大大的增強。
上面也說到,俯衝板片會帶一些水進入深部地幔。隨著溫度的升高,一些礦物(比如蛇紋石)就要釋放出一些水。這些水從礦物晶體進入岩石中,就會起到潤滑的作用,是的岩石在非常小的應力下也能滑動產生地震。很多實驗表明,在高溫下這種機制是存在的。
不過,隨著深度的增加,溫度越來越高,板片中的水含量越來越少,所以,一些人認為這種機制的作用深度可能不超過250~300公里。這種機制並不能完全解釋許多觀察現象,存在諸多的問題。
(2)反裂隙斷層作用
這裡要先解釋一下相變。
先舉個栗子。蒸饅頭,先和麵,然後捏成麵糰,再放到鍋裡蒸,蒸好以後,發現結果已經和原來不一樣了。除開多孔,更主要的是蛋白質和澱粉的結構和原來不一樣了,這就是“相變”。(外行,舉例子不一定準確,望指正)。還有一個,就是燒磚。把一個毛坯放到磚窯裡面,燒它幾天後,發現也變了,顏色變了,硬度變了,密度變了。這也是“相變”。
這兩個例子裡面有一個共同之處:兩種材料前後都經歷了兩種條件,低溫和高溫。在低溫的時候是一種狀態,高溫又變成了另外一種狀態。
對於岩石礦物,這是一樣的。俯衝板片在淺層的時候是一種狀態,但是隨著俯衝的進行,又會變成另外一種狀態。俯衝板片的礦物組成主要是橄欖石(Olivine),淺層的時候是α相,隨著深度的增加,會變成β相(410公里處),然後又會變成γ相(520公里處)。這三種礦物相的密度依次增加,體積就一次減小。所以,就必須需要一種作用使由於相變造成的體積變化閉合,這就發生了地震。
同樣,這種機制可以解釋一些現象,但也面臨一些困難。
(3)絕熱剪下失穩
這種模型認為,俯衝下去的板片一直在發生變形。隨著變形程度的增加,會在某些舉報薄層上加速(蠕變)。這裡,溫度又起到一個關鍵作用。
開始的時候,俯衝板片發生緩慢的剪下變形。和摩擦生熱比較類似,這中變形也會產生熱量。如果系統是絕熱的,熱量的緩慢增加就會變形越來越容易,而熱量產生也越多。就是這種正反饋,使得失穩最終發生,產生地震。這個模型也可以解釋前震和餘震。
目前,這種模式是解釋深部地震最成功的模型之一。
總之,上面介紹的三種模型各有優缺點,都不能完全解釋深源地震的發生機制。
3、再說哈勘察加地震
這次地震發生在俄羅斯勘察加半島,震源深度是600公里,震級8.3級。在這麼深的地方,發生如此大的地震,在全世界也是非常罕見的。本地區是世界上地震活動性最大的地區之一。
圖中的暗紅色線為板塊邊界,五星就是地震的震中位置。發現,這次地震並不發生在板塊的邊界上,而在板塊內部。這就是因為俯衝下去的板塊有一個傾斜角,深度越大,震中越原理板塊邊界。
勘察加地區[4],太平洋板塊向北美板塊運動的速率為80毫米每年,這個速率,從地質學的角度來看,幾乎可以用飛速來形容了。然後對上面的箭頭做一個深度剖面,就是下面的圖
勘察加地區地震發生的深度,基本在每個深度都有的。[4]
4、小笠原地震
這次地震發生在太平洋板塊和菲律賓板塊的邊界上,太平洋板塊向菲律賓板塊下面俯衝,已經達到700km的深度
簡要構造圖,紫線即為板塊的邊界[4]
對中國來說,深源地震(>300公里)只發生在長白山地區。原因是太平洋板塊已經俯衝到了這裡了。
地震按深度可分為3類:淺源地震(深度小於70公里)中源地震(深度70~300公里)和深源地震(大於300公里)。其中,中源地震和深源地震又被籠統的稱為深源地震。
地球上約有78%的地震發生在地球淺部深度小於70公里的地方,即淺源地震,也就是能夠產生脆性破裂和沿先存斷層摩擦滑動"從而釋放彈性應變能產生地震波。而深度大於300公里的地震約佔全球地震總數的4%。
淺源地震和深源地震的機理到底有什麼不同呢?
平常我們接受的對地震的解釋是這樣的:斷層受到應力的作用,達到一定的程度的時候,就會發生破裂滑動。這是對淺源地震機理的解釋,也就是說這種地震發生於斷層上,是斷層面兩側巖體相對滑動的結果。這在本質上是一種摩擦滑動,並釋放出地震波,產生破壞。關於斷層的更多討論,可以看這兩個個帖子(人與斷層的恩恩怨怨和淺源地震(
先看幾張比較直觀的圖
1、深源地震發生在哪裡
首先看一下在世界範圍內的分佈
世界範圍內深遠地震分佈,主要集中在匯聚板塊的邊界,即圖中黃色部分[5]
這還需要補充一點知識,就是板塊的邊界可以分為離散型邊界、匯聚型邊界和轉換邊界;離散型邊界主要是洋中脊,在這裡板塊相互分離,併產生新的地殼;而匯聚型板塊邊界,就是兩個板塊相對運動,並擠壓,比如青藏高原就是亞歐板塊和印度板塊相互擠壓的結果。上圖中,既有影區又有黑線的地方就是匯聚型板塊邊界,板塊在這裡擠壓,然後就有俯衝了。深源地震全部發生在擠壓板塊邊緣。這是俄羅斯勘察加半島在600公里深處發生的8.3級地震就是在典型的匯聚型板塊。更多板塊邊界的東西,看這裡索羅門群島地震:太平洋為何不太平?
再說一下深度。
這裡就要說到一個詞,叫俯衝。舉個栗子。我們都知道,太平洋現在在縮小,但是,這就遇到一個問題,大洋下面也是堅硬的地殼,那麼大洋在縮小,大陸在靠近,大洋下面的地殼去哪裡了呢?答案是,進到地球裡面去了,也就是說俯衝到地幔裡面去了。更多,還要看這裡了索羅門群島地震:太平洋為何不太平?
仔細看一下這個圖。
a是俯衝的示意圖。豎向表示深度,橫向就是水平方向了。綠色表示的大洋的岩石圈(大洋地殼+地幔的一部分,厚度約為80公里)在俯衝帶的地方向下,進入地幔,並一直往下,直到大約660公里的深度。這個俯衝下去的岩石圈就叫俯衝板片。在這裡,俯衝下去的板片會有兩種命運:一是繼續向下,直到地核和地幔的交界(約2900公里處);二是停留在660公里之上。不過,一般認為第二種俯衝板片的命運也是最終會到核幔邊界去,只不過在660公里處作了一個短暫停留(可能也就千萬年而已)。這兩種命運的板片,在a圖中都有表示。a圖中板片中紅色的點表示地震。
再看c圖,這個是地震頻率對深度的變化圖。橫軸是每年發生地震數目的頻率,豎軸表示深度。可以看出來,從地表開始,隨著深度的增加,地震發生的次數是遞減的,到約200公里的地方,地震幾乎不再發生。但是,400公里的地方,地震又多了起來,直到約660公里,地震就消失了。
為了更清楚,看下面的圖
圖中橫座標是地震頻率(對數座標),縱座標是深度。在30~50公里有一個顯著的上升,隨後中源地震頻率隨著,深度變化成冪指數減少,直到350公里附近時,地震頻率達到了一個最小值,往下再次增多。[6]
實際上,板片實際上俯衝到哪裡呢?
注意,幾個扇形圖是橫切板塊邊界的深度剖面,藍色的部分就表示俯衝下去的板片。可以看出,太平洋周圍的板片實際上是可以俯衝到很深的地方的。更多的解釋,看這裡索羅門群島地震:太平洋為何不太平?
2、為什麼會有深源地震
這個問題,現在還沒有得到很好的解決。傳統的地震學理論認為,地震只能發生在脆性的岩石中,也就是說只能集中在地殼的中上部(對俯衝帶,>50公里,其他地區>25公里)。從下地殼往下,岩石的變形行為主要為塑性,是不能產生的地震的。
但是,1920年,深源地震第一次被提出,受到了廣泛的質疑。從1928年開始,這種地震才得到了證實,就一直是一個研究熱點。但是直到現在,還是沒有弄清楚,到底為什麼會發生深源地震。
傳統的斷層摩擦理論是不能用來解釋深源地震的,因為在地球深處(地幔),壓力非常之大,斷層產生已屬不易,而要求斷層發生滑動所需要的力更是大的驚人。所以,深源地震不能再用斷層滑動的理論去解釋了。但是,大量的觀測和研究發現"深源地震與淺源地震在震級分佈範圍、震源時間函式、破裂速度和應力降等方面都相似,甚所以淺源地震的動態觸發機制也可以在深源地震中起作用,並且這種動態觸發的地震通常發生在地震區下面或附近的無震區。這些又暗示了,淺源地震和深源地震又有一定的相似性。
要解釋其機理,首先要明白,俯衝板片在俯衝的過程中,到底發生了什麼。
地球,越往下越熱,越近表層約冷。俯衝板片本來是在冷的表層的,現在進入了熱的地球深處,是要被加熱的。但是,岩石的導熱效能非常的差,加熱的十分緩慢,這就導致俯衝板片的溫度和周圍地幔的溫度有比較大的差別。一般的材料(包括岩石),溫度越高,脆性越小,受力的時候越易發生塑性變形,也就越不容易發生地震。普通的地幔就是這個樣子,溫度比較高,不會發生脆性的斷裂。而俯衝下去的板片,溫度相對較低,就可能在適合的條件下產生斷裂並滑動,產生地震。
再一個,就是水。畢竟板片是從大洋中俯衝下去的,會把一部分水帶到地幔中去,一直到400公里以下。當然量是非常少的,但就是這些水對深源地震有著非常重要的影響。
總算到重點了,深源地震的機制主要有一下幾個。
(1)脫水脆裂
水。。。這個水並不全是日常生活中的水,在深部地球研究中,H2O、H、NH3、OH等含氫元素的很多物質都可以稱為水,這些東西的存在,可以對深部物質活動起到“潤滑”的作用。比如,如果沒有這些東西,岩石就非常難於滑動,如果有了即使是非常少量的這些東西,岩石的強度就會被大大的降低,活動性就會大大的增強。
上面也說到,俯衝板片會帶一些水進入深部地幔。隨著溫度的升高,一些礦物(比如蛇紋石)就要釋放出一些水。這些水從礦物晶體進入岩石中,就會起到潤滑的作用,是的岩石在非常小的應力下也能滑動產生地震。很多實驗表明,在高溫下這種機制是存在的。
不過,隨著深度的增加,溫度越來越高,板片中的水含量越來越少,所以,一些人認為這種機制的作用深度可能不超過250~300公里。這種機制並不能完全解釋許多觀察現象,存在諸多的問題。
(2)反裂隙斷層作用
這裡要先解釋一下相變。
先舉個栗子。蒸饅頭,先和麵,然後捏成麵糰,再放到鍋裡蒸,蒸好以後,發現結果已經和原來不一樣了。除開多孔,更主要的是蛋白質和澱粉的結構和原來不一樣了,這就是“相變”。(外行,舉例子不一定準確,望指正)。還有一個,就是燒磚。把一個毛坯放到磚窯裡面,燒它幾天後,發現也變了,顏色變了,硬度變了,密度變了。這也是“相變”。
這兩個例子裡面有一個共同之處:兩種材料前後都經歷了兩種條件,低溫和高溫。在低溫的時候是一種狀態,高溫又變成了另外一種狀態。
對於岩石礦物,這是一樣的。俯衝板片在淺層的時候是一種狀態,但是隨著俯衝的進行,又會變成另外一種狀態。俯衝板片的礦物組成主要是橄欖石(Olivine),淺層的時候是α相,隨著深度的增加,會變成β相(410公里處),然後又會變成γ相(520公里處)。這三種礦物相的密度依次增加,體積就一次減小。所以,就必須需要一種作用使由於相變造成的體積變化閉合,這就發生了地震。
同樣,這種機制可以解釋一些現象,但也面臨一些困難。
(3)絕熱剪下失穩
這種模型認為,俯衝下去的板片一直在發生變形。隨著變形程度的增加,會在某些舉報薄層上加速(蠕變)。這裡,溫度又起到一個關鍵作用。
開始的時候,俯衝板片發生緩慢的剪下變形。和摩擦生熱比較類似,這中變形也會產生熱量。如果系統是絕熱的,熱量的緩慢增加就會變形越來越容易,而熱量產生也越多。就是這種正反饋,使得失穩最終發生,產生地震。這個模型也可以解釋前震和餘震。
目前,這種模式是解釋深部地震最成功的模型之一。
總之,上面介紹的三種模型各有優缺點,都不能完全解釋深源地震的發生機制。
3、再說哈勘察加地震
這次地震發生在俄羅斯勘察加半島,震源深度是600公里,震級8.3級。在這麼深的地方,發生如此大的地震,在全世界也是非常罕見的。本地區是世界上地震活動性最大的地區之一。
圖中的暗紅色線為板塊邊界,五星就是地震的震中位置。發現,這次地震並不發生在板塊的邊界上,而在板塊內部。這就是因為俯衝下去的板塊有一個傾斜角,深度越大,震中越原理板塊邊界。
勘察加地區[4],太平洋板塊向北美板塊運動的速率為80毫米每年,這個速率,從地質學的角度來看,幾乎可以用飛速來形容了。然後對上面的箭頭做一個深度剖面,就是下面的圖
勘察加地區地震發生的深度,基本在每個深度都有的。[4]
4、小笠原地震
這次地震發生在太平洋板塊和菲律賓板塊的邊界上,太平洋板塊向菲律賓板塊下面俯衝,已經達到700km的深度
簡要構造圖,紫線即為板塊的邊界[4]
對中國來說,深源地震(>300公里)只發生在長白山地區。原因是太平洋板塊已經俯衝到了這裡了。