[科学时报]地球系统动力学与板内热地震成因及立体监测

gxzh_1984 · 发表于 2011-3-20 14:55

发表时间：2011-3-17来源：[科学时报]

　　第388次香山科学会议在北京成功召开。图为执行主席李德威教授、金振民教授、张国伟教授、李廷栋研究员和陶家渠研究员在主持会议（从左到右）。

　　至今人类还不能准确预报地震，地震预测成为全球最复杂和最具有挑战性的重大科学和社会问题之一。2008年6月23日胡锦涛总书记在两院院士大会上的重要讲话中指出：“我们必须把自然灾害预测预报、防灾减灾工作作为关系经济社会发展全局的一项重大工作进一步抓紧抓好。从长远看，要做好以下几方面的工作：一是要加强对自然灾害孕育、发生、发展、演变、时空分布等规律和致灾机理的研究，为科学预测和预防自然灾害提供理论依据。二是要加强自然灾害监测和预警能力建设，在完善现有气象、水文、地震、地质、海洋、环境等监测站网的基础上，增加监测密度，提升监测水平，构建自然灾害立体监测体系，建立灾害监测—研究—预警预报网络体系。”面对地震预测这一世界性难题，充分发挥我国地质和地震的区位优势，开展理论创新，构建自然灾害立体监测体系是中国科技界面临的紧迫任务。

　　机理不明制约地震预测

　　地球结构复杂，体积巨大，内部高压高温，形成演化时间长，整体高度活动，地震、火山频发。目前人类对地球的整体认识极为有限。

　　20世纪60年代创立的“板块构造学说”推动了地球科学的发展。但越来越多的资料表明，从大洋调查研究中创立的板块构造学说存在很大的时空局限性，且板块运动机理不明。板块构造学说不能合理解释大陆地质事实，只适用于约占地球半径六十分之一大洋表层和约占地球历史八分之一显生宙，没有涉及到地幔软流圈以下的地球内部，更没有阐明地球外部的物质运动过程及其与地球表层的相互作用，必须从地球系统科学和地球系统动力学角度进行原始创新，发展更全面、更深刻、更合理的地学理论。

　　近20多年来国际地学界相继提出了全球变化、地球系统科学、大陆动力学等推动地球科学发展的前沿课题，新地学革命的目标已经聚焦到上述战略性、全局性、前瞻性重大前沿领域，关键科学问题地球多层块物质运动规律和能量交换过程。对于地震预测，地震机理不明是瓶颈，地震是地球内部构造运动的一种表现形式，只要认识了地震时空分布规律、地球内部物质运动规律和能量聚散规律，地震成因和地震预测问题就有望破解。

　　地球系统动力学的理论创新

　　全新的地球科学集成创新应当将地球作为一个开放的复杂巨系统，总结地球内部圈层、表层圈层与外部圈层相互作用的规律，阐明地球多级分层结构的整体性、层次性、开放性、自组织性、自相似性、关联性、活动性、阶段性（渐变性与突变性）。

　　通过对青藏高原的调查研究和系统总结，我于1992年提出以大陆下地壳流动和盆山耦合为核心内容的层流构造假说，正努力探索地球内部系统动力学和地球系统动力学。地球内部系统动力学包括以下地壳流动、盆山作用为核心的大陆动力学和以地幔流动、洋陆作用为特征的岩石圈动力学，以及以地核流动、超洋陆作用为特征的全球动力学，不同尺度的动力学过程构成有机联系的动态体系。像血液流动之于人体，热流体流动让地球充满活力。动态地球在热动力制约下，大陆盆山系统、洋陆系统和超洋陆系统发生多级垂平转换运动，都会经历不同时长的孕育、发生、发展、萎缩、消亡的构造演化过程，遵循从盆控山、洋控陆转换到山控盆、陆控洋的演化规律。

　　地球内部系统动力学的要点是：由于地球内核偏移造成外核层流，引起地核偏转，极高温外核流体汇集形成板状和柱状地幔上升热流；板状深层地幔上升热流（地幔板）在上地幔上部形成软流圈，低密度地幔岩浆上升形成洋中脊，构成热线；部分地幔软流圈热流物质顺层流向大陆（而不是地幔对流），带动大洋岩石圈水平运动和洋盆扩张，引起大陆垂向增生；地幔板及其软流圈层流推动大洋岩石圈水平运动，导致地幔柱之上热点处出现夏威夷式指示洋盆扩张方向的定向迁移火山岛链; 增厚的大陆地幔软流圈底辟上升造成热弱化下地壳从盆地流向造山带，形成盆山结构，构成盆山地壳物质循环。从而从系统论的角度合理地解释了大陆与大洋、山脉与盆地的成因和地核、地幔、地壳的分层流变、垂平转换等许多科学难题。运用这一理论，1994年还准确地预测了青藏高原南部铜、铁、铅、锌、金等多金属成矿带。

　　阐明地球内部系统、地球表层系统与地球外部系统的物质交换和能量交换规律的地球系统动力学是当前地学理论创新的目标。在动态的地球开放体系中，地核温度达5500度以上，太阳表面的平均温度约为6000度，正是这些巨大的热动力让地球一直处于规律的运动状态之中。除主导的热动力外，引力及其重力、应力、陨击力、电磁力在不同圈层起不同的作用，构成地球多源复合动力系统。热动力和其他动力共同作用，产生地球内部不同尺度的物质循环系统。此外，还有大气循环、碳循环、水循环、生物地球化学循环、洋流循环、火山物质循环等。人类生存的地球表层系统受到地球内部系统和地球外部系统构成双向物质—能量相互作用，是开放的复杂系统。

　　在地震及其相关领域的应用

　　“地球内部系统动力学模式”不仅能够合理解释目前已知的地质和地球物理、地球化学现象以及许多长期困扰地学界的重大科学问题，而且还可有效地应用到矿产资源、水资源、化石能源、工程地质、生态环境等广泛领域并进行科学预测。以下简要论述其在地震及其相关地质灾害方面的应用。

　　地震成因

　　动态开放的地球系统具有能量缓慢积累和突然释放的阶段性演变特性，伴随子系统平衡态—近平衡态—远离平衡态多次交替和物质运动，产生造洋造陆作用、造山成盆作用及其火山岩浆活动、成矿作用、超级巨震等重大突变事件，在长期渐变过程中也会出现地震、台风、干旱等突变事件，其中地震成因和地震预测备受社会关注。

　　按照地球内部系统动力学模式，地核和地幔深层热流物质经过多级次垂平转换运动后，地幔软流圈热流物质从大洋中脊附近侧向流入大陆，造成大陆地幔软流圈不均匀加厚，地幔软流圈底辟上升，引起大陆下地壳含气热流物质从盆地向山脉流动。当下地壳长期积累的热能超过中地壳应变能极限时，中地壳顺层滑脱性质的韧—脆性剪切带易于积累能量并孕育地震，在日月引潮力的触发下发生地震，并造成低温的上地壳脆性破裂，断层活动和地表破裂成为地震能量释放的方式之一，部分热能和流体在发震之前和发震过程中通过岩石孔隙和裂隙释放到大气层。对于构造地震的成因，地球内部热流动活动是内因，日月引潮力是外因，特定地震的发震时间取决于软流层中主热流通道内流量、流速、流向的突变。

　　地震预测

　　正确认识孕震过程是地震预测的基础，将地震监测从地面发展到四维，在地震孕育、发展过程中分阶段从天空、地面、地下监测有科学依据的有效地震前兆，能够预测地震。

　　四维地震预测的要点是：（1）从地震成因的本质出发，以热流体活动及其效应为主线，优选有效的地震前兆，主要是震前温度异常、流体（气体和液体）异常、电磁异常、大气异常等。（2）抓住地震孕育、临发和发生阶段特征性异常前兆，如地震孕育早期地壳热流活动开始加强，要调查评价地壳活动性；地震孕育中期岩石孔隙释放部分热能，形成跨季度的地热干旱；地震孕育晚期地下热能再积累，出现异常降水、降温、冰冻气候；地震临发早期下地壳热流强度加强导致不同程度地出现卫星热红外、浅层地温、深源气体、水氡（汞）、电磁等异常，特别是下地壳流体加速运动引起地电阻率变化，产生弦振波；地震临发晚期下地壳流速、流量、流向突变或热流物质撞击坚硬块体，造成温度、流体、电磁、地声、地应变等突变，共振波和异常地声能够很好地反应震前下地壳异常流动；地震临发末期发生热能-应变能转换，常见升温背景下出现局部“耗热”结构—热大气带中出现“冷线”、浅层地温升温曲线发生突降、上升背景下的地下水水温下降及其相关的水氡含量突然减少、闷热天气突然降温降雨（雪）。（3）根据区域性地质和地球物理、气象、水文、遥感等资料确定强震趋势和宏观范围，在潜在强震区分层立体布置多种有效的短临监测手段，逐步缩小范围，锁定目标，确定地震三要素。（4）将深部探测、地面监测、空间探测紧密结合，合理配置监测系统，优势互补。（5）目前地震监测手段较多，各有优缺点，综合集成能够迅速提高地震预测水平。

　　热灾害链

　　地壳内部是一个巨大的热库。根据地球系统动力学多级物质循环假说，地球系统中各圈层的物质运动和能量交换密切相关，相应的地质灾害也存在内在联系并形成热灾害链。地球内部热流体活动是火山、地震、干旱等的共同根源。

　　大陆热灾害链主链条是：地幔软流圈高温热流物质上涌引起下地壳部分熔融，低密度热流物质上升产生火山。较高密度热流物质在重力作用下侧向流动，处于韧脆性过渡带中地壳能量积累达到极限后发生地震，伴生次生地质灾害。地球内部释热放气是温室效应的重要因素，还引起跨季度干旱、森林草原火灾、冰川和冻土消融。造洋造陆和造山成盆期全球性构造运动及其强烈的火山—岩浆—地震活动造成地球系统整体热灾变，巨量的释热放气改变大气温度结构，造成二氧化碳含量大幅升高，甚至导致生物绝灭。强烈的释热放气之后进入能量积累期，地下热能不同程度地减少，产生不同程度的冰冻、雨雪气候。震后强降雨常诱发滑坡和泥石流。

　　兴利除弊变害为宝

　　地球构造运动的主因是热流体活动，热流体是构造地震、火山活动及其灾害链的祸根，也是形成金属矿床、油气和地热资源的重要因素，因此如何用好地球内部热流体这把“双刃剑”是一个非常重要的课题。

　　全球高热流分布区正好与地震—火山多发区、地热异常区、地表和大气增温显著区吻合。热流体活动是系列重大自然灾害的根本原因，我们可以通过开发深部地热资源来减轻甚至部分消除地球内部的热“肿瘤”，降低地壳的活动性，变害为宝。全球化石能源严重不足，地热是取之不尽的可再生清洁能源。查明热活动强烈区主热流通道，在“热河上游”的合适部位大规模开发地下热能，能够有效地取能减灾，应当作为彻底改善新能源结构和防灾减灾的重大战略课题。

　　地球内部热流体活动区有利于无机天然气成藏。大陆盆山过渡带巨量的无机气源、畅通的气流通道和良好的封闭条件有利于形成大型和超大型油气藏。但是，盆山边界地形复杂，各种深部勘探数据质量差，油气藏分布状态不明。研究构造地震活动及其相关的热气活动，有助于查明盆山边界地壳结构、油气分布规律和油气勘察方向。此外，二氧化碳是很好的驱油剂，埋存二氧化碳能提高石油的收采率。利用上述思路可开创油气勘探与开发的新局面。

　　总之，现有地学理论尚不能完全合理地解释地球多尺度、多层次构造运动规律及其地震和相关自然灾害的成因。地震预测取决于有效前兆，有效前兆取决于地震机理，地震机理取决于地学理论，加强地学理论原始创新迫在眉睫。地震形成机理研究不应局限于地壳上部的活动断层及其块断运动，应当从活动地球中多圈层热流体垂平运动及其物质交换、能量转换的大视野上进行全新的探索。地球系统动力学及其热灾害链的研究体现了地学前沿创新、国家重大需求、社会发展与人类安全的重要性和迫切性。要实现引领新地学革命浪潮和地震预测方向，造福于全人类这一宏伟目标，应当组建跨部门、跨行业联合的多学科交叉团队，开展前瞻性、战略性联合科技攻关。争取长期预报更加科学，中期预报成功率不断提高，短临预报有新的突破是中国地学研究工作者的历史责任。(第388次香山科学会议执行主席、中国地质大学（武汉）重大地质灾害研究中心教授李德威)