“中国大陆现今地壳运动—变形动力系统”演化与地震灾变行为

1“中国大陆现今地壳运动—变形动力系统”——演化与地震灾变行为周硕愚中国地震局地震研究所（地震大地测量重点实验室），武汉，430071【摘要】回顾多种地震模式学术思想的演化及其践行效果。在地球系统科学框架下，以近五十年地震大地测量学观测结果为基础，结合地球物理学、地质学、岩石力学、复杂动力系统理论等相关学科新进展、追寻了由地球诞生至大陆现今地壳运动的自组织演化进程；提出了“中国大陆岩石圈现今地壳运动-变形动力系统”的基本概念，它可望成为连结多种观测手段和模型方法，促进学科交叉研究的框架。地震是动力系统演化多种行为中的一种突变暂态行为。在动力系统吸引子（attractors）主宰下的现今地壳运动的基本动力学状态是自组织稳定态（Self-OrganizedStableState），而非自组织临界态（Self－OrganizedCriticality）。地震孕发过程是系统演化进程中局部空时域偏离常态后为保持自身稳定的一种自调节行为。地震具有可预测性和预测的不完全确定性。提出几种研究动力系统演化和地震监测预测的科学途径，包括寻觅中国大陆地震预测之道；发展揭示动力系统演化的整体动态组合观测理论与技术；观测-模拟-预测正常动态（稳态）以识别异常；地震地壳形变循回模式及其动力学过程；地震大地测量图像动力学预测─一种介于现象学与动力学之间的“斑图动力学”（PatternDynamics）；大地震破裂临界与短临预测；对地震、地震预测和地震预报的再思考等。1地震模式学术思想的演化与启示模式是科学认知征途中不可缺失的一个承前启后的必要环节。地震模式是地震预测中归纳与演绎的必须（傅承义，1993），观测与模式的结合才是通向地震预测之路（KeiitiAki，2003）。地震大地测量学不仅能有效监测地壳脆性层中应变的积累与释放，还能监测包括地球深部的物质运移与密度变化；因此地震大地测量学与地震模式具有天然密切的相互倚重关系。地震模式是在实践结果（野外观测、震例分析、室内实验）启发下，经过科学思维凝练升华后，提出的对地震成因和孕发过程的一种理解与解释。但由于自然过程的复杂性、观测信息的不充分（特别是对地球内部）、大地震样本的稀少等；迄今为止，已提的出各种地震模式都仍具有不同程度的“相对性”和科学假说的性质，有待进一步检验与完善。作者简介：周硕愚，男，1937年生，研究员、博导，长期从事大地测量与地球动力学、地壳形变与地震预报研究。E-Mail:[e-mail]21.1回眸：随时间演化的地震模式提出的地震模式必然受到当时观测技术、科学思想和科学界整体认知水平的制约，因此地震模式的学术思想也必然存在着变化或演化的历程。已提出的地震模式至少有数十种，各有其风采，恕不能尽述。表1仅从学术思想的视角，按时间先后列出了近百年（1910－2003）来较典型的九种地震模式，简述了其要点。它们似可归为三类。表1几种不同学术思想的地震模式要点及提出年代模式名称提出者与年代要点Ⅰ类弹性回跳模式扩容模式（DD）裂隙串通模式（IEP）Ⅱ类组合模式红肿学说坚固体孕震模式（以坚固体为“核”的孕震系统演化模式)Ⅲ类碎裂圈、塑性圈和软流圈耦合作用下的断层形变-地震循回模式脆性上地壳、韧性下地壳和上地幔三层耦合地震模式预测地震(和火山喷发)的地震学新理念与途径Reid，1910J.H.Whitcomb；C.H.Scholz，1973；В.И.Мячкин，1973郭增建，1973傅承义，1976梅世蓉1995C.H.Scholz，1990，2002M.D.Zoback，J.Townend2001KeiitiAki（安艺敬一），2003地壳运动使岩石层中的断层累积弹性剪切变形，变形达到临界值岩石发生断裂错动（地震），尔后岩石又重回未变形状态，但两侧岩体已位移。弹性应变累积，岩石扩容膨胀，裂隙产生，流体进入，孔隙压力增大,摩擦力降低导致断层滑动破裂（地震）。构造应力作用下，随机分布的微裂隙相互作用，数目与尺度缓慢增加。由于介质的非均匀性，裂隙在一个狭窄带（如断层带）内剧烈增加，串通发展为一系列相对大的裂隙形成了不稳定变形窄带；丛集裂隙雪崩式地串通，破裂加速扩展直至地震发生。断层的应力积累单元（摩擦阻力较大地段）与其两端的应力调整单元（摩擦阻力较小地段）；共同组合，相互作用，导致地震孕育发生。较大地震发生前，在远比震源区大很多的范围内，可能出现由于岩石变形、物质迁移等导致的应力加速积累的异常区（红肿区）。震源体为坚固体（较大破裂强度块体或断裂带上的强闭锁段）它被破裂强度或摩擦强度较低的介质结构与性质都不均匀的空间环境所包围（包括规模不等的断层和侵入体）。经过坚固体和外环境相互作用，出现一系列地震活动与地壳形变的协同性变化，导致在坚固体内发生大震。模式全称是‘非匀介质中非均匀坚固体孕震模式’；梅世蓉的合作者周硕愚称之为“以坚固体为‘核’的孕震系统演化模式”。当断层上部脆性层处于闭锁状态时，其下部（深部）韧性层依然持续地以速率Vs作无震滑动，由于运动受阻导致脆性层变形─应变积累，直至大地震发生；释放弹性应变能、脆性层同震位错并形成破裂带，使上部和下部（深部）的相对运动在短暂时间内趋于同步。震后经历一个调整时段，断层上部脆性层重新闭锁，进入下一轮的断层形变-地震循回。岩石圈的三个层次之间相互耦合。下两层次中的稳态蠕变会增加上面脆性层中的应力：某区域构造稳定之所以稳定，是因为此区域的韧性层变形率低，而活动地区之所以活动是因为其韧性层变形率高。地震孕发来至岩石圈深部与浅部不同物性层次间的动力学耦合，与火山过程是基本相似的，两者都是地球动力学与非线性动力学的接触点。在脆-韧转換带中韧性断裂的增加使尾波Q-1增加，同时在同一尺度上产生应力集中使震级近于Mc的地震频度N（Mc）增大。在不同的地域均发现：在正常时段，尾波Q-1随时间的变化与N（Mc）同步，二者正相关，但是在大地震前，前者要滞后于后者1∼4年。与普利高津不可逆过程热力学的耗散系统理论是吻合的。韧性部分和脆性部分的相互作用，在地震发生和火山爆发的前兆现象中发挥了重要作用。31.2仅考虑了震源区（或发震断层段）的模式弹性回跳模式来源于对1906年圣安德烈斯断层大地震的水平形变观测。扩容模式（DD）和裂隙串通模式（IEP）主要源于对小样本岩石破裂实验结果的类比。它们都是孤立地只考虑了震源区本身，而实际上震源区只是大自然孕震系统中的一个部分，它是无法同周围的、深部的构造环境和动力作用分割开来的。DD“湿模式”和IEP“干模式”对多种前兆手段（波速比、形变、电阻率、微裂面积、水流速、氡含量、b值、地震次数等）的异常时变过程曾有过明确的规定，“它们都导出多种前兆应发生的次序。但两个模式后来都被证明是失败的”（傅承义，1993）。由于其本身的缺陷－基于孤立的，简单化的，完全确定论的还原论推理，难以符合大自然复杂系统的实况，因而经受不住实践的检测。但这三种模式在科学认知上都有其不可否认的贡献。尤其是弹性回跳模式，它抓住了地震发生在上地壳脆性层中，弹性变形（应变）由逐渐累积到突然释放又回归常态这一本质，故有其生命力，至今仍被不断拓展和改进，使之逐渐逼近于大自然的真实。DD“湿模式”中的流体进入裂隙，孔隙压力增大摩擦力降低的机理在水库诱发地震中得到验证。IEP“干模式”中的不稳定变形窄带内，裂隙雪崩式串通高速扩展，其实质正是系统演化至一定条件下所涌现的“正反馈”机理，对探索大地震的成核过程与短临前兆是有益的。1.3震源区和周围构造环境作为一个系统整体考虑的模式随着观测技术的进步，广域信息的获取，对大陆强震前兆的定量研究以及系统科学理论的启示，科学家们意识到必须将震源区和周围构造环境作为一个整体来研究；否则既不能解释为什么震源要出现于此地而非彼地，也不能解释广域内多种震前异常的时空关系。傅承义指出“许多地震预报工作者由于受地震断层成因假说的束缚，只将注意力集中在断层所在的地点，这样就大大限制了观测的范围。其实，地震时能量的释放固然集中在断层错动的地方，但能量积累所影响的范围却大得多”，“临震之前，相当大的一部分地球介质已经处于应力加速积累的状态。这部分介质可以叫孕震区（以前笔者曾称它为红肿区）”，“孕震区不等于由余震所划出的震源区，前者比后者要大得多”（傅承义，1976）。看似寥寥数语，却道出了一个超越当时国际时尚认知的更先进的地震思维模式－“红肿模式”，其实质是具有重要开拓意义的孕震系统概念模式。组合模式（郭增建，1979）发展和丰富了弹性回跳模式。阐明了断层的应力积累单元与其两端的应力调整单元之间关系及其在地震孕发过程中的作用。在断层的特定条件下，实现了震源区和周围构造环境的结合。“非均匀介质中非均匀坚固体孕震模式”（梅世蓉，1996），考虑了板块内部大陆地震的构造环境和孕发过程不同于板间地震的更为复杂的特性。通过对不同时-空尺度内一系列地震活动异常与地壳形变异常相互关系的定量研究，观测数据与数值模拟，地球物理学与系统科学的结合，实际探讨了坚固体（震源区）与广阔外部构造环境的之间相互作用过程和如何导致在坚固体内发生大震的物理机理。它比组合模式更广义；又是红肿模式的具体化和定量化。梅世蓉的合作者周硕愚将该模式称为“以坚固体为‘系统4核’的孕震系统演化模式”（周硕愚，1995）。“非均匀介质中非均匀坚固体孕震模式”超越了多年来地震模式研究中的“还原论”局限，强调相互作用，在如何认知地震孕发自然规律上跃升到一个新的层次。1976年唐山7.8大震发生中国大陆华北活动地块内部一条长度甚短且未完全联通的唐山断裂上，用过去的各种地震模式均难以解释，而用非均匀介质中非均匀坚固体孕震模式则能理解其成因与孕发过程；而孕震系统演化理念又引导出“孕震系统的信息系统方法”、“形变场图像（斑图）动力学方法”（周硕愚，1991、1994、1996）。将此模式的理念和方法应用于一些大地震的预测和“平安预测”也取得了可喜的实效，前者如对1996-02-03云南丽江7.0级地震的预测（中国地震局地震研究所1996年度全国地震趋势研究报告，1995年11月；周硕愚，1998；施顺英，2007）；后者如1989年大同6.1级等强震后，对首都圈近期地震形势的“平安预测”（国家地震局首都圈地震分析预报及现场工作组－分析预报中心、综合队、一测中心和地震所，1972）。然而无论是“前三种”——弹性回跳模式、扩容模式（DD）、裂隙串通模式（IEP），还是“后三种”——组合模式，红肿模式和坚固体孕震模式，都没有明确地实际地考慮逐步积累和突然释放弹性应变能的脆性层（上地壳）与深部韧性层、软流圈（中下地壳、上地幔）之间的动力学耦合对地震孕发过程不可忽视的作用。这也许就是原有的各种地震模式，在面临2008年四川汶川8.0级大震时均显得力不从心的原因。1.4地壳上部脆性层和深部韧性层与软流圈作为一个系统整体考虑的模式20与21世纪之交，多项高新技术的综合应用增强了深部探测能力，大陆动力学的兴起，久攻不克的地震预测难题和地球系统科学，复杂系统理论的启示等；一些科学家将岩石圈的三个圈层作为一个整体系统来研究地震成因及其孕发过程，于是涌现了一批以岩石圈不同深部层次动力学耦合为基础的地震模式。碎裂圈、塑性圈和软流圈耦合作用下的断层形变-地震循回模式（C.H.Scholz，1990，2002），以岩石圈深浅部耦合的动力学研究，改善和推进了“弹性回跳模式”、“组合模式”以及他多年研究的地震与断层力学（Themechanicsofearthquakeandfaulting），使之上升到科学认知的新高度。脆性上地壳、韧性下地壳和上地幔三层耦合地震模式（M.D.Zoback,J.Townend，2001；M.D.Zoback,M.L.Zoback，2002）超越了仅在上地壳范围内研究地震成因的局限，也超越了仅在断层带上研究岩石圈三层次动力耦合的局限。明确提出了下两层次中的稳态蠕变会增加上面脆性层中的应力：某区域构造稳定之所以稳定，是因为此区域的韧性层变形率低，而活动地区之所以活动是因为其韧性层变形率