地质结构和地震预测

第四部分 地质环境 地质环境（geological environment）是由地球物质和漫长的地质历史时期中不断的地质 作用-特别是距今最近的一次造山运动和冰期之后，逐渐形成以岩石圈 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 层为主体的一种自 然环境，直接影响着人类的生存和发展。这种环境，它只是岩石圈的一部分，其上限是岩石 圈表层-即地球表面。这里所有的地质环境因子都积极地与大气、地表水体、生物发生相互 作用；这种相互作用在形成地质环境结构、性质和生态质量中起着基本作用。其下限为人类 活动所能达到地壳的最深处，决定于人类的科学技术水平和生产活动能力。地质环境是一个 内容广泛的复杂系统，是地球演化的产物。地质环境为人类提供了所需的各种资源和其它条 件，是人类赖以生存和发展的基础。人类活动一方面依赖于地质环境，另一方面又在影响和 改造着地质环境。特别是近百年来，随着科学技术的迅猛发展，人类活动的深度和广度与日 俱增，对地质环境干预的规模、范围和强度都在不断地增加，人类活动已成为一种特殊的地 质作用……。 第九章 地球的内部圈层 §9.1 地球内部圈层划分 地球内部各圈层之间是由不同的物质（或状态）构成的，并存在明显的物性差异，地球 内部各圈层之间的物性差异构成了各圈层划分的基本依据。 目前人类直接了解地球的手段是通过地表地质调查和一定深度的钻探，所了解的部分仅 限于地球的浅部，世界上最深的钻井是前苏联科拉半岛超深钻，其钻深也不足 15km。间接 地了解地球内部的结构成为认识地球圈层结构的主要手段。 地震波曲线首先成为划分地球内部圈层的工具。地震波在不同介质中具有不同的传播速 度，当通过不同物质界面时，波速会产生很大的变化，形成地震波波速与曲线不连续，不同 深度上的波速不连续所表达的界面被称为波速不连续面，也就是地内圈层的界面。因此，地 震波曲线是描绘地球物性的一种很好的工具。 §9.1.1 地震波与地震（earthquake wave and earthquake） 一、地震波类型及传播特性（earthquake wave styles and propagation characteristics） - 201 - 地震波分为纵波、横波和勒夫波。纵波 （longitudinal wave），又称 P 波。质点的振动方向 与波的传播方向一致，在瞬时视场中原有均匀质点被 在纵波传播方向上重新分配，疏密相间，因此 P 波又 称为疏密波。纵波可以通过固体和流体，速度较快（图 91，表 25）。 横波（transverse wave），即 S 波。质点振动 方向与波的传播方向垂直，在瞬时视场中原有均匀质 点被重新分配，形成一正弦曲线，它只能通过固体， 传播速度较慢。因此，S波又称为正弦波或剪切波（图 91，表 25）。 勒夫波（love wave，面波），是由勒夫（love， A.E.H.）在 1911年发现的。该波是由纵横波辐射到地面时，激发出的沿地球表面传播的地 震波。按其振动特征，可分两种：一种是质点作垂直于地表面的椭圆运动，类似于波浪一般； 另一种是质点在地平面内作垂直于传播方向的运动。 由于面波是由体波到达地表后激发出来的，所以说，地球内部结构主要通过体波波谱来 认识的（表 25）。 表 25 地震波特性 Table 25 Earthquake wave characteristics 地震波 振幅 传播周期 传播速度 对介质的反应 P波 小 短 最快 可通过任何介质 S波 较小 较短 较快 只能通过固态介质 L波 大 最长 最慢 二、地震的有关概念及地震预报(earthquake concept and earthquake forecasting) 地震的发源地谓之震源，震源在地表上的垂直投影称为震中，震中是地表受地震影响最 大的地方。震中至震源距离称为震深，由于地震的成因不同，地震深度也存在很大的差异， 主要由断层活动产生的构造地震，震深可以从地壳浅处直至地下 720km，全世界所发生的深 源地震都是构造地震；由岩溶或采矿形成的塌陷地震，由水库蓄水形成的水库地震，则震深 较浅。地表上的观察点到震中的距离称震中距(图 92)。 图 91 纵波和横波的传播（据 F.Press） Figure 91 Propagation of longitudinal wave and transverse wave - 202 - 地震能量释放有大有小，通常采用震级衡量地震能量大小，震级通过地震观测点上获得 的 P波初动的震幅计算出来的，震动强度相等的连线称等震线。地震造成的地表及地表建筑 物破坏程度称为烈度。地震大小是通过地震仪器 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 的地震波来推算出来的。 震源 等震线 震源 断层 图 92 地震的概念与地震仪（据李善邦） Figure 92 Conception of earthquake and seismograph 地震是一种严重的自然灾害。研究地震的目的就在于掌握地震的活动规律，以解决地震 预报、控制和利用问题。地震预报是地震和地质工作者的神圣使命。按距离地震发生时间， 预报分为中长期预报、短期预报和震前预报。中长期预报主要通过地震和地质情况的调查研 究来实施。短期预报，既要靠地震和地质情况的调查研究，还要靠运用各种监测手段。震前 预报主要是靠各种监测手段预报 24 小时或几小时内即将发生的地震。地震监测主要是利用 各种仪器设备去研究岩石中正在发生的各种物理变化。地震仪对微弱震能进行连续记录，分 析研究记录，可以推断地震的发震趋势。此外，天气和动物的异常反应，地光、地声的产生， 也是地震将到来的预兆。 “地震能不能预测”是地震界争论已久的老问题。但是自 20世纪 80年代末以来，世界各地不断发生 的灾难性地震，几乎都是在毫无预报的情况下发生的。令国际社会震惊的是许多地震有不少发生在科学技 术和经济水平都是世界一流的地震预报研究的大国或者地区（如 1994年美国洛杉矶地震；1999年台湾南投 地震），地震到底能不能预报，当前地震预报的能力和科学技术水平到底如何？有关该方面的问题引起了国 际学术界的广泛关注。以美国卡根(Yom.Y.Kagan)、杰克逊(D.Jackson)、意大利莫拉加(F.Mulargia)和日 本的盖勒(R.J.Geller)为代表的著名的地震专家认为，地壳介质处到自组织临界状态，对地震给出准确的 发震时间、地点、震级的确定性的预报是难以实现的。他们的理论依据是：“地球或说地下介质处于自组织 临界状态，对初始条件十分敏感。因此确定性的短临预报是难以实现的。”吴忠良在《自组织临界性与地震 预测》一文中阐述了“自组织临界性”，即“地震的 SOC模型。”地震的 SOC模型可以简单地表述如下:“地 球岩石层可以看成是由不同层次的块体组成。最大的块体是板块，最小的块体是矿物颗粒。不同的块体之 - 203 - 间，不同层次的块体之间存在非线性的相互作用，地幔对流给这种块体运动提供了持续的能量供给。这样 的一个动力系统自发地演化到了一种自组织临界状态，这就是“自组织”的含义，自组织临界状态是一种 远离平衡的状态，系统可以长时间地“锁定”在这个状态上。可以用一个简单的砂堆模型来描述。向一个 达到临界坡度的砂堆上增加砂粒，可以触发各种大小的“雪崩”，加进砂堆的砂粒通过“雪崩”的方式被系 统耗散掉。对“雪崩”的发生无法做出确定性的预测。 与此相反，中、日、俄、美的大部分学者对地震预报持乐观态度，认为地震预报是困难的，但并非不 可能。 §9.1.2 地球地震波剖面（earthquake wave profile） 注：P波为纵波，S为横波；A层为地壳；B、C、D层分别为上地幔、 地幔过渡层和下地幔层；E、F、G层分别为外核、内外核过渡层和内核。 图 93 地球内部地震波传播曲线 Figure 93 Propagation curve of earthquake wave inside global 对天然地震观测结果表明，地震波在固体地球内部传播过程中存在很大的变化。对 P波 来说，其波速曲线从地表延至地心，并存在明显的波速变化，而 S波与 L波出现协调的变化 特征，并在地球深处消失。根据地震波的传播数据，可以得到地球内部震波传播速度曲线（图 93），从图中可以看出地球内部物性上存在明显的突变面。 §9.1.3 地球内部圈层划分 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 （subdivision program of earth interior aureoles ） 地震波研究发现，在固体地球内部存在两个 1级的波速不连续面：一是位于大陆地表以 下平均 33km处的莫霍洛维奇不连续面，简称莫霍面；二是位于地表以下 2900km的古登堡地 震波不连续面，简称古登堡面。上述两个 1级不连续面将固体地球自外向内分成地壳、地幔 - 204 - 和地核三大圈层（图 93）。 同时还发现，在地表以下 50km~260km 的上地幔上部存在一个地震波低速带，又称为低 速层，低速层以上的上地幔部分与地壳合称为岩石圈。 §9.2 地震的成因 各民族先哲和思想家对地震成因都作出过各种解释，中国在这个领域贡献也是无与伦比 的。远在二千七百年前的西周时，伯阳父就认为“阳伏而不能出、阴迫而不能蒸、于是有地 震。”这就是富含哲理的“阴阳说”。 现代科学对地震的成因作出了更加合理的解释：由 于地球在不断运动和变化，逐渐积累了巨大的能量，在地壳某些脆弱地带，地球内部能量于 瞬间释放造成岩层突然发生破裂，或者引发原有断层的错动，于是产生了地震。按震源深度， 地震一般分为浅源地震、中源地震和深源地震。 大量实验和观测资料表明，浅源地震基本是脆性剪切破裂或沿已有断层的粘滑运动所形 成的，在高温高压下沿已有断层的粘滑运动（图 94）基本上转化为蠕滑运动。破坏性浅源 地震往往发生在板块内部，特别是发生在陆壳板块的内部。至于中源地震和深源地震多被认 为主要只与板块作用过程有关，特别是与板块边缘的俯冲、碰撞过程密不可分。 对地震孕育过程，地震学者提出了很多模型加以解释。Reid在 1910年提出了弹性回跳 模型（图 94），指出地震是由于地壳应力积累到一定时发生的断层错动，破裂面两边的物 质向没有弹性应变的地方突然发生弹性回跳，从而导致地震。但后来研究者们发现至少浅源 地震是由岩石破裂失稳引起的，如地震失稳滑动弱化模型和地震非稳定模型等。他们大多是 对地震的发生条件给予 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ，但都没有具体地研究地震的前兆变形序列规律，并且是针对断 层地震的孕育发生过程的。然而许多发生在板块内陆的地震由于并不发生在已有的断层上， 因此很难用板块沿断层相互剪切引起地震的力学机制进行解释，而它与实验室单轴加载时岩 样的破裂失稳过程却非常相似。因此有人认为地震发生的力学机制具有两种形式：一种以剪 切为主，另一种以压缩为主，许多板内地震的力学机制即属于后者。 总之，地震的孕育过程是地壳岩石介质的变形非线性的复杂过程，一次大震孕育过程出 现的各种前兆现象，其时间与空间特征都不是彼此孤立的，而是相互制约、密切相关的。 - 205 - 地震发生后的天数 200 300 400 500 600700 0.5 1.0 1.5 2.0 累 积 蠕 变 厘 米 ( ) 弹性回跳机制(elasticrebound mechanism) 粘滑机制(stickslip mechanism) 图 94 两种地震成因机制 Figure 94 Cause mechanism of two earthquakes §9.3 地球内部圈层的主要特性 §9.3.1 地壳（the earth’s crust） 一、地壳的物质组成(lithosphere mass composition) 地壳元素的平均含量，也习惯地称其为地壳元素的丰度。为解决这一问题，克拉克(1921) 等人根据大陆地壳中的 5159 个岩石、矿物、土壤和天然水的样品，首次测算出地壳中的元 素丰度（表 26）。后人为纪念克拉克的工作成就，就把某一元素占地壳总重的百分比称为克 拉克值。 表 26 地壳元素的丰度(据克拉克与华盛顿) Table 26 The abundance of lithosphere elements 元素名称 O Si Al Fe Ca Na Ka Mg Ti H 克拉克值 46.71 27.69 8.07 5.05 3.65 2.75 2.58 2.08 0.62 0.14 按克拉克值大小，地壳中的主要元素依次为氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁、氢、钛， 这 10种元素的总量占到了地壳总重的 99％以上，其中氧占到了近 50％，其它元素总量不足 1％。 元素的地球化学分类方案较多，根据化学元素在地质体中含量的多少主要分为常量元 素、微量元素、稀土元素等类型。 A B C - 206 - （1）常量元素。也称为主量元素，是指那些在岩石中（≠地壳中）含量大于 1％（或 0.1％）的元素，在地壳中大于 1％的 8种元素都是主量元素，除氧以外的 7种元素在地壳 中都以阳离子形式存在，它们与氧结合形成的氧化物（或氧的化合物），是构成三大类岩石 的主体，因此又常被称为造岩元素。地壳中主量元素的种类（化学成分）决定了地壳中天然 化合物（矿物）的类型。 （2）微量元素。在地壳（岩石）中含量低于 0.1％的元素，一般来说不易形成自己的 独立矿物，多以类质同象的形式存在于其他元素组成的矿物中，这样的元素被称为微量元素。 比如钾、钠的克拉克值都是 2.5％，属主要元素，在自然界可形成多种独立矿物。与钾、钠 同属第一主族的铷、铯，由于在地壳中的含量低，在各种地质体中的浓度亦低，难以形成自 己的独立矿物，主要呈分散状态存在于钾、钠的矿物中。 （3）稀土元素。钇和镧系元素统称为稀土元素，地壳中稀土元素含量低，但它们常成 组分布。稀土元素较难形成自己的独立矿物，主要进入钙的矿物，在矿物中类质同象置换钙。 较常见的稀土元素矿物和含稀土元素的矿物都是氧化物或含氧盐类矿物。 地壳中的元素以单质和化合物的形式存在于地壳之中，大部分以固体矿物的形式存在。 这些矿物是在一定的地质作用下形成的，并形成与一定的地质作用类型相联系的集合体，称 为岩石。 地壳中的岩石按形成的地质作用类型分成岩浆岩、沉积岩和变质岩三大类。 二、地壳内进一步分层（further delamination in the earth’s crust） 在地表与莫霍面之间存在着次一级的地震波不连续面-康拉德面，它把大陆地壳分为上 部的花岗岩层（因其总体的化学成分与花岗岩岩石相当而得名）与下部的玄武岩层（因其总 体的化学成分与玄武岩岩石相当而得名）。这表明了地壳的上、下部分之间的物性存在着较 大的差异。 三、地壳结构类型(structure types of the earth’s crust) 地壳物质在空间分布上极不均衡，在大陆地壳中，由花岗岩层和玄武岩层为组合的双层 结构，属于大陆型地壳，简称陆壳，平均厚度为 33-35km，但在各处的分布不均一。在大洋 地壳中，是以单层的玄武岩层组成的大洋型地壳，简称洋壳，其厚度和厚度变化均较小。从 而形成了全球地壳的两种一级结构单元。 与全球陆地和海洋一级地理单元分界不同，陆壳与洋壳分界位于现代的大洋海沟的位 置。在分界线附近的大陆边缘，也常出现兼有陆壳和洋壳结构特征的所谓过渡壳。 四、地壳厚度与地壳均衡(lithosphere thickness and isostasy) - 207 - 地壳厚度在空间上差别很大，根据地震波探测所获得的莫霍面埋深估计的地壳厚度变化 在数千米至几十千米。其中地壳最厚的地方位于中国青藏高原中部，地壳最薄的地方位于大 洋海岭附近。表现为地形越高莫霍面越深，地表起伏与莫霍面起伏呈现出镜像的特点（图 95）。 图 95 地壳剖面图（据孙广忠、吕梦林） Figure 95 The earth’s crust profiles 十九世纪英国人在喜马拉雅山南麓测绘地形图时发现，重锤不是指向地心，而是偏向山 的一侧。显然这是由于喜马拉雅山的巨大质量的吸引产生的。艾黎（1885）提出：地壳是由 厚度不同、较轻，但密度均匀的岩块组成，浮在较重的可塑性的物质之上，按阿基米德定理 处于平衡状态，较厚的岩块（如山脉）将深陷于其下密度较大的物质之中，形成所谓的“山 根”，在此，山体的质量增加通过地幔质量亏损来平衡。在海洋下面，由于海水密度小于岩 石密度，因此密度大的物质反而上隆，形成“反山根”。 地壳重力均衡是相对的和暂时的，地壳经常采取各种方式进行重力均衡调整。重力作用 无处不在，无时不有。它是地球内动力作用的重要动力来源之一。 §9.3.2 地幔（mantle） 地幔较地壳有比较大的均匀性，但在地表以下 400km和 1000km存在波速变化，前者称 拜尔勒面，后者称雷波蒂面。目前以雷波蒂面将其分为上、下地幔。 地幔的厚度约 2850千米，体积占地球总体积的 82.3％，构成了地球的主体部分。地幔 由固态的岩石组成，与地表岩石相比有较大的密度。根据球粒陨石与所获地幔特征比较，多 数地球科学家认为二者相当，并推测地幔岩由橄榄岩类组成。自上地幔至下地幔，物质密度、 压力、温度都随深度而增加。 位于地表以下 50千米-260千米的地震波低速层，是一些相对低密度的岩石层，在此层 段的岩石受上部岩石的强大压力以及地幔高温的影响下会产生固态流变，此段又称为软流层 或软流圈，它是上部岩石圈所依附的部分。地球科学家推测，软流圈中的局部岩石已经熔化， - 208 - 所形成的流体是地壳岩浆活动的物质来源。 §9.3.3 地核（centrosphere） 地核是地球内部古登堡面至地心的部分，其体积占地球总体积的 16.2％，质量却占地 球总质量的 31.3％，地核的密度达 9.98～12.5g/cm 3 。根据地震波的传播特点可将地核进一 步分为三层：外核（深度 2885～4170km）、过渡层（4170～5155km）和内核（5155km 至地 心）。在外核中，根据横波不能通过，纵波发生大幅度衰减的事实推测其为液态；在内核中， 横波又重新出现，说明其又变为固态；过渡层则为液体—固体的过渡状态。 地核的密度如此之大，从地表物质来看只有一些金属物质才可与之相比，而地表最常见 的金属是铁，其密度为 8g/cm 3 ，它在超高压下完全可以达到地核的密度。地核的密度与铁陨 石较接近，也表明地核可能主要为铁、镍物质。地球具有主要由内部物质引起的磁场，这说 明地球内部一定具有高磁性的铁、镍物质非常集中的某个圈层，而地壳、地幔中均不存在， 那么它应存在于地核中。此外，人们用爆破冲击波提供的瞬时超高压来模拟地核的压力状态， 并测定一些元素在瞬时超高压下的波速与密度，结果发现地核的波速与密度值与铁、镍比较 接近。综合多方面推测，地核应主要由铁、镍物质组成。近年来的进一步研究还发现，在地 核的高压下，纯铁、镍的密度略显偏高，推测地核最合理的物质组成应是铁、镍及少量的硅、 硫等轻元素组成的合金。 §9.4 地球内部圈层运动 §9.4.1 岩石圈板块及其水平运动（lithosphere plates and horizontal movement） 岩石圈(lithosphere)相对于其下的软流圈是刚性体，它又被自上而下惯通整个岩石圈的 深大断裂分割成许多部分。这些岩石圈部分存在巨大的面积/厚度比，所以将其称为岩石圈 板块。 岩石圈的水平运动是其主要的运动形式。水平运动是指运动方向沿地球切平面的方向上 的运动，但就整个岩石圈来讲，水平运动就意味着整个岩石圈做球面运动，并按照球面上的 欧几里德几规则来运行。 实际上，由于岩石圈板块的存在，板块之间的运动方向与速度往往存在比较大的差异， 相邻板块之间不断地发生各种形式的相互作用，从而导致了板块边缘及板块之间狭窄地段上 出现与地球半径方向相一致的垂直运动和各种地质作用现象，如火山活动、地震活动等。 岩石圈板块之间运动性质与速度差异完全是岩石圈内各板块之间相互作用、相互调节所 - 209 - 致。 §9.4.2 地幔对流(mantle convection) 地表有很多热能来自地球内部，甚至是上地幔。地球表层受太阳辐射随时间变化的影响 有一个厚度不大、各地不一的变温层，到一定的深度上，温度不再变化，称为恒温层，再向 下则随着深度的增加，地温不断上升，称增温层。地壳内每增加 100米，地温增加 3℃，称 为地温梯度。地幔地温梯度为 0.088℃。 由于固体地幔中的地温梯度极低，仅为地壳平均地温梯度的 1/33。所以大多数科学家 认为，这样低的地温梯度无法在硅酸盐岩石内实现热传导，而是由从深部到浅部的热对流实 现其热量传输的。 当热对流体上升至地表时，则形成热点。近年认为液态外核散发的热量通过传导过程穿 透核-幔边界，被地幔底部吸收。当热量积累到一定程度后，形成的下地幔巨型热流随之上 升，穿过整个地幔而到达岩石圈的底部或地表，形成所谓的超级热幔柱。 §9.4.3 高速旋转的地核（quickspeed revolving centrosphere） 研究发现，地核在高速旋转，地核旋转轴与地球旋转轴不致，而且还在不断变化。地核 旋转轴的周期变化引起了地磁场的周期性变化。 固体地球内部的壳、幔、核之间不断进行着相互作用与耦合。所谓耦合，是指对作用体 的一种适应行为。除了各圈层整体性的旋转之外，就壳、幔之间的相互作用而言存在两种作 用形式，一是地幔对流引起岩石圈板块的运动，二是岩石圈板块运动引起地幔对流。 思 考 题 1. 简述地球内部圈层划分方案和主要依据？ 2. 断层弹性回跳模型是怎样解释地震发生过程的？ 3. 名词解释:岩石圈；地幔对流；地壳均衡。 4. 地震纵波与横波具有那些特点？ 5. 简述面波形成原因、分类与主要特点？ 6. 详述软流圈的概念及其地质－地球物理特征？ 7. 试述地球内第二个明显的不连续界面-古登堡界面最重要的地球物理特征？ 8. 试简述地核内次级圈层划分方案和主要的地球物理依据以及推断的物理状态？ - 210 - 参 考 文 献 1. 张梁，郝秀英. 地质环境经济学导论. 地质灾害与环境保护，1994，2：1~8. 2. 苏小兰等. 从 1999年 ICGG大会主题看目前国际地球物理学研究的热点. 国际地震 动态，1999，3. 3. 陈虹. 1998 年西太平洋地球物理会议-地震预报现状与发展专题概况. 国际地震动 态，1999，3. 4. 梅因著,张天中译. 可靠的地震预报有物理基础吗? 国际地震动态. 1997，12. 5.Tingle N.，Green HW.，Scholz CH.,etal. Therheology of faults triggered by the olivine-spinel transformation in Mg2GeO4 and its implications for themechanism of deep-focus earthquakes. J Struct Geol，1993，15:1249～1256. 6. 孙吉主，周健，唐春安. “弹性回跳”前的微破裂活动与变形序列. 地震研究，1997， 4：410~416.