| 地球科學(xué)原理之十二誘發(fā)地震及冰川形成時(shí)的造海作用 |
| 作者：廖永巖 編輯：探礦者
根據前一回的“地幔浮力面理論”，我們現在來(lái)分析冰川形成時(shí)的造海作用。 為了便于理解冰川作用的機理，我們先來(lái)分析一下誘發(fā)地震。誘發(fā)地震是人類(lèi)活動(dòng)引發(fā)的地震。主要有水庫地震、礦山地震等。 水庫蓄水時(shí)，大量水轉入，在水庫處形成巨大荷載。根據“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(kāi)采時(shí)，大量礦物（如煤炭）轉出，在礦山處形成巨大卸載。根據“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。 石油開(kāi)采形成的地震和礦山地震類(lèi)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5.2級（24-06-1975）和波蘭Lublin銅礦區4.5級（24-03-1977）(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)。 據統計發(fā)現（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(shuō)明，水庫地震的發(fā)生，明顯與壩高和庫容呈正相關(guān)；壩越高，庫容越大，發(fā)生水庫地震的可能性就越大。礦山地震，也與礦井深度和開(kāi)采量正相關(guān)(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(chē)用太, 2000)。水庫地震，具有明顯的滯后性，這說(shuō)明水體對巖石的作用，是一種緩慢作用過(guò)程。 水庫區域能發(fā)生地震，就說(shuō)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2.78×109m3，庫面積1.15×102km2，玄武巖底質(zhì)；新豐江水庫，庫深97m，庫容1.15×1010m3（約1.15×1013 kg），庫面積3.9×102km2，花崗巖底質(zhì)(易立新和車(chē)用太, 2000; 楊清源等, 1996)。這說(shuō)明，象Koyna和新豐江水庫這樣的水深和庫容（水體質(zhì)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(jìn)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(shí)。和誘發(fā)地震一樣，冰川引起造海作用，也是由于巨大質(zhì)量的轉移造成的(Kivioja, 1967)。因為水庫地震的發(fā)生，明顯與壩高和庫容呈正相關(guān)；壩越高，庫容越大，發(fā)生水庫地震的可能性就越大?？梢韵胂笠幌?，假設南極不是冰蓋而是一個(gè)水庫，當一個(gè)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(gè)超級“水庫”不會(huì )引發(fā)地震嗎？你能保證這個(gè)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(chē)用太, 2003)，你估計一下，這個(gè)“壩高”2450米的南極巨無(wú)霸“水庫”發(fā)生地震的概率是多少？所以，當面積1.4×107 km2、重約2.64×1019kg、平均厚2450m、最厚處4645m的南極冰蓋形成時(shí)(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(zhì)巖石圈開(kāi)裂，是很自然的。 現以南極冰蓋為例，分析冰川形成時(shí)的造海作用。 南極冰蓋未形成時(shí)，巖石圈和地幔處于流體靜力學(xué)平衡狀態(tài)（見(jiàn)圖3，a）。當南極冰蓋形成時(shí)，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(jiàn)圖3，b）。因這種作用是緩慢進(jìn)行的，地球將表現出明顯的塑性(劉本培和蔡運龍, 2000)（見(jiàn)圖3，c-f）。根據“地幔浮力面平衡”原理，南極冰蓋下的巖殼將大幅度下降（見(jiàn)圖3，c-f）。
圖3. 南極冰川形成引起的造海過(guò)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(gè)密閉流體球體，巖石圈就是這個(gè)密閉流體的容器（見(jiàn)圖2）。根據流體力學(xué)原理，密閉流體在外力的作用下，流體不會(huì )或幾乎不會(huì )被壓縮；根據巴斯噶原理：“施加壓強于密閉容器內的流體，此壓強無(wú)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(shí)，將產(chǎn)生巨大的壓強，流體地幔會(huì )把這個(gè)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(jiàn)圖3，b）。這樣，地球將在這個(gè)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(dòng)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(shí)，地球表面積將增加；也就是說(shuō)，冰川形成的巨大作用力，將利用類(lèi)似水庫地震或礦山地震形成時(shí)，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3，c-e）。為了釋放壓力，巖漿將會(huì )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(jiàn)圖4）。洋中脊逐漸流出巖漿（見(jiàn)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(dòng)（見(jiàn)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(dòng)的地幔深處類(lèi)玄武巖巖漿的巖漿（見(jiàn)圖2，C），形成的巖石是玄武巖。其實(shí)，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(huì )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(jiàn)圖2，B），多為高SiO2巖石類(lèi)，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(jìn)行的，玄武巖巖漿噴出后凝固（圖4，b-c），再?lài)姵鲈倌蹋▓D4，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(huì )流動(dòng)，巨大冰川的流動(dòng)產(chǎn)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(dòng)時(shí)產(chǎn)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(huì )產(chǎn)生和海洋洋中脊一樣的造海作用。隨著(zhù)新海洋的形成，引起原來(lái)大陸板塊的解體。 受不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(shí)，才可能形成洋中脊擴張。也就是說(shuō)，并不是所有的海洋的洋中脊都一定是同時(shí)或同等強度地噴發(fā)巖漿而形成造海運動(dòng)。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律。這樣，地球表面海洋的分布和大小，將重新進(jìn)行調整。有的海洋大小不變，有的海洋增大，有的海洋縮??；在原來(lái)沒(méi)有海洋的地方，也會(huì )重新形成海洋。 冰川的形成時(shí)具有造海作用，那冰川消融時(shí)會(huì )有什么作用呢？這種作用又是怎么起作用的？且聽(tīng)下回分解。 未完，待續。 下回預告：地球科學(xué)原理之13 冰川消融時(shí)的造山運動(dòng) 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(xué)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(xué). 北京：科學(xué)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(zhì)學(xué)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(zhì)，1996，18（4）：453-461 易立新，車(chē)用太. 水庫誘發(fā)地震及其水文地質(zhì)條件和誘震機理. 中國地質(zhì)災害與防治學(xué)報，2000，11（2）：46-50 易立新，車(chē)用太，王廣才. 水庫誘發(fā)地震研究的歷史、現狀與發(fā)展趨勢. 華南地震，2003，23（1）：28-37 趙景員，五淑賢. 力學(xué). 北京：人民教育出版社. 1981. 342-428 張少泉，關(guān)杰，劉力強，滕學(xué)軍. 礦山地震研究進(jìn)展. 國際地震研究進(jìn)展，1994（2）：1-6 Agrawal P. N. December 11, 1967 Koyna earthquake and reservoir filling. Bulletin of the Seismological Society of America, 1972, 6: 661-662 Chen Linyue, Talwani P. Reservoir-induced seismicity in China. Pure and Applied Geophysics, 1998, 153: 133-149 Gibowicz S. J. Droste Z., Guterch B., Hordejuk J. The Belchatow, Poland, earthquakes of 1979 and 1980 induced by surface mining. Engineering Geology, 1981, 17: 257-271 Gibowicz S. J., Guterch B., Lewandowska-Marciniak H. Seismicity induced by surface mining; the Belchatow, Poland, earthquake of 29 November 1980. Acta Geophysica Polonica, 1982, 30: 193-219 Gupta H. K. A review of recent studies of triggered earthquakes by artificial water reservoirs with special emphasis on earthquakes in Koyna, India. Earth-Science Reviews, 2002, 58: 279-310 Gupta H. K. Reservoir-induced earthquakes. Amsterdam: Elsevier. 1992: 1-364 Gupta H. K. The present status of reservoir induced seismicity investigations with special emphasis on Koyna earthquakes. Tectonophysics, 1985, 118: 257-279 Kivioja L A. Effects of mass transfers between iland-supporter ice cape and oceans on the of earth and on the observed mean sea level. Bull Geodesy, 1967, 79: 283-288 Murthi N. G. K. The Koyna earthquake. Journal of the Indian Geophysical Union, 1968, 5: 11-14
（注：本“地球科學(xué)原理”系列，是根據廖永巖著(zhù)，海洋出版社（2007年5月）出版的《地球科學(xué)原理》一書(shū)改編而來(lái)，轉載者請署明出處，請不要用于商業(yè)用途）
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