(1)地震地质和实验证据

一般认为地震孕育和发生是断层发育过程中脆性剪切破裂或沿已有的断层走滑摩擦的结果,符合双力偶模式。但是,在中国大陆,绝大多数地表看到的地震断层大约在中地壳左右就滑脱了,而且地震震源并非在断层面上。显然,上地壳内的地震断层应该不是中地壳以下发生地震的原因。当温度升高时,岩石的流动应力大大降低,岩石在高压下破裂和摩擦过程受到压力的限制(Wiens,Snider,2001)。岩石在深度大于15～20 km的地壳内,一般以塑性变形为主(马托埃,1980)。岩石流变学实验表明在地下深度10～25 km的温压条件下,岩石已经表现为非弹性的性质,岩石破坏必定是一个与时间密切相关的复杂的蠕变破坏过程; 地球岩石圈或大陆造山带形成和演化的本质是地球物质非弹性变形的表现,是在差异应力、时间、热状态、压力和流体等因素综合制约下流动和重新定位的结果(杨恒,白武明,2000)。刘俊来和岛田充彦(2000)在不同温度和不同围压条件实验研究的基础上,提出脆—韧性转变域内脆性破裂机制和晶质塑性机制同时出现、互相制约和依存的理论,以此来解释大陆地壳多震层的成因与中上地壳强震发震机理。牛树银等(2003)认为地幔亚热柱热物质流动控制了华北地震孕育和发生,中地壳脆性—韧性过渡带的局部弱化,可能是某些大陆地震的成因机制。Long和Zelt(1991)认为熔融物质的侵入使大陆地壳的水力学或热力学性质发生扰动,致使中地壳脆性—韧性过渡带附近的强度降低,形成弱化带; 在区域应力作用下,弱化带变形导致应力集中,进而发生地震。

(2)深部流体与地震的关系

深部流体的运移、聚集和突破运移是一种重要的地震孕育模式。地球物理资料表明日本绝大多数壳内大地震发生在低速区或围绕低速区的地方,流体和岩浆对地震形成有重要影响(Zhao et al,2002),中国大陆大地震震源分布也有类似特征(Du et al,2008)。Chiodini等(2004)完成了意大利西部地球脱气地质填图,发现了地震带CO₂的直接排放量急剧减少,地壳内聚集CO₂形成超压引发地震。Kurz等(2004)对欧洲板块内震群的研究表明,板内震群可能与全球构造无关,而是流体触发的,温度的线性变化和孔隙压力的周期性变化是动力来源; 在板内和板块边缘震群的形成都与流体是分不开的,而且这种震群的发震机制区分不出火山流体还是非火山流体(水)引起的。华北地震的孕育与亚地幔柱热流体活动有关(牛树银,2003)。杜乐天(2005)论述了地球脱气对大地构造的影响,及其和地震等自然灾害的关系,地球内部流体穿透能量很强,可以引发地震。深部流体向上运移到地表形成地热异常区(Du et al,2005,2007),如果在某个部位运移受阻、聚集时,就形成低速高导层,当流体压力超过岩石强度时,流体就会突破围岩产生地震(Du et al,2008)。地质历史中有许多天然的隐爆角砾岩、岩席、岩脉、岩墙和不同深度的侵入岩体,这些地质体的形成过程中无疑发生过许许多多的地震。钻孔注水压裂和地下爆炸本身就是地震事件,这与地球深部流体向上运移过程中发生地震的机制相类似(Kisslinger,1976)。流体和岩浆对地震的形成有着重要影响,大地震的形成与地壳和地幔岩石的物理化学性质有关(Zhao et al,2002)。Wiens和Sinder(2001)发现在板块俯冲带内,在与富士山附近的三个深震群大致相同的地方和时间产生了小破裂,这表明热剪应力不稳定,热能触发了一系列的地震。

Konstantinou和Schlindwein(2002)把火山地区震群的成因模型分为4类:①岩浆流体传输通道内流体流动诱发地震; ②流体充填裂隙激发或共振; ③地下水水热沸腾引起的气泡生长和破灭; ④各种关于不同尺度岩浆体颤动的模型。沿菲律宾海板块俯冲带非火山区,在深度约30 km的莫霍面附近发生了连续的地震动——长周期地震(long-period tremors),Julian(1994; 2002)也认为这种地震是由变质流体流动触发的,称之为“变质成因地震”(metamorphic tremor)。然而,Obara(2002)提出这些地震是由俯冲板块脱水引起的。

(1)矿物脱水引起地震

在地壳和地幔中脱水作用和熔融反应不仅产生大量流体,而且在地震活动中起着重要作用。当脱水和熔融反应产生的流体压力足够大时,就会产生水压裂隙,进而影响岩石的孔隙度和渗透率; 不同流体压力状态之间的压力隔挡层突然破裂会形成瞬间低压边界,压力降又促进了脱水和熔融反应(Miller et al,2003)。高温高压岩石实验发现,含水矿物脱水及其部分熔融可能与地球内部低速高导层的形成和地震的成因有内在联系(Liu et al,2002,2003; 刘巍,2005; Bai et al,2003; 白利平等,2002)。Raleigh和Paterson(1965),Meade和Jealoz(1991)认为俯冲板块脱水脆化可能是中源地震发生的原因。徐常芳(1997,1998)对地震前后的一些现象、深部探测结果和高温高压下流体性质进行研究,以深部流体为重要条件,提出了岩体势能—动能转换的地震成因说,强调了深部流体的重要性。

蛇纹石脱水实验结果表明脱水脆化是与深度无关的一种触发地震的机制,俯冲板块顶部低速带是流体充填定向排列的裂隙造成的(Jung et al,2004)。谢鸿森等(2000)在高压下用六面顶砧压机加热蛇纹石,使其脱水,约在670 ℃时蛇纹石发生爆炸,这可能是一种发震机制。Irifune等(1996)通过研究高温高压(200～300 ℃,14～27 GPa)下蛇纹石变成非晶质、脱水、快速结晶的结构转变,提出深震可能是由于蛇纹石脱水导致的。Dobson 等(2002)通过研究蛇纹石脱水,发现蛇纹石脱水产生裂隙和声发射,并模拟了俯冲带地震的成因。Omori 等(2004)证明了俯冲带地震的深度分布与水化的蛇纹岩板块内脱水有密切关系,尽管目前触发机制是未知的,但是在俯冲板块内特定的温压条件下脱水作用是地震的触发机制,因此,提出了持续脱水作用诱发地震的假说。

(2)断层带高流体压力引起地震

Anderson(1951)认为当应力超过岩石弹性极限时,破裂不均匀的岩石在预期的断层面破裂,引发地震。地体客观存在的断裂、层理、侵入接触等薄弱带都是形成破裂不均匀和波速各向异性的原因。在应力作用下,岩石沿不同产状的薄弱带破裂引发地震需要的应力要远低于完整新鲜岩石破裂所需的应力。断层上盘的岩石压力,加大了断层的摩擦力,阻止断层滑动; 但是断层带的流体压力降低了摩擦力,有利于断层滑动。地震谱上的初动和波形反映的震源机制,可以用来判断断层活动面。多数地区,特别是小震区,利用靠近地震的断层面产状变化可以确定优选取向和区域应力矢量的相对大小(Gephart,Forsyth,1984)。Balfour等(2005),Mount和Suppe(1987)利用这种方法反演的取向误差和大地震破裂表明,美国San Address大断裂和新西兰Marlborough的小断层的弱化可能都是高孔隙压力引起的。Terakawa等(2010)和Lucente等(2010)根据意大利2009年L'Aquila地震及其前震序列,定量地研究了流体和流体运移与每个地震序列的关系。他们假定断层面摩擦变化与孔隙压力相比是可以忽略的,利用每个断层的取向确定了孔隙压力的分布,对断层任意方向破裂需要的最小孔隙压力变化填图,进而对每个地震发生所需最小孔隙压力空间变化填图。用该方法确定的最高孔隙压力出现在前震和主震的地方,这表明岩石破裂归因于流体压力。这种根据震源机制进行流体压力变化填图的新方法可谓是科学界的一个突破(Savage,2010),利用全部主震和前震资料的流体填图结果表明,在前震和主震附近流体压力异常高; 在M4.0前震和主震后一周内,研究区内不同的V_P/V_S值和各向异性表明,流体在前震区不同的地域之间发生运移(Terakawa et al,2010; Lucente et al,2010; Di Luceio et al,2010)。

(3)流体影响矿物相变有利于地震发生

Goto等(1985)认为在岛弧下消减板块内中—深源地震发生的深度范围内,热膨胀和橄榄石—尖晶石相变导致应力集中是地震形成的重要因素。400 km以下深源地震的发生与该深度范围亚稳态橄榄石的存在有关,并有可能受反裂纹机制的控制(Iidaka,Suetsugu,1992; Furukawa,1994; 宁杰远,臧绍先,1999)。由于物质处于低压亚稳相(α)向高压相(γ)转变时释放大量潜能,使周围的物质形成局部高温,这种热异常就会触发应力释放从而引发地震。应力释放的发震剪切失稳机制包括脱水、失控相转变或依赖温度的流变弱化,这与断裂产生地震的机制是不同的(Bina,1998)。在实际俯冲板块和上地幔环境中,由于矿物脱水反应和板块俯冲带入的水是大量存在的(Kohlstedt et al,1996),而且水对橄榄石相变过程会产生很大的影响(Chen et al,2002)。水在两个方面影响橄榄石相变:①降低Si-O键断裂活化能,增强原子通过两相接触面的扩散速率(Rubie,1986); ②导致矿物相的强度弱化,减弱抑制新相生长的应力(Kubo et al,1998)。Hosoya等(2005)和Kubo等(1998)实验探讨了水对亚稳态橄榄石存在范围的影响,进行了两组Mg₂SiO₄含水重量比分别为2 000×10^-6和5 000×10^-6的实验,相变过程只考虑了α-β相变,结果表明水含量的增加会大大降低亚稳态橄榄石的存在范围。