地球科学原理之十二诱发地震及冰川形成时的造海作用

作者：廖永岩 编辑：探矿者
根据前一回的“地幔浮力面理论”，我们现在来分析冰川形成时的造海作用。
为了便于理解冰川作用的机理，我们先来分析一下诱发地震。诱发地震是人类活动引发的地震。主要有水库地震、矿山地震等。
水库蓄水时，大量水转入，在水库处形成巨大荷载。根据“地幔浮力面平衡”原理，水库处将相对“地幔浮力面”下降，这样就引起水库处地面下陷而形成地震。
矿山开采时，大量矿物（如煤炭）转出，在矿山处形成巨大卸载。根据“地幔浮力面平衡”原理，矿山处将相对“地幔浮力面”上升，这样就引起矿山处地面上升而形成地震。
石油开采形成的地震和矿山地震类似。
虽然水库地震和矿山地震的发震机理，目前尚有争议(Gupta, 1992; Gupta, 2002; 秦四清和张倬元, 1995)。但地震界一致公认，印度的Koyna水库6.4级（11-12-1967）(Gupta, 1985; Agrawal, 1972; Murthi, 1968)和中国的新丰江水库6.1级（19-03-1962）地震(Chen and Talwani, 1998; Rui 1978)，都是由于水库蓄水后引发的地震；德国东部Suna钾碱矿区5.2级（24-06-1975）和波兰Lublin铜矿区4.5级（24-03-1977）(张少泉等, 1994)及中国湖南邵东煤矿3.2级（04-09-1997）地震，都是由于采矿或采煤引起的地震(Gibowicz and Guterch, 1982; Gibowicz, et. al., 1981; Cook, 1970; 肖和平, 1998)。
据统计发现（1981）：10m <坝高≤90m的11000座大坝，发生水库地震的概率为0.63%；90m <坝高≤140m的大坝，发生水库地震的概率为10%；坝高≥140m的大坝，发生水库地震的概率为21%(易立新等, 2003)。这说明，水库地震的发生，明显与坝高和库容呈正相关；坝越高，库容越大，发生水库地震的可能性就越大。矿山地震，也与矿井深度和开采量正相关(肖和平, 1998; 陈德贻等, 1996)。
Koyna水库蓄水5年后发最大震（震源深度27 km），新丰江水库蓄水2年后发最大震（震源深度5 km）(易立新和车用太, 2000)。水库地震，具有明显的滞后性，这说明水体对岩石的作用，是一种缓慢作用过程。
水库区域能发生地震，就说明水库水体作用于岩石，已引起了岩石层的断裂。Koyna水库，库深100m，库容2.78×109m3，库面积1.15×102km2，玄武岩底质；新丰江水库，库深97m，库容1.15×1010m3（约1.15×1013 kg），库面积3.9×102km2，花岗岩底质(易立新和车用太, 2000; 杨清源等, 1996)。这说明，象Koyna和新丰江水库这样的水深和库容（水体质量），能引起玄武岩或花岗岩岩石层断裂，引发6级以上的地震(杨清源等, 1996)。
从以上可以看出，虽然水库蓄水和矿山采矿，致岩石层断裂发生地震的机理，尚有待进一步研究(秦四清和张倬元, 1995)，但水库蓄水和矿山采矿能致玄武岩或花岗岩层断裂，已是不争的事实。和诱发地震一样，冰川引起造海作用，也是由于巨大质量的转移造成的(Kivioja, 1967)。因为水库地震的发生，明显与坝高和库容呈正相关；坝越高，库容越大，发生水库地震的可能性就越大。可以想象一下，假设南极不是冰盖而是一个水库，当一个水库贮水高度达到2450米，也就是Koyna水库或新丰江水库的坝高的24倍，你能保证这个超级“水库”不会引发地震吗？你能保证这个超级“水库”处不下沉吗？因为90m <坝高≤140m的大坝，发生水库地震的概率为10%；坝高≥140m的大坝，发生水库地震的概率为21%(易立新和车用太, 2003)，你估计一下，这个“坝高”2450米的南极巨无霸“水库”发生地震的概率是多少？所以，当面积1.4×107 km2、重约2.64×1019kg、平均厚2450m、最厚处4645m的南极冰盖形成时(秦大河和任贾文, 2001)，引起南极下陷，及引起地球岩石圈最易破裂处的花岗岩或玄武岩质岩石圈开裂，是很自然的。
现以南极冰盖为例，分析冰川形成时的造海作用。
南极冰盖未形成时，岩石圈和地幔处于流体静力学平衡状态（见图3，a）。当南极冰盖形成时，2.64×1019kg的海洋水转移至南极，引起海退；海洋岩石壳上的重量将减少，南极大陆岩石壳上的重量将大大增加（见图3，b）。因这种作用是缓慢进行的，地球将表现出明显的塑性(刘本培和蔡运龙, 2000)（见图3，c-f）。根据“地幔浮力面平衡”原理，南极冰盖下的岩壳将大幅度下降（见图3，c-f）。

图3. 南极冰川形成引起的造海过程.  A，岩浆从洋中脊涌出；B，南极冰川；C，老岩石壳；D，软流层；E，由洋中脊处涌出岩浆形成的新海洋岩石壳.
地球是一个密闭流体球体，岩石圈就是这个密闭流体的容器（见图2）。根据流体力学原理，密闭流体在外力的作用下，流体不会或几乎不会被压缩；根据巴斯噶原理：“施加压强于密闭容器内的流体，此压强无变化地传到流体的各部分及容器的器壁”(赵景员，五淑贤, 1981)。所以，当巨大重量的冰川引起南极岩石壳下陷时，将产生巨大的压强，流体地幔会把这个压强传至地幔的任何地方，并传至垂直于地壳的任何方向，且压强不变，方向向外（见图3，b）。这样，地球将在这个巨大作用力的作用下，向外膨胀（图3，c-f）。

图4. 洋中脊形成和海底扩张.  A，海洋岩石壳外侧；B，海洋岩石壳内侧；C，岩浆流动方向；D，海底扩张方向；E，老洋底；F，早期形成的新洋底；G，较迟形成的新洋底；H，最后形成的新洋底.
地球向外膨胀时，地球表面积将增加；也就是说，冰川形成的巨大作用力，将利用类似水库地震或矿山地震形成时，致岩石断裂的机制，在岩石圈的某处（最易破裂处，一般为洋中脊），将其撕裂（图3，c-e）。为了释放压力，岩浆将会从破裂处流出（图3，c-e）。这样就形成了洋中脊，从而使海洋得到扩张（见图4）。洋中脊逐渐流出岩浆（见图4，b-e），直至把冰川施加的压力全部释放完为止。这就是造海运动（见图4，b-e）。
因洋中脊处岩浆的喷出，是由于流体的压力造成的，所以，洋中脊处喷出的岩浆，是比较容易流动的地幔深处类玄武岩岩浆的岩浆（见图2，C），形成的岩石是玄武岩。其实，大陆岩石壳处也有岩浆上涌，只是大陆岩石壳较厚，岩浆不可能涌出地面，只会浸入陆壳的裂隙而形成浸入岩。但这种岩石大多由地幔浅处较轻的中性或酸岩浆形成（见图2，B），多为高SiO2岩石类，如花岗岩。
冰川是逐渐形成的，洋中脊处的岩浆喷出，也是缓慢进行的，玄武岩岩浆喷出后凝固（图4，b-c），再喷出再凝固（图4，c-e）。从而使地壳扩张（图4，b-e）。
南极冰盖对地球的作用，属于单极冰川作用，因北冰洋是海洋，冰川只能从一极挤压地球。若是双极冰川，冰川将从二极挤压地球。
冰川一旦形成，冰川就会流动，巨大冰川的流动产生的力量是巨大的。所以，当在一极或二极形成的冰川，它流动时产生的力量一旦大于位于它下面的地壳的抗张力，将造成地壳的破裂。大陆板块一旦破裂，就会产生和海洋洋中脊一样的造海作用。随着新海洋的形成，引起原来大陆板块的解体。
受不同岩石壳抗张力大小不同的影响，有的地方容易形成洋中脊式的海洋岩石壳扩张。有的海洋岩石壳或大陆岩石壳，只有当压力足够大时，才可能形成洋中脊扩张。也就是说，并不是所有的海洋的洋中脊都一定是同时或同等强度地喷发岩浆而形成造海运动。有的先，有的后，有的快，有的慢。先形成洋中脊的，洋底先扩张，后形成的，洋底后扩张，不形成洋中脊的不扩张。形成洋中脊强度大的，洋底扩张快，形成洋中脊强度小的，洋底扩张慢。在新解体的板块之间形成的洋中脊，也一样符合以上的变化规律。这样，地球表面海洋的分布和大小，将重新进行调整。有的海洋大小不变，有的海洋增大，有的海洋缩小；在原来没有海洋的地方，也会重新形成海洋。
冰川的形成时具有造海作用，那冰川消融时会有什么作用呢？这种作用又是怎么起作用的？且听下回分解。
未完，待续。
下回预告：地球科学原理之13  冰川消融时的造山运动
参考文献：
陈德贻，刘奇武，杨建明. 湖南娄底煤田矿山诱发地震的分析. 中国地震，1996，12（3）：325-330
刘本培，蔡运龙. 地球科学导论. 北京：高等教育出版社. 2000. 8-303
秦大河，任贾文主编. 南极冰川学. 北京：科学出版社.2001. 1-220
秦四清，张倬元. 水库诱震机制新理论的探索——断层带弱化与岩体软化效应诱震理论. 工程地质学报，1995，3（1）：35-44
肖和平. 煤矿诱发地震研究. 华南地震，1998，18（4）：83-87
杨清源，胡毓良，陈献程，陈凌岳. 国内外水库诱发地震目录. 地震地质，1996，18（4）：453-461
易立新，车用太. 水库诱发地震及其水文地质条件和诱震机理. 中国地质灾害与防治学报，2000，11（2）：46-50
易立新，车用太，王广才. 水库诱发地震研究的历史、现状与发展趋势. 华南地震，2003，23（1）：28-37
赵景员，五淑贤. 力学. 北京：人民教育出版社. 1981. 342-428
张少泉，关杰，刘力强，滕学军. 矿山地震研究进展. 国际地震研究进展，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“地球科学原理”系列，是根据廖永岩著，海洋出版社（2007年5月）出版的《地球科学原理》一书改编而来，转载者请署明出处，请不要用于商业用途）
点击进入更加精彩