互动科普

解决深震之谜

Harry W. Green II *

几十年来，地球物理学家们曾认为地震不应在地球深处发生。但是，实际上却发生了。终于，我们弄清楚了这些地震是如何发生的并且是什么原因所引起的。

1994年6月8日、一次大地震发出隆隆响声穿过玻利维亚下面600多公里的地幔深处。它是迄今为止在这一深度处记录到的最大的一次地震。颤动在远离多伦多的地方都能感觉到。历史上还没有哪一次地震在距震中这样远的地方还能使地球发生振动。

这次事件确实引人注意并且还是矛盾的。尽管深部地震(以下简称“深震”——校注)像时钟一样有规律，但是从理论上说它们应是不可能发生的。深震从1927年发现以来，它的存在本身一直戏弄着地球物理学家。五年前我的同事和我最初是在戴维斯加利福尼亚大学尔后是在里弗赛徳加利福亚大学我的实验室中开始探索这一两难问题的答案。本文对这一发现及根据这一发现得出的地震新理论作一叙述。

大多数地震都是在距地面几十公里处由于脆性破裂和摩擦搰动这些熟悉的过程所引起的——这与玻璃破裂和轮胎在路面上行驶发声的机制一样。可是所有地震的几 30%发生在超过70公里的深处，这里的压力达到两吉帕以上(为海平面处大气压力的20000倍),将近8%的 地震发生在超过300公里的深处，这 儿的压力大于10吉帕。在这样髙的压力下，岩石会在比沿着先前存在的断层发生破裂或滑动时的应力要低的情况下发生流动。因而在这 样的深度下发生地震似乎是不可能的。

然而，深展又确实发生过，只不过仅仅发生在地球内始于海沟之下并以某一角度插入地幔的薄薄平板带内。板块构造理论认为这些地段标志着俯冲带，在俯冲带处地球的冷的最上层(岩石圈，50到100公里厚)插入到地幔中。这样，它就造成了回流，这种回流能补偿熔融物质的上升和洋脊处岩石圈的形成。在俯冲带内，地震的出现率从地表到大约300公里深处表现出一种指数衰减的关系》往下其出现率又开始上升，在550到600公里深处达到顶峰。最后，地震在大约 680公里深处完全消失。

由于在深达约300公里之上的地区内地展的出现率持续衰减，因此大多数地球物理学家认为起源于地表之下70到300公里之间的地震[称为中(S)塬地震]是由一种只与脆性破裂和摩擦滑动有关的机制造成的」采源地震(震源在300公 里以下)则遵循一种完全不同的型 式因而一定是起源于一种单独的机制。六十多年来，这种机制的细 节仍然是难以捉摸的。

多年来的研究的确提供了有关俯冲带的令人感兴趣的资料。在靠近地表的地方，岩石含有由较为松散堆集的原子所组成的矿物。随着地幔内的深度增大，施加在岩石上的压力也逐渐增大，这 些原子就发生重新排列并给出密度逐渐增大的矿物。这种变态最 先发生在深度约400公里的大部分地幔内。在这种反应中，橄揽石，上地幔含量最丰富的矿物，变得不稳定并转化成一种具尖晶石结构(等轴晶系)的物相，这种物相的密度比原来的橄榄石密度要大6%。这种转变引起在400公里深度处震波速度的急剧增大。在600 么< 里深处，尖晶石结构本身又变得不稳定井分解成两个相，两相加在一起密度又会增大8%。这种反应又引起震波速度的另一次剧增，它标志着上、下地幔之间的界面。

俯冲岩板内的温度较低。在这样的环境中，尖晶石结构在比正常地幔环境压力稍低的情况下仍是稳定的并且一直到压力比正常地幔环境稍高一点时仍保持稳定。因此，在岩板内尖晶石的稳定区扩大到从大约300公里深处一直延伸到大约700公里深处。这正好 是深源地震发生的区域。

由于有这种相关关系，因此这些年来一种重新提起的解释就 是深源地震的分布情况以某种未知方式与这些相变有关。早期的大多数看法集中于如下情况，即这些反应是增密作用。有好几位研究人员提出大量体积的橄榄石突然转变为尖晶石可以产生能释放所需地震能量的向心爆炸。然而，后来的研究驳倒了这一假说，这些研究表明从深震释放出的地震能的几何型式与浅震释放出的地震能的几何型式很难区分。而且，它还明运动是沿断层发生的。

那么，是什么引起深震的呢？尖晶石的稳定区又为什么会与深震相关呢？任何处于地球内部深处那样的超常压力下的直接实验方法只有在过去三十年间才有可能办到。1976年麻省理工学院的Chien-Min Sung和Roger G. Bums指出，由于俯冲带冷核心部分预期的温度和压力均较低，橄榄石向尖晶石的转变很有可能在动力学上受到抑制，即使是在数千方年的时间尺度内也是这样[最近，德国拜恩地质研究所(Baye- risches Geoinstitut)的 David C. Ruble及其同事已经证实了这些结论 并且证实，亚稳定的橄榄石在迅速俯中的岩石圈内应能存在]。

就在Sung和Burns公布其最初 结论的同一年，耶鲁大学的J. Rimas Vaisnys和Carol C. Pilbeam提出，在某些特定条件下的橄榄石转变为尖晶石的过程中是可能发生断层作用的不稳定性的。尤其是这些条件要引 起热逃逸(一种释放热量的放热反应，它还能加快反应速率，等等)和晶体大小显著减小的现象，这是两个我将进一步讨论的重要特征。

还在二十世纪七十年代晚期和八十年代初期，就出现了一次涉及橄揽石转变成尖晶石的确切机制的争论。除了地幔的硅酸盐橄榄石 (Mg.FeWiCMh梭榄石-尖晶石转变 还发生在若干化学系统中，包括锗 酸盐尖晶石(Mg:Ge0)在内。由于 在这种化合物中绪原子比硅原子 大，因此这种转变发生在比硅酸盐 橄揽石转变为尖晶石所需压力要低 得多的压力下。在我的实验中利用 锗酸磋系统作的研究结果与Sung 和Bums早期所得的观澜结果是一 致的——即这种转变的发生是由于 在橄榄石颗粒边缘尖晶石晶体的晶 核形成和生长作用。然而，别处的 研究结果则支持另一种不同的机 制，在这种机制中晶格发生了剪 切》不同实验结果之间的差异使我 在1984年提出，两种机制都肯定存 在并且应力很可能决定了在给定的 —组条阵下那一种机制在起作用。

由于对地幔动力学(包括深震) 各方面的了解都要取决于对引起 橄揽石-尖晶石转变的机制的认 识，所以解决运个问题很重要。因 而，在 1985年，Pame彳a C. Burnley

(那时她是一名开始其博士论文研 究的研究生)和我开始研究应力对 该转变过程的影响。那时还不可 能(现在仍然不可能）在硅酸盐系 统中发生该转变的很高压力下进 行变形实验和澜量应力。因此， Buniley(现在科罗拉多大学工作) 和我继续使用绪黢镁祥品，这是由 于引起这种化合物转变所需的压 力在我的变形实验设备中易于达 到。

这些结果解决了关于橄榄石如 何转变成尖晶石的争论。但是产生 剪切机制所需的应力是如此之高以 至在地球内只有晶核形成和生长机 制才能起作用。而且，我们没有发 现伴随着剪切机制的断层作用的不 稳定性。因此，对于深馬来说它作 为一种可能的机制也可以被排除 掉。

在Burnley进行这些实验的同 时，加利福尼亚州门洛帕克美国地 质调査局的Steplen H. Kirby报道了 某些异常的结果。他在预期会发生 增密反应的压力附近或大於此压力 的情况下进行了两种矿物的断层作 用研究；尽管Kiiby沒:有发现这一反 应的直技证据,但是他认为最初向稳 定相的转变可能会引起他所观测到 的断层作用9象在这之前的十年时的Vdsnys和Pilbeam—样|他认为断 层作用的不稳定性可能会在橄榄石 向尖晶石的转变期间在地幔内起作 用。

尽管我们尚未证实这种推测的 不稳定性，伹是Burnley和我推论如 果有这样一种不稳定性存在，它就 必须同晶核形成和生长机制有关。 而且，这种不稳定性只在我们早期 研究工作期间所证实的两个范围之 间的狭窄温度间隔内才会出现。因 此，我们使样品在如下条件下发生 变形，在这些条件下在实验的时间 尺度内尖晶石相的晶核形成作用刚 好可能出现D睢！这些祥品显示出 它们能够承受的应力总量急剧下 降，并发育出一条或多条切穿它的 两壁有尖晶石的断层。

仔细的观察揭示出在这些发生 断层的样品内有一组独特的微结 构。早些时候，当实验是在狭窄的 断层作用“窗口”内进行时，形成 了高密度相的微包体并在橄揽石颗 粒边缘生长。这些微包彳本显示出三 个关键特征：它们看上去充满裂 隙；它们垂直于应力场的方向蔓 延；并且它们含有极微小的尖晶石

晶体et径约毫米)。头两个特征 与破裂之前的脆性物质尚所发育的 特征惊人地相似。第三个特征为断 层如何在高压下形成并滑动提供了 一个可能的答案。

根据这三个特征，我们形成了 —个由相变所引起的断层作用的理 论，这种断层与脆性剪切断裂相似 但是在其微观物理方面却根本不 同。在脆性剪切断裂中，随着应力 的增大，大量微小的张裂隙会在平 行于最大压应力(SJ的方向上张开D 由于跨越裂隙的位移方向与裂隙面 相垂直，因此这些裂隙被归类为I 型裂隙D当荷载继续增加时，I型 微裂隙的数量和密度会迅速增加直 到材料自身的强度开始局部降低为 止。这BJ,这些微裂隙共同组织开 始形成一个剪切断裂，而样品就在 几分之一秒内损坏了。张性（I型) 微裂隙的一个“作用带”（process zone)在此不断生长的断层的前面形 成并使断层穿过整个材料。这里重 要之处在于该断层并不是原生破损 作用；它必须由I型撤裂隙为之作 准备和引导。由于压力严重地抑制着张性微裂隙开启时发生的膨胀， 因此脆性断裂不可能在地球深处发生。

在我们的高压断层作用实验 中，我们观察到的是尖晶石微透镜 体的生长而不是微裂隙的生长=这 些透镜体的形状很象开启的张裂隙，但这些透镜体有着相反的方向——它们的排列方向与S,垂直。尖 晶石相比橄揽石相更致密；因此， 透镜体界面的位移是向着透镜体平面内移的。所以，这些透镜体有着 张裂隙那样的I型特征。然而，由 于其界面的位移与张裂隙位移的方 向相反，因此在透镜体的尖部形成 的是压应力的集中带而不是张应力 的集中带。正是由於脆性材料内张 裂隙尖部的张应力使其方向平行于 S,；同样，在我们的样品中正是由於透镜体尖部的压应力使其方向垂直于I。

因此，这些构造在每一个方面都是裂隙的反演。 言以蔽之，它们是反裂隙，这是一个在1981年 由得克萨斯州农业与机械(AM)大学 的Raymond Fletcher和斯坦福大学的 David D. Pollard从一个不同的角度 所提出的概念。由于在这两种I型 构造之间有着显著的相似性，因此 我们推断在我们的实验样品中在断 裂之前出现的微反裂隙在髙压断层 作用中所起的作用肯定与脆性断裂 中的微裂隙所起的作用相同。

我们的发生断层的样品的第三个关键特征是反裂隙内的极细粒尖 晶石，它使我们深入地了解了反裂 隙如何能提供一个基本的弱化手段 以及为什么这一过程要在高压下才 会发生。极细粒物质表现出~种称 之为超塑性的值得注意的流动特 性。这类物质的流动是通过在晶体 之间的颗粒界面上的滑动来实现 的。这种流动从某种程度上说就象 一堆沙的变形一样，但是有一点极 其重■要的区别，就是沙粒是刚性 的=因此，它们必须相互上下滑动。

随着沙粒之间的间隙增大，其扩大 部分就必须反抗围压而作功。所 以，这一过程，就象脆性断裂一 样，严重受到压力的抑制。相反， 晶粒界面上的滑动是一个塑性过 程，在这个过程中的称为粒间位移 的晶体缺陷发生了移动。由于无膨 胀发生(在沙粒流动中则要发生)， 因此压力几乎没有什么抑制效应。 我们推?則在反裂隙中的细粒尖晶石 比橄榄石基质要弱得多并具有“超 塑性”的流动能力。

根据这些研究结果我们形成了 下述假说。在增加荷载的情况下， 在尖晶石相很难生长的环境下，撤 榄石还是能转变成尖晶石。当新的 晶体通过不断的晶核形成作用在应 力集中的彼此邻接之处形成时就发 生了这种转变。在一个非锍体静力 学的应力场中，形成的尖晶石微包 体趋向于垂直生长a这种优先取 向造成了它们的透镜状形态和定向 排列。这些I型微反裂隙最初是散 布于整个样品中的。但是由于在微 反裂隙内的细粒尖晶石集合体比起 大的橄榄石晶体来要弱得多，因此 一旦形成足够多的这种集合体，样品就会在局部降低其强度。

在这一关键阶段，一些大的应 力集中带围绕着初始断裂区出现， 反裂隙的生长从而也会加速。这时 已有的微反裂隙就会连接起来井将 其具有超塑性的物质注入正在发育 的断层带中，从而提供了使断层沿 之搰动的一种润淆剂 <=这一过程一 直超前于正在生长着的断层带的末 端从而提供了润搰该断层所需的超 塑性物质。为了这种断层作用能够 发生，反裂隙必须生长得很快。我 们认为反裂隙的生长速度是由一种 热反馈机制产生的：在反裂隙内尖 晶石的晶核形成作用释放出能局部 增溢的热量，温度升高又增大了晶 核形成速率，而这又使温度进一步 升高，从而促进更快的晶核形成并 导致突然的断裂。

Burnley和我在1989年10月在 《自然》杂志上发表了关于这一 模式的实质的文章，并且从那以 后为检验这一理论的不同方面在 我的实验室中花费了很多时间9 令人欣慰的是，迄今为止该理论 经受住了我们的详尽研究和仔细 检査。在一次非常重要的检验中， 我们研究了在反裂隙断层作用期 间能量是否会呈弹性地释放出 来。显然，如果反裂隙断层作用是 “平静的”，那么它就不可能是 造成地霣的主要原因，因为我们 感受到的霣动是由断裂过程中释 放出的“噪声”到达时所引起 的。由于我们的样品很小并且位 于变形装置(它本身能产生一般的 背景噪声)内的深处，因此我们不 可能听到在断裂过程中发出的声 音。

为了解&这一难题，我与哥论比亚大学拉蒙恃-多赫蒂地球观测 站的Christopher H. Scholz建立了合 作关系,他是研究地球内的脆性断裂 的。他在他的装置上安装了灵敏的 压电传感器来“听”在脆性断裂之 前和之中的声发射。为了降低噪声 我们改进了一台我的高压变形装 置，然后在和我实验室的Tracy N. Tingle 和 Thomas E. Young 以及 Scholz实验室的 Theodore  A. Kozynski一起工作中，我们成功地检 测出了在断裂过程中Mg2GeO4样品的声发射。

Tingle和我还研究了当Mg2GeO4尖晶石晶体的粒度与初始物质中的橄榄石晶体的粒度相似时前者的流 动强度3然后我们将此强度和存在 于由反裂隙造成的断层的抗滑动强度相比较。尽管该抗滑动强度比橄榄石样品在断裂前的流动强度小得多，但是粗粒尖晶石的流动强度却 为橄榄石的两倍。结果，人们无法只用尖晶石油置换橄榄石来解释我们样品中断层带的弱化现象；流动机制也必须得改变。唯一能产生这种 弱化现象的已知机制就是超塑性流动，这与我们最初的推测是一致的。

这些检验工作确定无疑地证实了反裂隙断层作用是一种与脆性断 裂截然不同的、新的断裂机制。然 而，这些检验工作有一个主要的缺 陷，即我们的所有实验都是用锗酸 盐橄榄石，而不是用地幔中的硅酸 盐撖榄石进行的。当然，就象早些 时候听提到的那样，这项研究一次 也没有吊硅酸盐橄榄石来进行S前仍不可能在达到尖晶石fl定区 所必需的高压下测定硅酸盐系统内 的应力。

也在拉蒙特工作的David Walker时向Scholz和我提出我们 可以在他的多压站裝置内试试用地 幔撒榄石作一下粗略的实验，多压 砧装置是一种能得到必需压力使硅 酸盐发生相变的机器。这种装置以前从未用来使矿物样品变形，但是 我们决定接受他的建议。我们的逻 辑是如果反裂隙断层作用的确迪成 了深源地震，那么它对真正的橄榄 石肯定奏效。我们在错敢盐样品中 现察到的微结构可以使我们弄清在 硅酸盐中发育不稳定性的条件。这 种办法取得的成果超过了我们最急 切的期望；仅仅在四次试验之后， 我们在14吉帕的压;在地幔橄 榄石中产生了断层及特征的反裂隙 微结构。

尽管反裂隙断层作用的机制具 有吸引人的特点，但它能够在地球 内发生也只有在嫩榄石被带入上地 幔深部才行，在那里尖晶石晶体结 构是稳定的。特别是，反裂隙断层 机制无法解释浅于300公里的地 震，而这儿的撤榄石却是稳定的》 然而，通常的脆性断裂也无法解释 比70*里更深的地K。在这两个深 度之间的区域发生了什么呢？另一 些最新的实验结果已经巧妙地力这 类中源地震提供了解释。

Charles Meade (现在华盛顿卡 内基研究所上作）和Raymond Jeanloz在伯克利加利福尼亚大学做 了实验之后指出，水合矿物蛇纹石 (橄榄石在低温低压下与水反应时 形成的矿物)当处于受应力状态并 在很高压力下脱水时就会释放出声 能。观在马诺阿夏威夷大学工作的 C. Barry Raleigh和堪培拉澳大利亚 国立大学的Mervyn S .Paterson在本 世纪60年代就证实了蛇纹石脱水所 引起的断层作用，只不就是在低压过程。由于脱水而产生的水压反抗 高的外压将微裂隙扩展，从而使脆 性断裂得的产生=

我们的以一系列地球物理和地 质观测结果中得知，在最上部地幔 (刚好在洋壳之下)中的橄榄石其以 洋脊移动到海沟时社会受到部分水 化。因此，在岩石圈的浅层区域含 有能使上述机制发生作用的水合 相。在下至300公里的俯冲带内地震 出现率的减少，很可能是由于大洋 岩石圈因受周围地幔的加热导致逐 渐变暖和脱水从而使这一机制逐渐 衰竭所致=在大约300公里处，反裂 隙断层作用成为可能，因而造成该 处地震的增加a

反裂龉断层机制为地震如何以 及为什么会向地球很深处延伸提供了一种解释。这种机制还能否解释 地震为什么在更深处会突然中止不 再出现了呢？正如早些时候提到的 那样，尖晶石分解成两种更致密的 相是发生在俯冲带中大约700公里 的深处。这种分解反应是吸热反应 (它需要补充热量来使皮应进行）。 与此相反，橄揽石转变为尖晶石则 是放热反应(热量在反应过程中被 释放出来)。如果我们最初的假定是 正确的，即为了造成断层不稳定性 必须发生热失控现象，那么吸热反 应就不能造成这种不稳定性。

为了验证这一可能性，就在 1993年，我的同事Yi Zhou和我进行 了一组关于CdTiOs的实验，CdTiO, 是经历了一次吸热增密转变的组 分。在高压相稳定的环境下低压相的变形作用是平静地进行的；即未 观测到反裂隙也未观測到断层作 用^这一强有力的实验结果既支持 了反裂隙模式也支持了我们关于地 震为什么会在尖晶石稳定的压力上 限处消失的论证。分解反应不仅是 吸热反应，而且还要求发生原子的 分离作用以便从一种晶体结构产生 出两种晶体结构。这一转就又会进 —步阻止任何潜在的不稳定断层作 用。

总之，地震沿深度的分布情况 和实验结果必然会得出下述模式。 通常的脆性断裂是导致浅震的原 因。由于压力的加大会抑制这一机 制，所以世界上大部分地区的地震 只是发生在地表之下一直到20到30 公里的深处。在俯冲带中，部分水 合的洋壳和地幔下插并被缓慢加 热。含水矿物就会脱水并且在这一 过程中使得有流体参与的断层作用 成为可能直到300公里深处的 地震出现率的呈指数减少反映了正 在俯冲的岩板的逐渐变热和脱水。

但在岩板内部仍然足够冷以至 于俯冲地幔中的橄榄石当其在大约 300公里深处仍处于橄榄石稳定区 内因而不会转变成尖晶石相。在冷 的内部区的边缘处，温度缓慢升高。 亚稳定的橄植石被加热到发生反裂 隙断层怍用的临界温度。在最冷的 俯冲带内，亚稳定橄榄石楔性体能 向下延伸到大约700公里深处，然后 在这儿它分解为下地幔的两种非常 致密的相。在这种深处反应之后， 所有的地震都消失了。

上述模式同时能预测在中源地 震和深源地震期间地幔内产生的地 震信号的某些特征以及俯冲岩板内 炒震波速度的变化。首先，这些地 震的地震信号应与浅震的地震信号 很相似。尤其是这些信号应与断层 中的剪切运动的信号相一致。的 确，情况看来是这样3尽音地震学 家在过去三十年中一直在寻我，伹 他们还是没有发现一个毫不含糊的具有强烈内爆分量的深震的例子。

而且，在俯冲板块的冷的内 部，如果存在有亚稳态橄榄石的话 则它的地震波速度就会比相变反应 已经进行并且已经形成较致密的同 质多相物时的波速慢得多。只有曰 本经历过大量的深震并且有足够多_ 的地震台站来尝试区分这两种可能 性£ 1992年东京大学的Takashi lidaka和Daisuke Suetsugu对日本地 下的下插岩板模拟了这两种可能性 并且发现亚稳态橄榄石楔形体有着 能说明问题的慢的波速。

正如我们所指出的那样，如果 有一个临界温度来控制反裂隙断层 作闬的不稳定性，那么此断层作闬 就会集中在亚稳态橄榄石楔形体和 同围已经转变了的外壳部分之间的 界面处。如果在楔形体的两个边缘 处存在足够的应力。那就会出现双 地震带。两个地震学家小组(一个由 华盛顿大学的Douglas A. Wiens领 导，另一个由Iidaka领导)已在过去一 年间发现了这种双地震带。Iidaka小 组断定在他们先前推测出的岩板内 的双地震带肯定含有一个亚稳态橄 榄石楔形体D

另外，如果在300到400公里深 处引起地震的基本机制有所变化的话，人们就可以指望在这些深度处 产生的地藤信号的某些方面会与那 些由较浅地震产生的信号有所不 同。直到最近，所有辨别这些差异的 尝试都失败了。然而•圣克鲁斯加利 福尼亚大学的Heidi Houston和Quen -tin Williams最近报道了许多深震 的发生似乎要比中震快得多》而且 Houston和美国地质调査局的John E. Vidaie最近已测定深襄的整个破 裂时间只有较浅地藤的大约一半。 其他的最新研究结果也表明，年 轻、暧热的俯冲带只有在深达300 到400公里之下才会发生地震;所有 的深震都局限于较老，较冷的俯冲 带内，在这里亚稳态橄榄石在巨大 深处还可能存在。

所以实验室研究结果解释了地 藤是怎样在很髙的压力下发生的。 本文提出的这一综合模式同我们对 俯冲带的现行理解是非常一致的， 在该模式中中源地農是由于有流体 参与的断层作用所引起的，而深源 地震是由于反裂隙断层作用所引起 的。在这一领域，地M学家们仍在 继续探讨俯冲带及其发生的地震的 特征，而地球物理学家们则正在研 究是考虑实验成果又考虑地震资料 的定貴热模式。问题依然存在，但是有关深震的本质之谜已得到了 解决。

[肖波译石实校]