中国大地震规律研究初探——曾雄飞

中国大地震规律研究初探

    汶川大地震应当让科技理论界苏醒了。理论的落后，缺乏创新研究，其代价是何等的沉重。现在迫切需要重新审视地震的基础理论，地震的预报和预防研究。曾雄飞把爆炸地质动力学理论应用于地震研究，写出《中国大地震规律初探》。以1902年至2008年百年大地震资料为依据，建立了地震爆发的力学条件（地震断裂结构的内压力超过岩层的断裂强度和岩层重力两者之和时，地震将爆发）；划出地震的四个分期：能量积聚期，触发期，爆发期和沉寂期；找出了太阳活动对地震触发有最大的影响，月球引力有明显的影响，太阳引力影响较小。地震预报应以地震断裂结构的动力学监测为核心。下面是全文，供有关部门参考研究，算是作者对亡灵的慰藉，也是对生者的一份情谊。

中国大地震规律初探

  —— 爆炸地质动力学理论在地震研究中的应用

摘  要

    地震是地球断裂构造释放能量的窗口，含能量积聚、触发、爆发和沉寂过程。 地震是震源断裂结构的爆裂过程，断裂结构内压力超过岩层的断裂强度和重力之和时，地震随之爆发。对地震的触发，太阳活动影响最大，月球和太阳引力也有影响。断裂结构内的磁场异变和赵锬的形变矢量观察具有临震警报意义。

关键词     断裂构造  地震动力学   太阳黑子  月球引力  临震警报

    2008年5月12日14时28分，四川汶川大地震牵动了全中国的民心。大地震折射出人类对地球的认识还那么苍白，也承载着基础科学理论研究之重。人类太需要重新认识地球了，太需要深入了解地球的喜怒哀乐了。作者刚刚完成了《新原子论及其应用研究 —— 油气成矿爆炸地质动力学理论》的书稿校对，便立即投入到中国大地震资料的搜索。爆炸地质动力学理论已经说明，地震是星球撞击大爆炸的产物^[1]。下面将从星球运动的大角度探讨中国百年地震发生的规律。

 1  地震发生的条件

爆炸地质动力学指出，有颗原行星撞向原太阳，发生大爆炸，产生了地球和金星；产生了地球的板块，盆地。太平洋是它们的分离面，洋壳比较薄。地球的断裂带是大爆炸冲击波相互作用形成的，是大尺度物质波在地球表层留下的印迹。环太平洋地震带，集中了全球90%以上的地震；几乎全球所有的大地震都集中在这条地震带上。汶川大地震就处于茂汶大断裂上，这一断层切入到了地幔。所谓地震是岩层的爆裂过程，震源是一类断裂构造，是地球向外释放能量的窗口。地球虽然不像太阳那样辐射出强大的能量，但也在释放能量，它们向最薄弱的太平洋洋壳汇集，向地震的断裂构造聚集。当该能量形成的压力超过地壳岩层的断裂强度和重力两者之和时，于是乎发生爆裂，地震发生了。因此研究中国大地震首先必须结合大断裂带，从断裂构造入手。

Pj：构造内压力；σ：岩层断裂强度；Pw：岩层的压力（重力）

图1  震源构造示意图

设地壳内某地震震源的断裂构造，如图1所示，该构造内积聚的压力为Pj （爆裂压力），岩层的断裂强度为σ ，岩层的压力（重力）为Pw。应有Pw = ρgh， ρ为岩层密度， g重力加速度， h为岩层的厚度。V，T 分别表示断裂结构内部的体积和温度。

地震发生的物理力学，也就是爆裂动力学条件是：

          Pj  –  (σ + Pw )  >  0 

   临震条件为

 Pj  –  (σ + Pw )  =  0                     (1) 

 由热力学第一定律（能量守恒），内能dE = δq – PdV, 地震的爆裂极其迅速，可看作绝热过程，δq ≈ 0，于是有dE = – PdV,  dV表示震源构造在震前和震后的体积变化。压力P满足式（1）条件，于是有dE = – PdV =  – (σ + Pw) dV，重力引起的压应力，Pw = ρgh，于是有dE = – PdV =  – (σ +ρgh ) dV；考虑到断裂强度和重力不受体积影响，设v表示爆裂后增加的体积，E记地震释放出的能量，便有

 E =  (σ +ρgh ) v                   （2）

 利用古登堡建立的地震能同震级的联系^[4]，lgE = 11.8 + 1.5M ，其中M 表示震级。能量单位erg。这样地震能同震级的联系为

    lg (σ +ρgh ) v  = 11.8 + 1.5M                 （3）

 式（3）建立了震级同岩层断裂强度，震源深度和震后破裂体积同震级之间的联系。可以看出，地震爆裂体积愈大，震级愈大，地震的破坏作用也愈大。

依据式（1）可以估计爆裂压力Pj的量阶。设花岗岩岩层，ρ为2.67g/cm³，g为9.81m/s²，h为20 km；σ为2×10⁹ Pa；Pw = ρgh ≈ 5.2×10⁸ Pa。Pj ≈ 2.52×10⁹ Pa。因此对于浅层地震，主要取决于岩层的断裂强度。地表建筑物，包括水库在内，对地震的影响（触发）可以忽略。对于震中为20km的花岗岩断裂结构，当内压力积累到2.52×10⁹ Pa时，地震将爆发。后面的研究表明，太阳活动是地震的主要触发因子，月球引力也构成影响。

    星球撞击大爆炸形成了环太平洋断裂带，这是全球地壳主要的释放能量的区域。地震和火山通过这些窗口释放能量，保护了全球的安全，处于窗口附近的地带则要替全球担承多一些的苦难。地震理论研究为规避地震灾害，提供了科学的支撑。

 2        环中国 – 西太平洋断裂带与地震

    星球撞击大爆炸，太平洋和印度洋大爆炸形成了环中国 – 西太平洋断裂带（地震带）：北部是堪察加和阿拉斯加带；东部带是日本、台湾到菲律宾；南部是印尼；西部是贯穿辽宁、河北、宁夏、甘肃、四川、云南和西藏东部的断层地震带。亚洲的主要地震集中在这条环带上。中国的大地震同这个环带密切相关。研究中国的地震规律需要从这个环地震带的规律入手。

现将百年来环中国 – 西太平洋发生的大地震，依时序列下，部分东太平洋的地震和其他地震也列入，见表1。数据主要引自百度网^[2]。

      表1   1902 – 2008 环中国 – 西太平洋发生的大地震 

    从表1地震断裂结构发震的情况看，地震很难用板块挤压进行解释。东太平洋和西太平洋可以同时发生地震；中国东部和西部也可同时发生地震；西藏和印尼也大约接近同时发生地震；北部堪察加与四川，日本与新疆也大约会同时发生地震；日本和台湾则更经常同时发生地震。地震的发震取决于断裂构造爆裂的地质力学条件，即应当满足式（1）的力学条件。条件成熟了，在外力的触发下，在地震构造内无论何地无论何时都可能发震。 

3        地震的发震过程 

地震（包括火山）是地球内部的地质断裂结构释放能量的一种形式。对于一个确定的地震构造，其发震过程可分为四个阶段：能量积聚期（沉寂期）；触发期；爆发期（爆发，余震）；沉寂期（再积聚）。 

3.1        震源构造 

地震是在地震构造内发生的，是震源断裂结构的爆裂过程。该构造是一个大断裂结构。地球内部的能量可向该构造聚积，使其内压力增高。从环太平洋成为地球的主地震带看，地震构造是地球级大爆炸冲击波产生的，所形成的空洞、断裂，成为了震源。地震研究本质上就是研究地震构造内能量的积聚、触发、爆发和再积聚（沉寂或转移）的过程。地震监察的中心任务，是监察该地震构造的活动，识别其触发的时间。 

3.2        能量积聚 

地球是一个活动的星体，地球内部存在能量的产生和向外辐射的过程。地核温度达到4000℃ -  4700℃，上地幔的温度也达到1000℃。温度从高温区向低温区迁移是天然过程。太平洋断裂带比较薄，是大爆炸冲击波相互作用的汇聚区，形成了充分发育的大断裂构造。因而成为地震频发的构造带。地震能量积聚的时间同释放时间是相伴相随的。前一个积聚时间的结束就是下一个爆发周期的开始；一个爆发周期的结束，也就是下一个积聚周期的开始。因此积聚周期可以通过爆发周期进行描述；爆发周期也可以通过积聚周期描述。下面分述带（整体）积聚和构造（个体）积聚。  

能量的带积聚 

图2  大地震年释放的能量与时间

某地震的爆发是某构造能量积聚期的终结，也是下一个积聚期的开始。因此可以通过地震爆发的周期研究能量的积聚过程。能量的带积聚主要以中国-太平洋西岸为对象，少量其它有关联者，如太平洋东岸也涉及。 

百年大地震年释放的能量与时间的关系由图2给出。由于地震震级相差1个单位，能量差31.62倍；震级相差2个单位，能量差100倍。这里只考虑7级以上的大地震。图中的地震能量相对于7级地震（7级地震能量取作1）。从图2看出，能量释放有3种情况：7.4级，8.2级和超大级地震。7.4级和8.2级地震，没有明显确定的周期，呈现波动；超大级地震的发震周期约为55 – 58年。但将三者联系起来，大地震活动同太阳活动（黑子）有明显的关联。日冕影响有待进一步考察。

图3  年发震频率对时间的关系 

             图4  1640年至1990年太阳黑子的活动周期

图3给出了年发震频率对时间的关系。图4给出了1640年至1990年太阳黑子的活动周期，引自文献[3]。可以看出，太阳黑子活动上升年同地震活动频发有对应关系。下面进一步列出两者关系的比较： 

         太阳黑子活动上升年            大地震频发年

           1902 – 1906                 1906 – 1908

           1913 – 1918                 1914 – 1918

           1923 – 1928                 1920 – 1925

           1933 – 1937                 1933 – 1938

           1944 – 1947                 1944 – 1946

           1954 – 1958                 1950 – 1956

           1964 – 1969                 1964 – 1969

           1976 – 1980                 1976 – 1978

           1986 ≈ 1990                 1985 – 1990

           1997 ≈ 2001                 1995 – 2001

           2007 ≈ 2011                 2004 – 2008

太阳黑子活动是太阳内部活动的结果。太阳黑子活动面积可达到180亿km²，抛射数十亿吨物质。地球的质量只有太阳的千分一。看来，太阳活动明显地影响地球活动，影响地震结构能量的积聚。这一点还可以从1957年至1960年全球地震大爆发看出，1957年3月9日阿拉斯加爆发了9.1级大地震；1960年5月22日智利爆发了迄今为止最大的地震，9.5级，还引发了6座死火山的爆发，3座新火山的爆发。这期间太阳黑子活动达到1645年至1990年间最高峰。 

能量的构造积聚 

能量构造积聚指的是特定地震构造能量的积聚。下面就四川和云南的地震构造分别研讨。 

四川有两大地震构造：炉（霍）康（定）甘（孜）理（塘）构造和汶（川）茂（县）松（潘）平（武）构造，即大雪山-邛崃山及岷山-龙门山构造。它们的世纪大地震情况列于表2。 

表2  四川地震构造发震情况 

    云南主要也有两个地震构造：大理通海构造和龙陵耿（马）澜（沧）构造，即玉龙雪山-点苍山-无量山-哀牢山-白草岭构造。它们的世纪大地震情况列于表3。 

表3  云南地震构造发震情况 

     四川和云南地震构造发震，大地震能量积聚期需要较长时间，大约是20年至50年。从地震发震的爆裂动力学条件，Pj  –  (σ + Pw )  >  0，当地震断裂构造发震后进入沉寂期，构造内压力Pj0  =  Pw ，即内压力等于重力；能量积聚是使内压力达到临震期的压力Pj ，需要积聚的能量ê = Pj  –  Pj0  =  σ，也就是要积聚到足以使岩层达到破裂的能量。前面已作过计算，这个压力比重力大得多，需要足够的时间是可以理解的。这个时间给人类实施地震控制工程带来了机会。也即是人类可以在大地震能量积聚期实施人工释放工程，将大震化为小震释放能量，以避免大震的发生，避免了大地震的破坏性；或是将这一能量进行利用。 

中国其它典型的主要地震结构区（地震爆发年，震级）： 

（1）    山西恒山 – 五台山结构区 

应县（512年，7.5级），定襄（1038年，7.3级），灵丘（1626年，7级），原平（1683年，7级）。 

（2）    甘肃-宁夏六盘山–祁连山隆起结构区 

甘谷（143年，7级），高台（180年，7级），天水（734年，7级；1654年，8级），兰州（1125年，7级），会宁（1352年，7级），中卫（1561年，7.3级；1709年，7.5级），酒泉（1609，8级），固原（1622年，7级），通渭（1718年，7.5级），海原（1920-12-16，8.5级），古浪（1927-5-23，8级），玉门昌马（1932-12-25，7.6级），山丹（1954年，7.3级）。 

（3）    新疆结构区（天山 – 昆仑山隆起区） 

天山隆起区，沙湾（1906年，8级），玛纳斯（1907-5-15，8级），新源（1944-03-10，7.2级），库车（1949年，7。3级）。

昆仑山隆起区，塔什库尔干（1895年，7级），阿图什（1902年，8.3级），喀什（1944-09-28，7级），乌恰（1955年，7级），乌恰（1974年，7.3级），乌恰（1985-08-23，7.4级）。 

（4）西藏唐古拉山结构区 

申扎（1934年，7级），朗县（1947-07-29，7.7级），察隅（1950-08-25，8.5级），当雄（1951年，8级），当雄（1952年，7.5级）。 

（5）太行山-环渤海结构区 

平谷（1679年，8级），邢台（1966-03-08，7.2级），宁晋（1966-03-22，7.2级），海城（1975-02-04，7.3级），唐山（1976-07-28，7.8级）。 

（6）台湾结构区等。 

我国处于全球冲击波的汇聚区，造就了许多断裂结构，使我国成为煤炭和油气资源丰富的大国，也形成了充分发育的地震断裂结构。由冲击波汇聚形成的青藏高原也是能量的汇聚区块，该能量还会向其周边地震构造迁移，将增加构造域的发震频率。

当地震规律没被认识，人们更多的是看到它的危害。按照爆裂地震动力学理论，可以化害为利，可以应用地震工程利用这一能量，让它逐步释放，为人类服务。 

3.3        地震的触发 

当地震构造内所积聚的能量达到式（1）临震条件时，外界的某种（某个）附加作用力（拉伸或是推压）就足以触发地震。地震是大尺度的地质现象，它的触发也应从星球大视角进行研究。上面研究地震构造能量的积聚同太阳黑子活动有明显的关联；地震的触发也有明显的相关性。 

黑子活动高峰期（年）普遍发生的大地震：1739银川8级；1833云南嵩明8级；1850西昌7.5级；1905印度8级；1906厄瓜多尔8.8级，旧金山8.3级；1908智利8.6级；1918千岛8.3级；1920海原8.5级；1923日本关东8.3级，勘察加8.5级；1927古浪8级；1931新疆富蕴8级；1938印尼8.5级；1946日本8级；1950西藏察隅8.6级，印度8.5级；1951西藏当雄8级；1952堪察加9级；1957阿拉斯加9.1级；1958千岛8.3级；1960智利9.5级；1964阿拉斯加9.2级；1965阿拉斯加8.7级；1970云南通海7.7级；1972台湾8级；1976唐山7.8级；1978千岛8.2级；1985墨西哥8.1级；2001秘鲁8.4级，印度7.9级。这些地震说明黑子活动有明显的触发大地震的作用。

 图5  阳历月爆发频率—时间关系 

              图6  阴历日爆发频率—时间关系 

图5和图6分别给出了1902年至2008年137次大地震，阳历月爆发频率对月的关系，阴历日爆发频率对日的关系。 

阳历月爆发频率对月的关系反映了地球公转，受太阳引力的影响，元月30日地球奔向近日点，发震频率有所增加。阴历日爆发频率对日的关系反映月球公转引力对地震触发的影响（有称固体潮），15至19和初3至初5，发震频率有明显的增加。月引力的触发较为显著些。 

总体说来太阳活动（主要是黑子）对地震触发的影响最大，月球引力也有影响，太阳引力影响较小。太阳的其它活动有何影响有待进一步分析研究。 

3.4        地震的爆发 

在外部附加触发力（拉力或推力）作用下，地震断裂结构所积聚的能量超过该结构岩层断裂强度和重力之和时，类似“蝴蝶效应”，地震便爆发。通过做膨胀功、粉碎功、抛射功，以及以地震波的形式（弹性位能）向远处传递、消耗，最后恢复到平衡位置。由于断裂构造非常复杂，地质构造并非单一的，包含系列的子构造，通常还通过余震继续释放能量，直至整个系统全部富余能量释放完毕，恢复平衡态，地震宣告结束，开始下一轮的能量积聚。地震的爆发（岩层破裂） 伴随岩层的垮塌封堵，外力的推拉，作用与反作用，能量的转移和交换，也伴随弹性和非弹性反射，因而是一个波动过程，伴有余震的发生。有时余震要持续很长时间。     

在发震过程中，岩层已经被破坏，下一轮的震中通常会转移。只要大构造不发生大改变，发震区域不会有太大的改变。除非是超大地震改变了断裂结构的内部构造，使之失去能量聚积中心的位置。 

大地震的爆发是地球生命的呼号，它常给人类带来巨大的灾难。如果没有地震，地球就走到生命的尽头了，人类也行将消失。重新认识地球，重新认识地震，把它的能量利用起来，才是人类的科学抉择。 

3.5        沉寂与再集聚   

对于一个特定的地震结构，爆发期的结束就是沉寂与再集聚期的开始。对于地震带说来，由于存在许多地震构造，它们的爆发时间不同，担承着地球平均释放能量的任务，将通过大小不同的地震释放能量，以维持地球的生命。 

地震对岩层的破坏是不可逆的。震源会发生迁移。地震的复发周期通常是不稳定的。不可过度地依赖复发周期进行地震的预测。要更多的监测地震结构的运动状态，其能量的积聚程度，是否已经达到临震条件。 

4        地震预报与地震能释放工程 

从上面关于环中国 – 西太平洋断裂带（地震带），百年大地震的爆发规律可以看出，地震是地震断裂结构的爆裂过程，是地球内部能量释放的窗口，包含能量积聚、触发、爆发和沉寂四个时期。能量积聚首先取决于地球内部。太阳活动对地震能量的积聚和触发有重要作用，月球引力有影响作用，太阳引力影响较小。地震断裂结构的爆裂理论为大地震预报提供了思路。 

首要任务是，必须查清环中国 – 西太平洋断裂带（地震带结构）及个体震源的断裂构造（地震体结构），体态相貌，分布走势，深浅情况，断距，断层分布等。石油勘探也需要这方面的资料。在勘探石油时，注意同时积累断裂构造的资料。这对震中预测十分重要。必须查明地震断裂构造能量的承载体，监察其物理力学行为。建立我国地震断裂结构的完整档案。 

其二，监测该地震断裂构造及断裂带能量积聚的动力学过程。地震能量的积累，一方面同地球内部能量向地壳释放和积聚有关，另方面也会影响包围该断裂构造的断块的力学性能，局部的破坏又将引起岩层物理化学性质的变化。这项研究是地震预报最重要的任务。可以帮助确定能量积聚的结束，进入临震状态。采用综合手段监测，如设置探井对深层岩体诊断；卫星地外探测等。汶川地震前出现过红外异常。地面探测对临震更具实际意义，探针应科学布置于整个构造体，不能只布置于某一侧。 

其三，地震爆发的临震监察。地震断裂结构的动力学过程是临震监测的基础；太阳活动、月球引力和太阳引力对断块的（推拉）作用，将使断块应力高度集中，引起断层的力学性质变化，电磁场的变化，应力波的变化，温度场的变化，甚至局部构造可能破裂，进而产生局部能量的释放，又将影响地貌的变化，动物的生理反应等等。对所有这些信息，都要高度重视，结合该地震构造的历史状况进行综合性的评估，做出临震的判断。 

北川中学傅丽颖日记：张老师讲磁现象，14点15分，指南针不断地快速转动，等了好久也没停，逗得我们哈哈大笑。13分钟后发生地震。这提示磁场的变化有临震的指标意义。（如果14点20分拉响地震警报，将挽救多少生命？）科技日报报道（2008-06-11），1855年江户大地震前，使磁铁失去磁力，2小时后爆发地震；1970年云南通海地震和1973年四川炉霍地震，震前干扰收音机，甚至中断播音。1976年唐山地震，雷达接收到奇异电磁波。这些均说明，磁场异动是临震的敏感指标。 

赵锬（1977）提出形变矢量观察，震前3天矢量均指向震中，地震越大，倾斜矢量越大^[4]。这一方法值得特别重视。楚雄形变点观察，探针布置在断裂构造的两侧，已经获得龙陵、宁蒗、盐源、峨山、思茅等地震的验证。 

地震断裂结构的磁场和形变异常是临震预警的灵敏指标，应进行实地实时的联动监测，深入进行理论分析和探测技术研究，形成临震理论系统和预警体制。在大地震结构区，建立地震警报系统，及时发出警报。 

其四，地震结构内部能量释放工程理论和技术研究。当断裂结构内压力没有达到岩层的断裂强度和重力两者之和前，实施先行释放，局部释放，或是通过较低级地震进行释放，可以避免（毁灭性）大地震的发生。新世纪实施这个工程的科技条件将逐步成熟。随着科技的进步，还可以化害为利，把这个洁净的能源利用起来为人类服务。  

    地震活动涉及星体间的相互作用，应提倡国际合作，共破难关。重新认识地球，重新认识地震，地震可以预报，地震能可以利用。

           曾雄飞 于大亚湾沉思斋   初稿：2008年5月31日

                                       定稿：2008年7 月2 日

参考文献

[1] 曾雄飞．新原子论及其应用研究——油气成矿爆炸地质动力学理论．广东：广东科技杂志社，2008年6月

[2] 百度网．

[3]  Margaret G. Kivelson，  Christopher T. Russell 主编， 曹晋滨，李磊等译．太空物理学导论． 北京：科学出版社，2001

[4] 刘正荣． 地震预报[M]．北京：地质出版社，2007