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地震触发真的有阈值吗?

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什么叫地震触发?

一个大地震发生后,会重新调整发震断层周边的变形状态,造成某些地方变形更加“厉害”,从而有可能触发新的破裂,即触发新的地震。

详细解释见下推文:

如下动画所示,该过程被生动地呈现出来,动画来自林间教授。

近二十年来,关于地震触发的研究文章数不胜数。我们经常看到这样的描述:“由于某某地震引起的库仑应力变化超过 +0.1 bar,因此它触发了之后的某次地震”。 有时,也会直接看到“触发阈值为 0.1 bar”这样的说法。

冷知识:1 个标准大气压等于 1 bar。

换句话说,仅相当于标准大气压十分之一的应力增加,就足以触发地震?发震断层应力状态真的有这么敏感吗?这靠谱吗?要回答这些问题,我们得先厘清一个基础概念:

什么是应力?

应力是内力,是分子间作用力。 当物体发生变形时,分子间距离会偏离平衡位置,从而导致分子间相互排斥或吸引,这是产生应力的根本原因。同时,只有当“偏离距离”非常小时,排斥力(或吸引力)与“偏离距离”才能看作是线性的,这就是胡克定律必须在小变形下才成立的原因。


高中物理告诉我们,外力是矢量,具有方向。那么,内力又该如何描述呢?在平面情况下,内力似乎可以指向任意方向——360° 都有可能(三维空间,朝向就更多了)。但显然,仅说“某个方向的内力”是不够的:我们还必须指明这个内力作用在哪个平面上。

因此,要完整描述某一点的应力,就必须同时说明两个要素:作用面的方向和力的方向。

在三维空间里面, 任意一点的位置可以用 x, y, z,这三个“基”来描述 。类似地,力的方向也是这三个基的线性组合,作用面方向(即作用面法向)也是。因此,要完整描述某点的应力状态,需要3*3=9个分量。这就是应力为二阶张量的原因。

它的第一个“阶”(或下标)指明力作用在哪一个面上(即该面的法向方向),第二个“阶”指明力本身的指向。


这还不是全部。对于弹性力学中最常用的柯西应力张量而言,由于角动量守恒(即动量矩守恒),它实际上是一个对称张量。正如天才数学家艾米·诺特(Emmy Noether)所揭示的深刻洞见:“每一种对称性,都对应着一个守恒定律。”——对称,从来不是偶然,而是守恒的体现。

破裂也有对称性,见下文:

因此,柯西应力张量的独立分量个数从9个,变成了1+2+3=6个。

sigma_12=sigma_21;

sigma_13=sigma_31;

sigma_23=sigma_32


在地震研究中,关键问题在于:断层面上的剪切应力是否超过了断层的强度?为此,我们需要将应力张量投影到断层面上,从而获得该面上的正应力与剪切应力分布——这正是判断断层是否可能滑动或破裂的关键依据。


从上述分析可以清楚看出:若初始剪切应力为 10 bar,而断层强度(分子间能承受的最大形变)为 20 bar,那么仅增加 0.1 bar 的应力增量,远不足以触发断层滑动。这意味着——如果 0.1 bar 真的是一个普适的失稳阈值,那么大量断层将长期处于极其接近破裂的临界状态,几乎是在失稳边缘不断“试探”。

然而,这种情形在自然界中普遍存在吗?

那么,这个0.1 bar是怎样来的呢?这还得从一篇经典文章说起:


在这篇文章里面,作者指出:Most ML > 1 aftershocks occur in regions where the failure stress is calculated to have increased by ≥ 0.1 bar, and few events are found where the stress is predicted to have dropped.

可见,原文的本意是描述余震的空间分布:大多数震级大于1级的余震,都发生在应力增量超过0.1 bar的区域。


但是,近年来越来越多研究发现,很多余震也发生在应力减小区域,可见仅考虑应力变化也未完全捕捉其本质。

此外,在结论部分,文章也指出:

Stress increases of less than one-half bar appear sufficient to trigger earthquakes, and stress decreases of a similar amount are sufficient to suppress them. The former, in agreement with current ideas of self-organized criticality, suggests that some parts of the brittle crust are always on the threshold of failure.

此处作者倒是提出一个阈值:0.5 bar。但为何后来的研究者并未沿用这一数值?或许连作者自己也觉得这个值过小,于是迅速援引汤超院士提出的“自组织临界性”(Self-Organized Criticality)理论来加以解释——仿佛借此为这一微小阈值“圆场”。

最后值得指出的是,这一研究思路其实早在1982年就已由我国著名力学家王仁教授提出,并在《中国科学》上发表了相关论文。遗憾的是,该文以中文发表,未能被国际同行及时关注。否则,这项早在十多年前就已发表的前瞻性成果,极有可能引领相关领域的研究方向,并激发广泛的国际学术对话与后续探索。

注:地震学大师安艺敬一(Keiiti Aki)尊称王仁为“中国地球动力学之父”(founding father of Chinese geodynamics)


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