全球地震柱的地震层析成像证据

陈立军，胡奉湘，陈晓逢

(湖南省地震局，湖南 长沙 410004）

0 前言

作者在研究大陆漂移、板块构造、地质力学、地幔柱理论的基础上，提出了地震地热说（eismo-geothermics）[1、2]。地震地热说认为，全球有两大构造系统，即由24个地震柱组成的M型热机带和由大洋中脊组成的W型冷机带（图1）。热系统主宰全球几乎100%的7级以上壳内强震和近90%活火山的灾变，冷系统则统领全球壳内应力场的调整和缓慢的大陆漂移运动。

地震柱概念（seismic cylinder）区别于传统的地幔柱概念（mantle plume）。地幔柱理论诞生于1971年，Morgan提出全球约有20个“热点”，并认为热点源区物质对流上升，其结构类似于 “直达深部地幔的管子”，植根于地幔深部，且位置相对固定，从而解释了地表“热点”位置相对固定的特点[3]。该理论因为无法验证而遭到诸多质疑[4、5]。

本文的地震柱概念，是指由中、深源地震活动、壳内地震和活火山所构成的地幔深部或上地幔内中、深源地震震源密集、顶点向下的圆锥形柱状地质体。因此，地震柱的划分是以地震和火山活动的共同特征来确定的，是地幔深部能量与地表能量交换的稳定通道，具有可视性、唯一性、独立性和稳定性。地震柱形状类似于树，具有树根、树干和树冠，姑且称之为树型构造。同一个地震柱内，可以是单树型、双树型或多树型的构造。还有树杈型，即同一个树根和树干上带有多个树杈的。全球共计定义了21个Ⅰ级地震柱，3个Ⅱ级地震柱。Ⅰ级和Ⅱ级地震柱的分支又可衍生出26个Ⅲ级地震柱。地震柱的编号与命名结果见表1。

图1 全球地震柱分布图Fig.1 The distribution map of seismic cylinders on the Earth

表1 全球地震柱命名 （修订版）Table 1 The names of global cylinders and it's degree (Revised edition)

研究结果表明，地震柱内部的中、深源地震以热能形式自下而上逐层驱动，到达壳内并推动地壳构造活动，引发壳内强震与火山喷发，最后通过近地表层晚期随机地震活动将剩余能量消减完毕，构成完整的地震链过程。如此往复，周而复始，24个地震柱活动错落交替，构成全球地震与火山活动复杂的过程与格局[2]。

地震柱的活动机制区别于“俯冲”和“碰撞”之说，是一种热能的活动而不是冷物质的机械运动。因此，本文将引用国内外科学家们所做的地震层析成像技术的成果，就地震柱的物理属性进行初步的讨论。

2 地震柱的地震层析成像证据

据江国明等介绍[6]，自从Aki和Lee的开创性工作以来[7]，天然地震层析成像方法已成为人们研究地球内部速度结构的一种非常有效的工具。根据所用的地震数据不同，地震层析成像法可分为体波成像和面波成像；根据震源是否在研究区域内，体波成像又可分为近震层析成像和远震层析成像。由于近震射线在地壳内的交叉较好，所以近震成像法适合研究地壳及上地幔顶部的速度结构[8]，而远震射线在区域地震台网下的上地幔内交叉较好，因此远震层析成像法在研究上地幔速度异常分布、地幔柱形态以及俯冲带速度结构等方面均具有直接、快捷的优势[9]。

本文收集国内外专家的工作成果200余篇，将其中与地震柱直接有关的结果罗列如下。这些工作成果都是用于证明“俯冲带”速度结构的，作者用以证明地震柱的速度结构，也算是对这些工作成果的另类解释。

2.1 南美洲地震柱的地震层析成像证据

据J.Trampert等的研究结果[10]，可以给出南美洲地震柱的物理结构如图2所示。图2a为该地震柱内部中、深源地震震源用Origin软件绘制的三维立体分布图像，包括南智利地震柱和北智利地震柱，图2b为地震柱内P波高速异常体的大致图像，是由Trampert的平面图像换算为三维坐标后用Origin软件绘制的立体图像（下同）。由图可见，图2a、b两图的空间图像是大致相似的，说明南智利地震柱和北智利地震柱应该是一个P波高速异常体。

图2 南美洲两地震柱及其地震层析结果立体图像示意图Fig.2 The sketch map of fast anomalous body of P wave in 2 seismic cylinders in South America

2.2 危地马拉地震柱的地震层析成像证据

据S.Husen等的研究结果[11]，可以给出危地马拉地震柱的物理结构如图3所示。由图可见，本地震柱应该是一个P波高速异常体。图3b地震层析结果的研究区范围偏窄，未能覆盖整个地震柱，因而造成左右两图的位置偏离。

图3 危地马拉地震柱及其地震层析结果立体图像示意图Fig.3 The sketch map of fast anomalous body of P wave in Guatemala seismic cylinder in Central America

2.3 鄂霍次克海地震柱的地震层析成像证据

据Guoming Jiang[12]和江国明[6]的研究结果，可以给出鄂霍次克海地震柱的物理结构。如图4所示。图4a中未包含白令海地震。由图可见，本地震柱也是一个P波高速异常体。但是，图4a和图4b存在较大的偏差，可能出于如下原因。

（1）地震层析的数学模型问题，或者地震层析的空间范围与地震柱不完全匹配。

（2）或许，本地震柱的中、深源地震主要活动在高速异常体旁的低速层内。

目前来看，第一种可能性要大一些。远震层析中上地幔内的交叉尺度较大，肯定存在一定的系统误差，因而要确定高速异常体的准确位置有待专门的地震层析研究。

2.4 汤加地震柱的地震层析成像证据

据J.P.Brun、Dapeng Zhao和Serge Lallemand的研究结果[13～15]，可以给出汤加地震柱的物理结构，如图5所示。图5a包括东汤加地震柱和西汤加地震柱。由图可见，这两个地震柱同样是P波高速异常体。图5b中向上有两个分枝，分别对应东、西两个地震柱。

2.5 地中海地震柱的地震层析成像证据

据J.P.Brun[13]、M.Nafi Toksоz[16]和W.Lowrie[17]的研究结果，可以给出地中海地震柱的物理结构如图6所示。由图可见，本地震柱亦是P波高速异常体，而且具有3个分支，即意大利分支、土耳其分支和伊朗分支。3个分支由西向东渐弱，波速异常与地震柱活动水平相一致。图6a中不含兴都库什地震，因此图6a、b两图在兴都库什地区有所差异。

图4 鄂霍茨克地震柱及其地震层析结果立体图像示意图Fig.4 The sketch map of fast anomalous body of P wave in Okhotsk seismic cylinder

图5 汤加地震柱及其地震层析结果立体图像示意图Fig.5 The sketch map of fast anomalous body of P wave in Tonga seismic cylinder

3 非地震柱热点的地震层析成像证据

在所检索到的200多篇文献中，未发现不存在地震柱的地方出现明显的P波高速异常现象。相反，在冰岛和夏威夷两地，火山活动十分活跃，但是没有中、深源地震活动，不能定义为地震柱，其波速异常情形也与地震柱的情形迥异。

据G.R.Foulger等[18]的结果，可以给出冰岛的热柱结构如图7a所示，据Dapeng Zhao[19]的结果，可以给出夏威夷的热柱结构如图7b所示。由图可见，这两个热点都是P波低速异常体。

图6 地中海地震柱及其地震层析结果立体图像示意图Fig.6 The sketch map of fast anomalous body of P wave in Mediterranean seismic cylinder

图7 冰岛和夏威夷的地震层析结果立体图像示意图Fig.7 The sketch map of slow anomalous body of P wave in Iceland and Hawaii

4 关于地震层析结果的若干假定

上述已经考察过的7个地震柱均为P波高速异常体，其中包括南美洲（含01号南智利和02号北智利）、03号危地马拉、06号鄂霍次克海、汤加（含14号西汤加和15号东汤加）和19号地中海地震柱。其实也还有关于04号海地[10]、05号白令海[12]、07号日本[19]、08号中国珲春[19、20]、马里亚纳海沟（含09号北马里亚纳和10号南马里亚纳）[21]、11号台湾及琉球[19、21]、16号印尼、18号兴都库什[16]、21号南桑威奇[10、22]、F3号北美洲等地震柱的零星资料，同样也具有P波高速异常体的特征。相反，在没有中深源地震而有火山活动的地方，比如冰岛和夏威夷，地震层析结果则表明为P波低速异常体。

是什么原因造成如此泾渭分明的差异？这里可能涉及到深源地震的成因。1970年代以前就有关于深源地震机制的相变说[23]。但是，此说是基于俯冲带冷物质亚稳态相变的，只是将地表地震的断裂错动机制拓展到了几百公里深度以下。

然而，深源地震全部集中在地震柱之内。地震柱是一种P波的高速异常体，表现为热能上涌的模式[2]，不能沿用壳内地震的断层破裂机制，必须另辟蹊径。因此，本文引入了C.E.Brennen的空化理论[24]：在一定的热力学条件下，地震柱内部可能产生空化现象，由相变-成核-生长-溃灭而完成深源地震的孕育与破裂机制。

沿此思路，并参照李四光的地质力学理论[25、26]，本文提出了关于波速异常的如下若干假设。地震层析中P波速度的定义为：

式中M为P波的弹性模系数，M=K+4μ/3，ρ为波动介质密度。在假设存在上涌侵入体而且假设M不变的情况下（一级精度近似的条件下），则Vp只与密度ρ有关，于是可以提出关于P波速度异常的如下假定：

假定1：在地球自转角速度变更的适当相位，部分地幔深部重物质沿着某种习惯性通道向地表方向甩出，形成上地幔的某种热柱，构成地震、火山、大陆漂移的主要能源来源。

地球自转角速度变更的适当相位，地幔深部上涌的重物质由于向心力和重力作用回落；周而复始，构成热柱的活动韵律。

假定2：部分热柱满足空化的热力学条件，由相变-成核产生空泡或空泡流，构成地震柱。地震柱内空泡逐渐生长并上升到一定深度溃灭，形成中、深源地震活动，释放热能，并由下而上构成逐层驱动之势。由于空泡或空泡流的存在，使得地震柱内物质密度低于柱外环境物质，从而形成P波的高速异常体。

假定3：部分热柱不满足空化条件，没有中、深源地震活动，但由于地幔上涌物质密度略高于环境物质，从而形成P波的低速异常体。

假定2类似热机工作原理，适用于全球24个地震柱。引发6级、7级、8级的中、深源地震所需空泡尺寸很大，因此地震越活跃的地震柱内P波高速异常的反差越大。从图2至图6中b图的图例可以定性地确定异常反差的大小。假定3适用于冰岛、夏威夷以及大洋中脊带内有火山和浅源地震而无中、深源地震活动的地区。

5 讨论和结论

本文根据地震地热说的原理，收集国内外大量地震层析成像成果，研究了全球24个地震柱的物理特性。研究结果表明，地震柱属于P波的高速异常体。高速异常体的形态与地震柱内中、深源地震活动的的立体分布基本吻合，因而与地震柱内的本尼奥夫剖面也基本一致。于是，本尼奥夫剖面和P波的高速异常体构成了地震柱的两个重要的物理属性[28]。

在地震地热说的原理中我们知道，本尼奥夫剖面只能存在于地震柱的内部，横向无法扩展，相邻地震柱的本尼奥夫剖面也无法相互沟通[2]。尽管地震层析并不像本尼奥夫剖面那样确定，而且在岩石圈内由于岩体密度差异较大而使得P波速度的扰动较大，但是在一定深度以下，上地幔或地幔深部，P波速度的扰动将趋于稳定。似乎可以推论，深部的P波高速异常体也只能存在于地震柱的内部，横向无法扩展，相邻地震柱的高速异常体也无法相互沟通。

因此，人们将图1上24个地震柱所处的M型热机带定义为"俯冲带"，可能是一种思维方法的错误。尽管图上看起来24个地震柱比较密集分布，但是这些地震柱只是一些深度达到数百公里的圆锥体，除了太平洋西岸部分地震柱间距较小，大多数地震柱间距都在1 000 km以上，其P波高速异常体和本尼奥夫剖面又都受到空间尺度的限制，根本无法横向勾连，无法成带。人们发现了本尼奥夫剖面，也发现了P波高速异常体，在深度上的图像很漂亮，于是在宽度上加以盲目扩展，构成大量的板块俯冲带模型[27]，显然是在无意中夸大或误解了地震柱的这两个物理属性。

加之，地震柱内部的活动机制也并非冷物质的俯冲，但这不在本文的讨论之列。但是，无论怎么说，试图用“俯冲”和“碰撞”的概念来万能地解释M型热机带上占全球90%以上的所有壳内强震和火山喷发的灾变，是容易使得人们思想僵化的。人们只要听说日本9级地震是碰撞和俯冲造成的，于是就不求甚解了。

地震柱是地震地热说赖以生存的构造基础和物质基础，是与当今流行的地质学派[29～32]诸如板块构造、地质力学和地幔柱理论的最大区别。深入解读地震柱的物理属性及其构造学意义，或许能为构造地质学和地球动力学带来革命性的大讨论。

致谢：本文得到杨马陵研究员、许昭永研究员、施行觉教授、冯德山教授等的全力支持。

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