岩石圈中水的临界奇异性与断裂耦合触发地震.pdf

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1、第31卷第2期地震地质Vo1．31，No．22009年6月SEISM0L0GYANDGE0L0GYJune，2009doi：10．3969／j．issn．0253—4967．2009．02．002岩石圈中水的临界奇异性与断裂耦合触发地震胡宝群'吕古贤王方正孙占学’李满根白丽红1)东华理工大学核资源与环境教育部重点实验室，南昌3300132)中国地质科学院地质力学研究所，北京1000813)中国地质大学地球科学学院，武汉430074摘要以等压热容为例，研究岩石圈中水的临界奇异性及出现的条件，探讨岩石圈中水的临界奇异性与断裂耦合作用触发地震的可能性。岩石圈中水存在一、二级相变，相

2、变时水的物理化学性质将发生明显改变，在临界点处表现出奇异性，如热容、膨胀系数和压缩系数等将趋于无穷大，按照Mie·Grtineisen方程((OP／OT)=TpC)，热容无穷大时将导致热压也趋于无穷大，压力将瞬时剧增。但水的临界奇异性出现的条件是温、压同时趋于临界值，在岩石圈中温、压是相互关联的，按照正常的地温梯度(15～35℃／km)和地压梯度(0．025～0．03GPa／km)计算，达到水的临界温度和压力的深度分别是24～10km和0．88～0．73km，即在岩石圈中若没有断裂的存在时则不可能同时达到水的临界温度和临界压力，不可能出现J临界奇异性。断裂使压力降至水的临界压

3、力，使得在岩石圈中某处温度和压力可同时达到水的临界值而出现奇异性，水的临界奇异性和断裂的耦合导致热压剧增，可能触发地震。关键词水相变临界奇异性断裂地震中图分类号：P315．72文献标识码：A文章编号：0253—4967(2009)02—0218一O8O引言岩石圈局部富含水已是共识，就其相态而言有气相、液相、固相和超临界态(特殊的气态)。在岩石圈中水会发生相变，相变时水的物理化学参数将发生明显变化、甚至突变，这些变化必将影响着岩石圈中的许多地质作用(胡宝群等，2001a，b，2003，2008a，b)。早就有学者关注岩石圈中水与地震之间的关系(车用太等，1998；刘巍等，200

4、0；徐常芳，1998，2003)，更有学者探讨过水的临界温度与“多震层”的关系(荣代潞，1992)。由此可见，岩石圈中的水对地震的形成有着重要影响。本文研究了岩石圈中水的相变，以热容为例研究了水的物理化学性质临界奇异性变化，结合地温线分析岩石圈中水的物理化学性质临界奇异性变化出现的条件，探讨水的临界奇异性与[收稿日期]2008—06—29收稿，2009—04—02改回。[基金项目]国家自然科学基金(40862005和40872165)、江西省自然科学基金(2008GZH0053)和江西省教育厅科技项目(2007230)共同资助。2期胡宝群等：岩石圈中水的临界奇异性与断裂耦合触

5、发地震219断裂耦合作用触发地震的可能性。1相变的分类及临界奇异性当物质发生相变时，根据化学势函数对温度和压力的不同阶次的偏导是否相等，依次分为一级、二级及多级相变。迄今为止，还没有发现和获得三级及其以上相变的实例，也没有发现零级相变。一级相变达到平衡时，两相的化学势相等，相变点处的化学势对P、T的一阶导数有突变，即相变时伴随相变潜热和体积的变化。水的气、液、固相之间的相变就是一级相变。二级相变时，不出现体积、熵、焓等的改变，即化学势、体积、焓、熵在相变前后是相等的，而等压比热(C)、等容比热(c)、等压膨胀系数()和等温压缩系数()等热力学参数在临界点邻区迅速变化，在临界点

6、处发散而趋于无穷大。水的气、液相与超临界流体相之间的相变就是二级相变(包科达，2001)。2岩石圈中水的相变及临界奇异性在岩石圈中，温度与压力是相关联的，即岩石圈中当温度为某一值时，压力值是由地温线来决定的。在相对封闭的岩石圈中，水不出现一级相变，只有在一些特殊情况下才会出现一级相变：在近地表地温特别高的火山活动区域，地温梯度须>350~C／km；或在张性深大断裂附近，断裂降压才有可能出现水的一级相变(胡宝群等，2001b，2008a)。在封闭的岩石圈中，只有水的高压液相和超临界流体之间的二级相变。只有当深大断裂切穿中地壳(按正常地温梯度374~C出现于中地壳)时，才有可能出

7、现超临界流体与气相之间的二级相变(胡宝群等，2001b，2008a)。在一、二级相变时，水的物理化学性质发生明显变化，特别是在临界点附近水的热力学和动力学参数出现奇异性变化，比远离临界点处的这些参数值高得多，这种数值变化不仅是成倍增减、甚至出现几个数量级的差异，在临界点处趋于无穷大(包科达，2001)。这对岩石圈中与水有关的地质作用影响巨大，如在临界点附近，水的等压比热、等容比热、等压膨胀系数、等温压缩系数、波速、黏度、比焓、比熵、导热系数、极性、氢键、离子积、扩散系数、介电常数、偏摩尔体积、溶解度、极