地震的产生原因为什么不从粘弹流体蠕变失稳条件上去找?

yuren2

地震的产生原因大部分从静态的应力应变关系考虑得多,而从粘弹性流动,能量储存和释放研究的少,尤其是特别大的地震,都是带扭动的,比如明朝的关中大地震,都是带旋转的,成语中形容这些灾变叫做天动地旋,确实很形象,这个旋是如何来的?从失稳角度考虑得少,所以很难理解这个旋动.
  为了理解这个问题,我们不妨看看层流失稳的涡丝的起旋溅射,起初生成的涡,实验中把它叫做,马蹄涡,后面变成扭转的由lambda波到K波的发展过程.拿个毛巾扭一下,扭得紧了就会扭起疙瘩,地幔也是这样,剪切形变厉害了,就起旋转型起伏和扭结,这个时候,不仅会出现新物理现象,也会改变声传播规律,声信号会在某个区域被放大是肯定的
现在地震后的剖面需要找这样的扭转证据,以便加强理论分析的可靠度.
粘弹性流体在发生转捩时,其声学信号传播因为失稳结构的放大作用而发生巨大变化,
为我们判断地震来临创造了很好的条件

uesoft

顶！

周华

这个问题是地球物理问题，不知有没有做这方面研究的朋友来我们论坛，希望听到他们的看法。

yuren2

正是因为讨论这个地球物理问题参加的流体力学方面人很少,大部分资料和文献都是从固体力学角度出发,就是谈到失稳,谈到粘弹性流动也说的是固体力学的话,所以需要换位思考,从流体力学来看失稳和突变比固体复杂,和固体不一样,流体和固体能量存储和积累过程还有些区别,比如雷诺数对判断不同惯性力与粘性力影响下判断能量的积累,判断震情有没有用处?

所以特别欢迎搞地球物理的队伍中的人来到这里谈谈看法,
本人觉得如果把这些概念引入只有好处,没有坏处

[ 本帖最后由 yuren2 于 2012-1-29 10:11 编辑 ]

yuren2

现在谈断层谈断裂得多,在一篇文章上看到预测经济发展中的断层和地震的关系,
觉得这个问题甚至可以从地球物理领域延拓到国民经济的宏观发展问题上,只要是一个系统,有量的输入输出,有差别,这个差别会带来矛盾("力")的效应,那么是否都可以纳入流体力学稳定性分析范畴
经济学上面也谈国家经济发展的断层,财富积累的断层,贫富差别的断层带来的风险,
这些分析都是静态的,
如果把这些系统的发展看成流体,看成一种守恒规律下的演变,
那么仅仅静态的断层分析就是不够的,比如仅仅靠基尼系数分析危机临界线就不够,
因为系统发展都有一个过程,所以需要引入一个类似雷诺数的判断准则,以便更好估计失去稳定到来的时间.
失稳临界等于:  (富人的)发展速度 乘以  发展长度 除以 穷富之间的调控或者弥散的能力和强度
是否以这个判断代替基尼系数更靠谱,欢迎经济学家从流体角度来看发展的断层,从而建设一门国民经济发展的流体力学分析方法

[ 本帖最后由 yuren2 于 2012-1-29 11:16 编辑 ]

周华

现在一般认为地球的内部结构为三层结构，即地壳、地幔和地核。地幔是流体，由于地幔的缓慢运动导致地壳中能量的累积，最后在一些地方发生断裂，也就是地震。这种看法应该是主流看法。从地幔流动分析地震应该有人在做，我记得过去看过一个用数值模拟方法模拟地幔流动的片子，但是这里比较困难的地方可能是地壳结构本身比较复杂，同时地幔内部的各种参数分布实际是不知道的，因此你很难对它进行分析。前几天刚放假的时候，我们在茶余饭后版块谈过“地球空心论”，之所以有这样的理论主要就是因为对地球内部结构尚没有有效的测定和分析方法，所以应该是一个非常有难度的工作。

yuren2

原帖由 周华 于 2012-1-29 10:35 发表

                               
登录/注册后可看大图

现在一般认为地球的内部结构为三层结构，即地壳、地幔和地核。地幔是流体，由于地幔的缓慢运动导致地壳中能量的累积，最后在一些地方发生断裂，也就是地震。这种看法应该是主流看法。从地幔流动分析地震应该有人在做，我记得过去看过一个用数值模拟方法模拟地幔流动的片子，但是这里比较困难的地方可能是地壳结构本身比较复杂，同时地幔内部的各种参数分布实际是不知道的，因此你很难对它进行分析。前几天刚放假的时候，我们在茶余饭后版块谈过“地球空心论”，之所以有这样的理论主要就是因为对地球内部结构尚没有有效的测定和分析方法，所以应该是一个非常有难度的工作。

要不是非常有难度，很多成果都会出现了，尽管人们认为地幔在流动着，但是流动的太慢了，看不见又摸不着，检验很困难，现在声成像只能做到很小的范围，这部分的数值计算也很少开展，所以很多“论文”也仅仅是皮毛的提一提，大部分文章都是"白话文",或者图文并茂的，地球表面数据记录
真刀真枪的拿地幔的流动和地震关系来算一算，凤毛麟角，美国，日本力学专家已经开始进行断层数值分析，但是还不是按照流动来计算的，大部分文章也仅仅是万金油式的，在饭后茶余谈谈这个，也就是提个醒，如果见到有人按照流体来算，别忘告知一声：
   流体力学还有很不同的失稳和突变的研究方法，现在地震研究几乎停步不前，地震局把大部分财力用在修建筑，住房，和震后震级震源地点确定上面，一些业余预报地震的研究人员又技术水平底，声成像，声传播，以及地震资料回归分析和数值计算技术都用得很少，沿用的还是还很少是分析的方法，难有大的突破，所以本文目的在于鼓励一些抢不到基金课题和正规渠道课题的力学工作者，那怕是茶余饭后，把有关的最新理论投入这方面，有几年功夫，也说不定会抱大金娃娃。

附录：
随着地震记录资料的积累和分析方法的改进, 提高了层析成像的分辨率.  新的层析成像结果提供了华北克拉通及相关区域上地幔结构的一些基本特征:
(1)  华北克拉通东部上下地幔过渡带为高速体,  在高速体上、下存在一些低速异常体;   
(2)  华北克拉通西部地壳下的高速体延伸到约 200 km深处.  接收函数叠加成像是构建地幔过渡带结构的有效手段,  密集台站探测提供的精细结构成
像结果显示,  华北克拉通东部地幔过渡带厚,  中间略薄(与全球平均厚度比较),  西部又稍变厚.  根据 410
和 666 km 间断面形态的反相关性质,  通过反演 410 km 间断面结构,  推测华北克拉通中部(太行山和汾谓
地堑)下方,  是上地幔低速区.  
华北克拉通东部下方的地幔过渡带结构保存了太平洋板块俯冲物质在过渡带停滞的特性.  华北克拉通中部上地幔的低速结构以及横波分裂观测结果表明,  存在局部不均匀的地幔对流状态.  华北克拉通西部的高速体表明,  厚的古老岩石圈根没有被破坏. 这些地震成像结果展示了华北克拉通上地幔结构的概貌,  提供了窥视深部构造特征的图像.  
综合不同资料和分析方法得出的华北克拉通不同深度的地震成像结果,  可以探讨华北克拉通岩石圈周围的地幔流动,  以及克拉通岩石圈与周围地幔相互作用的信息.  我们推测,  华北克拉通东部上地幔在晚中生代的流动主要是受太平洋板块俯冲导致的大地幔楔的影响.  俯冲板块脱水、俯冲海洋岩石圈进入上地幔,  并对上覆地幔造成局部扰动,  使华北克拉通下方的上地幔呈现快速和不稳定的流动特征;
不稳定的上地幔流与华北克拉通内部的薄弱带(如太行山地区和郯庐断裂带)相互作用的结果激化了热/化学侵蚀、 与没有被破坏的西部鄂尔多斯克拉通根相互作用的结果导致了地幔湍流的形成;  鄂尔多斯盆地下方地幔则处在自西向东相对稳定的流动状态。
岩石圈厚度剧烈变化过渡区的低速上地幔,  以及一些零散分布的低速体,  是地幔流动中的局部不稳定区域. 3   华北克拉通破坏方式与动力学机制
华北克拉通破坏方式是争论最激烈的问题,  拆沉和热侵蚀是目前最主要的两种模型.  拆沉模型的本质是指由于重力失稳导致的垮塌.  在拆沉过程中, 加厚的下地壳转变成榴辉岩,  此榴辉岩与下伏的岩石圈地幔一起被拆沉进入软流圈地幔.  显然,  该模型预测的现今岩石圈地幔几乎都是新生的,  且岩石圈减薄已涉及到地壳.  热侵蚀作用模型的基本涵义是 称为热-机械侵蚀;  与此相伴随还会发生岩石圈的化学侵蚀.  除这两种讨论较多的模型外,  还有橄榄岩-
熔体相互作用、 机械拉张作用、 岩浆提取作用等模型.
自古生代以来,  发生在华北克拉通及周边的构造事件,  诸如晚石炭世古亚洲洋向南的俯冲、三叠纪扬子与华北板块的碰撞、中生代-新生代太平洋板块俯冲.  此外,  冈瓦那超大陆裂解,  地幔柱作用,  甚至印度板块同欧亚大陆的碰撞,  均被列入可能导致华北克拉通破坏的动力学原因.  随着观测和实验数据的不断积累,  多种解释各自的依据似乎越来越充分,
矛盾也越来越尖锐.  因此,  需要从地质、地球物理和地球化学综合研究的角度,  对华北克拉通破坏的方式和机制进行更深入的探讨.   
华北克拉通破坏的特点是: (1)  大范围(整个克拉通东部); (2)  岩浆活动持续时间长; (3)  岩浆性质和空分布以及构造特征都表现了多样性和区域差异性; (4)  缺乏源于核幔界面大地幔柱引起的软流圈上涌证据.  因此,  我们推断华北克拉通的破坏是源于非地幔柱的地球深部动力过程.  不管这种动力学过程是单一因素的还是多因素的,  都会与岩石圈地幔和周围软流圈地幔的相互作用密切相关.  尽管早期周缘块体对华北克拉通的挤压造山作用,  使地壳增厚和下地壳向榴辉岩转化,  导致局部重力失稳.  但从地震学研究的角度来看,  我们看到华北克拉通下部地幔流动体系的独特之处是局部快速运动和不稳定性以及太平洋俯冲板块和停滞物质与岩石圈地幔相互作用,  产生了如图 7 示意的地幔流动体系.  在这一地幔流动体系中,  俯冲板块脱水使地幔弱化;  俯冲板块脱水、物质拆离进入上地幔使地幔中的熔流体增加; 对流地幔的增温、 减压作用等,  导致岩石圈部分熔融, 或者诱导软流圈来源的熔体与岩石圈地幔不断相互作用,  形成饱满的地幔橄榄岩[18,35]
.  
我们认为,  俯冲的太平洋板块引起的地幔楔造就了作用于华北克拉通岩石圈的一个活跃的地幔流动体系(图 7).  在太平洋板块俯冲和华北克拉通岩石圈根被破坏过程中,  俯冲板块及其停滞于地幔转换带中的俯冲物质和地幔楔的规模和位置不断变化,  使东亚大陆下方地幔对流加速和不稳定性增强.  这种流动体系不仅改变了软流圈物性,  而且促进了软流圈沿克拉通岩石圈薄弱带上涌

[ 本帖最后由 yuren2 于 2012-1-30 01:52 编辑 ]

yuren2

我国现在地球物理水平还有较大的差距,几乎可以说是个白话文论文大国，具体表现在: 地球动力学模拟中原创性的能够应用到实际动力学模拟的软件还很少,而模拟中能考虑到的因素也还很有限。
由于高温高压仪器的缺乏( 大部分仪器从国外进口( 也非常有限) ,自己生产的仪器更是少得可怜) , 直接研究下地幔、 核幔边、 地核条件下的物质属性、 状态方程对我们来说还有点困难, 在国际一流杂志上发表出有关地核结构、 动力学等成果的我国科学家也非常少。
对于地震机制的研究,我国仍主要停留在浅源地震的研究上,对于涉及到中、 深源地震的研究还很不够;尤其我国处于沿太平洋地震带上,应该充分发挥我国的地理位置优势,把中、 深源地震机制的研究赶上来。
我国各领域科学家的合作研究还很不够,应该充分利用学科交叉的优势,加强各学科协同


    国际科学主流已经认识到，地幔中的地震不连续性对地球内部的结构、 动力学及其演化也起了较强的限制作用; 地震学、 矿物物理学、 地球化学、 岩石学及其地球动力学领域在物质相变上的理解极其关键;地球地幔的温度和成分对地球内部动力学的理解至关重要; 深源地震机制更不用说, 深部地震的分布特征、 地震破裂属性的观测、 俯冲板片中矿物学上的实验以及俯冲板片的地震、 岩石和热特征的研究等的交叉研究提出了不同的地震机制或验证了前人给出的地震机制; 地震学、 矿物物理学、
地磁学、 古磁学、 测地学和地球动力学等各学科的交叉来共同研究了地核及其其他行星内核的结构、 组成、 热力学和动力学属性。而地球内部各矿物、 岩石的状态方程所描述的压力、 体积和温度等热动力学上变量对整个地球动力学及其行星演化的研究起着不可磨灭的作用。
( 3)高精度的技术。随着32 位双处理器的超级计算机( supercomputers) 和集群( clusters) 纵观计算机的使用已经可以使数字模拟的分辨率高达120万像素,并提出了一系列新的研究方法及研究手段,像2D 的热
力学有限元编码( SloMo) ,其一直被应用到研究岩石圈
地幔相互作用上; 3D 平行有限元编码( 用PET Sc编写) ;能够应用到构造模拟中的大规模自由软件  Gale,一个并行的2D/ 3D 有限元代码;可研究热
化学地幔对流等动力学的有限元程序代码  CitcomS v3
0 及有限元程序包ABAQU S,可对稳态水平对流的扩散方程进行精确求解等。除此之外随着全球地震台阵和计算机性能的不断增强,科学家们现在已经可以开始采集、 解析不仅是来自于强烈地震的地震信号,而且还能采集来自于人类脚下整个
波域
的地震信号  海浪、气候模式、 地球与月亮的潮汐摩擦,甚至海平面变化也能获得全球地幔流动模型。给出的一系列地震台阵网( USArr ay 地震台网、 圣安德烈斯断层深度观测站、 板块边界观测站全球定位系统和应变计台阵等 .......
  从上面的概览看，CFD还很难说在我国地震局里面开始运用了，远没有运用失稳，转捩，突变的一系列判据不说，还有一部分官养的“学者”拿了钱办了别的和预报地震无关事情不说，拿了钱以后还不断宣扬，地震是不可预报的，所以往这方面的投入就更少。看这种不靠谱的声明多了，就感觉到这么庞大的队伍里面，参与使用CFD来按照流体来计算地幔流动特征的人，1%，甚至0.1%的人都不到，要么怎么会连用什么状态方程都搞不明白呢？！更就别说运用失稳和转捩的条件了

[ 本帖最后由 yuren2 于 2012-1-30 14:57 编辑 ]

seaharrier

地震预测要是能有重大突破，那可是至少要诺奖级别的成就啊！

周华

地幔流动模拟问题我记得过去国外有人做过。粗想一下觉得这里面可能有这样几个问题跟我们常规问题的数值模拟不同：首先是重力场的变化。我们传统的数值模拟问题中，由于尺度很小，重力场一般认为是不变的，也就是重力加速度是一个常数。但是在地球物理这个尺度上，重力场必然是变化的，特别是在地球内部，由于质量分布的变化，重力场的在空间上的分布肯定需要考虑，因为这肯定会影响到地幔的热对流运动。同时随之而来的难点就是地幔内部的质量分布是未知的，所以重力场分布也是未知的。据我所知，现在只知道地球表面的重力场变化，地球内部的重力场变化根本无法测量，因此重力场问题将是对地幔流动进行模拟的难点之一。其次是物质密度分布和变化。这个问题跟上个问题有点联系但又是个独立的问题。密度变化本身就影响热对流的主要因素。在地幔这么广大的尺度上，地幔物质的构成就会不同，然后这些混合物的密度再随温度发生变化，其中的规律显然是难以分析的。最后是温度变化。地幔内部的温度到底有多高，这大概是谁都不知道的，但这又恰好是影响地幔热对流的主要因素之一。现在仅能测量火山喷发过程中岩浆的温度，地幔内部的温度变化规律还是未知的。特别是作为内部边界条件的地核的情况是未知的，这会给这类温度造成更大的困扰。我想大概是由于上述三个原因，地幔流动的模拟才无法开展下去。计算机的模拟能力倒不是主要问题，不说现在64位集群机几乎已经普及，就是在过去32位时代，如果想计算地幔问题也是可以进行的，不同的只是计算时间要长一些，网格划分粗一些罢了。将来GPU编程成熟以后，很多算法可以移植到GPU机器上去，这样个人桌面系统就可以进行类似的模拟了。

pockmon

各位前辈，我是学地球物理出身的。我是最近才看到这篇帖子的，不知道各位是否还在思考这个问题或者已经得到了比较好的答案了。各位前辈的这个想法非常不错，地震学确实很少这样考虑，考虑粘弹性也主要是为了分析介质吸收和求解振幅，我们学校数院开流体力学的老师也是说，很多问题可以从流体力学角度考虑，并且能到到很好的结果。所以这样考虑，确实很值得去做。

       不过就我所学的地震学知识来看，这样考虑似乎没有必要。因为1、现代地震学认为地震产生原因是弹性回跳理论（深源地震是相变引起，这里不予以考虑），主要是引入了矩张量，即认为震源可以用一个无矩双力偶表达，这样处理的结果，经受了检验，符合的很好，所以，前辈们提到的失稳结构放大作用似乎并不明显，即使存在，也不起主导作用；2、地壳介质抗静水压能力很强，但是抗剪切力能力不大（相较于静水压），大约100-200巴（大气压），所以在没有发生明显蠕变的情况下，岩石就已经发生断裂了。即地壳表现出较强的脆性，流体性质不太明显3、从粘弹性本身来看，地球介质主要表现为弹性，粘性不是很强，这个可以从地震传播很远，甚至出现全球自由震荡简单看出，换句话说即介质的品质因数很大（类似电磁学中的品质因数），在分析震源机制问题等事，完全可以不用考虑粘性。

我现在学的东西很有限，所以论证的不是很详细和严密，可能在各位眼里，很多说法是有问题的。而且之前只是听过部分我们学校数学院开的流体力学课程，所以流体力学知识只是了解些概念，所以非常有可能理解错了前辈们的意思，如果发现，希望能给与指出。

ps：各位前辈是学数学或物理出身的吧，思考角度确实很好。

周华

你说的跟我们说的并不矛盾。你提到的地震预测方法，包括地震波可以自由震荡等现象都是在一个较短的时间尺度内发生的现象，而象板块运动现象则是在空间和时间尺度上都非常大的尺度上发生的现象，在这种尺度上我们说的地幔运动的影响就会显现出来，这时你就会发现影响地震的主要原因就是地幔的运动——地幔在下面有起伏运动，地壳岩石圈才会发生挤压、断裂。地幔的性质就好比沥青，我们说它是流体，但实际上它的流动非常缓慢，短时间内可以呈现出固体的特征，但长时间内就表现出流体的特征。地幔也是类似的。

周华

前几天有个新闻说，澳洲有个教授在课堂上说沥青是流体但学生不信，于是他就拿了一个漏斗做实验，想证明沥青确实在流动，结果漏斗中的沥青经过10年才掉下来一滴，几十年过去了，漏斗下面的烧杯中一共才掉下来几滴沥青。杯具的是那个教授自己一直没有亲眼看到沥青掉落的那一刻。

onesupeng

我猜想一会某人就会上来现身说法，然后搞些彩色字体，几个链接，把地震和拉法尔喷管联系起来

yuren2

pockmon 发表于 2013-4-4 17:13
各位前辈，我是学地球物理出身的。我是最近才看到这篇帖子的，不知道各位是否还在思考这个问题或者已经得到 ...

汶川地震断裂带断层石墨化的痕迹值得深究，断层的石墨化，玻璃化就是撕裂后的运动特殊性质。
文章中特别提到了地壳不抗剪力，其实不抗剪正是粘性流体属性，现在问题是地幔到底是多层分离滑动还是单层分离流动还值得探讨，一般的流体里面失稳结构的放大过程也看不出来，也是通过分析算出来的，结构失稳生成湍流斑也是突然发生的，对于地幔这种非牛顿流体，情况更复杂。
   通过粘性存储的能量实际也就更和固体应变存储的能量相类似，但是流体失稳还有特殊性，这就是为什么一直沿用固体应力应变同构关系来分析地幔的短缺之处，从大地震孕育过程地震测量中声辐射和回声的变化会揭示这种变化的积累，似乎很难用现有的固体应变来解释，这些已经在震前一些台站的测量扑捉到了。   
   另外巨大的地震都伴随着一种旋转抬升，在很多地质结构里面也可以观察到，这些似乎只能用剪切区域扭转大变形理论来解释，这里其实纯流体模型也做得不够，这种模型存储的剪切能量也不够，只有非牛顿流体，把剪切应变的积累和耗散都看成一个随时间的积累的平均，才能说明这种扭转抬升，也就是说，流体的模型算法用欧拉方程也不够了，要考虑沿着路径的拉格郎日方法，这又是一层新的难度，所有这些都有待于新的数学模型，新的计算模拟方法，真不知道这种看法是否合适。
    需要计算一下才能说明问题，在这些新问题面前，每一个人都是新手，这个地球物理出身的研究者态度就很好，人人都需要深入思考。不管思考对不对，都是一种探索，用刁钻的讽刺和挖苦来对待科学的讨论，是不合适的。