2. 中国地质调查局武汉地质调查中心, 430205 武汉
2. Wuhan Geological Survey Center, China Geological Survey, Wuhan 430205, China
0 前言
地壳断裂构造活动和火山作用被普遍认为是引发地震的两种主要原因[1-8]。在许多情况下把与火山作用无关的、发生于大陆内部的地震均归因于构造活动，但许多与火山作用无关的地震并不能完全用地壳断裂构造作用进行解释。地震活动不仅仅表现为强烈的地面震动和地壳破裂，还伴随着一系列其他物理化学现象，如地电、地光、地温增高、地球深部气体逸出等[9-10]，这使人们对地震仅是由地壳岩层破裂引发的认识产生了质疑；一些专家学者提出发生在中国大陆内部的海城(Ms 7.3，1975年)、唐山(Ms 7.8，1976年)等造成巨大破坏作用的大地震是由深部地质作用引起的[11-12]，但深部地质过程究竟是通过什么方式引发地震目前还不十分清楚。
岩浆活动是驱动地球构造演化的重要动力之一，同时也可能是引发地震的重要因素[8, 13-18]。例如，裂谷盆地中岩脉侵入与地震存在密切关系[14, 19-25]。He同位素数据表明地震群的发生与地幔岩浆活动具有耦合关系[26-27]。目前由岩浆侵入引发的地震还未受到充分关注，岩浆侵入引发地震的机制和模式及伴随的一系列深部地质过程还不十分清楚。
近年来，我国东北吉林省松原地区震群式地震活动频繁。2013年10月31日11时03分在吉林省松原市前郭尔罗斯蒙古族自治县发生了5.5级地震(44.60°N，124.18°E)(简称松原前郭震区)，震源深度8 km；2013年10月31日11时10分发生5.0级地震(44.6°N，124.2°E)，震源深度6 km；2013年11月23日6时04分发生5.8级地震(44.6°N，124.1°E)，震源深度9 km。2014年1月以来又发生了一系列大小不等的地震，其中4级以上地震9次、5级以上地震1次；2018年5月28日在松原市宁江区(45.27°N，124.71°E)发生5.7级地震。已有研究发现震中地区存在来自地幔的CO2气藏[28-30]。松原地区频繁的地震活动、震中处于松辽盆地油气田开发区、地震活动序列的特殊性引起了人们的高度重视，但目前对松原地震的形成机制存在着多种不同观点：1)地震主要是由区域构造活动引起；2)地震活动可能是由油气开采引起；3)地震活动与深部地质过程有关。为了揭示松原地震的特殊性，并建立一种能够解释盆地地区地震和深部地震的发震模式，此次主要针对前郭震区开展了研究工作，实测了通过震中的大地电磁测深剖面，开展了地热梯度、3He/4He同位素比值、CO2碳同位素、火山活动、地震序列、震源机制等方面资料的综合分析，深入研究了地震活动、幔源CO2气藏的形成与深部地质过程之间的相互关系，提出了一种新的引发地震的模式——岩浆泡破裂发震模式，以期为解释松原地震及类似地震的发生机制提新的途径。
1 松原前郭震区地质背景及地震活动特征 1.1 地质背景松原前郭震区的地震发生于松辽盆地中部(图 1)。松辽盆地具有典型的断陷-坳陷型“牛头状”裂谷盆地结构。松辽盆地上部主要发育白垩纪陆相沉积地层，最大沉积厚度可达7 000 m，主要由砂岩及泥岩组成，在力学性质上总体表现为相对塑性；松辽盆地下部的断陷层为早白垩世中—酸性火山沉积地层，在力学性质上表现为相对脆性。松辽盆地基底主要为石炭系—二叠系浅变质岩(片岩、板岩)及花岗岩侵入岩体，表现为相对脆性。根据油气勘探资料，震中区基底埋深约4 000 m。第四纪以来，在松辽盆地边部存在新生代基性火山喷发，在震区邻近区域的地层记录中存在基性喷出岩。松辽盆地具有较高的地热梯度，平均约为4.0 ℃/hm。根据钻孔测温资料，震区平均地温梯度约为4.3 ℃/hm。
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| 图 1 松原地震震中位置和周围地质概况(a)、以地震和钻井数据为基础绘制的横穿松辽盆地的地质剖面(b)以及标注大地电磁测深(MT)测点位置、井位及CO2和烃体积分数的高程图(c) Figure 1 Location of the epicenter of the Songyuan earthquake and geological background around it (a), geologic profile across Songliao basin drawn on the basis of seismic and drilling data(b), and elevation of this area, location of the MT (magnetotelluric) survey point, locations of wells and distribution of CO2 and hydrocarbon(c) |
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根据中国地震台网，2013年10月31日在松原地区发生Ms 5.5级地震之后的40 d内共发生地震712次，其中5级以上地震5次，地震主要集中发生在长9 km、宽5 km的范围内，震源深度多介于5~10 km，震源破裂没有扩展，为震群型地震，震级无序。在这次地震发生后至今又发生多次震级较大的地震，2014年和2015年在相同区域又发生大于Ms 2.0级地震20次。2017年7月18日至8月15日又发生大于Ms 2.0级地震11次，其中2017年7月23日发生Ms 4.9级地震。虽然松原地区地震的震级不大，但其特殊的地震序列使其成为中国自1970年以来最为复杂和奇特的地震，具有与常规地震明显不同的特征。主震发震深度大，随后发生的地震震源深度总体变浅，浅部地震的震级也较小(图 2)。根据综合孔径雷达资料，地表不存在明显的位移，难以用一般的地震形成构造机制进行解释。
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| 图 2 松原地区发震时间、震级、震源深度之间的关系 Figure 2 Relationship among time, magnitude and depth of the earthquake in songyuan |
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大地电磁测深(MT)是探测地球深部地质结构的重要手段之一。为了揭示松原前郭地震震中区域的深部地质结构，探索此次地震的发震模式，研究组于2015年12月份，采用加拿大凤凰公司V5-2000大地电磁测深仪进行了震中区的深部地质结构探测，测制了一条通过震中的MT剖面。测点间距为500~1 000 m，数据采集频段为0.001~320 Hz，共完成24个MT测点的测量工作，剖面长度为25 km。为保证获得高信噪比数据，每个测点的信号记录时间均大于20 h。经过远参考处理之后数据质量得到明显改善，特别是在大地电磁信号较弱的0.1~10 Hz频段改善尤为明显。将各测点的原始时间序列数据经傅里叶变换由时间域转化为频率域，并通过Robust估计等处理技术求得视电阻率、相位和阻抗等信息[31]。进一步对频率域数据进行功率谱的筛选、静态校正、阻抗张量旋转等数据处理技术后，经二维带地形反演获得了该区地下30 km以上的电性结构。反演时采用非线性共轭梯度反演效果较好的TM模式数据，反演拟合差均小于7%。
根据MT探测结果发现，在震中附近的地下深部存在着上部和下部两个低阻体(图 3a)。上部低阻体位于地下2.5~10 km深度范围，电阻率小于10 Ω·m，推断该低阻体为深部基性岩浆侵入体所引起。该低阻体的剖面形态近圆形，宽约7 km，其下部边界形态圆滑完整，上部边界形态不规整，呈破碎状，有3个梯度带与浅部低阻层相连(图 3a)；浅部低阻层为白垩纪沉积层(图 3b)，推断这3个电阻率梯度带为断裂带。下部低阻体位于地下25 km之下，宽约15 km左右。
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| a.通过震中的MT剖面图；b. MT剖面地质解释结果图。 图 3 松原地区MT剖面及解释结果图 Figure 3 MT profile constructed from present study and its geological interpretation in Songyuan |
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在松原前郭地区油气勘探开发过程中，一些钻井中产出了高纯度CO2气(图 1)，CO2气的储层为早白垩世断陷期火山岩地层[32]。根据激光拉曼光谱分析及包裹体CO2碳同位素分析，伴生He的3He/4He值为0.88Ra(Ra为大气中的3He/4He值)，表明这些二氧化碳气具有无机成因幔源特征[33]。地幔的脱气通常与玄武岩浆喷溢和侵入活动相伴随[34-35]。在松辽盆地其他地区也发现有幔源CO2气藏，如大庆油田徐家围子地区。这些CO2气藏的分布受断裂构造控制[30]。综上所述，可以推断幔源CO2气藏的形成与来自地幔的基性岩浆活动及断裂有关。
在松辽盆地的演化历史中存在着多期火山喷发活动[36]。位于松辽盆地东部边缘地区的长春大屯火山于7 850万a前喷发；位于松辽盆地北部的五大连池火山群中的老黑山和火烧山是近期喷发形成的两座休眠火山，其喷发时间为1719—1722年，距今不足300 a。钻孔及地震勘探资料揭示，在松辽盆地沉积地层中还存在大量玄武质岩石，推测为基性岩浆侵入的结果。这表明在松辽盆地演化的晚近时期曾发生过多期基性火山喷发和岩浆侵入，在此过程中伴随着地震活动和无机成因气藏的形成。
3.2 发震断裂活动诱因通常把在沉积盆地中发生的地震解释为由区域构造应力场变化导致的盆地构造活动所引起[37-38]；事实上，此次在松辽盆地中发生的地震有许多难以用构造活动解释的地方。松辽盆地及周边地区震源机制解主压应力轴的优势方向(NE45°)与主张应力轴的优势方向(NW30°)高角度相交，揭示了该区域主应力场优势方向是NE向[39]。2013年10月31日至11月23日松原震区ML≥4.5级中强地震的矩张量反演结果显示，几次中强地震均呈现逆断层兼少量走滑性质，其中NW走向的节面为此次断层面，发震断层的优势走向集中在320°左右，优势倾角分布在38°~65°，推测此次地震可能由震源区基底深部的一条NW向隐伏逆冲断层所引发[40]。这一结论与对区域应力场状态的认识不一致，按照区域应力场状态，NW向发震断裂应为张性断裂。由此可见，NW向发震断裂的活动不是由区域构造应力场的变化引起的，而是由深部岩浆活动导致的局部应力场所引起的。
松原地震活动序列与常见构造作用引发的地震活动序列明显不同。根据1999—2007年及2011—2013年的流动GNSS(global navigation satellite system)资料分析主应变率、最大剪切应变率和水平旋转率的空间分布状态后认为，松原地震不是由区域构造应力场变化所引起，而是由深部地质过程引起的[41]。
依兰—伊通、敦化—密山等深大断裂是东北地区重要的构造活动带，沿这些断裂带曾发生过多次较大的地震[40, 42-43]。如果是区域应力场发生变化引发断裂活动，依兰—伊通断裂和敦化—密山断裂则应表现出更大的活动性，但其近期地震活动性却十分微弱；而地壳活动本应相对稳定的松辽盆地松原地区则是近年来在中国东北地区地震最为活跃的地区。因此，引发松原地区地震的主要原因来自于地下深部。
松原前郭震区的震源深度多数为5~10 km。按照松原前郭地区平均地热梯度为4.3 ℃/hm计算，脆-韧转换带的温度范围为250~350 ℃[44]，推断松源震区脆-韧转换带的深度为6.2~8.2 km。由此可见，震源位于地壳的脆-韧转换带附近。
3.3 油气开采与地震关系由于松原前郭震区内有松南气田和腰英台油田，从而引起了人们对该地区的地震是由油气开采所引起的猜测。据历史地震资料记载，1119年在距此次地震震中90 km处发生Ms 6.75级地震，2003年在距此次地震震中以西8 km处发生了Ms 5.1级地震[40, 45]，而该地区油气开采是2006年才开始的；因此认为松原地震是由油气开采所引发缺乏依据。
综上所述，根据深部地质结构、幔源CO2气藏的存在、地温梯度、已知发生在松辽盆地的岩浆作用和地下地质构造，推测引起松原地震的根本原因是由于来自地球深部的基性岩浆在上升过程中形成局部垂向应力场及岩浆体的爆裂作用，致使松辽盆地的基底脆性岩层断裂或断裂断层带重新活动而引发地震；据此提出了岩浆泡破裂引发地震模式(图 4)。
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| 图 4 岩浆泡破裂引发地震模式图 Figure 4 A proposed model for earthquakes triggered by magma-bubble bursting |
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“岩浆泡”是在地下一定深度通过岩浆逐步聚集形成的岩浆体，类似于在水中以一定速度上升的气泡。岩浆泡是一个不同于岩浆房的新概念。岩浆泡的概念侧重于描述岩浆由于浮力作用上升的动态特征，以及由于含有挥发组分在破裂时产生巨大能量。岩浆房主要是用于描述位于深部静态储集的岩浆体。“岩浆泡”破裂致震的过程主要包括：深部岩浆上升、岩浆聚集成泡、岩浆泡破裂和围岩破裂、次级岩浆泡的形成与破裂等(图 4)。
岩浆上升聚集成泡。来自地幔的小的基性“岩浆滴”在地球深部强大压力的推动下不断上升，当这些基性“岩浆滴”穿过上部地幔后可能首先聚集在地壳-地幔边界附近形成“岩浆泡”(岩浆房)；随着岩浆的不断聚集，岩浆泡的体积逐步增大，一部分岩浆沿构造相对薄弱带向上侵位，当岩浆穿过地壳中下部的塑性层后，因受地壳上部较高强度脆性层的阻挡，在脆性-韧性过渡带及之下聚集起来；随着这种过程不断进行，岩浆体就像吹气泡一样不断膨大，岩浆体周围的岩石通过塑性流动变形提供岩浆体的空间，在岩浆泡膨大向上推挤力的作用下，上覆岩层发生变形，形成局部向上应力场。在地壳-地幔边界附近聚集的大量基性岩浆如果不能突破上覆地壳，随着时间的推移发生冷却凝固形成壳下“底垫体”。大量深部反射地震资料证实，在地下底部存在着具有平行反射结构的壳下“底垫体”，松辽北部的深反射地震勘探资料揭示存在壳下“底垫体”。
Fanara等[46]研究了在压力释放的作用下，硅酸盐岩浆中二氧化碳气泡的成核和生长。他们通过观察同类和异类泡沫的成核和生长，得到了CO2控制和/或CO2渗透岩浆气泡成核机制的新定量信息，对于岩浆破裂活动引发机制是一种启示，类似于我们研究设想中的岩浆泡破裂。
在我们提出的模型中，地震是由于岩浆泡破裂产生的。当岩浆泡增大到一定程度、岩浆泡的膨胀压力超过上覆相对脆性岩层所能承受的压力时，上覆脆性岩层发生破裂形成大量裂隙和破碎带，岩浆泡发生破裂，一部分岩浆及其中所携带的流体物质从破裂带和裂隙中向上溢出，岩浆泡突然破裂和岩层破裂所释放的能量共同产生地震。在地震过程中及地震发生后的一段时间内，来自地幔的CO2沿地震过程中新产生的断裂或裂隙及重新活动的断裂或裂隙向上移动，一部分CO2气存储在有利的储集体中，另一部分沿断裂和裂隙上升到地表散逸到大气中。
次级岩浆泡的形成与破裂可能再次引发次级小地震。在岩浆泡破裂之后可能会发生基性岩浆及流体的分离，岩浆在压力减小的过程中释放出幔源的CO2。在岩浆及流体上升的过程中，如果遇到上覆具有封闭性的力学性质较强硬的岩层时，岩浆物质或流体物质不断聚集，在不同深度可能形成具有不同物质组成的“岩浆泡”，上升位置较高的“泡”可能由流体甚至可能主要由气体组成。当流体进一步上升、产生另一个“岩浆泡”时，该气泡破裂又会产生另一次规模较小的地震；当产生了多个“岩浆泡”时，可能发生一系列小地震。
4.2 岩浆泡与地震能量的关系岩浆泡的大小、脆性岩层的强度、上升流体的压力决定了产生地震能量的大小。在岩浆泡破裂过程中释放出两种能量，一种是岩浆-流体及其所包含气体突破上覆压力所释放的能量，另一种是在岩浆泡形成过程中上覆岩层中累积的应变能，这两种能量同时释放可引起强烈地震。如果岩浆泡之上的岩层强度较大，则在岩浆泡及上覆岩层中可以聚集更大的能量，所产生地震的震级就较大；如果岩浆泡之上的岩层强度小、易破碎，则产生的地震震级较小。
5 讨论 5.1 板内地震成因大陆板块内部地震发生十分频繁。事实上，我国华北(唐山，Ms 7.8)、东北(海城，Ms 7.3)地区大地震的成因至今仍然不十分清楚。这些地震均发生在中、新生代盆地区，已有的研究不能排除这些地震是由于岩浆侵入作用引起的。在大陆内部发生的地震所具有的巨大能量可能不是完全由脆性地壳岩层的破裂所引起的，来自地球深部的岩浆(流体)物质在地下深部不断累积的能量也是引发大地震发生的巨大能量来源。
5.2 深源地震成因深源地震的成因是一个存在诸多争议问题，目前已提出的深源地震成因机制模型主要有脱水脆裂、反裂隙断层作用、绝热剪切失稳等[47]，这些模型主要强调岩层脆性破裂引发地震。岩浆泡破裂引发地震的模型考虑了流体(岩浆)和较强硬岩层对地震发生的共同作用，可以解释许多深源地震的发生机制。在地球形成演化的过程中，地球内部物质的分异作用以及板块向地球深部的俯冲均可产生大量的岩浆，当来自深部的岩浆在其上升过程中遇到机械强度较高的阻挡层时就会在阻挡层之下发生岩浆聚集形成岩浆泡。这些阻挡层不必是脆性的，只要具有一定相对强度就可以形成。一些深源地震的形成可能是由于在地球深部的地质界面处形成了“岩浆泡”，当岩浆泡突破阻挡层发生破裂时引发深源地震。这一模式可以解释在地球深部发生的许多深源地震。如在板块俯冲带发生的深源地震是由于俯冲板块形成了阻挡层，在其下形成岩浆泡破裂和使俯冲板片破裂而引起地震，2015年5月31日发生于日本小笠原群岛的8.0级地震(震源深度690 km)就可能是由这种机制引发的。在非板块俯冲区，如果地球深部存在着力学性质较强硬的阻挡层，也可以形成深源地震。
5.3 幔源CO2及烃类气藏成因大量研究表明，CO2和部分烃类气体来源于地幔[28, 30, 48]，是无机成因的。根据地震发生的“岩浆泡”模式，幔源气随着来自地幔的岩浆上升到地壳较浅部位，当“岩浆泡”破裂时，幔源气从岩浆中分离出去，沿着已有的或由于地震产生的裂隙在适当的储集部位形成幔源气藏。无机天然气主要分布于具有深部岩浆作用的活动断裂带附近。“岩浆泡”模式不但解释了地震的成因机制，而且在一定程度上解释了无机成因天然气的形成机制、形成过程及分布规律。
6 结束语深部岩浆物质向上侵入是引发地震的重要因素，来自地幔的岩浆物质可以上升聚集在地下一定深度形成岩浆泡。岩浆泡破裂发震模式是引发地震的一种重要形式，地震的能量取决于岩层中所储存的应变能及岩浆泡中所储存的能量。该模式的提出加深了对地震形成机制及深部地质过程的认识，可以合理解释板内地震和深源地震的发生原因。
岩浆泡破裂发震模式也为认识无机成因天然气的形成机制、形成过程和分布规律提供了十分重要的启示。在沉积盆地中，如果地震活动频繁发生，预示着该地区可能正在形成无机天然气藏。在松辽盆地中存在一些新的地幔岩浆上升通道区，这些岩浆上升区为地震活动区，也是无机天然气藏正在形成的地区。
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