1 引言

关于地震的成因机制有多种假说，除了著名的的弹性回跳假说 (Reid, 1910)，还有日本松泽武雄 (1980)提出的“岩浆冲击说”和美国学者布里奇曼提出的“相变说”(宋春青等, 2005)。我国众多学者也先后提出了几个地震成因假说，岳中琦 (2013)提出了天然气爆炸说；杨巍然等 (2009)提出了三明治构造成因模式；杜建国 (1999)、杜建国等 (2010)提出了地下流体隐爆成因说。江建富 (1994)、郝建国和张云福 (2001)、张宝盈 (2005)等先后提出了地震的地壳雷电成因说。这些假说都有一定的道理但仍需完善。

2008年5.12汶川M_s 8.0级地震沿龙门山断裂带内的映秀-北川断裂和灌县-安县断裂产生了强烈的地表变形，地表变形以逆冲挤压为主，并伴有右旋走滑 (付碧宏等, 2008)。地震后中国政府设立专项在发生地震的龙门山断裂带上打了5口井 (图 1) 用于研究该地震的成因 (王焕, 2011)，发现了本次地震新破裂带内的石墨化和假玄武玻璃化等过去不曾注意的现象，同时也实施了人工地震勘探等用于探测地下深处的构造变化。

地震与成矿之间的关系前人也做了大量研究。澳大利亚科学家的最近的研究表明，地震中地下流体的瞬间蒸发可使金矿发生沉淀 (Weatherley and Henley, 2013)，该文发表在《Nature—Geosciences》上。

构造动力体制转换诱发的突发地质事件及伴随的成矿作用十分常见，火山爆发和地震所造成地壳浅表的温度、压力、Eh、pH等参数的临界转换是很多热液矿床形成的基本因素 (翟裕生等, 2001)。

在地震过程中超临界流体存在, 并在孕震中起重要作用 (王传远等, 2005)。首先，随着地震的孕育和发生，水从岩石矿物中脱出而使矿物晶格遭到破坏，岩石强度降低 (杜建国和康春丽, 2000; Young et al., 1993)；其次，超临界流体的存在会引起有些矿物发生相变，从而引起密度和波速变化，导致塑性不稳定性，诱发深源地震 (田宜灵等, 2002)。

流体在部分熔融、岩浆演化、矿床形成、地震的孕育发生等方面也起着重要作用。根据目前对地球内部压力和温度的估算结果, 在下地壳及深部, 流体均处于超临界状态 (谢鸿森, 1997; 葛良胜等, 1998)。

超临界水氧化性强烈，在一定温压条件下，甲烷、乙炔和高烷烃等有机物在超临界水中可发生自燃，并在一定条件下产生“水热火焰”(Hydrothermal flame) 现象 (谢鸿森, 1997; 苏根利等, 1998; 陈维杻, 1998)。

在成矿构造一热液循环体系中，含矿热水在构造驱动下断裂带迁移上升，到达浅部或近地表的次级容矿或赋矿断裂构造破碎带，含矿热水体系由相对封闭体系到半开放-开放体系，特别是伴随有热水隐爆作用发生时，压力的突然释放，气体挥发份的大量散失，成矿热液发生沸腾，伴随含矿热水的多种物理化学条件或参数的改变，导致热水体系快速远离平衡态，使热水组分的浓度增大，络合物失稳，SiO₂的浓度达到过饱和状态 (聂爱国, 2007)。

这种复杂的流体体系，在突发性的外部环境变化条件下，特别是构造影响使得体系从封闭体系进入相对开放 (新的构造断裂裂隙状态)，流体将发生流动，体系的压力处于突降状态，由此必然导致初始的混溶体系发生分异，出现了酸碱分离、气液分离的分异作用，形成新的流体子体系，这些都与连续地震破裂幕有关 (王荣湖等, 2006)。

地壳中水相变可导致热液中所携带的物质快速沉淀成矿 (藏)。地壳中水发生相变的必要条件是降压 (胡宝群等, 2011)。

这些研究都说明，地震是一种与地下流体等相关的隐爆过程，并与成矿密切相关。另外在国内外的地震中都发现过大量的电磁异常和光电现象 (Fidani, 2011; 郝建国等, 2000)。

本文通过大量的事实说明地震是一种由断裂构造运动激发引起的地下深处流体相变膨胀爆炸现象 (类似高压锅爆炸，超临界流体体积膨胀近千倍) 和聚集负电荷泄露造成的放电现象 (类似地下雷电)，这种隐爆引起了强烈的地震波能量释放 (强震的主要能量来源)，并产生一系列的热量释放及次级爆炸, 成矿过程和地震过程密切相关。

2 汶川地震是一个隐爆过程 2.1 汶川地震包含多个地震子事件

张勇等 (2009)通过48个地震台站记录分析，说明汶川地震由4个不同震级分别为M_w 7.5、M_w 8.0、M_w 7.5和M_w 7.7的子事件组成，从汶川开始发震向北东扩展，整个破裂带长达近300公里，北川释放的能量最大，比其他区域大约10倍。破裂性质也有变化，从南端汶川的逆冲型破裂到中北部变为走滑型破裂。

通过更详细地对比远震和近震地震波形，发现汶川地震的4个地震子事件 (群震) 中，每个子事件包含多个地震子震源。曾雄飞 (2013)的研究表明汶川地震可以用地下深处的结构爆破得到合理模拟和解释，从汶川地震的近震波形发现，地震爆发过程是一个冲击加载和卸载过程。

2.2 地震时电磁场突变说明存在电荷外泄

地震发生时候，由于断裂活动使地下聚集电荷发生泄露造成电场的变化从而引起了磁场的突变。重灾区北川县在距地震发生5个多小时前，就已有指南针指向错误等磁场紊乱的现象 (曾小苹等, 2011)。并且北川中学在地震发生前13分钟，有全班学生集体观察到物理课上指南针教具不规则转圈直至地震发生的奇怪现象。《纽约时报》在1858年曾报道当年11月11日，葡萄牙Setubal地震发生前，当地也有指南针异常，甚至航海罗盘指针转圈的事实。150年前后的两个临震前的相似现象，说明震前出现剧烈的磁场异常并非偶然。

汶川地震前和地震发生过程中都存在电磁异常的急剧变化，汶川地震前1天成都台ULF垂直分量 (Z) 的变化量高达20nT (图 2)。

近几十年大量国外的观测研究表明 (张学民等, 2007)，电磁场异常尤其是甚低频到超低频 (VLF到ELF) 的电磁信号在地震之前会发生明显异常变化。1989年10月17日Loma Prieta发生了M_s 7.1级地震，Corralitos观测台距离震中7km，观测到的磁场分量 (频段0.01~0.02Hz) 在地震前两周快速增加了1.5nT，并在主震前3小时增加3nT，震后异常又持续了1个半月的时间。意大利的电磁观测也表明地震临近时发生低频电磁异常现象 (Fidani, 2011)。1996年11月9日南黄海6.1级地震江苏和上海的地震台站都记录下来了这种电磁场的变化。

除了电磁异常，地光也是强地震前后常见的一种自然现象，地光闪耀的同时，往往伴随着轰隆隆的地声。地光在文献中有不少记载 (郝建国等, 2000)。特别是我国的震例中还出现了地光灼伤人体肌肤、致人晕倒、烧焦植物以及在地面留下走火痕迹等等物证。汶川大地震后，一些地震研究爱好者公布了拍摄到的地震云和发光现象 (图 3)。

①  林檀礼. 2013.地球磁场与地震新知识. [2013-05-12].http://tanlilin.cn-dns.com

马宗晋 (1974)指出“地光不是地震派生的结果而是临震共同发展的统一过程”。徐好民特别强调包括静电在内的种种地震异常现象 (徐好民, 1988)。这说明地震前后的发光本质上是一种放电现象。

火山喷发也会引起地震，并将地球深处的岩浆向外喷射，日本2011年1月28日“新燃岳火山”喷发时就出现了壮观闪电现象。这正是地球深处岩浆流体流携带着电荷向地面空中 (开放空间) 放电的很好例证。地下流体从广义讲包括气体、液体和电流，或者说是一种带电的流体。

震前无线电往往会受到严重干扰，最为常见的电磁异常是收音机失灵。1976年7月28日唐山7.8级地震前几天，唐山及其邻区很多收音机失灵，声音忽大忽小，时有时无，调频不准，有时连续出现噪音。电磁异常还包括一些电机设备工作不正常，如微波站异常、无线电受干扰、电子闹钟失灵等 (郝建国等, 2000)。汶川地震前也有人发现无线电信号异常，当天上午甚至连对讲机也不能正常使用，出现频率偏移现象。

震前的无线电信号异常现象都可以用地下电荷的泄露来得到合理解释，这种电荷泄露会产生宽频带的电磁场，从而造成强电磁干扰。

美国科学家也发现地震迫近时产生强电流。当地震迫近时，地下活动会发生“奇怪变化”，产生强电流。“这种电流很强。里氏6级地震产生的电流高达10万安培，里氏7级地震产生的电流高达100万安培”(Bleier and Unson, 2008)。

事实上，20世纪70年代前苏联学者就提出了地震成因的电击穿说 (江建富, 1994)。作为地震时地内存在强电场的直接观测证据，前苏联的地震学家曾观测到地震活动期间产生的强大电流 (张宝盈, 2005)。在1966年塔什干地震余震活动期间，在放到500m深井下的无电流的电缆头上，看到了放电。乌洛莫夫估计，深部电缆和地面接地间的电压值为5~10千伏。在地下电缆里，出现了声现象和设置在花岗岩里电缆绝缘层的破坏。由于放电的结果，电缆头被熔化。1972~1974年，乌兹别克科学院地震研究所和托木斯克工学院的研究人员，在恰尔瓦克水平坑道中偶尔进行了地球脉冲电磁场变化的观测，证明地壳发射电磁脉冲，而且在地震事件之前，发射强度急剧上升。在地震前几十个小时或几天，电磁脉冲强度异常地变大。地震是在异常变化下降时发生的。余震时的放电竟能使电缆头熔化，足见电流之强。

大量地电的研究 (冯锐和肖莉, 2004; 仇勇海等, 2008) 发现大地震来临时地电多呈现向下急跳 (负值) 特征。这可以用地下负电荷泄露来解释。雷电学研究表明：地球表面带负电，大气带正电 (陈渭民, 2006)。以上事实说明地球深部带有大量的电荷。

2.3 汶川地震的浅层特征 (米级尺度)

杨光 (2012)对汶川地震区的绵竹九龙地表探槽素描表明，地震中存在地下射流 (爆炸喷射)。其中的砂岩喷射状贯入红色粘土之中 (图 4)。

汶川地震后也发现了大量砂土液化现象。砂土液化现象到底是怎样的成因机制？上世纪60年代后期日本在这方面进行了深入研究。结论是：砂土液化的主体是侵入、喷出现象，并伴随下吸现象 (魏向金等, 2001)。这是地下隐爆过程在上部局部地区的反映，地下深处流体爆炸增压喷射后，中心压力减小，从而出现液体回吸现象。

汶川地震过程中发生了以陈家坝水井岩为代表的三处带有燃烧的爆炸。在沿中央断裂F2大型滑坡体表面发现了一些类似现象：环形大坑、散落滑坡体表面的疏松多孔暗棕色岩块、岩石灼烧和树枝烧焦等 (图 5)，说明大地震次生地质灾害发生与爆炸作用关系密切 (尚彦军等, 2014)。

曾明果 (2009)的研究表明5.12汶川大地震地下深处，临震前聚集能量的超临界流体 (Supercritical Water Fluid简称SCW) 在临瞬间爆发退相，这个过程是一个能量释放过程，并推算出SCW (H₂O-CO₂-CH₄) 多元体系在地内退相爆发至地表时放出的最低能量可达上千万吨TNT当量。

2.4 地震断裂带内石墨化成因与放电过程

研究发现位于地震断裂带的灌县杂岩体内与本次地震有关的断裂带内发生了强烈的石墨化现象，并伴随着假玄武玻璃的形成 (李海兵等, 2013)。而且新生成的断裂带斜切老断裂带。更多的勘探资料证明，汶川地震断面反映出新的石墨化地震破裂带是多条且密集产出。在汶川断层带深度上观测到了余震中的流体异常变化，其中CH₄突然增高 (王焕, 2011)。更多的研究表明汶川地震的成因与龙门山断裂带深处的异常高压天然气爆炸释放有关 (岳中琦, 2009)。

这些断裂带内的石墨化是怎样形成的？石墨是如何富集在断裂破碎带上的？一直是一个令人困惑的问题。传统弹性回跳难以给出合乎逻辑的解释。

地下深处处于缺氧环境下，甲烷等有机物不充分燃烧可以发生游离碳析出，先在深部产生碳素C：CH₄+O₂→2H₂O+C。甲烷高温裂解也能产生碳素：CH₄→C+2H₂。

有了碳素还不行，破裂面内石墨化怎样形成？我们知道人造石墨技术是将碳素在大电流下高温加热改变碳元素原子结构的技术。工业化人造石墨常用的直流石墨化炉 (DC graphitization furhace)，是一种以碳素焙烧品和电阻料为炉芯，通入直流电，生产人造石墨制品的一种电阻炉。由于炉芯的电阻，电流流过时电能即转变为热能，而将碳素焙烧品加热到2000~3000℃的高温，完成石墨化过程而成为人造石墨。它与交流石墨化炉都同属于艾奇逊炉 (Kevin9918, 2013^①)。

① Kevin9918. 2013.直流石墨化炉. [2013-03-27]. http://baike.baidu.com/view/4146648.htm

由此推测地震时大量负电荷瞬间外泄产生了瞬间的大电流，造成高温燃烧首先产生了碳素，并同步加热这些碳素形成了石墨化。这些物质在地下爆炸增压机制下向上喷出，贯入断裂破碎带和裂隙中。

2.5 断裂带内假玄武玻璃含新生磁铁矿说明存在放电过程

假玄武玻璃被喻为“地震化石”。假玄武玻璃主要由发生重结晶的玻璃质熔融体形成。由粘土矿物分析得知地震断裂发生时的温度超过摄氏1100℃(王焕, 2014)。其成因机制的当前流行解释是：假玄武玻璃是因断层快速滑动过程中摩擦生热，使摩擦面上的温度升高，从而使周围岩石产生融熔所形成的岩石。如果这样这一定会在假玄武玻璃脉体与围岩接触界面上存在“熔蚀边”，但观测表明不存在熔蚀边。这说明它们很可能是高压贯入所形成。

Friedemann的研究也表明“假玄武玻璃出现说明发生了大电流事件”。假玄武玻璃往往包含新生成的细粒度的磁铁矿，其表现出较高的天然剩磁 (NRM)，NRM高值意味着曾经有强大的电流通过而且持续了一段时间，该磁场高于地球正常磁场约1000倍 (Freund et al., 2007)。

汶川地震后的钻井岩芯磁化率测量结果表明沿着新形成的地震破裂面存在假玄武玻璃，表现为高磁化率特征 (王焕, 2011)，这在WFSD-1钻井资料的岩芯磁化率和钻孔磁化率都得到了确认。这是由于假玄武玻璃中包含新生成的磁铁矿颗粒。

汪小妹等 (2010)的研究表明，地下深处基性和超基性岩的水岩反应可以生成磁铁矿，例如橄榄石的蛇纹石化反应 (也是一个放热反应)：

蛇纹石化中甲烷由Fischer-Tropsch反应生成 (Berndt et al., 1996)，这也是甲烷的无机成因机制：CO₂+4H₂→CH₄+2H₂O。

在300℃、50MP环境下，磁铁矿可以作为甲烷产生的催化剂。反应中同样也产生了更高含量的碳氢化合物乙烷等。野外和实验表明超基性岩的蛇纹石化对非生物源碳氢化合物起到了重要的作用。

2.6 汶川地震断裂带内的钻井证据 (千米尺度)

从WFSD-1孔的岩芯矿物X光谱分析表明断裂带中的假玄武玻璃和断层泥及断层角砾岩具有相似 (近) 的矿物组成 (王焕, 2011)，这表明它们很可能是深部增压贯入成因，至少部分物质是这种成因。

WFSD-1孔地震主滑移带位于589.2m，它斜切了老断裂 (李海兵等, 2013)，它是如何跨越老断裂带中的断层泥?WFSD-1孔585.75~700m主要为灰色砂岩、泥质粉砂岩、深灰色泥岩、炭质页岩和煤线组成；700m以下主要由灰色砂岩、深灰色粉砂岩、液化角烁岩 (软沉积物变形岩石) 组成。WFSD-1孔主滑移带延伸趋势到WFSD-2号孔中1449m，对应于断裂带FZ1449，但钻孔该断裂带中没有发现新鲜的断层泥 (图 6), 且测井未见异常特征 (吴婵, 2014)。

这些证据说明用传统的构造地震成因机制难以解释这些构造异常现象，但用地震的隐爆成因机制则可以得到很合理地解释。

2.7 汶川地震区深部地球物理特征

在横穿汶川断裂带的NE向地球物理勘探剖面中，存在一近水平的，深度约30km的异常体 (吴婵, 2014)，在反射地震剖面中表现为低速层，在大地电磁测深剖面中表现为低阻层，这些说明存在深部地壳流 (图 7)。

汶川地震后也实施了人工地震勘探，得到了多条高精度高分辨率人工地震勘探剖面 (吴婵, 2014)，图 8是一条位于虹口附近的东南向地震勘探剖面及原来的地质解释 (其中的红色椭圆圈是作者新增加的)，WFSD-1和WFSD-2井经过该剖面附近。图中红色椭圆圈代表的是同一套地震反射层，右侧红色椭圆圈地震波反射规整，说明受到很少流体蚀变，地层仍然完整，中间红色椭圆圈反射开始出现扭曲和弱反射，说明在该区域存在部分流体蚀变及扰动。左侧红色椭圆圈呈现杂乱及弱地震反射特征，说明该区域可能发生了强烈蚀变或熔融，不存在完整的反射界面了。该区域深度接近十千米。

高精度人工地震勘探结果表明，地下深处存在由于高温高压流体造成的地层异常及畸变，这说明地下存在隐爆，图 9给出了隐爆成因机制的示意图。由此可以很容易解释以上WFSD-1和WFSD-2井构造断裂带难以通过构造进行合理解释的现象。

3 隐爆与金属矿成矿过程 3.1 隐爆与成矿过程

金属矿的流体成矿过程是流体中金属元素溶解、迁移、聚集、沉淀过程。温度、压力、酸碱度、氧化还原条件四种因素相互影响，控制金属元素的成矿过程。总体来说，强酸、强碱、高温高压、强氧化环境下溶解、迁移，近中性、低温低压、还原环境下沉淀 (据叶天竺和薛建玲, 2007; 秦克章等, 2014)。

为什么强酸会变成近中性？机制是什么？

这里通过新疆包古图还原性斑岩铜矿富甲烷流体成矿过程 (图 10；Shen et al., 2013; Cao et al., 2014) 来说明，该斑岩铜矿成矿过程可分为三个阶段，这个过程也是一个降温降压过程，显示了脉动蚀变的特征。该成矿过程表明，可能存在多次地震隐爆过程，矿床中上部存在明显的隐爆角砾岩。

通常斑岩矿床的形成过程从原始岩浆房开始分异，向上进入中间岩浆房，最终在断裂破碎带或者接触带侵位成矿，以热液隐爆角砾岩的普遍发育为鲜明特征 (秦克章等, 2014)。从大地电磁测深成果推测汶川地震也存在这个过程，图 11给出了这个过程的示意图。

地下含矿超临界流体以超临界水为主体，溶解了部分盐分和挥发份，我们知道水的一二级相变温度是374℃，在地震发生时，瞬间发生温度压力下降，部分挥发份如H₂O、H₂S、CH₄等相变蒸发逃逸，蒸发进入大气的水分造成了多数大震后的降雨。强酸会变成近中性，矿物浓度增加，矿物沉淀。部分水蒸汽在上升到地层浅处时候，温度小于100℃会再次相变为液体，发生回流。这个过程会带回部分浅层大气降水，推测这也是多数金属矿床成矿流体是地下岩浆水和大气降水混合物的成因机制。

3.2 汶川地震断裂带内矿物富集现象

汶川地震产生了什么矿？从钻井岩芯样品的全岩分析剖面 (图 12) 可看出，主滑动面富集了磷、铁、硫、锰、钛等元素，而且部分元素已经达到矿化程度，如铁、硫等 (吴婵, 2014)。

4 结论与讨论 4.1 结论

(1) 地震是构造运动激发的隐爆过程。

(2) 能量主要包括两个，一是累积负电荷放电 (地下雷电)；二是流体相变爆炸 (体积膨胀)。

(3) 大震条件：高压地壳流+压 (扭) 断裂。

(4) 斑岩型矿床成矿过程伴随着地震。

(5) 地震应该可以预测，从宏观到微观，遥感、地面、地下 (电场、流体及应力) 很多种方法都可以应用，其中土地电应该效果最佳 (但需要去噪)。

(6) 有可能消减地震，方法是深钻灌注盐水，其有两个作用：一是流体减压释放，二是盐水引爆缓慢释放能量。

4.2 讨论

种种资料表明地震中的确存在“地光”和地下放电现象，但这些聚集在地下的电荷是怎样产生的呢？当前的主流解释是弗里德曼·弗罗因德 (Freund et al., 2007) 的观点：在地震前形成的巨大压力导致火成岩暂时成为“P形”半导体，它们包含能传导电荷的“空穴”，由于挤压过程导致岩石中“过氧族”物质的电离，一些电荷将会达到岩石表面，是这些电荷的聚集，产生了奇怪的发光现象。

作者认为，这个说法值得商榷，按照这个观点，在地球浅部所形成的正负电荷应该是等量的，也就是说，不存在多余负电荷。但实际观测中我们发现地震中存在负电荷聚集的情况，因此可能还有更复杂的地电成因机制。

地下深处是一种高温高压环境，物质应该处于一种非固体、非液体的超临界状态。部分元素的原子核也并不稳定，不断地有放射性现象发生。我们知道，放射性是指元素从不稳定的原子核自发地放出射线 (如α射线、β射线、γ射线等) 的现象。

α(射线) 粒子即是氦4核，He²⁺，即一颗由2颗质子和2颗中子组成的原子核，又名阿尔法粒子。

β射线是高速运动的电子流 (负电荷)。

X射线和γ射线是由核子蜕变过程中发射的一种电磁波。

地下流体会携带这些负电荷向地球浅部运动，并富集在各种电阻率分界面上。特别是蚀变矿物中负电荷聚集会更多。

从构造动力学可能更容易理解这种物质变异过程。在地球的浅部 (主要是地壳) 作者称之为“形变区”，构造运动和压实作用其实是一种针对分子团间的形变。比如压实作用就是分子团间的孔隙被压缩。

随着深度的增加 (主要在软流圈部分) 压力和温度逐渐增大，孔隙已经被压缩到极限，孔隙度近于零。物质处于相变区，这是一种分子内原子间的重新排列和变位压缩，比如煤炭、石墨、金刚石都是单质碳元素，只是原子结构不同。煤炭密度是1.35g/cm³，石墨2.25g/cm³，金刚石3.5g/cm³。这说明石墨和金刚石的碳原子受到了不同程度的压缩，密度逐渐增大。

随着深度的进一步增加 (可能主要在地幔和外核区) 进入“电子云变区”，原子间已经无法再被压缩，这种压缩会进一步到达原子内电子层范围，也就是部分物质的原子内外侧的不稳定电子可能会被挤出，这可以理解为是一种β射线衰变释放出电子，这些电子会随着地下深处的流体向上运移并富集。或者说，由于热电子发射这一量子特性，使得地球内核产生了分离的正负电 (杜国强等, 2007)。

地球深部高温高压下的元素转换发生的电 (核) 化学转换产生了负电荷，这些负电荷会随着流体的向上运移逐渐聚集在地球浅部的圈闭中，一旦构造断裂运动使得地球表层破开一个口子，就会发生电荷的突然泄露爆炸并与流体相变同时作用从而产生了地震。

致谢 感谢秦克章研究员的热情邀稿和有益建议; 感谢冯锐教授、李德威教授给予的鼓励！感谢中国知网、美国Google公司、中国百度网络公司提供的快速优质服务。