地壳厚度只有几十公里，为什么地震会发生在地面下数百公里？
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解决时间 2021-02-22 18:37
- 提问者网友：玫瑰园
- 2021-02-22 00:49
地壳厚度只有几十公里，为什么地震会发生在地面下数百公里？
最佳答案
- 五星知识达人网友：傲气稳了全场
- 2021-02-22 01:39
地震按深度可分为3类：浅源地震（深度小于70公里）中源地震（深度70~300公里）和深源地震（大于300公里）。其中，中源地震和深源地震又被笼统的称为深源地震。
地球上约有78%的地震发生在地球浅部深度小于70公里的地方，即浅源地震，也就是能够产生脆性破裂和沿先存断层摩擦滑动'从而释放弹性应变能产生地震波。而深度大于300公里的地震约占全球地震总数的4%。
浅源地震和深源地震的机理到底有什么不同呢？
平常我们接受的对地震的解释是这样的：断层受到应力的作用，达到一定的程度的时候，就会发生破裂滑动。这是对浅源地震机理的解释，也就是说这种地震发生于断层上，是断层面两侧岩体相对滑动的结果。这在本质上是一种摩擦滑动，并释放出地震波，产生破坏。关于断层的更多讨论，可以看这两个个帖子（人与断层的恩恩怨怨和浅源地震（<50公里）是怎么发生的：一个让理科生内牛满面的模型），这里不再过多的解释。下面主要说一下深源地震。
先看几张比较直观的图
1、深源地震发生在哪里
首先看一下在世界范围内的分布
世界范围内深远地震分布，主要集中在汇聚板块的边界，即图中黄色部分[5]
这还需要补充一点知识，就是板块的边界可以分为离散型边界、汇聚型边界和转换边界；离散型边界主要是洋中脊，在这里板块相互分离，并产生新的地壳；而汇聚型板块边界，就是两个板块相对运动，并挤压，比如青藏高原就是亚欧板块和印度板块相互挤压的结果。上图中，既有影区又有黑线的地方就是汇聚型板块边界，板块在这里挤压，然后就有俯冲了。深源地震全部发生在挤压板块边缘。这是俄罗斯勘察加半岛在600公里深处发生的8.3级地震就是在典型的汇聚型板块。更多板块边界的东西，看这里所罗门群岛地震：太平洋为何不太平？
再说一下深度。
这里就要说到一个词，叫俯冲。举个栗子。我们都知道，太平洋现在在缩小，但是，这就遇到一个问题，大洋下面也是坚硬的地壳，那么大洋在缩小，大陆在靠近，大洋下面的地壳去哪里了呢？答案是，进到地球里面去了，也就是说俯冲到地幔里面去了。更多，还要看这里了所罗门群岛地震：太平洋为何不太平？
仔细看一下这个图。
a是俯冲的示意图。竖向表示深度，横向就是水平方向了。绿色表示的大洋的岩石圈（大洋地壳+地幔的一部分，厚度约为80公里）在俯冲带的地方向下，进入地幔，并一直往下，直到大约660公里的深度。这个俯冲下去的岩石圈就叫俯冲板片。在这里，俯冲下去的板片会有两种命运：一是继续向下，直到地核和地幔的交界（约2900公里处）；二是停留在660公里之上。不过，一般认为第二种俯冲板片的命运也是最终会到核幔边界去，只不过在660公里处作了一个短暂停留（可能也就千万年而已）。这两种命运的板片，在a图中都有表示。a图中板片中红色的点表示地震。
再看c图，这个是地震频率对深度的变化图。横轴是每年发生地震数目的频率，竖轴表示深度。可以看出来，从地表开始，随着深度的增加，地震发生的次数是递减的，到约200公里的地方，地震几乎不再发生。但是，400公里的地方，地震又多了起来，直到约660公里，地震就消失了。
为了更清楚，看下面的图
图中横坐标是地震频率（对数坐标），纵坐标是深度。在30~50公里有一个显著的上升，随后中源地震频率随着，深度变化成幂指数减少，直到350公里附近时，地震频率达到了一个最小值，往下再次增多。[6]
实际上，板片实际上俯冲到哪里呢？
注意，几个扇形图是横切板块边界的深度剖面，蓝色的部分就表示俯冲下去的板片。可以看出，太平洋周围的板片实际上是可以俯冲到很深的地方的。更多的解释，看这里所罗门群岛地震：太平洋为何不太平？
2、为什么会有深源地震
这个问题，现在还没有得到很好的解决。传统的地震学理论认为，地震只能发生在脆性的岩石中，也就是说只能集中在地壳的中上部（对俯冲带，>50公里，其他地区>25公里）。从下地壳往下，岩石的变形行为主要为塑性，是不能产生的地震的。
但是，1920年，深源地震第一次被提出，受到了广泛的质疑。从1928年开始，这种地震才得到了证实，就一直是一个研究热点。但是直到现在，还是没有弄清楚，到底为什么会发生深源地震。
传统的断层摩擦理论是不能用来解释深源地震的，因为在地球深处（地幔），压力非常之大，断层产生已属不易，而要求断层发生滑动所需要的力更是大的惊人。所以，深源地震不能再用断层滑动的理论去解释了。但是，大量的观测和研究发现'深源地震与浅源地震在震级分布范围、震源时间函数、破裂速度和应力降等方面都相似，甚所以浅源地震的动态触发机制也可以在深源地震中起作用，并且这种动态触发的地震通常发生在地震区下面或附近的无震区。这些又暗示了，浅源地震和深源地震又有一定的相似性。
要解释其机理，首先要明白，俯冲板片在俯冲的过程中，到底发生了什么。
地球，越往下越热，越近表层约冷。俯冲板片本来是在冷的表层的，现在进入了热的地球深处，是要被加热的。但是，岩石的导热性能非常的差，加热的十分缓慢，这就导致俯冲板片的温度和周围地幔的温度有比较大的差别。一般的材料（包括岩石），温度越高，脆性越小，受力的时候越易发生塑性变形，也就越不容易发生地震。普通的地幔就是这个样子，温度比较高，不会发生脆性的断裂。而俯冲下去的板片，温度相对较低，就可能在适合的条件下产生断裂并滑动，产生地震。
再一个，就是水。毕竟板片是从大洋中俯冲下去的，会把一部分水带到地幔中去，一直到400公里以下。当然量是非常少的，但就是这些水对深源地震有着非常重要的影响。
总算到重点了，深源地震的机制主要有一下几个。
（1）脱水脆裂
水。。。这个水并不全是日常生活中的水，在深部地球研究中，H2O、H、NH3、OH等含氢元素的很多物质都可以称为水，这些东西的存在，可以对深部物质活动起到“润滑”的作用。比如，如果没有这些东西，岩石就非常难于滑动，如果有了即使是非常少量的这些东西，岩石的强度就会被大大的降低，活动性就会大大的增强。
上面也说到，俯冲板片会带一些水进入深部地幔。随着温度的升高，一些矿物（比如蛇纹石）就要释放出一些水。这些水从矿物晶体进入岩石中，就会起到润滑的作用，是的岩石在非常小的应力下也能滑动产生地震。很多实验表明，在高温下这种机制是存在的。
不过，随着深度的增加，温度越来越高，板片中的水含量越来越少，所以，一些人认为这种机制的作用深度可能不超过250~300公里。这种机制并不能完全解释许多观察现象，存在诸多的问题。
（2）反裂隙断层作用
这里要先解释一下相变。
先举个栗子。蒸馒头，先和面，然后捏成面团，再放到锅里蒸，蒸好以后，发现结果已经和原来不一样了。除开多孔，更主要的是蛋白质和淀粉的结构和原来不一样了，这就是“相变”。（外行，举例子不一定准确，望指正）。还有一个，就是烧砖。把一个毛坯放到砖窑里面，烧它几天后，发现也变了，颜色变了，硬度变了，密度变了。这也是“相变”。
这两个例子里面有一个共同之处：两种材料前后都经历了两种条件，低温和高温。在低温的时候是一种状态，高温又变成了另外一种状态。
对于岩石矿物，这是一样的。俯冲板片在浅层的时候是一种状态，但是随着俯冲的进行，又会变成另外一种状态。俯冲板片的矿物组成主要是橄榄石（Olivine），浅层的时候是α相，随着深度的增加，会变成β相（410公里处），然后又会变成γ相（520公里处）。这三种矿物相的密度依次增加，体积就一次减小。所以，就必须需要一种作用使由于相变造成的体积变化闭合，这就发生了地震。
同样，这种机制可以解释一些现象，但也面临一些困难。
（3）绝热剪切失稳
这种模型认为，俯冲下去的板片一直在发生变形。随着变形程度的增加，会在某些举报薄层上加速（蠕变）。这里，温度又起到一个关键作用。
开始的时候，俯冲板片发生缓慢的剪切变形。和摩擦生热比较类似，这中变形也会产生热量。如果系统是绝热的，热量的缓慢增加就会变形越来越容易，而热量产生也越多。就是这种正反馈，使得失稳最终发生，产生地震。这个模型也可以解释前震和余震。
目前，这种模式是解释深部地震最成功的模型之一。
总之，上面介绍的三种模型各有优缺点，都不能完全解释深源地震的发生机制。
3、再说哈勘察加地震
这次地震发生在俄罗斯勘察加半岛，震源深度是600公里，震级8.3级。在这么深的地方，发生如此大的地震，在全世界也是非常罕见的。本地区是世界上地震活动性最大的地区之一。
图中的暗红色线为板块边界，五星就是地震的震中位置。发现，这次地震并不发生在板块的边界上，而在板块内部。这就是因为俯冲下去的板块有一个倾斜角，深度越大，震中越原理板块边界。
勘察加地区[4]，太平洋板块向北美板块运动的速率为80毫米每年，这个速率，从地质学的角度来看，几乎可以用飞速来形容了。然后对上面的箭头做一个深度剖面，就是下面的图
勘察加地区地震发生的深度，基本在每个深度都有的。[4]
4、小笠原地震
这次地震发生在太平洋板块和菲律宾板块的边界上，太平洋板块向菲律宾板块下面俯冲，已经达到700km的深度
简要构造图，紫线即为板块的边界[4]
对中国来说，深源地震（>300公里）只发生在长白山地区。原因是太平洋板块已经俯冲到了这里了。
地球上约有78%的地震发生在地球浅部深度小于70公里的地方，即浅源地震，也就是能够产生脆性破裂和沿先存断层摩擦滑动'从而释放弹性应变能产生地震波。而深度大于300公里的地震约占全球地震总数的4%。
浅源地震和深源地震的机理到底有什么不同呢？
平常我们接受的对地震的解释是这样的：断层受到应力的作用，达到一定的程度的时候，就会发生破裂滑动。这是对浅源地震机理的解释，也就是说这种地震发生于断层上，是断层面两侧岩体相对滑动的结果。这在本质上是一种摩擦滑动，并释放出地震波，产生破坏。关于断层的更多讨论，可以看这两个个帖子（人与断层的恩恩怨怨和浅源地震（<50公里）是怎么发生的：一个让理科生内牛满面的模型），这里不再过多的解释。下面主要说一下深源地震。
先看几张比较直观的图
1、深源地震发生在哪里
首先看一下在世界范围内的分布
世界范围内深远地震分布，主要集中在汇聚板块的边界，即图中黄色部分[5]
这还需要补充一点知识，就是板块的边界可以分为离散型边界、汇聚型边界和转换边界；离散型边界主要是洋中脊，在这里板块相互分离，并产生新的地壳；而汇聚型板块边界，就是两个板块相对运动，并挤压，比如青藏高原就是亚欧板块和印度板块相互挤压的结果。上图中，既有影区又有黑线的地方就是汇聚型板块边界，板块在这里挤压，然后就有俯冲了。深源地震全部发生在挤压板块边缘。这是俄罗斯勘察加半岛在600公里深处发生的8.3级地震就是在典型的汇聚型板块。更多板块边界的东西，看这里所罗门群岛地震：太平洋为何不太平？
再说一下深度。
这里就要说到一个词，叫俯冲。举个栗子。我们都知道，太平洋现在在缩小，但是，这就遇到一个问题，大洋下面也是坚硬的地壳，那么大洋在缩小，大陆在靠近，大洋下面的地壳去哪里了呢？答案是，进到地球里面去了，也就是说俯冲到地幔里面去了。更多，还要看这里了所罗门群岛地震：太平洋为何不太平？
仔细看一下这个图。
a是俯冲的示意图。竖向表示深度，横向就是水平方向了。绿色表示的大洋的岩石圈（大洋地壳+地幔的一部分，厚度约为80公里）在俯冲带的地方向下，进入地幔，并一直往下，直到大约660公里的深度。这个俯冲下去的岩石圈就叫俯冲板片。在这里，俯冲下去的板片会有两种命运：一是继续向下，直到地核和地幔的交界（约2900公里处）；二是停留在660公里之上。不过，一般认为第二种俯冲板片的命运也是最终会到核幔边界去，只不过在660公里处作了一个短暂停留（可能也就千万年而已）。这两种命运的板片，在a图中都有表示。a图中板片中红色的点表示地震。
再看c图，这个是地震频率对深度的变化图。横轴是每年发生地震数目的频率，竖轴表示深度。可以看出来，从地表开始，随着深度的增加，地震发生的次数是递减的，到约200公里的地方，地震几乎不再发生。但是，400公里的地方，地震又多了起来，直到约660公里，地震就消失了。
为了更清楚，看下面的图
图中横坐标是地震频率（对数坐标），纵坐标是深度。在30~50公里有一个显著的上升，随后中源地震频率随着，深度变化成幂指数减少，直到350公里附近时，地震频率达到了一个最小值，往下再次增多。[6]
实际上，板片实际上俯冲到哪里呢？
注意，几个扇形图是横切板块边界的深度剖面，蓝色的部分就表示俯冲下去的板片。可以看出，太平洋周围的板片实际上是可以俯冲到很深的地方的。更多的解释，看这里所罗门群岛地震：太平洋为何不太平？
2、为什么会有深源地震
这个问题，现在还没有得到很好的解决。传统的地震学理论认为，地震只能发生在脆性的岩石中，也就是说只能集中在地壳的中上部（对俯冲带，>50公里，其他地区>25公里）。从下地壳往下，岩石的变形行为主要为塑性，是不能产生的地震的。
但是，1920年，深源地震第一次被提出，受到了广泛的质疑。从1928年开始，这种地震才得到了证实，就一直是一个研究热点。但是直到现在，还是没有弄清楚，到底为什么会发生深源地震。
传统的断层摩擦理论是不能用来解释深源地震的，因为在地球深处（地幔），压力非常之大，断层产生已属不易，而要求断层发生滑动所需要的力更是大的惊人。所以，深源地震不能再用断层滑动的理论去解释了。但是，大量的观测和研究发现'深源地震与浅源地震在震级分布范围、震源时间函数、破裂速度和应力降等方面都相似，甚所以浅源地震的动态触发机制也可以在深源地震中起作用，并且这种动态触发的地震通常发生在地震区下面或附近的无震区。这些又暗示了，浅源地震和深源地震又有一定的相似性。
要解释其机理，首先要明白，俯冲板片在俯冲的过程中，到底发生了什么。
地球，越往下越热，越近表层约冷。俯冲板片本来是在冷的表层的，现在进入了热的地球深处，是要被加热的。但是，岩石的导热性能非常的差，加热的十分缓慢，这就导致俯冲板片的温度和周围地幔的温度有比较大的差别。一般的材料（包括岩石），温度越高，脆性越小，受力的时候越易发生塑性变形，也就越不容易发生地震。普通的地幔就是这个样子，温度比较高，不会发生脆性的断裂。而俯冲下去的板片，温度相对较低，就可能在适合的条件下产生断裂并滑动，产生地震。
再一个，就是水。毕竟板片是从大洋中俯冲下去的，会把一部分水带到地幔中去，一直到400公里以下。当然量是非常少的，但就是这些水对深源地震有着非常重要的影响。
总算到重点了，深源地震的机制主要有一下几个。
（1）脱水脆裂
水。。。这个水并不全是日常生活中的水，在深部地球研究中，H2O、H、NH3、OH等含氢元素的很多物质都可以称为水，这些东西的存在，可以对深部物质活动起到“润滑”的作用。比如，如果没有这些东西，岩石就非常难于滑动，如果有了即使是非常少量的这些东西，岩石的强度就会被大大的降低，活动性就会大大的增强。
上面也说到，俯冲板片会带一些水进入深部地幔。随着温度的升高，一些矿物（比如蛇纹石）就要释放出一些水。这些水从矿物晶体进入岩石中，就会起到润滑的作用，是的岩石在非常小的应力下也能滑动产生地震。很多实验表明，在高温下这种机制是存在的。
不过，随着深度的增加，温度越来越高，板片中的水含量越来越少，所以，一些人认为这种机制的作用深度可能不超过250~300公里。这种机制并不能完全解释许多观察现象，存在诸多的问题。
（2）反裂隙断层作用
这里要先解释一下相变。
先举个栗子。蒸馒头，先和面，然后捏成面团，再放到锅里蒸，蒸好以后，发现结果已经和原来不一样了。除开多孔，更主要的是蛋白质和淀粉的结构和原来不一样了，这就是“相变”。（外行，举例子不一定准确，望指正）。还有一个，就是烧砖。把一个毛坯放到砖窑里面，烧它几天后，发现也变了，颜色变了，硬度变了，密度变了。这也是“相变”。
这两个例子里面有一个共同之处：两种材料前后都经历了两种条件，低温和高温。在低温的时候是一种状态，高温又变成了另外一种状态。
对于岩石矿物，这是一样的。俯冲板片在浅层的时候是一种状态，但是随着俯冲的进行，又会变成另外一种状态。俯冲板片的矿物组成主要是橄榄石（Olivine），浅层的时候是α相，随着深度的增加，会变成β相（410公里处），然后又会变成γ相（520公里处）。这三种矿物相的密度依次增加，体积就一次减小。所以，就必须需要一种作用使由于相变造成的体积变化闭合，这就发生了地震。
同样，这种机制可以解释一些现象，但也面临一些困难。
（3）绝热剪切失稳
这种模型认为，俯冲下去的板片一直在发生变形。随着变形程度的增加，会在某些举报薄层上加速（蠕变）。这里，温度又起到一个关键作用。
开始的时候，俯冲板片发生缓慢的剪切变形。和摩擦生热比较类似，这中变形也会产生热量。如果系统是绝热的，热量的缓慢增加就会变形越来越容易，而热量产生也越多。就是这种正反馈，使得失稳最终发生，产生地震。这个模型也可以解释前震和余震。
目前，这种模式是解释深部地震最成功的模型之一。
总之，上面介绍的三种模型各有优缺点，都不能完全解释深源地震的发生机制。
3、再说哈勘察加地震
这次地震发生在俄罗斯勘察加半岛，震源深度是600公里，震级8.3级。在这么深的地方，发生如此大的地震，在全世界也是非常罕见的。本地区是世界上地震活动性最大的地区之一。
图中的暗红色线为板块边界，五星就是地震的震中位置。发现，这次地震并不发生在板块的边界上，而在板块内部。这就是因为俯冲下去的板块有一个倾斜角，深度越大，震中越原理板块边界。
勘察加地区[4]，太平洋板块向北美板块运动的速率为80毫米每年，这个速率，从地质学的角度来看，几乎可以用飞速来形容了。然后对上面的箭头做一个深度剖面，就是下面的图
勘察加地区地震发生的深度，基本在每个深度都有的。[4]
4、小笠原地震
这次地震发生在太平洋板块和菲律宾板块的边界上，太平洋板块向菲律宾板块下面俯冲，已经达到700km的深度
简要构造图，紫线即为板块的边界[4]
对中国来说，深源地震（>300公里）只发生在长白山地区。原因是太平洋板块已经俯冲到了这里了。
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