「创新达人」池顺良：“内波说”为地震预测提供新思路
中国高新科技期刊社2020-12-16 15:31
长期以来，关于地层褶皱、大山脉形成及海陆起源的动力学解释，都是地球科学研究的一大核心问题。从冷缩说、大陆漂移说到板块理论创立，科学家一直在探索着到底是何种力量驱动了这些现象的形成。中国科学院计算地球动力学重点实验室教授级高工池顺良，多年来一直致力于地震监测工作，为了寻找大地震发生的根本原因，积极探索地壳运动力源及主导的地壳物质运动形式及机制，创造性地提出“内波说”概念，为更准确地进行地震预测提供了新的思路。
执着忘我，潜心“内波说”研究
出生于1940年的池顺良，可以说是同新中国共同成长的一代人，他在多年的地震预测科研工作中，始终执着忘我，就是希望更好地为祖国的发展贡献一份力量。
众所周知，李四光从20世纪20年代开始考虑地球自转与大地构造运动的关系，经40年思考提出“地质力学”，开创了全球构造“转动机”理论探索的先河。在探讨地槽沉降起因时，他又指出，大山脉隆升的垂直运动，是地壳底部物质大幅度水平迁移的结果。在这一思路的启发下，池顺良先生提出地壳与地幔圈层间相互作用，产生“潮波驱动力”（Fc），驱动地壳和地幔物质相向水平迁移。在Fc作用下通过数值模拟实现了地槽沉降活动，初步证实了李老思路的正确。
作为新中国成立后培养的科学工作者，池顺良在分析百年大陆地质勘察揭示出的构造运动现象规律基础上，以地球转动为主导动力，提出全球构造动力学理论－“内波说”。
这期间，池顺良从地槽活动现象规律中，找到了构造运动源于地壳深部壳幔物质的相向、协同大尺度水平迁移；明确了日月引力产生交变固体潮汐应力，引起壳、幔圈层相互剪切；因“剪切运动不稳定性”，潮汐应力转化出驱动莫霍面两侧壳、幔物质水平相向迁移的驱动力Fc，使莫霍面波动形成地球上最大的内波系统。并认为这其中蕴藏的重力势能，足够全球大地构造运动所需，能量来自地球转动能消耗。有限元数值模拟，实现了幅度万米的地槽沉降及两侧地带隆升，揭开了地槽活动之谜。
具体来说，“内波假说”依据的事实主要包括：1、壳幔边界，莫霍面是化学不连续界面，表明地壳是相对独立的物质系统。2、由于大陆表面物质受强烈剥蚀作用并被持续搬运到大洋，必然存在相反方向的地壳物质运动，否则大陆的存在将无法持久。3、大陆地槽活动可以看成小尺度短波长的洋壳-陆壳之间的物质搬移。4、只有地球自转动能和放射性衰变能才能在量级上支持地壳运动。5、由于地球自转和日月的引潮力，地球内存在交变的潮汐应力。
非线性弹性的地球物质在交变的潮汐应力作用下，在莫霍面的两侧会产生一种驱动下地壳和上地幔物质相反水平运动的力。他们把这种力称为：“潮汐驱动力”。结果是造成莫霍面的自激波动并导致地壳厚度的不均匀。称此波动为“内波”，因为它是发生在地球内部的分层介质中的。内波的短波成分产生了地槽和造山运动，长波部分则主宰着海陆的分化。
地球自转动能的耗散为地壳运动提供能量，放射性热能在地壳中的积聚则是内波发生地点和生长速率的决定因素。由太阳辐射能产生的外营力不断打破大陆地壳的重力平衡而造成强烈的陆壳运动。大洋地壳由于外营力微弱而不活跃，所以地壳运动是一种耗散地球自转动能、放射性衰变能和太阳辐射能的复杂的过程。
地槽演化的初步数学模拟显示地槽活动、岩浆活动、断层和褶皱以及造山旋回都与地质事实符合。模拟过程还显示了大陆从海洋中分异出来的过程。该过程从高阶球面谐波分布开始再发展成为低阶球面谐波分布。而今天的四面体分布最终将演化成为如同现在的月球上的海陆各占一面的分布模式。该假说可以解释硅铝质的大陆上部地壳的形成原因、大洋中脊的波节线形成模式以及负荷潮的外部加热机制。南北两极缺少地震活动以及单位陆地面积上地震能量发射强度的南北对称也证明潮汐作用是地壳运动的决定力量。该假说在一定程度上还解释了贝尼奥夫带的形成原理。
总而言之，“内波说”对全球洋中脊体系、陆壳双层结构、大陆溢流玄武岩和洋底火山4种全球性大地构造现象给出成因解释。大陆起源是全球构造理论核心问题。“内波说”揭示的“薄地壳底部物质自动向厚地壳底部迁移”的地壳增厚机制，将海岛生长成人类赖以生存的大陆。根据“大陆根”等现象，“内波说”支持大陆固定说。全球构造运动的发展方向是：洋中小岛合并成陆地，陆壳不断扩大，洋壳不断缩小，最终像月球那样成为陆壳为主、构造运动停止的星球。
池顺良先生还指出，当前流行的全球构造理论存在许多缺陷，其中最为严重的是缺乏可以核实的驱动机制。因而驱动机制问题的解决，是板块构造模式最终成败的要害。“内波说”的提出对地球科学的发展起到了一定的补充作用。
严谨求实，推动地球科学发展那么，与有着60年发展历史的板块理论相比，“内波说”又有哪些优势呢？据池顺良先生考证，与板块说描述巨大板块间碰撞挤压，数千千米地层缩短、增厚抬升成高原或山脉，海洋或大陆板块下插并消逝在地幔中，受到往往超过数百兆帕强应力驱动的图景不同；内波说描述的是全球大地构造运动，主导驱动力是强度极微弱但数十亿年来时刻不停作用在全球壳幔交界面上的“潮波驱动力”，引起莫霍面与地面发生波动起伏；在大气剥蚀搬运负荷重分布的外动力地质作用下在地层中产生数百兆帕强应力而驱动地壳运动。
板块说虽是当前地学的主流学说，“地幔对流”假说是板块说建立的动力基石。而霍姆斯最初提出“地幔对流”假说时，就申明“这种为适应特别需要而虚构的推测，在得到独立的证据支持之前是没有科学价值的。”而在科学家的推断中，“板块构造动力学”与地幔对流一样充满不确定性。
也就是说，在缺乏全球构造动力学新假说的情况下，板块说得不到通常科学发展中批评性验证和比较。因此地球科学成为可与板块说竞争的全球构造动力学新假说。池顺良提出的“内波说”依赖的动力机制应该已被观测证实确实存在、并可用数学形式表达其大小、方向及作用持续时间，更具可靠性。
板块说建立在“地幔对流”“海底扩张”“大陆漂移”3个科学猜想基础上。内波说是从百年地勘厘清地槽运动的现象规律出发，寻找到动力。其主导力源Fc由潮汐应力转化而来，潮汐应力的存在已由观测充分证实。莫霍面内波生长过程属于流体力学中剪切运动不稳定问题，在力学上有充分根据。内波说的重要优势是：动力因子清楚而且简明，满足马宗晋先生对“任何一种合理的地壳动力学或地球动力学假说，至少要满足的三个条件”的要求。
“内波说”还将波动运动概念引入了大地构造学。在内波说中，壳、幔物质的协同运动发育出波长不同的构造系：造成地槽活动的内波，优势波长在数百千米，属短波构造；长波构造形成所需的演化时间更长，且需要不受剥蚀搬运外动力作用干扰。洋中脊体系这一长波构造就在由海水隔离大气营力的大洋环境中发育形成。
池顺良表示，内波说动力来自日月引力对转动地球内部产生的交变潮汐应力，根据理论计算和实测，伴随潮汐应力的能量流比热能流还大。潮汐交变应力的存在早已被观测证实。它的动力源不存在不确定性，且可以给出力的作用点、方向及持续时间。目前，这个假说已经对地槽沉降机制这个地质学多年来没有能够解答的问题，做了有限元数值模拟，得到与地质活动符合的结果。若对全球洋中脊体系形成的三维数值模拟得到正面结果，这个假说就能上升为全球构造的动力学资用假说。
地壳运动中“潮波驱动力”作为内动力、大气营力作为外动力，重力始终参与其中。地球上只有重力作用能够产生强应力，但重力是垂向力，又是保守力，总是趋向均衡状态。内动力Fc虽然微弱但千百万年从不停歇，引起莫霍面及地面波动起伏，通过外动力引起的“负荷重分布”等机制，重力作用可在地层中产生数百兆帕应力，引起地壳运动。壳幔圈层相互作用属全球性动力机制，能解释陆地上大山脉形成，也应可解释洋底山脉形成，甚至有可能解释“海陆的起源”。
不难看出，“内波说”并不是“板块说”的改进。二者之间从理论建立出发点、出发地域、依赖的主导能源，到物质运动形态、地质史长度等方面，均不相同。当前流行的板块说属于消耗地球内部热能的“热机”类理论，不是地壳运动动力学理论的唯一候选者。以李四光为首的中国科学家打开了“转动机”理论的探索之路。之后，欧美的“热机”与中国的“转动机”将在地球科学中同台接受验证和比较。对地球科学基本问题感兴趣的力学、物理、天文、地质等研究单位，用数值计算验证池顺良的初步工作的可靠性后，组织研究队伍，进行三维地球模型数值实验，取得新的进展，中国科学将在地球科学领域中取得自己应有的话语权。池顺良乐于与同道人交流，他的邮箱是chisl@263.net。
创新为本，为地震预测提供新思路
在开展“内波说”研究的过程中，池顺良在地震预测也做出了极大的贡献。尤其是他研发的YRY-4型分量钻孔应变仪，在地震预测中显现出了非常良好的效果。
“十五”期间，池顺良投标的YRY-4型四元件钻孔应变仪被用于地震局钻孔应变观测台网建设，装备了40个台站。重要的是，YRY-4型仪器由于进行了关键技术的革新，令人满意地实现了设计要求。YRY-4型分量钻孔应变仪的主要指标远远超越了国内外同类型仪器，这是国外本领域的顶尖学者都承认的事实。
据了解，姑咱地震台YRY-4分量钻孔应变仪汶川大震前550天中接收到3700多个异常应变脉冲，震后衰减。2014年底发现，脉冲出现初期，表征脉冲数据自洽性的k值大于0.99；大震前夕k值逐渐减小至0.4，数据失洽。地层连续无裂隙是应变数据满足自洽的条件，失洽是震源区地层连续性破坏越来越严重，大震将发生的标志。汶川大地震前5个月时出现5天中一个脉冲事件也没有的平静期，脉冲事件再度增多后大地震发生。岩石加载声发射现象，加载接近峰值强度出现声发射平静期，继续加载声发射再现后岩样破裂。在数千脉冲事件背景下，出现数据失洽及平静期，这两项特征有助于判断地层加载进入亚失稳阶段及何时达到强度峰值，地震必将发生。2013年芦山7级地震前的440天中，姑咱台又记录到1000多个脉冲事件，震前2个月时又出现5天平静期。可见，在适当位置布设精密应变观测网，有可能观测到并能识别出“有助预报的地震前兆”。当然，汶川、芦山地震观测中得到的认识，具有普遍性还是特例，还要在实践中接受检验。
中国科学院前院长周光召曾说：21世纪的物理学发展需要新的哲学，全信书，不如无书。池顺良先生用半个多世纪的时间始终在不断创新，不断突破，就是希望能够找到地壳运动真正的源头，为地层褶皱、大山脉形成及海陆起源给出动力学解释，为地球科学发展贡献一份力量。
撰稿：舒铭泽 江 珊 舒 鹏
（转自《中国高新科技》杂志2020年第1期）
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