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日志

 
 

地震、霾的成因和解决方法  

2015-03-01 15:07:35|  分类: 《天下》2014年第 |  标签: |举报 |字号 订阅

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    进入冬季以来,从11月份开始,包括西安在内,北方各地出现了大面积雾霾,尤其以京津冀地区最为严重环保部12月6日召开会议部署了雾霾应急预案,并派出10个工作组,协调区域内各省市环境执法人员,在京津冀及周边地区开展联合督查。北方地区的雾霾再次成为了民众热议的话题。也正是在同一时间,环保部表示,北京、上海和广州等9个重点城市已完成源解析工作研究结果表明机动车、工业生产、燃煤、扬尘等是当前我国大部分城市环境空气中颗粒物的主要污染来源,约占85%—90%。其中北京、杭州、广州、深圳的首要污染来源是机动车;石家庄、南京首要污染来源是燃煤;天津、上海、宁波首要污染来源分别是扬尘、流动源、工业生产。但实际上,我们采访过的地球科学家杜乐天先生对地震和霾的成因及根治办法做过系统的探索,他认为霾的最大来源是地球排气。要治霾,就要以科学的态度研究雾霾的来源和成因,在此放上这篇文章作为参考。

  

 

文/杜乐天

 

 

1 、当代主流地震理论的缺陷

 

    当代地震理论存在以下五大根基性错误:

    1)认为地震只是地下应力的问题,地下应力强化超过某个地点的岩石强度发生破断能量释放而生震。

    反问:岩块破断难道唯一地决定于应力不断施加增大吗?这一谬论的基本前提是假定岩块强度不变。如果岩石强度由于某些原因而大大降低到经受不住原有应力(应力不一定再增加)不也同样可以破断吗?这一可能性完全被忽略了。我们的研究证明地下强大的H+、H、H2、He气流在应力场中会使岩石产生严重的气裂、气胀、气炸,使岩块中裂隙雪崩式地增多而强度大大减弱。

    2)认为地震发生只是力这种单一物理学过程。

    这种片面的结论反映了狭窄、封闭、孤立的科学观,完全不考虑地质学、构造学、地球化学、材料断裂学等因素,把问题极端地简单化了。地震的发生肯定不会只是力的问题,而是各种综合因素施加的结果。任何单一的学科要想解决地震成因是根本不可能的,必然导致认识上的困惑和预测上的无能,必然会对除地应力以外的其它种种极有价值的众多前兆一律采取全部否定排斥的态度。

    3)根本不考虑天文因素,而实际上天文因素对地震的触发影响至大。这样的理论使我们丧失了很多极有价值的地震判据,致使确切预测由可能变得不可能,由可知变得不可知。

    4)未加考虑广大民众的群监群防的重要作用,把地震预测只看成少数科学家垄断的研究领地。这就必然使社会的预测能力大受限制,大为削弱。这种西方典型的单纯技术观点表现得极为突出,很多可能性都被抹杀了。在中国,思维方式则不一样。古人早就告知:“以天下之目视,则无不见也,以天下之耳听,则无不闻也,以天下之心虑,则无不知也。”(《六韬?文韬》)可以把众多震前异常的知识告诉民众,这会使我们增加数千万、数亿人的监视耳目(现代化信息传递又极其快速、方便)。另外还有其它现代化测量仪器、装置,信息种类可以多达上百。不怕其中部分信息不确定,只要具备战略观点,跨专业、跨学科进行多源信息聚焦,肯定会大大提高预测能力和确切程度。退一万步说也总比不能预测好得多。

    5)“不能预测”这种极不负责任而又轻率的武断充斥着西方(特别是美国)天生的话语霸权气味。实际上是纸老虎。中华有人,奈何被此言论唬住?!怎能信这个邪?!

    汶川大震我们的同胞死了近90000人,损失了几千亿元。如果还死守住地震不能预测这个挡箭牌和护身符,难道今后再发生灾难还让大家在事前毫无预测中仍然束手待毙、横尸遍野吗?!在国际上人家早已明明白白地向全世界宣称地震不能预测,这不是再明确不过地表明这个地震理论漏洞百出不管用的吗?为什么还糊里糊涂地当卫道士呢?断言对地震不能预测反而比能预测高明,这是什么逻辑?快觉醒吧!现在已有大量结果证明汶川地震事前确实存在时间、地点、强度上确切短临预测的可能。

 

2 、地震的原因与机理

    现今学术界关于致震的原因有很多种说法,但多单方面地注意地震的物理显示、物理过程,忽视了致震的其它重大可能因素,特别是化学因素。笔者认为气体致震应该是地震原因的一种新思路,地球排气作用则是地震产生的主因。通过对玄武岩喷发带上来的地幔岩捕虏体多年的信息记录研究,笔者发现了一些可能孕震的地质现象:

    1)气液包裹体是在深部地幔高压高温超临界态地幔流体弥漫渗透中发生的气裂记录,是高压气体沿着晶体位错面强行劈入而后在应力蠕变中愈合又把流体封闭于气液或气液包裹体之中。

    2)地幔岩捕虏体的形成深度约50~70km,周围压力、温度很高,但其岩石结构却出奇地松散,轻轻一摔即碎,用指甲就可扒落矿物颗粒,矿物颗粒间结合极差、极弱,岩石强度也只相当于地壳火成岩的1/2~1/3。而地幔岩强度如此之低,盖因在深部岩石内部充满了高压气体,气液包裹体中所捕获的仅仅是残留下来的很少一部分,另外还有更多的气体是分布于矿物颗粒间隙、微裂隙、晶体超微缺陷以及浆胞、海绵体、浊化晶之中。

    3)在室温条件下用纯水对地幔岩破碎样进行3小时浸出。浸出液呈强碱性反应,pH=10.2~10.6,这表明在岩石裂隙、矿物颗粒表面有大量超临界态流体全岩性裂隙表面喷镀物质被膜。

    4)用U235做为示踪原子进行中子活化诱发裂变径迹的镜下观察,证实了裂隙吸附物质的存在。上述现象表明在上地幔的交代作用、富集作用和局部熔融发育部位是以超临界态流体弥漫渗透为重大特征的。上地幔软流体实质上就是超高压、高温、高密度的充气带,也是一个孕震带,特别是在此带的顶部及其上的脆性岩石,乃是最易产生地震的震源所在处(刘国栋,1984;刘昌诠,1986;郭增建等,1979)。而无论地幔还是地壳,一旦有深部上涌流体充气后,体积必将膨胀,产生膨胀应力,在其上方闭锁部位施压加载,当超过岩石破坏强度时,即发生断裂导致地震的发生。

    地震的产生可以分为三个阶段,笔者将其由深至浅命名为M(慢)-K(快)-F(发),具体如下:

    1)M阶段:慢过程,时间至少是以年计,长者可达数百年,属于孕震阶段。这一阶段处于微破裂带,气裂作用强烈。气裂造成双吸引:破裂吸引深部幔汁气流在此处聚集,使气裂作用加剧;气裂产生大量裂隙,又使岩石强度大大弱化,更易于气裂作用的发生。而在深部幔汁气流中,氢原子最小,最能向裂隙的最前端挤入,故氢气在孕震中起一种特殊的气裂作用。

    氢气致裂是通过五个反应来实现的:①氢脆:岩石和矿物晶体中充有氢气,可以使岩石脆性增强,易于破碎。②氢鼓泡:氢气可以在晶体的某些显微裂隙、空洞中富集,使其更易断裂,岩石中大量气液包裹体就是证明。③高温氢腐蚀:在高温下,氢有特别大的化合能、断键能,使矿物变质,强度降低。④氢化物新相产生:氢有强的反应能,产生一系列新的氢化物,例如C+4H=CH4;Fe+H=FeH等,使岩石、矿物晶体易于开裂。⑤氢诱发裂纹。

    氢气致裂还依靠原子氢化合为分子氢产生的热能与上万大气压的巨大压力。热能使裂隙尖端局域温度剧升,气体膨胀力显著加大,上万大气压使裂隙进一步向前开裂。另外,肖纪美院士提出的氢的电化学反应会在裂隙尖端形成氢富集峰,剪应力、扭应力、拉应力均可引发氢致开裂。

    2)K阶段:快过程,时间是几天、几小时的突发。这一阶段气劈(气裂)、气胀、气拱共同作用,双吸引急剧加速,该地区岩石闭锁部位的大破裂断开,深度一般在数千米以下到15km区间。气体对温度、压力最为敏感,当气体从深部渗入软流层(体)及低速带中必将使其产生体积膨胀。气胀所产生的力效应是巨大的,而膨胀垂直向上顶拱力对致震远比水平力更重要。

气胀、气拱作用是重要的气力致震原因。

    3)F阶段:发震的爆发期,极为短促,以分秒计。这一阶段为最上部爆发穿孔发震带,地下深度可到3km。

在此需强调的是在地下震源活动问题上,虽然不少研究也认为是流体起作用,但往往把流体当成地下水或者热卤水活动,实际上更重要的流体是地核气体,其主要组成是高温高压的氢气流。地震前后从深部向上冒出氢流的记录很多,例如1970年原苏联达吉斯坦6.7级地震,H2高出空气克拉克值5~6个数量级;我国大同、海城、唐山地区地震前后井水及大气中氢浓度急剧增高(汪成民等,1991)。这些都是气体致震的证明。

另外,有些深震的发生机制可能和中上地壳浅震脆性岩块破裂不同,是由于深部气体爆炸所致,例如在200~300km深的金伯利岩根部就有爆炸现象。

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3 、霾的最大来源是地球排气

    霾与雾不同,雾是水汽所致,霾则是指因大量烟、尘等微粒悬浮而形成的浑浊现象。霾的颗粒极细。假定1cm3的泥块如粉碎成μm级(即10-6m)大小,就是一万亿个微粒,撒在空中就成了霾。根据笔者的研究,人为的工业、生活排放可以成霾,但浓度远远不及天然霾。天然霾是由于地球内部排气,地下上升的气流把地下纳米微粒流带到地表以上的空中形成的。PM2.5>100的霾天是以天然霾为主,因此重霾在很大程度上可以说是地球排气造成的。

    地球内部的气体可以分为13大类:氢类;氢化物;烃类;氮及氮化物;汞及含汞化合物;硼及硼化物;卤素及其化合物;硫、砷、硒、碲及其化合物;碳及碳化物;氧及氧化物;惰性气体;金属有机化合物;纳米微粒。这其中的纳米微粒可以从深部喷射到地表及空中(杜乐天等,1995),从金伯利岩、上地幔橄榄岩到地壳中的花岗岩、安山岩、玄武岩、隐爆角砾岩筒一直到热液岩和大洋底淤泥都有发现纳米微粒流。

就最近几年的大规模重霾现象来看,都是短时间内突然爆发的,其所需的微颗粒数量不是其它人为因素所能提供的。以2013年1月份北京重霾为例,重霾出现了四次,13号第一次出现,2天后被吹散,17号第二次出现,中间只有2天的准备时间。假定霾厚2公里,覆盖面积130万平方公里,这就需要100万吨的微颗粒,2012年全国全年微颗粒的排放量是1400多万吨,显然在两天时间内人工是排放不出100万吨微颗粒的。而地球排气带上来的纳米微粒流中包含各种金属、非金属的纳米级超细颗粒,各种气体在上升过程中进行的各种反应也能够生成并携带大量的颗粒物质,恰恰能够为重霾的形成提供大量的微颗粒。又因为人们对于地球排气作用的认知有限,无法掌握其规律,故而在现今的认识水平下觉得霾主要是人为造成的。其实,人为霾按日按月排放量,即使考虑到春夏秋冬排放量有起伏,大体上总有规律的变动范围。从现有少数测量资料看,北京地区大体是40~80微克/立方米(PM2.5)(等今年全年测量结果出来再确切化),也就是说今后凡PM2.5高于80者肯定有天然霾混入,高到100~1000微克/立方米,那肯定主要是天然霾了。

 

4、 打深钻是解决地震、霾灾害的根本之道

    地震和霾都是地球深部排气造成的,那么想要根治就必然要从地下深部入手。笔者认为扬汤止沸不如釜底抽薪,打深钻将闹灾的那部分深部气体人工提前排放出来,是借自然之力克制自然力的四两拨千斤的巧妙之策,是治震、治霾的根本解决之道。

    打深钻直通到地下的气源体或者气源体上部的断裂带,将地球内部中地壳和上地幔的高压气流大气囊打开,降低对上方脆性岩块闭锁部位的压力,减轻其气裂、气劈、气胀、气爆、气拱等作用,从而避免地震的发生。同时通过深钻收集地下气流,降低这一区域的地下气体上升强度,减少地下气体的突发性排放,减少该气流向大气中携带的微颗粒,从而降低致霾的可能。这样就可以将孕灾的过程从负面反馈转化为正面反馈,改变过程方向。

    有人怕此举会闯祸,就怕像打开了潘多拉盒子,魔鬼出来了无法收拾,其实大可不必。谢学锦先生在1995年就提出整个地球都在“漏气”,已被山东、皖北、若尔盖、奥林匹克坝等地的地球化学填图所证实,这说明地球自身本就在放气。而打深钻只是放出危险临界的那一小部分气,即可控制它在地下的聚集量,使它达不到临界点,与地球自然放气比较简直就是九牛一毛罢了。

笔者针对地震与霾的不同分别设计出了两种方案,以供参考。

 

1、治震

在华北盆地设计打600口深钻,可以很好地消除或降低地震。

我们国家的重级地震大多出现在西部,东部大江以南地质条件决定了在可见的未来不会有大的地震,东北大震的可能性也比较小,最具威胁的是华北地区。华北是我国的政治、经济、文化重心和心脏,一旦发生大地震,后果不可估量。笔者曾托人帮忙统计过渤海盆地周边地区自有文字记载(公元495年)至今的各次地震(5级以上者),发现上世纪70年代从1975年到1978年4年就发生了5次高于6级的地震,渤海和四周又是中国大陆近代地壳运动特别活跃的地区,但是自1978年以后,至今仍未发生过高于6级的地震。平静越久,爆发的可能性和爆发强度都可能越大,需要特别注意。依笔者研究,久无大震与胜利油田、辽河油田、华北油田、大港油田、冀东油田和海上油田数十万口油井开采三十多年的大量放气有关。这方面学术界不少的研究论文都表明,国内外各大油气田开发之后地震频度明显减少,强度明显降低。但谁也无法保证仅靠上述油田钻井放气就能不再发生大地震,如果我们把打钻放气扩大到整个华北地区就更增加了大区域减震的可能性。

另外,现有油气田打的井都比较浅,大约3000~4000米。本方案钻井属于深钻,大约8000~12000米,对地球放气的效果当更为显著。

2、治霾

通过深钻收集地下气流治霾首先要搞清楚地下气流排放对霾的影响程度,可以通过4个途径获得:①通过大气升温幅度计算日排气量;②排尘量等大气PM测定值;③地下钻孔测量;④人为实验。PM2.5等微粒非常之轻,可以在大气中悬浮几天不下落,这就意味着地下气流强度不大,轻微蒸腾即可,少数钻井放气即可控制大面积地下气流强度。又因重霾主要出现在京津地区且最为严重,故此方案也以京津地区为例。

    京津地区面积约3×104km2,假定霾厚1km,那么霾的总体积就是3×104km2×1km=3×104km3=3×104×109m3=3×1013m3。如果每立方米地下气流可携带上来1g1×106μg)微颗粒,PM2.51000,需求浑浊气体10-3m3,则需地下排放气体1010m3;如果PM2.5100,需求浑浊气体10-4m3,则需地下排放气体109m38000米深井如果每年出气约1亿立方米,10口井每年就可出气10亿立方米,将其收集不排入空中即可治霾。假定每口井每天出气10万立方米,3年也可见效。

本文探讨的是自然霾的防治问题,另外的人为霾当然也要加大治理力度。须加强调,人为霾和天然霾总是混在一起,任何情况下,二者很难分开治理。

对于打深钻可能引起的疑虑笔者也做了考虑,在此处稍作解释。

1)深钻的经费是否太多?

众所周知,钻井越深成本越大。我们不必要每个深度都取岩心,依靠精细测井技术,控制性取芯2~3%即够,会大大减少经费。而打钻可以开发深气、深地热能源,也许可以完全抵消、偿还全部投资。只要开始部分投入,以后还可以以战养战,滚动开发。现在的国力、省力强大,不会由于经费卡壳。而且一次大的地震带来的经济损失和灾后重建投入与这些经费相比,也就不算什么了。

2)有没有打12000米深钻的钻机?

现国内已经有12000米的深钻钻机生产,过去不少地方也已经开钻过8000~9000米的深钻。当然,此深钻机还有不少的技术难题攻关,也不一定都要打到12000米,找好沟通充气体的上部断裂带即可。

3)井位如何选择?

这要求卫星、航空、地面、地下地球物理的大规模高科技测量,在技术上没有多大问题。

4)会不会因为深钻放气引发新的自然灾害?

不可能。因为深钻早就在世界很多地区打了,没出现由于它引发什么灾害。

5)深钻放气防治地震、重霾在国际上有何进展?如没有先例是否等其他国家将这一难题解决后再考虑此方案?

放气减灾无先例,国际上已完成的深钻均不是用来排气减灾的。这需要中国人敢为天下先来闯,不必迷信洋人。西方学术界的主流观念仍是固体地球观这种几百年的老概念,不知道地球内部气圈的存在,也不知道这些气圈既是能源生福也可产生自然灾害造祸。

中国自然灾害如此多发、深重,等不得!这么多年来从未见到敢于主动向大自然进攻的想法,而笔者的方案是个引子,欢迎今后有更合理的治灾方案。Ω

 

 杰出的地球科学家杜乐天先生对地震和霾的成因及根治办法做过系统的探索,发表过多篇论文,但分散发表于各处。本文根据杜先生的论文《当代主流地震理论的致命缺陷》《气体致震—一个可能的地震成因》《再论气致灾的重大理论和实践价值》《重大自然灾害的总导演—幔汁辐射排能》《地球排气作用与自然灾害》《实施1000口国土深钻(深8-12km)从根子上消减重大自然灾害》、2014年4月26日在“第四届流体地球科学与巨型成矿带及重大自然灾害学术研讨会”上的讲话以及本刊记者对多次访谈记录综合而成,并经杜先生本人审阅。此文集中系统地表达了杜先生对于地震、霾成因及根治办法的观点,便于广大读者学习参考。

 

 

 

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