从四川大地震看地震力学定律初探

从四川大地震看地震力学定律初探

                           

王德奎

（四川绵阳日报社，四川绵阳，621000）

摘要：寻求有奇性的地震理论是一项系统工程，寻找正确的奇性地震力学方程，更是要从一系列的奇性地震力学方程组中缩小包围圈。其次，有了正确的奇性地震力学方程，还需很多能解此类数学方程的人；即使有很多能解此类数学方程的人，还必须有配合的探测仪器和大型的复杂计算机；有仪器和计算机还必须有会操作的人，等等。如果说临震预测难无法从物理上完全了解地球内部的运动规律，正说明与星云图对应的地质板块断裂能流带，或高激发态的弹壳式岩浆房，类似一种“黒洞”，而可以绕过对称性的无法从物理上完全了解地球内部的运动规律，作黒洞力学第一定律类似的地震理论思维包围圈。

关键词：对称性 奇性 地震力学定律

1、对称性和奇性

调好一根琴弦，拷击任何一处，琴弦都会震动，这就是对称性。而奇性就是具体拷击的那一处，它使琴弦震动存在的对称性破缺了。

地震学家把地震预测定义为：同时给出未来地震的位置、大小、时间和概率4种参数，每种参数的误差小于等于一定的范围。由此联系地震理论，类似把地质板块断层、裂缝比作琴弦，不能用地震力学方程解出地质板块断层、裂缝在3个要素：时间、空间、强度上作完整的地震概率性预报的，都称为对称性地震理论。目前各国地质专家在地震地质研究领域基本还处于资料积累阶段，毕竟人类历史与地球的历史相比实在是太短暂了，作为世界性难题的地震预测，尚待在新技术、新方法上有所突破。所以土办法、洋办法、土洋结合的办法，我们认为都还是时代局限性下的好办法。

地震可预测性的困难如果说是源于不可能以高精度测量断层及其邻区的状态，并且对其中的物理定律仍然几乎一无所知──尽管地震预测目前已有一些土办法、洋办法、土洋结合等好办法，但和实际还有很大差距（有的主要还是要政府买单）；那么此次四川大地震发生后可以想见，中国将会进一步加强地质构造方面的研究，而“正规军”、“游击队”转向探讨有奇性的地震理论，也许更有助于破解更多的地震密码。

2、地震预报与气象预报比较

四川境内的龙门山，震惊世界的5.12汶川8级特大地震就发生在这座山脉上，重灾区囊括了座落在这座山脉上的所有城市：汶川、北川、茂县、都江堰、平武、彭州、什邡、安县、江油、绵竹、青川等。现代地震科学依然无法摸清地震发生的特性，而发生地震的断层以要命的方式积聚能量，它不会让我们很有耐性地等待、等待。5.12汶川8级特大地震突然间突然爆发，地动山摇。而地震的孕育、发生和发展，受众多要素的制约，每一次地震都有其本身的特点和深层动力过程，给国家主持的地震预测带来了众多的未知数：断层是怎样断裂并引发地震的？又是什么让地震停下来？

那么断层在发生灾难性的断裂前，是否存在人类可以认识的模式或者规律呢？如果把地震预报与气象预报作比较，把气象预报的星云图对应全球地质板块断层、裂缝带能流积聚图，下雨对应发生地震，气象预报是那块云层要下雨，至少有两个重要的参数，如空气中的温度和湿度可参考。反之，地震要预报地质板块断裂带哪处是震源，震源哪时要发生地震，有没有重要的参数、有几个重要的参数、这些参数耦合的规律是什么？有没有实验判定呢？下雨和地震两者虽说有很大的不同，但也可为建构奇性地震力学方程提供思路。

A、气象预报与大气数学模型

（1）气象一类演化过程的状态变化速率由当前状态决定，这就导致描述时间演化的微分方程：

                             （1）

这就是混沌动力学历史上起过重要作用的洛仑兹方程，它来自大气热对流问题，并且给出过第一个奇怪吸引子的实例。

（2）把地球视为空间中的一个点，它接收太阳能并放射红外辐射能，返回太空中。在这样一种图景中仅有一个重要的态函数，即平均温度T，它随时间按热平衡方程演化

                  （2）

其中，c为体系的热容量，Q为太阳常数； 为回照率，表示把太阳辐射能回射入太空中的部分； 为斯捷潘常数， 是考虑到地球不可能象一个黑体那样辐射所加的发射率因子。解（2）式，输入整个地球的太阳能被吸收的部分及被地球回射入太空的红外辐射能对温度的依属关系，使得可存在三个定态区域，其中的两个（以 及 表示）是稳定的，分别相应于今日的气候和能使人联想到全球性冰期的一种寒流气候。现对这种情况的势函数定义为：

          （3.）

U（T）称为气候位，这个势位是双稳定的。然气候也不断地经受统计意义的涨落，如把涨落的效应比拟为一种随机力F（t），（3.）变为：

                        （4）

大气数学模型具体化到地球气候的形成过程，因十分缓慢而复杂，以致不能在实验室的实验中如实地加以再现。其次，大气的数学模型并非是建立陆地──海洋──大气系统的物理模拟，而是可对支配这一系统的物理原理，类似能量守恒和牛顿运动定律提出数学表示式，然后让计算根据这些定律测算出气候将如何演变。但大气的数学模型并不能完全模拟出气候的全部实际复杂性，只可能揭示出对于气候假说似乎合理的逻辑结论。因此根据选取的条件不同，达到的目的不同，能建多种大气数学模型。例如，有的是只测算球地平均温度的极其简单的模型，它把地球平均温度看作为一种由地球平均反射率和大气平均温室性能产生的能量平衡的结果。这种数学模型是一种零维模型，它同时间无关。它只将地球实际的温度分布简化为单一的点，即一个全球平均值。

与之相反，类似三旋的哈得来环流圈模型，它能再现温度随纬度、经度和高度变化的情况，不仅能预测温度随时间演变的情况而且能预测温度、风速和风向，土壤含水量和其它气候变量随时间演变的情况。但再完善的数学模型，也会遇到具体时空的气候分辨率详尽度的大小的限制。其次，这种模型还会遇到在计算机上花费更多的麻烦。因此，要使它的复杂程度恰到好处，取决于所涉及的问题和解决问题可采用的数据；数据愈多并不一定愈好。例如，数学模型的大间距带来一个问题，许多重要的气候现象都小于单一的格网框，云便是一个很好的例证。云把大部分入射阳光反射回空间，有助于测定地球的温度，因此预测云量的变化情况是可靠的气候模拟的一个基本组成部分，但却没有具有足以分辨单块云的精细格网的全球气候模型可以使用。

因此解决大间距问题的最好办法，是格网与参数，即把在时空上变化的三旋哈得来环流圈按类似地球的经纬线分成格网，对类似单块云的模拟就变成了要解决这种亚格网尺度现象的问题，其方法就从环流圈的格网化法进入到参数化法。例如，参数化法通过气候数据寻求格网所能分辨的变量与不能分辨的变量之间的统计关系。举例来说，一个大面积即一个格网框的尺寸上的平均温度和湿度可能与同一面积上的平均云量有关；为了进行方程计算必须引进一个参数，即比例因子，该参数可根据温度和湿度的经验数据推算而得到。由于一个模型可以根据物理原理测算一个格网框内的温度和湿度，所以模型虽不能预测单块云但也可预测一个格网框内的平均云量。

其次，气象预报也有实验可供判定。由于大气运动的过程很复杂，求解描写大气运动的流体力学方程组合会在数学上遇到很大的困难，还有许多问题尚未解决；同时求解析解和作数值分析还会遇到计算机的容量和计算速度等方面的限制。因此从动力实验模拟研究大气运动仍然不失为一种途径，特别是动力模拟实验还具有许多优点，它可以进行单因子、多因子和广泛参数的测试，条件易于控制，还可以重复进行。地球大气虽是球态气相层结流体，但中心有不可穿透的实体存在，因此用相似方法，实验流体可以是不可压缩的平面态（有的实验用球壳型容器，但重力场不能相似）。虽然某些变量间的物理关系（如状态方程和热力方程）与实际大气不完全相同，但可以通过适当的参变量变换、坐标变换和某些近似假定，求出描写实际大气和实验流体的可以相互等价的动力方程组、等价边界条件和初始条件，再据此进行相似性分析。

例如斜压波是中纬度对流层大气运动的典型特征，有关斜压波的许多了解就可以从旋转斜坡热对流的模拟实验中得到。又如用旋转层结流体模拟研究青藏高原地形对层结大气纬向环流的动力影响，在实验盘中，安放青藏高原地型模型，通过中心抽水和突然减少转台转速的方法产生轴对称纬向基本环流，然后观测地形的动力扰动作用形成的流场结构特征，通过广泛参数的实验，能获得地形影响的各种流场形态及它们的出现条件。这些结果能说明青藏高原动力扰动作用的重要性。其它如大气运动的适应过程、行星边界层的对流、台风等大尺度问题，以及积云对流与相态过程的相互作用等中小尺度问题，都可以用模拟实验的方法进行研究。另外，实验模拟对研究洋流运动及其它行星大气的运动也是一种重要手段。

B、地震预报的差异

地震(earthquake)是大地的振动。它发源于地下某一点，该点称为震源(focus)。但对此如果没有正确的奇性地震力学方程的被发现，即便探测清楚了结构和受力的所有细节，也并不就可以实现准确的地震预报。例如有的专家说他一辈子带研究生，就是研究断层是怎么运动的，怎么破坏，破坏以后是怎么回事，并从数据上、物理上予以解释，然后在地震观测中检验，但也没有能预报“５·１２”四川8级大地震。因为如果是从龙门山脉断裂带的对称性地震理论出发，即使地震天天来，积累数据量再多，预报准确率也不高──今天那个地带的余震仍不断，而预报实际的准确率就是证明。

有人会说邢台地震之后，李四光先生在世时也预测到华北地区在一定时期之内会有地震，但是到底是哪一天在哪一个断层会动，还是无法具体预测。但我们说，所谓的地球不可入性、地震孕律的复杂性、地震发生的小概率性、地震过程的高度非线性，临震预测难无法从物理上完全了解地球内部的运动规律──经验规律的总结概括以及理论的建立验证，都由于每次地震的发震过程都不尽相同，地震产生的类型很多，每个个例都不一样──有的有前兆，有的什么都没有；有的是主震型，有的是双震（断层多次破裂），不同的断层的形态也不一样，很难找到规律性的东西而受到限制，同时也很难在实验室里重复地震的过程，等等，这都是重复原先的地震理论对称性下的思维。

也许有人会说，他不是断裂带状地震理论，而是犹如圆球弹壳的地震理论，是基于岩浆房高能量的积累必须有物质高密度的积聚，还必须具备一个高压的密闭腔的一种表现形式，而地震如同地外的雷电、气泡、空穴暴，为要使岩浆房高密度物质所蕴含的能量在瞬间释放出来，又必须使禁锢的物质元素处于一种高度的激发态，以使岩浆房高密度物质处于密闭腔内被约束在一定的时间，进而达到能造成连锁反应的“点火”温度，才能实现瞬间的临界爆发。然而试问，不能计算出奇性的这类圆球弹壳地震理论，不也是在重复原先的对称性地震理论思维吗？

3、地震力学第一定律

寻求有奇性的地震理论是一项系统工程，寻找正确的奇性地震力学方程，更是要从一系列的奇性地震力学方程组中缩小包围圈。其次，有了正确的奇性地震力学方程，还需很多能解此类数学方程的人；即使有很多能解此类数学方程的人，还必须有配合的探测仪器和大型的复杂计算机；有仪器和计算机还必须有会操作的人，等等。如果说临震预测难无法从物理上完全了解地球内部的运动规律，正说明与星云图对应的地质板块断裂能流带，或高激发态的弹壳式岩浆房，类似一种“黒洞”，而可以绕过对称性的无法从物理上完全了解地球内部的运动规律，作黒洞力学第一定律类似的地震理论思维包围圈。

A、地震力学的外尔张量，类似潮汐变形的地面起伏和前后左右摇摆的震动，并作地震地质结构激活块保持体积不变的简并。

B、地震力学的里奇张量，相对地震力学的外尔张量描述的地震地质结构激活块，作有体积减小的变形效应的简并。

C、地震力学方程描述一次大地震的解，是阐明地质结构激活块中的地震奇性──地震理论的对称性破缺。但由于它被事件的地震视界所包围，所以从外界看不见它。这个视界就是一个在它内部的事件不能把信息发送到无限远的表面。

D、由于地震力学方程一般很难解，人们都转向寻求全局性质，即地震理论的对称性。当然在这类性质中也隐含着地震理论奇性的存在。

E、所谓地震力学第一定律和热力学的相似性，是该定律把地震事件视界面积的改变、震级和可以预测的地电、水温、地磁、地温、地声、地光、氡气、电磁辐射等信息的改变，与不可以预测的地震地质结构激活块的质量、能量的改变联系起来。热力学第一定律是按照系统熵的改变和外力对它所作的功给出内能的改变。如果把地震破坏事件视界的面积类比于系统熵，则类似于温度的量便是地震力学中所谓的震级或烈度破坏力K。它是在地震事件水平上地震力场强度的测度。如果把被地壳包围着的外界不能看到的地震地质结构激活块类比“黒洞”， 地震力学第一定律可借用黒洞力学第一定律类似的公式写成：

δtE＝ （K/ 8 π）δA ＋ TδS＋PδV            （5）

那么地震力学第二定律也有黒洞力学第二定律类似的公式：

δA 》0                                    （6）

A为一次大地震破坏事件视界的地表面积。它和一个与时间无关的黒洞的事件水平的表面引力处处相等类似，也有地震力学第零定律：

一个与时间无关的大地震事件的视界上的震级或烈度破坏力K处处相等。
即地震熵和它内部的物质熵的和永远不减小。由此作地震力学第二定律的推广：

δ(S＋ δtA）》0                              （7）

这其中不协调的是，如果一次大地震具有与地表破坏事件视界面积成正比的熵，则也

应有与事件视界表面震级或烈度破坏力成正比的非零的地电、水温、地磁、地温、地声、地光、氡气、电磁辐射等其中之信息。设想一次大地震让它和具有比这次大地震更低的地电、水温、地磁、地温、地声、地光、氡气、电磁辐射等其中之信息反映的、具备能量积累和物质密度积聚的激发态岩浆房的辐射相接触。如果地震类似黒洞，这种大地震将吸收一些辐射而也不能发射出任何东西──如此会发生从低级的能量积累和物质密度积聚的激发态，向高级的大地震地质结构激活块流动；而如果类似热辐射的熵损失比地震力学的熵增加大，就违反了地震力学第二定律的推广。但如果当观察者发现大地震发射出完全不同的地电、水温、地磁、地温、地声、地光、氡气、电磁辐射等其中之信息变化多端的反映，以及到时大地震的爆发，类似的协调性就被恢复了。即总体上是成立的。

由此看，地震具有内禀的类似事件视界表面震级或烈度破坏力的地震力学熵。这与大地震地质结构激活块的非平凡拓扑相关。地震力学内禀熵意味着地震力学引进了一种不可预见性，它或者超越或者互补于量子理论和普通物理学相关的不确定性之上。它向人们提示，大自然能让人迷惑不解。

参考文献

[1]叶眺新，中国气功思维学，延边大学出版社，1900年5月；

[2]王德奎，三旋理论初探， 四川科学技术出版社， 2002年5月；

[3]孔少峰、王德奎，求衡论──庞加莱猜想应用， 四川科学技术出版社， 2007年9月；

[4]王德奎，解读《时间简史》，天津古籍出版社 ，2003年9月；

[5][美斯蒂芬·韦伯，看不见的世界，湖南科学技术出版社，胡俊伟译，2007年12月；

[6][英史蒂芬·霍金、罗杰·彭罗斯，时空本性，湖南科学技术出版社，杜欣欣等译，2007年6月。

作者简介：王德奎，62岁，研究员，绵阳日报编辑。Email:y-tx@163.com