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地震形成的机理

　　 (1)关于现代地震形成机制的假说

　　虽然对地震成因的研究已有100多年的历史，但目前对其成因的认识仍不一致。现代主要有断层说(弹性回弹说)、岩浆冲击说、相变说、温度应力说、粘滑说。

　　1.断层理论(弹性回弹理论)

　　断层理论的代表是美国地震学家H. F. Reid于1910年提出的。

　　根据美国圣安德烈亚斯断层的研究，他认为地壳和岩体中积累的能量会在——-断层——地层的薄弱带附近以快速应变的形式释放出来。大部分地震是现有断层重新错动造成的，少数是新的断层形成的，两个板块发生了突然的相对位移，从而引发地震。地震发生时，岩体以弹性回弹的形式释放应变能。能量释放后，变形的岩体部分恢复原位，而断层两侧相对位移。

　　2.岩浆冲击理论

　　岩浆撞击说是日本学者石本和夫在1931年提出的。

　　他认为，当岩浆在地壳深处运动时，会产生巨大的推力。局部地区围岩强度较低时，岩浆会冲破围岩，引发地震。在大洋中脊、板块俯冲带或板块，有些地震与岩浆侵入、冲击或扩张收缩有关。一些大震区地下热异常和高温气体溢出的发现，是岩浆撞击说的间接证据。

　　火山爆发时，岩浆和气体强烈涌出，引起强烈震动，引发地震。大量岩浆喷出后，地下岩层空置，上层岩层坍塌，也会引发地震。

　　3.相变理论

　　相变理论是由新西兰地震学家F. F. Evision于1963年提出的。

　　其基本思想是，当一定深度和压力环境下的壳幔物质的压力和温度发生变化时，原有的平衡状态会被破坏，产生快速相变，引起体积和密度的快速变化，从而对周围岩体产生快速的压力或张力，产生地震波。相变必须是快速的，否则就会变成缓慢的构造运动。相变理论的局限性在于，在这种情况下，深部大块岩石同时发生相变的可能性不大，不会发生深源地震。

　　随着板块理论的出现，相变理论逐渐失去了独立存在的理论价值。

　　4.温度应力理论

　　前苏联地质学家别洛乌索夫认为，产生地震的应力状态与热能有关，热能主要来自放射性元素的衰变。地壳内温度的不均匀分布会引起岩浆的运动，改变应力场，引起局部地区的地震。

　　5.粘滑理论

　　1966年，美国学者W. F. Brace和byerley在做摩擦实验时用岩石样品做粘滑试验，提出了& quot粘滑理论& quot在实验的基础上。

　　他们认为地球深处的断层(5 ~ 25公里)有& # 039；s地壳在低应力作用下可能发生滑动，断层的每一次错动只释放岩石中储存的总应变能的一小部分，其余部分被断层面上的高动摩擦力所平衡。因此，断层错动发生后，断层的两个板块之间仍有摩擦力将其锁住，应力可以再次积累，为下一次地震提供能量。

　　其实这些理论之间是有因果关系的。断层理论强调岩体的应变破坏现象；岩浆冲击理论讲的是能量积聚和分布不均的现象；相变理论强调地球内部的相平衡或相变引起的地应力场的变化；温度应力理论讨论相平衡破坏或应力场变化的能量来源。另外，回弹和粘滑是地震的运动方式，两者都是剪切破裂的结果。在地壳内小于25公里的范围内，粘滑理论的观点更符合地震发生时震源应力降较小的事实，因此粘滑理论在解释构造变形方面比弹性回弹理论更进了一步

　　根据地质学的知识，放射性元素衰变、潮汐能、地壳与地核角速度不一致等地球内部不稳定因素产生的热能，使地壳深部物质接近熔点，大陆漂浮在柔软的地幔上，由于受热不均衡，使岩石密度不同。同时，各地不均匀的地层压力使得部分地块上升或下降，地壳严重变形。大规模的块体被撕裂或者相互相遇碰撞。向下弯曲的板块边缘沉入软流圈，称为俯冲，另一个板块会上升。在这个运动过程中，部分地区会因岩浆挤压上升形成火山，释放热能，并伴有地震；在某些地区，岩石受到挤压或拉伸而破裂，形成断层并伴随地震，即地震是地壳中断层释放能量的结果。

　　岩石破坏的能量来源是热能积累，能量的释放首先发生在软弱地层。所以板块理论出现后，上述理论可以统一。

　　(B)关于地震形成机制的现代板块理论

　　1.板块边缘地震的形成机制

　　1965年，加拿大著名地球物理学家威尔逊首先提出了& quotplate & quot。1968年，法国人将全球岩石圈划分为六大板块，即欧亚板块、太平洋板块、美洲板块、印度板块、非洲板块和南极洲板块。

　　板块交界处是地壳活动活跃、火山和地震集中的区域。板块理论是大陆漂移、海底扩张等理论的综合和延伸。虽然不能解决地壳运动的所有问题，但为板块边缘地震的成因提供了理论依据。

　　圣安地列斯断层(San Andreas fault)是世界上最著名的板块边缘，是太平洋板块和北美板块碰撞并向西北方向运动造成的。

　　这条断层是两个构造板块之间的断层线，贯穿美国加州。在这里，北美板块向北移动，而太平洋板块向南移动。两个板块以13 mm/a左右的速度相互摩擦，有时，它们的通道是畅通安全的；有时，它们会相互摩擦或碰撞。

　　当它断裂或脱落时，可能会引起大地震。

　　2.大陆动力学层状结构理论

　　大量的地质、地球物理、地球化学、实验和模拟资料证明，在大陆岩石圈中存在着壳内流体层，为此我国学者李德伟等人提出了& quot层状结构理论& quot。他认为，在盆地的热软化作用下，地壳物质在重力作用下沿层流向相邻的山根，盆地地壳变薄。造山带下地壳部分增厚的熔融物质和层流带来的残余熔体驱动深部变质岩在重力作用下不规则流动，热重力派生的垂直主应力形成热隆升伸展的变质核杂岩和低角度拆离断层系。隆起的山脉在重力势能的作用下侧向扩张，盆山边界形成逆冲推覆和滑动推覆构造，可能产生于地壳薄弱带。

　　目前，这一理论已成功地应用于诸如& quot5.12 & quot汶川地震。

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有机酸形成机理

　　 1.有机羧酸的形成机理

　　干酪根中的氧原子以含氧基团的形式存在。朱宝全等[3]发现，随着埋藏深度和温度的增加，干酪根O/C原子比和1710cm-1/1460cm-1随埋藏的加深呈下降趋势。

　　干酪根中有机酸的浓度与上述两种趋势一致，表明有机酸是干酪根中含氧基团降解的产物(表6-1)，有机酸的浓度一般随干酪根中氧含量的高低而增减。

　　发现有机酸(指C1-C5和C2-C6二元酸之和)的生成主要受干酪根有机质的类型和成熟度控制。在不同的演化阶段，干酪根元素及其演化产物的组成是变化的。从梵高干酪根的H/C和O/C原子比图可以看出：干酪根的H/C和O/C原子比随着成熟度的增加而降低，即随着成熟度的增加，H、O含量降低，C含量增加；干酪根演化早期的O/C下降幅度大于晚期，即干酪根早期脱氧较多；在干酪根明显脱氧阶段(早期)，脱氧量依次为、、型。干酪根演化过程中释放的氧主要以有机酸的形式存在，CO2和H2O除外。

　　此外，相当一部分CO2和H2O也是有机酸进一步分解的产物。因此，干酪根类型和成熟度是决定有机酸生成量的两个重要因素。在相同成熟度和其他条件下，有机酸生成量依次为干酪根型、型和型。

　　在相同干酪根类型和其他条件下，有机酸的浓度随着成熟度的增加而降低。

　　干酪根中有机酸的浓度随着埋藏深度的增加而降低。从低熟期(A1)到成熟期(A2)，有机酸浓度呈现明显的突变趋势，即有机酸浓度在A1和A2边界附近突然下降。

　　其中，酒东盆地申英1井和南堡凹陷鲍贝地区有机酸突变带下降幅度为30 ~ 60 mg/g，泌阳凹陷双河地区有机酸突变带下降幅度为28 ~ 36 mg/g(表6-2)。

　　表6-1酒东、南堡和泌阳地区不同成岩阶段干酪根有机酸含量与1710cm-1/1460cm-1的关系

　　表6-2酒东、南堡、泌阳地区晚成岩有机质低熟阶段(A1)与成熟阶段(A2)分界处干酪根有机酸等参数数值范围[3]

　　A1和A2边界附近1710cm-1/1460cm-1和O/C参数无突变(英参1井除外)。虽然有机酸浓度的上述变化特征有待进一步研究，但对认识有机质的演化和成岩阶段的划分仍有一定的参考价值。

　　朱宝全等人认为，特定层段泥岩干酪根的有机酸总产量主要由以下因素决定。即由单位重量干酪根的产酸量、单位重量泥岩的干酪根含量和该段泥岩的总密度、总体积决定。它们的关系可以用下面的简单公式来表示：

　　特定层段泥岩干酪根总产酸量=单位重量干酪根产酸量单位重量泥岩中干酪根含量特定层段泥岩总量。

　　由于泥岩的干酪根含量与有机碳含量仅相差一个系数(暂不考虑有机质类型和成熟度对系数的影响)，所以可以用有机碳含量近似代替上式中泥岩单位重量的干酪根含量。另外，泥岩总层数可以用泥岩厚度代替，因为纵向对比同一地区的泥岩层时，往往是近似的，平面分布面积和岩石密度相差不大。

　　因此，上述公式可以近似地用下面的公式表示：

　　特定层段干酪根相对总产酸量=单位重量干酪根产酸量特定层段泥岩有机碳含量泥岩厚度。

　　计算相对总产酸量时，只直接将正确的三个值相乘(单位：10-2m mg/g)。根据上述公式，得到相对残酸的总量，至少可以根据它们之间的上述关系粗略地估算出相对累积酸的总量。

　　SurdamRC等[4]发现，虽然有机酸的形成温度很宽，从不成熟到高度成熟，但在不同的温度范围内，有机酸的浓度变化很大。在80 ~ 120C的地层水中，有机组分的质量浓度最高(高达10g/L)(图6-1)。

　　图6-1油田水中羧酸阴离子的质量浓度与温度的关系[4]

　　此外，还发现

　　陈等[6]通过干酪根模拟实验深入探讨了有机酸的形成特征。

　　在50下，将0.50克干酪根、10.0克矿物粉(干酪根与矿物比为1200)和10.5克提取的泥岩分别加入5毫升蒸馏水，密封在50毫升高压聚乙烯塑料瓶中，在50恒温水浴中恒温240小时。矿物选择白色、有机质含量低的蒙脱石和方解石。

　　实验前，用氯仿萃取72小时，除去有机物。

　　200水热解实验组的样品与50水热解实验组的样品相同，无水热解实验组的样品不加蒸馏水。将样品置于衬有PTFE的50毫升不锈钢反应釜中，密封并在恒温烘箱中加热240小时

　　300水热解实验组的样品比例同上。将样品置于硬玻璃管中，然后放入不锈钢高压反应釜中，密封，用氮气置换釜中的空气。最后釜内压力与大气平衡，关闭排气阀，300恒温加热72h。自然冷却后，打开排气阀，让热解产生的气体通过无水氯化钙干燥塔，用烧碱石棉管吸收二氧化碳，其他气体用排水集气法收集。

　　称量烧碱石棉管吸收的二氧化碳增量，并用GC分析剩余气体的成分。

　　热解样品通过真空过滤分离。200和300热解样品的滤渣经低温(60)干燥后，用氯仿提取可溶性有机物。用蒸馏水将所有样品滤液稀释至50.0毫升后，通过毛细管等速电泳(ITP)测定低分子量有机酸。

　　将热解样品在水中浸泡10小时后分离，得到200无水热解实验水样。用蒸馏水和氯仿反复洗涤每个容器的壁，将洗涤液分别合并到相应的滤液和有机提取液中，以保证样品的回收率。

　　由于谭井26样品中干酪根含量太少，所以只设计了在200的水中向干酪根中加入蒙脱石的实验。

　　通过以上实验，获得了以下结果：

　　1)在200下，干酪根加水热解的烃产率和酸产率比不加水热解的高。

　　图6-2辽河盆地西部凹陷清水凹陷异常高孔隙度带纵向分布及其形成因素[5]

　　2)在300下，含矿物质干酪根的CO2产率比不含矿物质干酪根的高，而氯仿沥青的产率& quotA & quot这与干酪根在200无水热解和含水的情况相似。

　　3)在200和300时，未添加矿物质的干酪根水热裂解生成的甲酸高于乙酸，但添加矿物质后生成的乙酸含量大多超过甲酸。这种以乙酸为主的低分子量有机酸的分布模式与轮南油田水的实测结果一致(表6-3、表6-4)。

　　表6-3氯仿沥青的提取& quotA & quot通过热解实验，气体产率和水溶液中有机酸的分析结果

　　* k-干酪根、m-蒙脱石、c-方解石；* *每克干酪根的含量；* * *含量在每20g泥岩中。

　　在50以下，加水的干酪根样品含甲酸而不含乙酸，而加矿物的干酪根样品含甲酸，乙酸出现-与200和300时相同的趋势，表明水和矿物在干酪根的生烃和产酸中起重要作用。

　　4)蒙脱石和方解石对总酸产率和乙酸产率的影响不同。从表6-4中发现，蒙脱石比方解石的总酸和乙酸的产率高，这反映了这两种矿物的催化活性不同，蒙脱石明显高于方解石。

　　蒙脱石是一种典型的矿物氧化剂。在热成岩过程中，其晶格中的Fe3被干酪根有机质还原为Fe2，随着干酪根外围官能团的氧化降解，生成更多的有机酸。这是一个带有电子转移的有机-无机反应，或称氧化反应

微乳液法的形成机理

　　常用的表面活性剂有：双链离子型表面活性剂，如丁二酸二辛酯钠(AOT)；阴离子表面活性剂，例如十二烷基磺酸钠(SDS)和十二烷基苯磺酸钠(DBS)；阳离子表面活性剂，例如十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)；非离子表面活性剂，如TritonX系列(聚氧乙烯醚)等。常用的溶剂是非极性溶剂，如烷烃或环烷烃。

　　将油、表面活性剂、水(电解质溶液)或助表面活性剂混合均匀，然后向体系中加入助表面活性剂或水(电解质溶液)，在一定比例范围内形成澄清透明的微乳液。

　　一般认为微乳液的形成机理是瞬时负界面张力机理。其机理可描述为：在表面活性剂的作用下，油/水界面张力降至1 ~ 10 Mn/m，形成乳状液。当加入助表面活性剂时，表面活性剂和助表面活性剂吸附在油/水界面上，产生混合吸附，油/水界面张力迅速下降到10 ~ 10 Mn/m，甚至产生瞬间的负界面张力，因此体系会自发地扩大界面，直至界面张力归零。如果液滴聚结，微乳液的总界面面积将减少，并产生瞬时界面张力，从而阻碍微乳液液滴的聚结。

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