正断层地震的形成过程：带你认识地壳拉伸作用下的地震类型

我们来详细了解一下正断层地震的形成过程，聚焦于地壳拉伸（拉张）作用下的关键机制。

核心概念：正断层与拉张环境

• 正断层： 是一种地质构造，其特点是上盘（断层面上方的岩块）相对于下盘（断层面下方的岩块）向下滑动。
• 拉张环境： 指地壳受到水平拉伸或伸展作用力的区域。这种力试图将地壳“拉开”或“拉薄”。
• 正断层地震： 发生在正断层上，由断层两侧岩块克服摩擦力突然向下滑动（上盘）所释放的弹性应变能引起的地震。

形成过程详解：

板块运动与区域拉张应力：

• 地球的岩石圈（地壳和上地幔顶部）被划分为多个板块。在某些板块边界（如离散型边界）或板块内部特定区域（如大陆裂谷带、弧后盆地），板块运动导致地壳受到水平拉张（伸展）应力。
• 例如：
  • 大洋中脊： 两个板块相互分离，地幔物质上涌形成新的洋壳，两侧板块被拉离。
  • 大陆裂谷（如东非大裂谷）： 大陆地壳在拉张作用下开始分裂、减薄和下沉。
  • 盆岭省（如美国西部）： 地壳在拉张作用下形成一系列平行排列的山脉（地垒）和盆地（地堑），正断层是主要构造。

应力积累与岩石变形：

• 在持续的拉张应力作用下，地壳岩石（尤其是脆性的上部地壳）会发生变形。
• 最初，岩石通过弹性变形来储存能量，就像被拉长的橡皮筋。岩石内部积累了巨大的弹性应变能。
• 当应力超过岩石的弹性极限时，岩石开始发生脆性破裂，形成断层。在拉张环境下，形成的断层类型主要就是正断层。断层面的倾角通常较陡（大于45度）。

断层闭锁与应变能持续积累：

• 断层一旦形成，其两侧的岩石并非持续不断地滑动。断层面通常是粗糙不平的，断层两侧的岩石之间存在强大的摩擦力和岩石强度。
• 此外，断层带可能被断层泥、角砾岩等摩擦系数较高的物质填充，或者受到上覆岩层巨大重量的正应力（垂直于断层面的压力）压制。
• 这些因素导致断层“闭锁”或“卡住”。即使区域拉张应力持续作用，断层两侧的岩石也无法自由滑动。
• 在这个“闭锁期”，断层两侧的岩石被持续地拉离其“自然位置”（即没有应力时的位置），弹性应变能持续不断地积累。断层上盘被“挂住”，无法向下滑动释放张力。

应力克服阻力 - 断层滑动（地震发生）：

• 随着时间推移，积累的弹性应变能（即积累的应力）越来越大。
• 当积累的应力最终超过了断层面上的摩擦力、岩石强度以及正应力的阻力时，断层突然“解锁”。
• 闭锁点瞬间破裂，上盘岩块在重力作用和积累的弹性回跳力驱动下，沿着断层面迅速向下滑动。
• 这个突然的、快速的滑动位移就是地震的本质。滑动可能发生在几秒到几十秒的时间内。
• 积累的巨大弹性应变能在滑动过程中被瞬间释放出来，大部分能量以地震波的形式向四面八方传播，引起地面震动，这就是我们感受到的地震。

弹性回跳与震后调整：

• 滑动发生后，断层两侧的岩石会回弹到相对无应力的状态（或接近无应力状态），这个过程称为弹性回跳。这是地震能量释放的主要机制。
• 一次大的主震滑动后，断层及其周围区域应力状态发生剧烈变化，通常会引发一系列较小的余震。这些余震是断层系统在新的应力状态下进行调整，寻找新的平衡点过程中发生的较小规模滑动。
• 断层滑动产生的位移称为同震位移，在地表可能表现为陡坎或裂缝。

关键特征总结：

• 驱动力： 水平拉张（伸展）应力。
• 运动方式： 上盘相对于下盘向下滑动。
• 构造背景： 主要发生在拉张构造环境，如离散板块边界（大洋中脊）、大陆裂谷带（东非裂谷）、活动伸展区（美国盆岭省）、弧后盆地等。
• 震源机制： 地震波辐射模式显示为正断层型，即震源处岩石的破裂和滑动方向符合正断层运动学特征。
• 地表效应： 可能产生正断层陡坎（上盘一侧地面下降形成的陡坡），在强烈活动区形成地堑（两侧下降的洼地）和地垒（两侧上升的山脊）。

理解要点：

• 正断层地震是地壳在被拉薄、拉断的过程中能量突然释放的结果。
• 断层“闭锁”是能量积累的关键阶段，而“解锁”滑动则是地震发生的瞬间。
• 弹性回跳理论是解释地震能量释放的核心机制，同样适用于正断层地震。
• 识别正断层地震对于理解区域构造应力场（拉张）和评估地震灾害（特别是在裂谷区和盆岭区）至关重要。

简单来说，想象地壳像一块被两边拉开的厚布。当拉力足够大时，布上会产生一道裂缝，裂缝一侧的布块会突然向下掉一点。这个“突然向下掉”的过程，就是正断层地震。持续的拉力（板块运动）提供了能量，裂缝（断层）的卡住和突然松开导致了能量的积累和瞬间释放。