厄尔尼诺发生在地震活跃年

——厄尔尼诺事件中的太平洋地壳跷跷板现象

   杨学祥，杨冬红

（吉林大学，长春130026）

    摘  要：在厄尔尼诺现象发生前后, 东西太平洋海面高度分别升降60cm, 水均衡作用使洋壳反向升降20cm. 由此形成的东西太平洋地壳跷跷板运动是厄尔尼诺现象与地震火山活动一一对应的原因.

    关键词：厄尔尼诺,水均衡作用,跷跷板原理, 地震群, 火山.

1．  问题的提出

    1994年，李宪之提出了一个令人深思的问题：为什么1991年大地震时间特别集中并且发生在火山爆发期？日本云仙岳火山和菲律宾皮纳图博火山以及塔阿尔火山，同在一个断层构造带上。当岩浆向上冲击时，容易同时爆发。云仙岳火山在1991年5月24日、6月3日和6月8日三次爆发；塔阿尔火山自1991年3月12日起频繁颤动，于4月2日一天中震动了27次。接着，皮纳图博火山在4月4日爆发，6月9日、6月15日和6月26日又有三次爆发。在4月5日至6月20日两个半月内亚太地区发生了5次大于7级的大地震。大地震较多、地点分散、时间集中，是显著特点。这样特殊的现象，按一般地震理论是难以解释的^[1]。1991年初春，在太平洋东部北纬9度里瑟地区2500米洋面下，发生了一次火山爆发。

    1991年5月发生了厄尔尼诺事件，它是1991年春夏两季自然灾害的主要原因。进一步研究发现，火山地震活动是厄尔尼诺现象中的一个重要环节。

2．  厄尔尼诺事件中太平洋水均衡运动与跷跷板现象

    周春平综合Wyrtki K.(1982)、王宗山等（1990）、张先恭等（1990）、林传兰（1991）、蔡亲炳等（1993）的研究成果，总结了赤道太平洋海面高度的变化与El Nino事件的密切关系。在El Nino期间海平面高度变化一般有四个发展阶段：第一阶段，El Nino前期由于信风加强，暖水在西太平洋堆积，斜温层变深，西太平洋海面高度一般可高出常年平均20~30cm，相反东太平洋海水高度比常年平均低20~30cm，形成“西高东低”的形势；第二阶段，El Nino事件爆发的当年，西太平洋海面高度迅速下降到正常高度以下，暖水以开尔文波的形式向东传播，而东太平洋的海面高度迅速上升到正常高度或以上；第三阶段，在El Nino盛行阶段，西太平洋海面高度强烈地降低，东太平洋海面高度强烈地上升，这时暖水仍以开尔文波的形式不断地向东传播，到达南美沿岸，然后反射，以罗斯贝波向西传播，整个赤道太平洋海面高度形成“东高西低”的形式；第四阶段为海平面高度恢复阶段，在El Nino衰退过程中，西太平洋暖池海面高度逐渐恢复到正常高度，东太平洋海面高度则下降到正常高度^[2]。

    赤道信风使暖水集中在赤道西太平洋，冷水集中在赤道东太平洋，温差为3~9^oC，高差为40~60cm^[2]、。当厄尔尼诺到来时，情况发生逆转。由于地壳均衡原理和水均衡作用，有                     

hρ₁ = Hρ₂                              （1）

其中, h为洋壳上升高度,ρ₁为洋壳密度，H为海面下降高度，ρ₂为海水密度。由上式可算出，东西太平洋地壳在厄尔尼诺前后至少分别升降13~20cm，引发地震活动和火山活动。厄尔尼诺引发的地壳均衡运动具有东西太平洋地壳反向升降的特点。我们称之为太平洋地壳“跷跷板运动”，与南方涛动的气压变化跷跷板现象一一对应。它是微力放大的典型事例,即较小的东西赤道太平洋上空气压反向变化,增强或减弱赤道信风,引起东西赤道太平洋海面的反向变化和相应的地壳均衡运动。

    图1 厄尔尼诺事件和太平洋地壳跷跷板运动.

    Fig 1. El Nino event and “seesaw movement” in Pacific Crust

    设跷跷板支点为坐标原点，如图1所示，东西太平洋海面斜线的近似表达式为

y = Hx/L                                 （2）

其中，2L为东西太平洋地壳长度；2H为东西太平洋海面高差；x为横坐标变量。取一段宽1cm长2L的东西向太平洋地壳，在x处所受压力增量微元和力矩微元分别为

dp = ydx                                 （3）

                dM = xydx                                （4）

其中，p表示增高的海水对洋壳的压力；M表示增高的海水产生的力矩，取海水的密度为1g/cm³。在区间[0，L]上积分后得增减海水在东西太平洋地壳产生的力矩分别为

M = HL²/3                                 （5）

这相当于在宽1cm长2L高为洋壳厚度的跷跷板两端分别施加的反向力为

p = M/L = HL/3                            （6）

将H = 20cm，L = 10000km代入公式得p = 6.67×10⁶ kg。这样大的力足以使东太平洋海隆张裂和闭合，或使西太平洋海沟下沉和岛弧抬升。

    在拉尼娜事件和厄尔尼诺事件的转换中，赤道东风和西风的转换使东西太平洋海面高差反向升降40-60厘米，破坏了原有的地壳均衡，使洋壳反向升降13-20厘米，形成环太平洋地震带的地壳跷跷板运动。季风的转换进一步增强海面高差，使中国强震多发生在1月和7月^[3,4]。

    如图1 所示，当赤道信风使西太平洋海面增高和东太平洋海面降低时，西太平洋地壳下降，形成海沟处的消减带，挤压地下流体上喷形成西太平洋暖池，或向西部大陆和东部大洋的地壳下流动，形成岛弧火山和大陆火山；东太平洋地壳相对抬升，使东太平洋海隆和沿岸断裂带张开，岩浆和热气喷出，形成海底火山，加热海水及其上方空气，降低大气压，减弱赤道信风，使太平洋西部暖水东流，形成厄尔尼诺。信风减弱使东太平洋海面增高和西太平洋海面降低，东太平洋地壳下降，使东太平洋海隆闭合下降,挤压地下流体向东部大陆和西部大洋的地壳下流动，挤压新生大洋地壳向大陆地壳之下运动；西太平洋地壳相对抬升，使西太平洋岛弧断裂张开，岩浆喷出，形成陆地火山。若火山在中太平洋莱恩群岛一带喷发，则会出现中太平洋表面海水首先增温的情况。

    科里奥利力使上升物体西移，下降物体东移^[5]。所以，西升东降的断裂处于引张状态，有利于火山喷发（图1中a情况）；东升西降的断裂处于挤压状态，不利于火山喷发（图1中b情况）。这是厄尔尼诺发生后火山活动逐渐变弱的原因。赤道大陆火山喷发时，炽热的火山灰升入高空，在赤道信风和科氏力作用下向西飘移，使大气受热膨胀自转变慢，增强赤道信风；而冷却的火山灰云团收缩、下降并在科氏力作用下向东飘移，减弱太阳辐射，使大气对流层变冷收缩自转变快，增强赤道西风，减弱赤道信风。赤道陆地火山喷发是厄尔尼诺发生的延迟因子，赤道海底火山喷发是厄尔尼诺的激发因子。

3．  火山地震活动影响厄尔尼诺的证据

    厄尔尼诺与火山地震活动密切相关。对1763年以来的19次强厄尔尼诺事件进行的统计表明，70%以上的厄尔尼诺事件都发生在太平洋地震活动年，特别是1900年以来的7次强厄尔尼诺事件几乎无一例外地全都出现在太平洋地震活动年^[6];70%以上的厄尔尼诺年都为火山活跃年^[7]。1990年战淑芸根据地震统计资料得出赤道东太平洋海水增暖的年份全球地震增多的结论。1950~1979年期间，共有15个暖水年，其中12年均发生了8级以上强震，几率高达80%。根据公元前2000～公元1979年重大地震统计结果，在厄尔尼诺年，地中海、土耳其至帕米尔、喜马拉雅东段、东南亚、中国大陆及日本、台湾一带为地震多发区；厄尔尼诺后一年，美洲西部太平洋沿岸一带为地震多发区，与东西太平洋海面反向变化相关^[8]。侯章栓等对近百年全球气候变化与外强迫因子信号检测结果表明，火山活动是影响ENSO的最重要外强迫因子^[9]。它不但揭示了地球流体、构造活动与气候变化的关系，而且使厄尔尼诺的海底火山说^[10]、引潮力说^[5]和地球扁率变化说^[11]得到有力的支持。

    火山喷发物到达的高度为1—40 km；持续时间为几星期至10多年。低纬度火山喷发能扩散到全球，在中高纬度保持最大浓度，最后在极冠落下。火山灰减弱太阳辐射，对中高纬度的影响最大。1963年3月印度尼西亚巴厘岛上的阿贡火山爆发，1980年5月美国圣海伦斯火山大爆发，造成次年太阳直接辐射减少量都在15%以上，使北半球平均温度下降。滞后于火山喷发18个月，我国有一个显著的低温期。1951年到1985年，我国东北地区有6个夏季低温冷害年，其中5年都发生在2级以上火山喷发后1－2年^[5]。建国以来，最严重的4个夏季低温冷害年为1957，1969，1972，1976年，与厄尔尼诺事件同时发生^[12]。低纬度地区火山喷发是厄尔尼诺事件发生的延迟因子^[13].

    东太平洋海隆有加拉帕戈斯三合点，中太平洋莱恩群岛一带有活火山分布。太平洋暖池与地幔热气排放相关^[14]，海底火山在秘鲁和厄瓜多尔西边海域的加拉帕戈斯三合点和热点喷出会加速厄尔尼诺现象形成^[11]。海底火山比大陆火山要强烈得多，平均每年至少有100km³的岩浆溢出海底，释放的热能为4.5×10²¹J^[10]。模拟试验表明，冷水下沉和热水上升，都是沿类似热幔柱状的连续通道上下运动，与周围热交换极少，符合刘厚赞等模拟计算结果，即地幔排出的热液会很快覆盖海洋表面^[11]。海底探测资料表明，东北太平洋洋脊有两个地热排泄区，位于12~24^oN，110^oW和 40~50^oN，135^oW。大量岩浆由洋脊轴部溢出形成海底火山活动带。1982-1983，1986-1987，1991-1992年3次厄尔尼诺事件形成前这两个地热排泄区（1982-1983年只有其中一个）表层海水均有持续发展的海面水温（SST）正距平区^[10]。

    证据显示从1964到1987年南方涛动五个最低值和沿东太平洋隆起从20^oS 到 40^oS插入式的地震活动之间相关. 这个地区包含了地球上最广阔的山脉体系之一, 巨大的能源在那里通过海底火山和热液活动释放出来.两个截然不同的现象——厄尔尼诺和地震群——不顾它们无规律的循环速率和周期, 看上去几乎是同时发生的. 同样, Daniel A. Walker (1995) 发现, 在过去最持久的六个厄尔尼诺与最反常的插入式地震活动相一致, 它们在1964到1992年沿东太平洋隆起从15^oS 到 40^oS同时发生. 根据海底火山作用和热液活动, 东太平洋隆起从15^oS 到 40^oS地区是地球上有据可查的最活跃地区, 在这个地区微小相同的变化或大气压力范围的转移对引发厄尔尼诺的作用是公认的. 如果这个地区的热活动没有被海洋覆盖, 这些活动将被认为是引起厄尔尼诺的重要因素^[15].

表1 全球8级以上地震、全球中源和深源7级以上8级以下地震与厄尔尼诺事件关系^[2,16,17]

Table 1 Relation between earthquakes and El Nino events ^[2,16,17].

注：根据张家诚的归纳，#表示王绍武确定的厄尔尼诺年，拉斯莫森确定的最强厄尔尼诺年为+，次强为*，一般为 - 。据周春平的归纳，1979年为弱厄尔尼诺年。1981~1983年的数据为国家地震局分析预报中心二室发表的地震资料，其中7级地震为全球全部7级以上8级以下地震。

    厄尔尼诺前后东西太平洋海面高度反向变化产生的地壳均衡和水均衡，是地震活动的激发因素，因此，厄尔尼诺前后一年内必有增强的地震活动。从1904年到1980年，仅有1934年一年例外（见表1）^[2,16,17]。地震活动的韵律是预测厄尔尼诺事件的重要依据。

    骆高远对位于赤道西太平洋俯冲带的菲律宾群岛、新几内亚岛及位于赤道太平洋洋中脊附近的墨西哥高原南部海区等三地区M_S≥7级地震总次数与1900年以来的厄尔尼诺事件的统计表明，有80%以上的厄尔尼诺事件都发生在地震活跃年。相反，在此期间12个无地震的年份无一出现厄尔尼诺现象^[18]。骆高远关于地震和火山活动与厄尔尼诺事件对应的统计结果与我们的统计结果完全一致。

      1982年全球共发生M_S≥7级地震18次。除1月19日爱琴海中7级地震和12月16日的阿富汗7级地震发生在亚欧地震带内，其余均发生在环太平洋地震带内^[18]。大地震时间特别集中并且发生在火山爆发期并不是1991年独有的现象。1982年墨西哥的厄奇冲火山于3月25日和4月4日两次喷发^[7]，在3月21日日本北海道的7.3级地震之后发生。从此时开始到年末，东西太平洋地震带交替发生了14次7级以上大地震，其中有7次发生在5月31日到6月30日的短短一个月内（见表2）^[19]，形成明显的地震群发事件。1982年5月发生了20世纪第一个最强烈的厄尔尼诺事件，太平洋地壳跷跷板运动是其形成机制。

表2  1982年全球7级以上地震目录^[19]

                      Table 2. List of earthquakes u pwards 7 degree in 1982^[19]

    对1989年6月~2008年5月全球8级以上地震的统计表明，1989年4月至2011年6月计22年，发生拉尼娜和厄尔尼诺的时间为144个月，约12年，平常年份的时间为10年。这期间全球共发生8级以上地震25次，其中在平常年份的为8次，在拉尼娜年和厄尔尼诺年的17次，后者比前者增加一倍。拉尼娜和厄尔尼诺开始和结束时段是8级以上特大地震频发期（见表3）。

      1976年7月28日唐山发生7.8级地震，1975年2月4日海城发生7.3级强烈地震，1966年3月8日5时29分，河北省邢台发生6.8级地震。与此对应的是，1965年5月至1966年3月发生了厄尔尼诺事件，1974年9月至1976年2月发生了拉尼娜事件，1976年6月至1977年3月发生了厄尔尼诺事件。中国东部强震与拉尼娜事件和厄尔尼诺事件也有很好的对应关系。

  表3  1989年6月~2011年5月全球巨震与拉尼娜和厄尔尼诺的关系

4．  结论

    统计表明，厄尔尼诺事件发生在地震活跃年，其形成机制为太平洋地壳的跷跷板运动。在拉尼娜事件和厄尔尼诺事件的转换中，赤道东风和西风的转换使东西太平洋海面高差反向升降40-60厘米，破坏了原有的地壳均衡，使洋壳反向升降13-20厘米，形成环太平洋地震带的地壳跷跷板运动。季风的转换进一步增强海面高差，使中国强震多发生在1月和7月。

      1976年7月28日唐山发生7.8级地震，1975年2月4日海城发生7.3级强烈地震，1966年3月8日5时29分，河北省邢台发生6.8级地震。与此对应的是，1965年5月至1966年3月发生了厄尔尼诺事件，1974年9月至1976年2月发生了拉尼娜事件，1976年6月至1977年3月发生了厄尔尼诺事件。中国东部强震与拉尼娜事件和厄尔尼诺事件也有很好的对应关系。

参考文献

1.       李宪之. 亚太地区1991年春夏两季自然灾害的探讨[J]. 北京大学学报(自然科学版), 1994, 30(3): 355~360.

2.       周春平. 大洋暖池及其影响[M]. 北京: 气象出版社, 2001. 1, 84.

3.       杨学祥，韩延本，陈震，乔琪源。强潮汐激发地震火山活动的新证据。地球物理学报。2004，47（4）：616-621。

4.       杨冬红，杨德彬，杨学祥。地震和潮汐对气候波动变化的影响。地球物理学报。2011，54（4）：926-934.

5.       郭增建, 秦保燕, 郭安宁. 地气耦合与天灾预测[M]. 北京: 地震出版社, 1996. 116－117, 135－138, 212.

6.       张丽欣. 厄尔尼诺——来自天道的警告[J]. 北京: 科学普及出版社, 1999. 315~316.

7.       高庆华, 胡景江, 徐炳川 等. 地壳运动问题[M]. 北京: 地质出版社, 1996. 131, 135.

8.       战淑芸. 厄尔尼诺事件和地震活动[M]. 见: 中国科学技术协会学会工作部 编, 全国减轻自然灾害研讨会论文集(1990). 北京: 中国科学技术出版社, 1990.  302~305.

9.       侯章栓, 李晓东. 近百年全球气候变化与外强迫因子信号检测[J]. 北京大学学报(自然科学版), 2000, 36 (5): 641－650.

10.   刘厚赞,刘辉,俞永强. 海底火山喷发引发厄尔尼诺事件的数值模拟[J]. 气象学报. 1998,56(5): 602~610.

11.   杨学祥. 厄尔尼诺事件的时空特征及其地球物理解释[J]. 中国学术期刊文摘. 2001, 7（4）：509~510.

12.   任振球. 全球变化[M]. 北京：科学出版社, 1990. 60, 72-74, 81, 88, 105.

13.   杨学祥.  2001年发生厄尔尼诺事件的天文条件. 地球物理学报, 2002, 45（增刊）: 56-61

14.   杜乐天. 自然灾害可能的深部流体肇因[J]. 地学前缘, 1996, 3 (4): 298~305.

15.   Walker, D. A., More Evidence Indicates Link Between El Ninos and Seismicity. Eos. 1995,76 (4): 33,34,36.

16.   张家诚, 李文范 等. 地学基本数据手册[M]. 北京: 海洋出版社, 1986. 186~196.

17.   张家诚. 再见, 厄尔尼诺. 上海: 上海科学技术出版社, 1999.21~22.

18.   骆高远。我国对厄尔尼诺、拉尼娜研究综述。地理科学。2000，20（3）：264~269

19.   国家地震局分析预报中心二室. 一九八二年震情[J]. 地震, 1983, (1): 47 ~ 48.