流体运动与地震等自然灾害的关系研究

                         杨冬红¹，杨学祥¹

(1.吉林大学地球探测科学与技术学院,长春130026)

摘  要：本文建立了潮汐-均衡模式的球面模型的计算公式，计算表明，对于圆心角大于90度的海洋地壳板块，潮汐变化产生的地壳均衡运动累加力矩数值巨大，等效应力为10⁸N，足以形成板块相对运动，产生地震活动和火山喷发。一个明显的事例就是，准60年的拉马德雷准周期对应着全球灾害、世界经济长波、中国地震灾害和台风灾害。

关键词：流体运动，跷跷板运动，太平洋十年涛动，世界经济长波，地震，台风，火山

      Research on the Relation between Liquid Movement and Nature Disaster such as Earthquakes and so on

YANG Dong-hong¹  YANG Xue-xiang¹   

(1. College of Geo-exploration Science and Technology, Jilin University, Changchun 130026)

Abstract: In this paper, a calculation formula on spherical pattern of tide-isostasy model is established. Through calculation, it is indicated that for the oceanic crust plate which central angle is move than 90°, a huge numeral value (its equivalence is 10⁸ N) of accumulative force moment in the crustal isostatic movement caused by tide can trigger off relative motion of plate, resulting in earthquake and volcanic eruption. For example, about 60 years’ La Madre paracycle corresponds to the global disasters, world economic long-term fluctuation, earthquakes, volcanoes and typhoon disasters.

Keywords: tide-isostasy model, seesaw motion, Pacific Decade Oscillation, world economic long-term fluctuation, earthquake, typhoon, volcanoes

1．  问题的提出

中新网9月7日电科学时报报道，一项早已被科学家普遍接受的地震理论如今遭到了“重创”。一个由美国地质学家组成的研究小组通过对加利福尼亚州洛杉矶市附近的圣·安德里亚断层进行研究后发现，一场大规模的地震之前并非一定要有一个较长的断层休眠周期^[1]。

在地震史上，地球的南、北极地区还从未发生过任何级别的地震，这一奇异的地质现象一直是地质学界的一个未解之谜。美国的科学家经过30多年的观测研究认为，巨大的冰层是造成南极大陆和北极的格陵兰岛内陆地区没有发生过任何地震的主要原因^[2]。一个明显的反例是，美国科学家在研究了美国宇航局(NASA)科学卫星从太空拍摄的照片和利用了计算机模拟方法之后得出结论，阿拉斯加州南部冰川的加速融化会引起全球气候变暖，并大大提高该地区发生强烈地震的概率^[3]。同理，北极冰盖的融化将导致频繁地震，事实并非如此。

由此看来，人们对引起地震的原因仍不清楚，有进一步研究的必要。

2．  理论计算

最新计算结果表明，潮汐使巨量地球流体相对固体作差异旋转运动。为了计算方便，杨学祥将海面升降简化为平面模型^[4]。实际上，潮汐变化是在地球表面形成的椭球面起伏变化，平面模型仅仅是一级近似。相差90度圆心角的海洋表面由高潮（或低潮）到低潮（或高潮）的变化，正好形成此起彼伏的跷跷板式运动，由此形成的海水压力增减，使洋壳产生跷跷板运动。为了更精确地计算球面潮汐引起的地壳跷跷板运动，我们在本文建立潮汐-均衡模式球面模型的计算公式。

在球面上截取一圆截面，半径为R，圆心角φ所对应的弦长为L，由余弦定理，有

  L = (R² + R² – 2R² cosφ)^1/2 = 2Rsin(φ/2)                        （1）

设海平面增高数量h为φ的线性函数，即

   h = kφ                                                    （2）

增加的海水压力微元为

df = dm g = g a hpds =a k gpφR dφ                               （3）

以0点为支点，力臂为L，增加的海水压力微元产生的力矩微元为

   dM = L df cos(π/2 – φ/2) = 2a k gpR²φsin²(φ/2)dφ             （4）

在圆心角φ的闭区间[0，b]上积分，得力矩为

M = 

=  a k gpR²φsin²(φ/2) dφ= 2akgpR²(b²/2 – bsinb+ 1 – cosb)      （5）

最大等效压力为

f = M/L = akgpR(b²/2 – bsinb+ 1 – cosb)/sin(b/2)                       （6）

将k = 60,a = 25px，R = 6371km,b = π/3，L = 6371km代入公式得f = 10⁸N.这个结果比平面模型的计算结果更准确。对于同样的力臂L= 6371km,平面公式的计算结果是P = 1.2×10⁸N。可见，两种结果有相同的数量级。

3．  资料证据

首先，地震的发生是地球本身在不断变化的表现，是震源所在处的物质发生形体改变和位置移动的结果，同大海会有波涛汹涌，天空会有风云变幻一样，是一种自然现象。地球上每天都在发生地震，而且多到一天就要发生一万多次，一年约有500万次。其中约5万次人们可以感觉到；能造成破坏的约有1000次；7级以上的大地震平均一年有十几次。9秒钟就发生一次地震的频率，显然不是应力积累的结果，而是潮汐瞬时应力作用于地表板块裂隙而产生微小裂变的结果。在地球潮汐形变作用下，板块边界处于不断粘连胶结和错动断裂交替运动之中。长期的微小裂变可导致地壳断裂，并导致强震发生。研究微震规律可以探明强震的成因，强潮汐至少是激发因素^[4]。潮汐高潮与低潮变化在赤道最大，大约为60-2000px；在两极最小，半日潮变化很微小，半月大小潮变化只有15-500px。以此解释地球的南极、北极地区还从未发生过任何级别地震的地质现象，具有更大说服力。

其次，在小冰期时期，强潮汐与强震同时发生。据2000年3月份出版的美国国家科学院论文集所公布的研究结果指出，目前气候变化与1,800年潮汐周期相关，强潮汐将深海冷水上翻到表面，使全球气候变冷。研究人员指出，就千年时间尺度而言他们关于潮汐的假说得到了一浮冰碎片沉积记录的支持，说明海洋水体的冷却接近于为强潮汐强迫所预报的时间。据Keeling的计算，大约在1425年即小冰期的末期，潮汐达到了最大值，从那以后逐渐减弱，直到3100年潮汐又达到最大值。这个周期是过去1万年气候变迁的主要动力。这个效应使地球的温暖期从小冰期末期一直持续到24世纪^[5]。

在1425年即小冰期的末期，潮汐达到了最大值。从15至17世纪的200余年内，世界上强震很多，其它自然灾害也很集中，这也正是蒙德极小值期。与之对应的中国华北第六地震活动期，延续了200多年，其间发生了4次8级地震，7次7级地震，其后的平静期延续了85年，未发生任何大于6级的地震^[6]。这个时期太阳活动处于极小值,人们往往把它当作小冰期气候产生的原因。实际上，单凭太阳辐射能量变化不足以解释气候的巨大波动。郭增建提出的海震调温假说就是一个很有说服力的机制^[7]。海洋及其周边地区的强震可使海洋深处冷水迁到海面，使水面降温，冷水吸收较多的二氧化碳，从而使地球降温。这个机制放大了太阳活动低值的降温效果，使更多赤道地区的海水转变为两极地区的冰盖。强潮汐、全球气候变冷和强震多发在小冰期的对应关系，为强潮汐激发强震提供了证据^[8]。

第三，地震与强降水有对应关系。我们在2001年发现，沙漠区主要分布在无震区^[9]。降雨不仅与外来云团有关，而且与当地的地下气体喷发有关，热点和构造活动的释热释气作用能产生降水再循环的类似于陆地植物的蒸发作用。这就是汤懋苍的地气涡流说。雅鲁藏布江“大峡弯”是地球强构造活动的热点，也是全球降水量最多，热带森林纬度最高的气候变化启动区^[10]。对比马宗晋等给出的20世纪中国大陆及临区五个地震活动幕的时空分布^[6]和高庆华等给出的20世纪中国七大江河流域严重洪涝灾害发生年份^[9]，可以明显看到地震等构造活动与特大洪涝灾害之间的对应关系。对比全球地震带，沙漠带，构造活动带和水系分布图可以发现，沙漠区主要分布在无地震，少水系，构造相对稳定的地台和地盾，如撒哈拉大沙漠、阿拉伯半岛和澳大利亚西部^[9]。30年代、50年代和90年代严重洪涝灾害时期与第二、第三、第五地震活动幕相对应。1920~1937年，1946~1957年，1990~2003年发生在长江、黄河源头的强震幕是30、50、90年代严重洪涝灾害的重要原因^[8,9]。由此看来，2003年12月23日重庆开县井喷与2004年9月2-7日重庆开县又遭受暴雨洪水的袭击确有因果关系。由此推知，在沙漠区开发地气资源，形成人工地气耦合，可以改变沙漠气候。人工开发地下气体的环境效应不容忽视。潮汐形变就是地球内部在断裂带的吸气和排气过程。

第四，全球气候和强潮汐都有准60年周期，强潮汐、低温冻害、强台风与强震对应。太平洋表面海水的冷暖变化影响其上空的高速气流，形成太平洋十年涛动(PDO)，亦称“拉马德雷”现象。近100多年来，“拉马德雷”已出现了两个完整的周期。第一周期的“冷位相”发生于1890年至1924年，而1925年至1946年为“暖位相”；第二周期的“冷位相”出现于1947年至1976年，1977年至2000年为“暖位相”。在20世纪的气候记录中有两段时期全球气温明显变暖：1925年到1944年，1978年至2000年。20世纪的两段变暖时期(1925-1944年，1978-2000年)与“拉马德雷”的“暖位相”对应。如果“暖位相”的“拉马德雷”与“厄尔尼诺”相遇，将使其更强烈，出现的次数更频繁；假如“冷位相”的“拉马德雷”与拉尼娜”现象相遇，那么“拉尼娜”将显示强劲的势头，出现频繁^[8]。在厄尔尼诺年，登陆我国的台风个数减少。从2000年开始，“拉马德雷”正在进入“冷位相”阶段，这将使“拉尼娜”现象的影响加剧：使厄尔尼诺强度减弱，使登陆我国的台风频度增加。2004年8月12日晚，今年第14号台风“云娜”登陆浙江省就是一个预警信号。它恰恰就是1956年以来该地区经历的最强一次台风。预测中的2005年或2007年拉尼娜事件将可能使中国有较强的台风灾害。“拉马德雷”的“暖位相”和“冷位相”两种形式交替界线1890、1924、1946、1977和2000年大致处于四个强震幕的边界附近，这绝不是巧合。它说明气圈、水圈和岩石圈的物质运动、重力位变化和角动量交换与强震密切相关^[8]。

世界气候变化经历了20世纪初的低温期、30-40年代的温暖期、60-70年代的降温期和80年代后的迅速增暖期。2000年“拉马德雷”已经进入“冷位相”，一个新的变冷时期正在开始^[5]。1957、1969、1972和1976年发生的严重低温冷害恰好在1947年至1976年“拉马德雷”第二周期的“冷位相”和60-70年代的降温期。这表明，今后20年内厄尔尼诺事件发生后，我国低温冷害的发生几率也随之增加。2004年厄尔尼诺发生后，预防厄尔尼诺期间发生低温冷害已迫在眉睫。预测中的2008年的厄尔尼诺事件可能发生强低温冷害。

第一次世界经济长波上升期出现在1795至1825年。第二次世界经济长波的上升期出现在1850至1873年。第三次世界经济长波上升期出现在1890至1913年。第四次世界经济长波的上升期发生在1945至1973年。第五次世界经济长波应起始于20世纪90年代末，也就是说21世纪头20年是第五次世界经济长波的上升期。对比可知，世界经济长波的上升期对应拉马德雷的“冷位相”，世界经济长波的下降期对应拉马德雷的“暖位相”。由于1914年爆发了第一次世界大战，使第三次世界经济长波上升期提前结束。这一一对应的变化，明确反映了全球气候变化对世界经济的重要影响和强潮汐影响全球气候的客观性^[11]。

第五，强潮汐与厄尔尼诺的相互影响。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40~1500px。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，东西太平洋地壳在拉尼娜事件和厄尔尼诺事件交替中至少分别升降13~20cm，引发地震活动和火山活动，造成太平洋海温异常升高。由此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，与潮汐引起的东西太平洋海面1500px高差相叠加，相互加强。这是厄尔尼诺前后强潮汐激发地震火山作用非常明显的原因^{[4，8，9，12]}。国外研究表明，热带地区火山爆发可引发厄尔尼诺现象。根据厄尔尼诺气候急剧变化的时间记录与1649年以来记录在案的热带地区火山爆发的时间进行比较后发现，每当有一次火山爆发，当年冬天出现厄尔尼诺现象的几率就会增加一倍^[13]。

在月亮赤纬角（月球轨道的白道面与赤道面的交角）最大值年（周期为18.6年，赤纬角由18.6^o增大为28.6^o）1949-1951、1968-1970、1986-1988、2005-2007，潮汐的南北震荡最强烈，由此产生的海温均衡效应有利于厄尔尼诺的发生。其中，1951、1969、1986-1987都是厄尔尼诺年。2005-2007年中必有厄尔尼诺年。

我们做了2004年5-8月和11-12月为强潮汐预报^[14]。5-8月强潮汐导致同期的强烈地震和火山喷发，地震相对强潮汐有明显的滞后期，是2004年发生厄尔尼诺的有利条件。

4．  2005年预测

根据日食-厄尔尼诺系数和海温准两年振荡，我们在2003年就预测一次弱厄尔尼诺将发生在2004年或2006年^[8，15]。一般日食-厄尔尼诺系数为10就可以发生厄尔尼诺，2004年的系数为8.5，因此只能发生弱厄尔尼诺，且有可能隔年发生。我们也预测此次厄尔尼诺可能持续到2005年5月以前。

2004年11月-2005年3月的强潮汐，加强圣诞节前后东太平洋海面的季节性增暖，使厄尔尼诺现象达到高潮。2005年5-9月是一个很长的强潮汐时期，4月8日和10月3日的日食发生在低纬度地区，有利于拉尼娜形成。由于目前处在拉马德雷的冷位相，拉尼娜现象强烈，所以，拉尼娜可能发生在2005年5月，也可能后延到2007年^[8，15]。在2004年11月-2005年3月和2005年5-9月强潮汐时期，地震等灾害发生可能比较集中，登陆我国的台风频度增加。与2004年相反，2005年全球低温将是主要趋势，我国先旱后涝（春旱夏涝）可能性极大，要加强预防。我们预测，2005年5月前发生厄尔尼诺事件，中国将发生干旱；2005年6月后发生拉尼娜事件，中国将发生洪涝。

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