地震的潮汐模式 瞬时应力释放和长期应力积累

                               杨学祥，杨冬红（吉林大学）

1. 月震的启示

据网上资料，发生在月球上的地震叫月震。1969年美国科学家乘阿波罗号飞船首次踏上了月球，在月球上架设了 5台地震仪，能连续向地球发回月震记录资料，从此人类开始了月震观测与研究。

1.1    月震的观测

虽然月球的内部能量已近于枯竭似乎是一个几近僵死的天体，但受天体引力以及陨石撞击等影响,仍然有轻微的应力活动，因此经常有微弱的月震发生。

1969年7月，阿波罗11号飞船航天员登月后在月球静海西南角设置了检测月震的仪器。此后，相继在月球着陆的几艘阿波罗飞船先后在风暴洋东南、弗拉-摩洛地区、亚平宁山区的哈德利峡谷、笛卡尔高地和澄海东南的金牛-利特罗峡谷放置了月震仪。月面上的6台月震仪组成了检测月震的网络，它可以记录月震发生的时间、位置、强度和震源深度。至1977年8年为止，月球上的月震仪共监测到10000多次月震活动。测震仪每年会记到600-3000次月震，震级多数很小，大约不到2级.而从1972年到1977年之间记录的月球表层30千米以内发生的月震次数28次。值得注意的是,这些月震强度不仅足以震动日常家居，而且使月球上的硬岩层持续震动长达数分钟，远比地震时地球软岩石层震动时间长。诱发月震的确切原因尚不清楚，有人认为是由月坑中的滑坡引起。无论诱发原因是什么，将来在月球上建造经得起频繁月震考验的建筑物有一定的参考价值.。

从月震图上可以看出来，月震和地震很不一样，一个小地震可使远方的地震仪持续一分钟，而在月球上要持续一小时，震幅迅速增大后，衰减十分缓慢，这有趣的现象科学家认为可能和月球上缺水和岩石的破裂性质有关。

月震比地震发生的频率小得多，每年约1000次。月震释放的能量也远小于地震，最大的月震震级只相当于地震的2级~3级。月震的震源深度可达月球表面以下700千米~1000千米处，月球半径只有1700多千米;而地震的震源深度仅几千米到670千米左右，不及地球半径的十分之一。月震波在月球内部要多次反射回返，浅源月震持续时间1.5小时左右，深源月震由于震级一般相对浅源月震小，故持续时间相对稍短，陨石撞击激发月震波可持续3小时，甚至更久。而地球上这种小地震的地震波在地球内部传播的持续时间不超过10分钟。由此可见月球内部对月震波的吸收能力远弱于地球内部，地震波随着在地球中传播及折射、反射、绕射能量衰减较快，而月震波能量在传播过程中损耗则非常慢。

1.2 月震发生原因

科学家们通过长期的研究认为，太阳和地球的起潮力是引发月震的主要原因，此外，太阳系内的小天体(如陨石、彗星碎块)撞击月球时，也可以诱发较大的月震，比如1972年7月17日21时50分50秒，在月球背面靠近莫斯科海附近，一块重约1吨的巨大陨石撞击月球，产生了一次3.5级~4级的月震。另有一类来历还不明的月震，在几天内每隔几小时反复发生。月震的稀少意味着月球内部是固态的，而且其内部中心温度较低。

1.3 月震研究价值

了解月球内部结构的最好方法就是研究月震波，有人打过一个比喻，说地震波好比一盏灯把地球内部的结构给照亮了，这就是科学家为什么急于在月球上安装测震仪。

月球上没有水，也没有空气，是个非常安静的地方，它不像神话中讲的那么有情趣，测震仪每年会记到600-3000次月震，震级多数很小，大约不到2级，这使人们想到，月球表面尽管很平静，内部仍然十分活跃。测震仪还能记到陨石撞击月球产生的月震波，登月球的科学家为了研究月球的内部结构，还要在月球上制造人工月震，来计算月震波的波速。根据对月震波的研究，发现月球的绝大部分是固态，也大致分三层，外壳、中间层和月核，月核比固体软，但可能还不是液态。

2. 地震的潮汐模式

地球上每年发生的大大小小的地震总计有500多万次，其中只有5万次是人们可以感觉到的有感地震。每年发生可能造成破坏的中等以上地震约有1000次左右，其中能造成严重破坏的大地震约有一、二十次。

根据对月震的观测和研究，太阳和月球的起潮力应该是引发2级以下小地震的主要原因，对于2级以上的地震，引潮力具有激发作用。

2.1 潮汐形变、地球呼吸和地震能量瞬时释放

地球上每年发生的大大小小的地震总计有500多万次，平均每天14700次，是地球潮汐形变产生的瞬时能量释放，只有潮汐引力才能才能具有这样巨大的应力。事实上，地震火山释放的能量为10^17-18焦耳，地表潮汐摩擦能量为 10 ¹⁹焦耳，潮汐能量是小震的可靠能源

事实上，潮汐形变导致固体地壳震荡幅度为20厘米，海洋振幅为60厘米，大气潮振幅为465米。对于被7大板块和深大断裂分割的地球表面，地表断裂每时每刻都处于引张和收缩的运动之中。海水的涨落是可见的，固体潮的涨落是可测的，地球自转速度的周期变化就是证据。

应用三轴椭球壳转动惯量计算公式的计算结果表明，地球各圈层潮汐形变的规模不相同，大气圈的起伏约为46520厘米，海洋圈的起伏大约为60厘米，固体地球的起伏约为20厘米，比例为2326：3：1，可以对比的是，空气、水、地壳的密度比为3：1：0.00129,是2326：3：1的倒数。

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表1  大气潮、海洋潮和地球固体潮的振幅比较

被忽视的大气潮南北震荡：高达465米的大气潮振幅对全球气候变化的影响值得关注。

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2.2 激发大震积累应力：海底扩展的潮汐模式

地球的潮汐形变导致地球扁率周期变化，从而形成地球转动惯量的周期变化和自转速的周期变化。地球扁率变大，自转速度变小，低纬度全扩张，高纬度圈；地球扁率变小，自转速度变大，地纬度圈收缩，高纬度圈扩张。扩张导致新地壳在大洋中脊生成，收缩导致旧地壳在俯冲带消减，由此形成大洋地壳的新旧交替和环太平洋地震火山带的地震火山活动。这是地球自转速度变化与地震相关的原因，也是我们通过地球自转速度变化周期预测地震的理论基础。

2.2.1.         问题的提出

由地幔对流驱动的海底扩张模式遇到了新的困难, 最新的地震层析成像技术并没有提供这方面的可靠证据, 人们提出的种种质疑有助于地球动力学的发展[1].

汐波动理论从最直观的地表潮汐波动现象出发, 论证了潮汐振荡对地球各圈层的动力学意义[2].这种尝试是值得赞赏的, 是十分有意义的. 为了检验该理论, 本文计算了潮汐振荡产生的力矩规模, 并给出了海底扩张的潮汐模式.

2.2.2  地壳潮汐形变的数值计算

对潮汐运动的最新计算结果表明, 月亮在赤道时产生的半日潮使大气对流层、水圈和液核分别有54181864、43275和3103 km3的体积绕固体地球向西运动, 形成赤道高空风、西向海潮和液核表层西向漂移. 由于大陆地形的阻挡, 形成大气、海洋和液核的涡旋、湍流和异常大潮以及冷暖海水的上下和东西向振荡与混合. 岩石圈和下地幔分别有2754和10599 km³的体积胀缩, 是其中熔融部分流动、上涌和喷发的动力. 太阳相对地球在南北回归线之间的摆动, 使流体相对固体南北振荡与混合. 地球在春分和秋分扁率变为最大, 形成赤道大潮, 两极高纬地区分别有6605998、5251和368 km³体积的大气、海水和液核流体通过临界纬度（35^o）流向赤道, 并在科里奥利力和西向引潮力作用下加速向西漂移, 使各圈层自转速度变小, 差异旋转速度增大, 高纬地区排气排液活动强烈, 其中大气对流层日长增加最为显著, 为97s, 是岩石圈日长增加值（0.00027s）的359259倍. 地磁活动在两分点达到最大值是其证据[3]. 潮汐形变引起的全球性地壳容积和地表面积变化的计算实例,可参看文献[6-10].

实际上，由于潮汐形变导致地球扁率变小，每年4月9日-7月28日及11月18日-1月23日为地球自转加速阶段；由于潮汐形变导致地球扁率变大，1月25日-4月7日及7月30日-11月6日为地球自转减速阶段。快慢时段的昼夜时间（日长）长短的差别不超过几千分之几秒，但是这种变化可以影响到气象事件，与计算值量级完全相符。

图1 潮汐形变导致赤道圈周期性扩展和收缩

    对于一个封闭完整的弹性地球, 上述计算值只能给出地球弹性形变的规模. 但是, 对于岩石圈具有复杂断裂系统的地球, 上述计算值就给出了地下流体流动、上涌和喷发的可能性和规模. 

       在赤道圈一张一缩的运动中，大洋中脊不断扩张，海沟消减带持续下沉，最终形成海底扩张的潮汐模式。当消减带下插运动遇到阻碍，地应力开始积累，突破阻力而发生大震。大陆内部深大断裂也有类似的扩展机制，其规模要小于赤道圈，扩张速度也要小于赤道圈。

2.2.3.    观测证据

据科学时报 2002年9月6日2版报道，2000年6~8月，历史上记录到最活跃的密集地震袭击日本Izu半岛南部60公里的区域，其中7000次震级大于或等于3，5次大于或等于6。该密集地震伴随着Miyake火山的几次蒸气和碎石喷发。

图2  宫岛(Miyakejima)的地震频率 (引自吉野泰造等, 2002)

自1996年以来, 在东京都地区的4个台站用空间大地测量技术进行了地壳变形观测. 这个项目称为”基石”计划(Keystone Project, KSP). 2000年6月26日, 东京以南约150km的Miyake岛发生群震. 6月27日,又开始火山活动. 地震活动见图2所示. 可以看出, 7月和8月的地震活动较多. 在此之后, “基石”网络观测到异常的地壳变形. 地震活动于2000年9月基本停止.2000年6月26日至9月15日期间, 馆山相对于鹿岛的移动速率是62.5px/月, 三浦相对于鹿岛的移动速率是37.5px/月, 这与过去3年的平均运动速率(35px/月和32.5px/月)相比是相当大的. 吉野泰造等人把这个现象解释为伊豆岛的岩脉侵入.估计模型计算得到的岩脉参数是:长20km, 深3 ~ 15km, 张开5m. 根据该参数模型计算得到位移场. 馆山和三浦站的位移分别是125px和75px[7].

    月球与强潮汐、地球排气、厄尔尼诺、臭氧洞扩大、旱涝、地震有关系的重要条件是“近地点兼朔、望”, 以及月球赤纬角变化（极大/小值对应涝/旱年）和各大行星的配合. 张元东称之为“特殊天象组合期” . 

    强潮汐(简记为强或Q)的标准是, 月亮近地潮和日月大潮两者同时出现. 若两者与日月食同时出现则为较强潮汐, 三者或前两者同时在春分点、秋分点和近日点附近（前后不超过15天）出现为最强或较强潮汐. 三者的时间最大差不超过3天.通过2000年强潮汐天文条件与日本Miyake岛地震火山活动对比, 我们发现在月平均尺度上, 强潮汐天文条件与地震火山活动有很好的对应关系(见表1).

表. 1  2000年强潮汐天文条件及Miyake岛地震火山活动

Table 1. Theastronomical condition in 2000 and activities of earthquakes and volcanoes atMiyakejima

注：29*和28*表示当月没有30.

2.2.4.    海底扩张的潮汐模式

为了计算方便, 我们将潮汐引起的海面升降简化为平面模型(见图3)

图3 潮汐引起的海面升降与太平洋地壳的跷跷板运动

如图3所示, 当潮汐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. 当潮汐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.

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℃, 高差为40~60厘米. 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13~20厘米, 引发地震活动和火山活动, 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, 与潮汐引起的太平洋地壳“跷跷板运动”完全相同. 两者叠加, 相互加强. 这就是日本Miyake岛地震和火山在2000年与拉尼娜事件末期的强潮汐时段同时发生的原因.地球自转最快、西太平洋海面上升到最高值(见图3a)和日长变化(△LOD)取得极小值是这个时期的主要特点.

科里奥利力使上升物体西移, 下降物体东移. 所以, 西升东降的断裂处于引张状态, 有利于火山喷发和岩脉侵入（图3中a情况）; 东升西降的断裂处于挤压状态,不利于火山喷发和岩脉侵入 (图3中b情况). 这是日本伊豆岛的岩脉侵入发生在1998年6月~2000年6月强拉尼娜事件末期（图2中a情况）的原因.。

在地球形成的早期阶段，地球和月亮距离比现在更近，潮汐引力也更大，潮汐扩张速度也更快。

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2.2.5 最新观测检验

2019年6月的数据显示，6级以上地震受潮汐组合控制，具有双周循环的潮汐波动特征。自2019年1月1日开始至6月30日截止，潮汐波动规律明显存在。

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地震活动在5-6月弱潮汐时期进入高潮，7-10月将进入强潮汐时期。

我们在2019年3月16日指出，白令海今冬异常消融：预示俄罗斯、美国和加拿大特大地震威胁。

白令海峡今冬异常消融，有两个可能原因需要关注：

其一、变暖导致海冰以及山地冰川消融，破坏阿拉斯加、阿留申和勘察加半岛的地壳均衡，引发阿拉斯加和堪察加特大地震，填补两地地震空区。

其二，白令海峡今冬异常消融，是地下热能释放的结果，与加拿大和美国2018年以来多次极端灾害有关。地震是最后一个可能选项。

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中国地震台网正式测定：07月05日01时33分在美国加利福尼亚州（北纬35.71度，西经117.51度）发生6.4级地震，震源深度10千米。专家预测，未来几周发生另一场大于6.4级地震的几率为9% ，一次大于5级的几率为20%。

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7月6日11时20分，美国加州又发生6.9级地震 ，大震预测初步得到证实。

7月4日12时30分加拿大夏洛特皇后群岛地区发生6.2级地震。

7月7日23时08分，印尼东部发生6.8级地震。

7月9日19是33分俄罗斯鄂霍次克海发生5.4级地震。

7月10日2时 43分美国福克斯群岛发生5.3级地震。

7月12日巴布亚新几内亚发生5.8级地震。

7月14日印度尼西亚哈马黑拉岛发生7.1级地震。

7月15日巴布亚新几内亚发生6.1级地震。

7月21-25日潮汐组合中出现6级地震缺失。

环太平洋地震带南北地震遥相呼应 ，潮汐南北震荡特征明显。北美和东南亚呈现跷跷板运动。

目前，白令海峡仍然处于热异常状态。

7月27日巴坦群岛海域连续发生三次5级地震，5.3级、5.9级、5.5级地震。

7月28日日本本州南岸近海发生6.4级地震。

7月30日日本本州东岸远海发生5.5级地震。

2019年8月有两次最强潮汐组合，关注8月地震高潮。

2019年7月4日和29日白令海峡热异常（红色）对比，日本海温由冷变暖。意大利也在热异常区。

2019年7月31日萨尔瓦多附近海域发生5.8级地震。

2019年7月31日瓦努阿图群岛海域发生6.7级地震。

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参考文献

1. 杨冬红，杨学祥。全球变暖减速与郭增建的“海震调温假说”。地球物理学进展。2008 Vol. 23 (6): 1813～1818

2. 杨冬红，杨德彬。日食诱发厄尔尼诺现象的热-动力机制。世界地质。2010，29（4）：652-657.

3. 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.

4. 杨冬红，杨学祥. 全球气候变化的成因初探. 地球物理学进展. 2013, 28(4): 1666-1677.

5. 杨冬红, 杨学祥.北半球冰盖融化与北半球低温暴雪的相关性. 地球物理学进展,2014,29(2): 610-615.

6. 杨冬红， 杨学祥. 自然灾害的周期研究及其成因探讨. 黑龙江气象. 2017.第34卷第4期P13-15.

7. 杨学祥, 宋秀环, 刘淑琴.  地球潮汐形变的数值评价.  地壳形变与地震.  1997,17(2):53-58.

8. 杨学祥. “地球呼吸”的气候证据. 中国学术期刊文摘. 2001, 7（2）：223~224

9. 杨学祥. 海底扩张的潮汐模式. 大地测量与地球动力学. 2003,23(2): 77-80.

10. 杨学祥, 陈震,陈殿友. 岩石圈伸缩的机制和规模.  地壳形变与地震. 1996,16(3): 89-94.