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从海城地震到唐山大地震：地壳的折断机制及其地球物理征兆

已有 4897 次阅读 2022-9-17 09:48 |个人分类:全球变化|系统分类:论文交流

从海城地震到唐山大地震：地壳的折断机制及其地球物理征兆

吉林大学：杨学祥，杨冬红

关键提示

折断铁丝的实验

直接拉断一段铁丝是很困难的，一般人是做不到的。但是，我们要折断一段铁丝很容易，可以反复多次折曲，直到其断裂。在这个过程中，我们会发现铁丝反复折曲部分会发热，是折曲过程中分子摩擦产生的。

在日月潮汐力的作用下，地球的形状和扁率也是不断变化的，经度线和纬度线也会发生反复折曲和胀缩运动。我们称之为地球的呼吸。

计算表明，日月大潮与月亮赤纬角最小值相遇（日、月、地在赤道面成一线）使地球扁率变大，地球自转减慢，低纬度地区地球表面地壳纬向扩张，径向收缩，有利于南北挤压东西张裂的地震和火山喷发；日月大潮与月亮赤纬角最大值相遇使地球扁率变小，地球自转变快，低纬度地区地球表面地壳纬向收缩，径向扩张，有利于东西挤压南北扩张的地震和火山喷发。这是不同地区不同类型的地震在不同的潮汐组合发生的原因。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-717618.html

https://blog.sciencenet.cn/blog-2277-1251106.html

天长日久的潮汐形变导致的海底扩张，是板块运动的动力。

潮汐形变是地震的主要动力

地震又称地动、地振动，是地壳快速释放能量过程中造成的振动，期间会产生地震波的一种自然现象。地球上板块与板块之间相互挤压碰撞，造成板块边沿及板块内部产生错动和破裂，是引起地震的主要原因。

全球地震每年约发生近1500000次，平均每天4000余次，其中有感地震和弱震占到99.898%。其中年平均次数的详细数据如下：5.0-5.9级地震为1669,67次，6.0-6.9级地震为148.58次，-7.0-7.9级地震为14.33次，8级以上地震为1.33次。

日月引潮力使地球海洋潮汐半日产生60厘米的震荡起伏，固体地壳半日产生20厘米的起伏震荡，是小地震发生的主要动力。大震的发生次数很少，需要长期的应力积累，潮汐是激发因素。潮汐造成地壳的膨胀和收缩的交替，是海底扩张的周期性动力。

当潮汐形变导致地球扁率变大，赤道和低纬度圈扩张；当潮汐形变导致地球扁率变小，赤道和低纬度圈收缩。一张一缩形成海底扩张的潮汐模式（见图1）

图1 潮汐形变导致的海底扩张

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[4-6].

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.

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。

[收稿日期] 2003 – 02 – 03 收到, 2003―00―00 收到修定稿.

[基金项目] 国家自然科学基金项目(批准号:49774228)和吉林大学社会科学精品工程项目.

[作者简介] 杨学祥, 男, 1947年生, 教授, 主要从事地球动力、全球变化和自然灾害研究.

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

Fig.2 Frequency of earthquakes at Miyakejima (from TAIZOH Yoshino et al, 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1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2.5cm/月, 三浦

相对于鹿岛的移动速率是1.5cm/月, 这与过去3年的平均运动速率(1.4cm/月和1.3cm/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5cm和3cm^[7].

表. 1 2000年强潮汐天文条件及Miyake岛地震火山活动

Table 1. The astronomical condition in 2000 and activities of earthquakes and volcanoes at Miyakejima

http://www.yidianzixun.com/article/0LnmSFGC

表. 1 2000年强潮汐天文条件及Miyake岛地震火山活动

Table 1. The astronomical condition in 2000 and activities of earthquakes and volcanoes at Miyakejima

近地点时间日食月食潮汐极端事件

年月日时农历日月日月日弱R 强Q

2000 4 9 6.1 5 R La Nina事件末期

2000 5 6 17.2 3 Q 强潮汐天文条件初期

2000 6 3 21.4 2 QQ 6月26日Miyake岛发生群震

6月27日Miyake岛发生火山活动

2000 7 2 6.3 1 07-01 07-16 QQQQ 地震活动最强时期

2000 7 30 15.7 29* 07-31 QQQ 地震活动最强时期

2000 8 27 21.9 28* Q △LOD极小值,地震活动次强时期

2000 9 24 16.4 27 R 9月Miyake岛地震活动基本停止

注：29*和28*表示当月没有30.

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”^[8,9]. 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^[10].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).

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2).

图3 潮汐引起的海面升降与太平洋地壳的跷跷板运动

Fig 3. Sea level changes by the tides and “seesaw movement” in Pacific Crust

设跷跷板支点为坐标原点, 如图2所示, 东西太平洋海面斜线的近似表达式为

y = Hx/L （1）

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 （2）

dM = xydx （3）

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 （4）

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 （5）

将H = 60cm, L = 10000km代入公式得p = 2×10⁷kg. 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.

如图2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^oC, 高差为40~60cm. 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, 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^[3,11]. 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2a)和日长变化(△LOD)取得极小值是这个时期的主要特点^[12].

科里奥利力使上升物体西移, 下降物体东移^[13]. 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2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2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.

地壳反复折曲导致的热效应、压电效应、电磁效应是地震的前兆

距唐山地震发生前半年多：1975年12月，河北省地震地质大队1976年地震趋势意见上报国家地震局：从河北省乐亭至辽宁省敖汉旗一锦州一带及其东南渤海海域，可能发生大于6级地震（旱震理论）。

距唐山地震发生前不到半年：1976年初，唐山市地震办公室负责人杨友宸，综合唐山市四十多个地震台站的观测情况，在唐山防震工作会议上作出中短期预测：唐山市方圆50krn内1976年7、8月份或下半年的其他月份将有5—7级强震发生。“

距唐山地震发生前3个月：1976年5月，杨友宸在国家地震局济南地震工作会议上郑重提出：唐山在近两三个月内有可能发生强烈地震!”（杨友宸1968年受命组建唐山市地震办公室。创建了唐山地区基层的各地震监测台、站、点，准确的收集了唐山地震前的资料，包括地磁异常、地电异常、地温异常、地下水异常）

距唐山地震发生前22天：1976年7月6日，开滦马家沟矿地震台马希融正式向国家地震局、河北省地震局作了短期将发生强震的紧急预报。“（地电异常）

距唐山地震发生前21天：1976年7月7日，山海关一中地震科研小组向河北省、天津市和唐山地区地震部门发出了书面预报意见：7月中下旬，渤海及其沿岸陆地有6级左右地震。”

距唐山地震发生前14天：1976年7月14日，北京市地震队电告国家地震局，出现七大异常（旱震理论）。国家地震局查志远副局长主持在唐山召开了京津唐张渤群测群防经验交流会。唐山二中田金武郑重发出地震警报：1976年7月底8月初，唐山地区将发生7级以上地震，有可能达到8级。赵各庄矿地震台姜义仓在唐山市地震办公室会商会上正式提出：唐山即将发生5级以上破坏性地震。

距唐山地震发生前12天：1976年7月16日，乐亭红卫中学向河北省地震局唐山监测中心台发出书面地震预报意见：7月23日前后，我区附近西南方向将有大于5级的破坏性地震发生。”

距唐山地震发生前6天：1976年7月22日，汪成民在国家地震局局长门口糊了平生第一张大字报。一页是地震趋势预报：北京队、天津队和地球所的预报意见。另一页是地震短临预报：河北队、地震地质大队、海洋局情报所和地震测量队的预报意见。山海关一中地震科研小组再次向河北省、天津市和唐山地区地震部门发出了书面预报意见：7月中下旬，渤海及其沿岸陆地有6级左右地震（旱震理论）。

参考文献

1. 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.

2. 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.

3. 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

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. http://www.geophy.cn/CN/volumn/home.shtml

5. 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

解密唐山大地震的预测？

2022-06-12 16:54:06　来源: 文史旅研究上海

从海城地震到唐山大地震，看我国建国后地震预报的历史

编辑：徐厚冰

一、海城大地震的预测

海城大地震一般被认为是人类历史上迄今为止，在正确预测地震的基础上，由官方组织撤离民众，明显降低损失的唯一成功案例：

1975年的2月4日0时30分，辽宁省的相关部门根据2月1日到3日在海城和营口交界地带出现小震活动和自然界宏观异常情况发出了地震简报，当4日上午10时30分，辽宁省政府向全省发出临震预报。地震预报后，省政府和震区各市、县马上采取了一系列应急防震措施。

当晚北京时间19点36分，辽宁省海城地震发生，地震强度达里氏7.3级（矩震级7.0级），震源深度为16－21公里。由于及时预报和采取了避险措施，海城大地震仅造成了一千三百多人的死亡，但在受灾人口超过800万的情况下，遇难者的数字其实已经大大缩小了。研究表明，如果没有事先的预报防范，可能会造成超过15万人的伤亡，以说把地震造成的损失最小了。

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我国地震台准确地预报了1975年的海城大地震，这令我国乃至全世界的地震工作者们倍感欣喜，它开创了人类短临地震预报成功的先河，使人们看到了地震预报的前景是光明的。然而，人们不禁要问，一年后的唐山大地震为什么没能预报出来。其实，唐山大地震也有前期预报：

二、唐山地震预测

距唐山地震发生前半年多：1975年12月，河北省地震地质大队1976年地震趋势意见上报国家地震局：从河北省乐亭至辽宁省敖汉旗一锦州一带及其东南渤海海域，可能发生大于6级地震。

距唐山地震发生前3个月：1976年5月，杨友宸在国家地震局济南地震工作会议上郑重提出：唐山在近两三个月内有可能发生强烈地震!”

距唐山地震发生前22天：1976年7月6日，开滦马家沟矿地震台马希融正式向国家地震局、河北省地震局作了短期将发生强震的紧急预报。“

距唐山地震发生前14天：1976年7月14日，北京市地震队电告国家地震局，出现七大异常。国家地震局查志远副局长主持在唐山召开了京津唐张渤群测群防经验交流会。唐山二中田金武郑重发出地震警报：1976年7月底8月初，唐山地区将发生7级以上地震，有可能达到8级。赵各庄矿地震台姜义仓在唐山市地震办公室会商会上正式提出：唐山即将发生5级以上破坏性地震。

然而，在7月28日唐山大地震前一天或当天，我们并没有准确预测到地震的发生时间，为什么呢？

众所周知，地震是目前地球的地质灾害中最难预测的一种，是世界公认的科学难题，在国内外都处于探索阶段。有关方法所观测到的各种可能与地震有关的现象，都呈现出极大的复杂性；科研人员所作出的预报，特别是短临预报，主要是经验性的。