月球引力异常 或为地震前兆：强潮汐激发地震的新证据

               杨学祥

   地震和月球到底有没有关系?这是近百年来始终困扰科学家的问题。如今，日本防灾科学研究所和美国加州大学洛杉矶分校的研究人员组成的联合研究小组终于证实：月球引力影响海水的潮汐，在地壳发生异常变化积蓄大量能量之际，月球引力很可能是地球板块间发生地震的导火索。

   我在2003年发表文章指出，潮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.

   我们在2004年发表文章指出，计算和模拟表明，强潮汐激发地震火山活动。

参考文献

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.

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。

相关报道：

月球引力异常 或为地震前兆

2014-06-12 11:06:14 科技讯 我有话说(0人参与)  

       【科技讯】6月12日消息，月球是地球唯一的天然卫星，同时也是晚上的指路明灯！“小时不识月，呼作白玉盘；又疑瑶台镜，飞在青云端。”就是描写月亮的代表诗句！在民间也流传着嫦娥奔月、吴刚伐桂、玉兔捣药等许多动人的神话故事。然而，就是这个月亮，却也会给人类制造麻烦，成为灾难的罪魁祸首！

月球引力异常 或为地震前兆

       地震和月球到底有没有关系?这是近百年来始终困扰科学家的问题。如今，日本防灾科学研究所和美国加州大学洛杉矶分校的研究人员组成的联合研究小组终于证实：月球引力影响海水的潮汐，在地壳发生异常变化积蓄大量能量之际，月球引力很可能是地球板块间发生地震的导火索。

       海水的自然涨落现象就是人们常说的潮汐。当月亮到达离地球最近处(我们称之为近地点)时，朔望大潮就比平时还要更大，这时的大潮被称为近地点朔望大潮。 科学家已经就潮汐对地震的影响猜测了很长的时间，但到目前为止还没有人论证过它对全球范围的影响效果，以前只发现在海底或火山附近，地震与潮汐才呈现出比较清楚的联系。研究者发现，地震的发生与断面层潮汐压力处于高度密切相关，猛烈的潮汐在浅断面层施加了足够的压力从而会引发地震。当潮很大，达到大约2-3米时，3/4的地震都会发生，而潮汐越小，发生的地震也越少。

       伊丽莎白.哥奇兰说：“月球引力影响海潮的潮起潮落，地球本身在月球引力的作用下也发生变形。猛烈的潮汐在地震的引发过程中发挥了很大的作用，地震发生的时间会因潮汐造成的压力波动而提前或推迟。”

       加州大学洛杉矶分校地球与空间科学系教授约翰.维大说：“地震起因还是一个谜，而这一理论可以说是其中的一种解释。我们发现海平面高度在数米范围内的改变所产生的力量会显著地影响地震发生的几率，这为我们向彻底了解地震的起因迈出了坚实的一步。”

http://www.kejixun.com/article/201406/49076.html 

原文附件：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.

海底扩张的潮汐模式

 杨学祥

(1.   吉林大学地球探测科学与技术学院,长春130026; 2. 中国科学院国家天文台，北京100012)

摘  要: 2000年6月底, 东京以南的伊豆岛开始发生火山与地震活动. 此后, 在伊豆岛观测到异常的地壳变形. 8月底,火山与地震活动达到高潮. 分析结果认为, 地壳变形是由伊豆岛的岩脉侵入引起的, 并且与强潮汐天文条件相对应. 根据观测和计算数据提出了海底扩张的潮汐模式.

关键词: 潮汐, 火山, 地震群, 海底扩张, 太平洋地壳跷跷板运动.

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].

潮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.     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.

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1  宫岛(Miyakejima)的地震频率 (引自吉野泰造 等, 2002)

Fig.1 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].

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

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).

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2).

图2 潮汐引起的海面升降与太平洋地壳的跷跷板运动

Fig 2. 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25px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25px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 = 1500px, L = 10000km代入公式得p = 2×10⁷ 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.

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40~1500px. 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, 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.

5.     地震、火山和气候证据

1964年、1982年和2000年都有4次发生在两极地区的日偏食，它们间隔3个沙罗周期（沙罗周期为18年零10.33—11.33天），有相同的日食条件。1964年有2次月全食，1982年有3次月全食，2000年有2次月全食，1966年、1984年和2002年都没有月食。它们有相似的天文条件, 而1982年潮汐最强, 形成了20世纪仅次于1997-1998年的厄尔尼诺事件^[3]. 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，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日短短一个月内的强潮汐阶段^[11]。

    在1988年, 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. 观察一致性经常是发现的根据, 审查有用的数据指导我们注意个别特例. 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^[14]. 事实上, 在厄尔尼诺现象发生前后, 东西太平洋海面高度分别升降1000px, 水均衡作用使洋壳反向升降325px. 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. 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.

对于全新世, 特别是千年尺度的厄尔尼诺和南方涛动变化, 人们知之甚少. 古气候研究记录了全新世有选择周期的厄尔尼诺变化, 但是大多数纪录对分辨研究千年规模的变化来说, 既少又不充分. 这里, Christopher M. Moy et al (2002) 提出南厄瓜多尔Laguna Pallcacocha沉积纪录. 这个纪录受到ENSO变化的强烈影响, 连续覆盖了过去12000年. 他们发现了2~8年时间尺度的变化, 他们把它归因于暖ENSO事件. 从全新世一直到1200年前频繁变化, 后来下降到现在. 与高低潮ENSO活动相关的时期, 以2000年时间尺度交替发生, 叠加在这个长期趋势上.他们把这个长期趋势归因于日射率轨道变化引起的,并且认为, ENSO内部动力可能起源于千年变化. 然而, 千年振荡需要其它ENSO标志物的纪录确认^[15].

六年前, 通过分析大西洋底的沉积层，发现地球的寒冷期和温暖期出现有规律的波动，波动周期大约为1500~1800年，与地球、月亮和太阳相对位置的变化引起潮汐强度的变化周期是一致的。潮汐振荡可以解释周期大约为1500~1800年的气候变化. 强潮汐可以增大垂直方向海水的混合, 潮汐大时，有更多来自海洋深处的冷水被带到海面。这些冷水可以冷却海洋上方的空气，使气候变冷。潮汐小时，海洋深处的冷水很难被带到海面，世界就变得暖和^[16]。我们认为, 潮汐振荡也是气候千年振荡的重要原因.

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,这也正是蒙德极小期^[17]. 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. 对宇宙飞船测量数据的分析确定,太阳的辐射输出变化于0.1~0.3%的水平上. Eddy等人估计,气候响应与正常发生的变化相比是很小的——太阳常数的变化至多使地球表面的温度受到零点几度的扰动，问题的关键是能够激发低层大气发生变化的机制^[18]. 郭增建最近提出的海震调温假说就是一个很有说服力的机制^[19].

太阳活动低值使气温降低,极地冰盖开始向中低纬度扩展.由于一部分赤道区域的海水通过雨雪转变为高纬度大陆的冰川,从而产生地表物质从赤道向两极的大规模迁移.根据地壳均衡和水均衡原理,两极冰盖增加的地壳加载下沉,赤道海洋海水减少的地壳卸载上升^[20].这是多强震与小冰期对应的原因.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^[19].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.在第四纪最末一次冰期与间冰期交替中,海洋有130m厚的水层曾转变为两极的冰盖,海洋地壳相应有43m的升降运动^[20].综合分析表明,气候变化与构造运动是相互影响的.离开了构造运动,我们就无法理解气候的巨大变化^[21].

6.     负荷潮使大洋中脊底部软流层发育的模型估算

池顺良和骆鸣津用一个简单的二维有限元模型估算负荷潮在洋壳和地幔中产生的能耗量级及其分布特点,相应产热率为0.3~0.5μW/m³, 已超过相应深度上地幔的放射性产热率 ^[2]. 大洋中脊处的洋壳在潮汐负荷振荡中反复反向升降, 潮汐振荡产生的热能是大洋中脊底部软流层发育的原因. 研究表明, 潮汐能在固体地球中的散布, 可能对岩浆的发生和海底扩张的机制起决定作用.只有约3%的来自地表的热流是由潮汐能造成的,但仅凭这些热流已足以以产生每年约30km³的岩浆.白垩纪的潮汐强度比目前增大20%,这是白垩纪火山活动强烈的重要原因^[17,18].

7.     结论

理论计算和实验检验表明, 潮汐震荡是地壳运动的一种可靠动力, 内波假说值得深入研究. 海底扩张的潮汐模式目前仅仅是一个数学模型, 2000年7-8月的日本伊豆岛的岩脉侵入事件也只是一个小规模的检验. 如果能用同样的方法检验大洋中脊的岩脉侵入与潮汐的相关性, 那么海底扩张的潮汐模式就是一个可检验的数学模型.

参考文献

[1] 池顺良, 锺荣融, 杨洪之,等. 大地构造和海陆起源的内波假说. 地壳形变与地震. 1996, 16 (1) : 1~17.

[2] 池顺良, 骆鸣津. 海陆的起源. 北京: 地震出版社, 2002. 66, 91.

[3] 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

[4] 杨学祥, 陈殿友. 构造形变、气象灾害与地球轨道的关系. 地壳形变与地震,2000,20（3）: 39~48.

[5] 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.

[6] 杨学祥. 岩石圈伸缩的机制与规模. 地壳形变与地震. 1996, 16 (3) : 89~94.

[7] 吉野泰造, 国森裕生, 胜尾双叶,等. 2000年夏季用”基石”网络观测到东京地区的地壳变形. 地球物理学报, 2002, 45 (增刊): 151-156

[8] 杨学祥. 预测重大灾害的天文学方法与能量放大器. 见: 中国地球物理学会年刊2001. 昆明: 云南科技出版社, 2001. 327.

[9] 李家林, 张元东. 特殊天象组合期与地震发震关系的检验及应用. 地震, 1993, (3): 32-37.

[10] 杨学祥, 陈震, 乔淇源.  2002年厄尔尼诺事件的天文条件. 西北地震学报, 2002, 24（2）: 190-192.

[11] 杨学祥. 大洋地壳的跷跷板现象. 科学技术与工程. 2003, 2(1): 已发表.

[12] 韩延本, 李志安, 赵娟. 由地球自转的年际变化预测厄尔尼诺事件. 地球物理学进展. 2000,15(3): 112~114

[13] 杨学祥, 术洪亮. 环太平洋地震带与柯里奥利力. 西北地震学报, 1995, 17（4）: 13~16.

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

[15] Christopher M. Moy, Geoffrey O. Seltzer, Donald T. Rodbell, David M. Anderson. Variability of El Nino/Southern Oscillation activity at millennial timescales during the Holocene epoch. Nature, 2002, 420: 162~165.

[16] Fred Pearce. Tidal warming: Is the moon turning up the Earth’s thermostat? New Scientist, 2000, 166 （2232）: 12.

[17] 马宗晋, 杜品仁. 现今地壳运动问题. 北京: 地质出版社, 1995. 99.

[18] Eddy J A, Gilliland R L, Hoyt D V. Changes in the solar constant and climatic effects. Nature. 1982, 300: 689.

[19] 郭增建. 海洋中和海洋边缘的巨震是调节气候的恒温器之一. 西北地震学报. 2002, 24(3): 287.

[20] 杨学祥. 地壳形变与海平面变化. 地壳形变与地震. 1994, 14(4): 29~37

[21] 杨学祥.  厄尔尼诺现象的构造基础与激发因素. 西北地震学报, 2002, 24（4）：367-370

[22] 杨学祥, 陈殿友. 火山活动与天文周期. 地质论评. 1999, 45 (增刊): 33-42.

[23] P. J. 威利. 动力地球学. 朱夏 译, 北京: 地质出版社, 1978. 301.

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