特大地震的气候周期：冰川地壳均衡与地震的关系

                            杨学祥，杨冬红

一、美国地震、地幔对流和冰川地壳均衡的关系

据中国科学报张章2015年08月27日报道，美国西部地震频繁，很可能是因为地幔对流的缘故。

图1 冰川地壳均衡、地幔对流和美国地震分布图对比

为什么某些地震会发生在远离板块边界的地方是个长期存在的问题，而本周发表在《自然》上的一篇论文提供了一种可能的解释。这项研究表明这种板块内的地震与地壳下的对流有关，这种对流叫作地幔对流。

在美国西部，板块内的地震活动主要集中在从北到南的叫作山间带的区域当中。南加州大学Thorsten Becker和研究团队使用最近从地震波计算出的地幔流动模型预测该区域中的地震活动空间分布。他们的研究结果表明，地幔中的物质的运动与对流，尤其是地幔的主动上涌都可能有助于引起地震。

这项研究提出的分析地震活动的方法有应用于其他出现大陆变形的地区的潜力。这些研究结果突出了地幔流在塑造地貌从而导致大陆变形和构造板块地震活动中起到的关键作用，同时对于研究板块内地震和相关危害有重要意义。

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我们的研究表明，近期美国西部地幔上涌是由冰川融化导致的地壳均衡运动引发的（见图1）。冰川增加导致的地幔对流见图2。

图2 冰川增加导致地壳均衡运动引发的地幔对流

二、冰川地壳均衡的气候周期

我们在《地震和潮汐对气候波动变化的影响》一文中指出，强震与全球气候变化关系的地球物理解释是：全球变暖导致的海平面上升，破坏了地壳的重力均衡，引起加载的海洋地壳均衡下沉，由此而引发的深海强震和海啸又将迫使深海冷水上翻到海洋表面，从而将会引发全球变冷。这就是大自然的自调节作用。文章发表在《地球物理学报》2011年第4期上。

当全球变暖使海平面上升积累到一定高度时，地壳均衡使洋壳下降收缩，强烈的挤压导致环太平洋地震带8.5级以上强震频发，形成拉马德雷冷位相；当全球变冷两极冰盖增大使海平面下降到一定高度时，地壳均衡使洋壳上升在大洋中脊处扩张，这是强震在PDO暖位相较少，甚至不发生的原因。

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根据地质学的地壳均衡理论（单位均衡面上的物质柱体质量相等），大陆冰盖融化，负载减少，大陆地壳要均衡上升；海平面上升，负载增大，海洋地壳要均衡下降。斯堪的纳维亚半岛在1万年前有2000米厚的冰盖融化，已经均衡上升了500米，并将继续上升200米。同样，全球平均海平面上升了130米，洋壳均衡下降了43米（地壳与水的密度比大约为3：1）。所以，斯堪的纳维亚半岛并没有因为海平面上升而被淹没。对于没有冰盖的大陆，海平面的实际上升仅87米，减少了三分之一。洋壳下降挤压下方岩浆流向大陆地壳底部，使沿海大陆均衡上升。由于地球表面是球面，洋壳下降，球面半径缩小，洋壳将插入到大陆地壳之下，使大陆边缘受到挤压和抬升。

气候变化导致的冰川期与温暖期交替，形成地表巨量海水在两极冰盖、大陆冰川和大洋海盆之间往返转移，相应的地壳均衡运动迫使地下软流层发生反向流动，推动地壳运动，达到地壳重力均衡。在地球的球面上，地壳均衡不仅能产生地壳的垂直运动，而且能产生地壳水平运动。

图3  两极冰盖压裂地球地壳

由图3中可以看到，两极生成的巨厚冰盖可以压裂地壳，形成两极地壳下沉和赤道地区的最大张裂；冰盖消失后，形成两极地壳的上升和赤道地区的挤压。相同的圆心角在不同半径的球面所对应的弧长是不同的，由于海水增加，海洋地壳AB弧下降到CD弧时，圆心角变大，只能发生两种结果：

其一、大洋地壳AB弧的多余部分插入大陆地壳之下，形成俯冲消减带，是地震频发的地区，其类型为环太平洋俯冲消减带和地震火山带。

其二、大洋地壳AB弧的多余部分象楔一样劈开大陆，推动大陆向两边分离，由AB弧扩张到AE弧，其类型为大西洋两岸的快速扩张。

其三、反之，当海洋地壳CD弧上升到AB弧时，由于弧长增大，其增大部分BE弧就是海底扩张产生的新洋壳（见图4）。

      a 大洋海水减少                           b 大洋海水增加

1-新洋壳，计算时因忽略了与陆壳连接部分，因而计算值比实际值小；

2-旧洋壳，插入大陆壳下或推动大陆分离部分。

 图 4 重力均衡造成的垂直运动和水平运动（据杨学祥，1988；杨冬红，杨学祥，2011）

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20世纪30年代，由塞尔维亚数学家米兰科维奇创立了一个著名的理论解释——天文冰期理论。米兰科维奇认为冰期的形成与地球运动轨道三要素（地球轨道偏心率、地轴倾斜度、岁差）的周期性变化相关联。换句话说，即地球围绕太阳旋转时，公转轨道形状、地轴与公转轨道的黄道面间交角和公转时地球自转的角速度都会有变化，这几个方面的自然波动使得地球接受太阳的辐射有变化，影响了气候和冰期的形成。周期分别为10、4、2万年。

近期的研究表明，全球气候变化还有1800年潮汐强弱周期、200年太阳黑子超长极小值周期、55年拉马德雷周期、18.6年月亮赤纬角极值变化周期。

三、特大地震的拉马德雷气候周期

气候变化引发的冰川地壳均衡运动使地震具有明显的气候周期。目前研究的结果表明，特大地震具有55年拉马德雷周期。

地震数据统计表明，1889年以来，全球大于等于8.5级的地震共21次，在1889-1924年拉马德雷冷位相时期发生6次（国外资料1900-1924年2次），在1925-1945年拉马德雷暖位相时期发生1次（1次），在1946-1977年拉马德雷冷位相时期发生11次（7次），在1978-1999年拉马德雷暖位相时期发生0次（0次），在2000-2030年拉马德雷冷位相时期已发生6次。

规律表明，拉马德雷冷位相时期及其边界是全球强震的集中爆发时期。2000年进入了拉马德雷冷位相时期，2000-2035年是全球强震爆发时期和气候变冷周期。1952年、1957年（国外数据低于9级）、1960年、1964年4场特大地震就发生在1947-1976年拉马德雷冷位相时期前17年。

全球气候变暖，不仅使全球平均温度升高，而且使得高温、干旱、寒潮、暴雪、暴雨等极端天气发生的概率增加。不仅如此，一个理论可查事实可见的转化机制是：陆地冰川融化和大洋海平面升高会导致地壳均衡的破坏，引发强震和火山活动频发，深海强震将海底冷水翻到表面，降低气温，吸收温室气体，导致冷周期的到来。这就是地震学家郭增建2002年提出的“海震降温说”。控制气候变化的地质活动不仅仅是火山活。

2002年郭增建提出“深海巨震降温说”：海洋及其周边地区的巨震产生海啸，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，从而使地球降温近20年。20世纪80年代以后的气温上升与人类活动使二氧化碳排放量增加有关，同时这一时期也没有发生巨大的海震。巨震指赤道两侧各40°范围内的Ms 8.5级和大于Ms 8.5级的海震。郭增建等人指出，9级和9级以上地震与北半球和我国的气温有很好的相关性。

海洋及其周边巨震，特别是地震引起的海啸，将海底冷水翻到表面，降温效果是明显的，这可以从2004年12月26日印尼地震海啸后气温的剧烈波动变化中得到验证。2004年、2005年、2007年、苏门答腊三次Ms 8.5级以上强震和2009年9月30日南大洋萨摩亚群岛Ms 8级地震海啸，是2005年中国18年暖冬终结、2006年初低温寒流、2008年初中国南方罕见冰雪冻灾、2010年初低温暴雪袭击北半球的前兆和成因，2010年2月27日智利Ms 8.8级地震和海啸与2010年12月欧美暴雪低温和英国三百年来的最强寒流的对应性再次验证了这一结论。

20世纪4场最强的特大地震在很短的时间内都发生在环太平洋地震带的沿海地区：1952年堪察加半岛地震，1957年阿拉斯加阿留申群岛地震，1960年智利地震，1964年阿拉斯加威廉王子海峡地震，与50-70年代低温期以及1947-1976年拉马德雷冷位相时期相对应。

21世纪最强的特大地震发生在欧亚地震带和环太平洋地震带的沿海地区：2004年印尼苏门答腊和2011年日本，与全球变暖停滞期和2000-2030年拉马德雷冷位相时期相对应。

四、全球变暖的最大威胁

笔者认为，冰岛火山喷发导致大量冰川融化，它不仅导致洪水泛滥，而且会进一步破坏冰岛地区的地壳均衡，引发更强烈的地震火山活动，认真调查全球变暖和地震火山频繁发生的相关关系可以预防更大的灾害发生。

一项最新研究成果显示，全球变暖使格陵兰岛冰盖加速融化，从而导致格陵兰岛陆地部分海拔高度上升。相应的海平面上升将导致海洋地壳均衡下降，引发更强烈的地震火山活动。这是目前环太平洋地震带和火山带活动频繁的原因。

全球变暖并不仅仅引发气候问题，由冰川融化和海平面上升导致的地表巨量的物质转移（极冰和海水的转换）会引发强烈的构造运动，地震和火山活动的频繁出现将造成对人类社会的更大伤害。

海平面上升只能威胁沿海地区，特大地震不仅威胁沿海地区，而且深入内陆，其破坏强度远远高于海平面上升。这是全球变暖对世界的最大威胁。

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参考文献

1. 杨冬红，杨学祥。“拉马德雷”冷位相时期的全球强震和灾害。西北地震学报。2006，28（1）：95-96

2. 杨冬红，杨学祥，刘财。2004年12月26日印尼地震海啸与全球低温。地球物理学进展。2006，21（3）：1023-1027

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. 杨学祥, 杨冬红. 全球进入特大地震频发期. 百科知识2008.07上：8-9.

5.  杨学祥，杨冬红。旱涝周期和海震调温假说的新证据。西北地震学报。2005，27（4）：400，398。

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