中外研究：地球旋转变化和气候变化是导致火山活动增加的原因

                             杨学祥，杨冬红

一、国外的研究

2014年2月，《Terra Nova》杂志上发表的一项研究显示，从19世纪初开始，在地球旋转速度发生变化后，全球火山活动往往都会增加。1830年到2013年是我们能够找到可靠记录的最长一段期间。在这段时间，每次地球旋转速度发生较大的变化，大规模火山爆发的次数都会立刻增加。而且，作者还相信，旋转速度的变化与火山爆发增加不仅是时间先后的关系，而且还有因果关系。

　　改变地球的旋转，即使非常微小的改变，也需要巨大的能量。据估计，地球转速的变化每年需要消耗12万皮焦耳的能量——相当于美国各个领域全年所消耗的能量。这些能量会转移到地球的大气和地表。《Terra Nova》那篇文章的作者认为，这是引起火山爆发的第二个原因。

　　地球旋转变化将大量能量带到了地表，这很可能扰乱地表的压力场。由于岩浆存在于地壳之中，地壳的压力变化可能使岩浆更容易上升到地表。从而增加火山喷发的概率。

　　《Terra Nova》的文章并不是盖棺定论。但是，地球旋转的微小变化可以影响地球深处火山活动的这种观点，是非常有意思的。

　　但是，还有一些自然现象似乎会对火山活动有更强烈的影响，其中一个因素可能让人大跌眼镜，那就是气候变化。

　　最近几十年我们明显看到，地球冰盖减少的影响，绝不仅仅限于海平面的上升。已经有证据表明，在历史上，在冰川大幅度减少之后，都会出现火山活动的剧烈增加。

　　在大约19000年前，地球上的冰川面积是最大的，欧洲和北美的大部分地区都被冰雪覆盖。随后，气候变暖了，冰川开始减少。这次气候变化基本上是对人类有利的。

　　但是从20世纪70年代中期开始，就有一些研究指出，随着冰盖的消失，火山喷发也越来越频繁了。例如，2009年的一项研究指出，在12000年前到7000年前之间，全球的火山活动增加了六倍。在那一段时期，冰岛的火山活动概率至少是现在的30倍。

　　还有一些来自欧洲大陆、北美和南极洲的证据支持这个结论，在冰川消减周期的早期，火山活动也会增加。火山活动似乎会随着冰川面积的增减而增减，至少有时候是这样。但是为什么呢？可能还是因为压力的原因。

冰盖很重。每年，南极洲大约都会减少400亿公吨冰。实际上，这些冰非常重，甚至会将地壳压弯，就像被压在重物下面的木板一样。所以，当冰盖融化的时候，冰盖的质量就减轻了，地壳会弹回原来的位置。这种向上伸展的运动可能导致下层岩石受到的压力减少，而这会使岩浆更容易到达地表，形成火山喷发。

http://www.guangyuanol.cn/news/baike/2016/0525/581040.html

二、国内的研究

潮汐形变影响地球自转

我们在2011年发表的文章中指出，地球潮汐形变引起的地球自转速度变化，是中短期地球自转变化的主要原因^[31]。当地球由远日点运动到近日点时，太阳引潮力的强度增加10%，日长增量0.07ms，这使地球自转具有一年的变化周期。太阳相对地球在南北回归线之间的摆动，使地球扁率在秋分和春分变为最大，自转速度最慢，日长增量0.27ms。实际上，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；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。计算表明，由于气圈、水圈和固体地球扁率变化不同，所以产生不同圈层的差异旋转^{[1, 31-33]}。月亮赤纬角最大值变化的18.6年周期增强或减弱这一效应。

当月亮在南（北）纬28.6度（月亮赤纬角最大值）时，高潮区在12小时后从南（北）纬28.6度向北（南）纬28.6度震荡一次，大气和海洋的南北震荡将产生巨大的能量交换并搅动深海冷水上翻到海洋表面降低气温。这是以18.6年为周期的潮汐南北震荡作用比其他周期的潮汐东西震荡作用更显著的原因。太阳在南北回归线时也会产生潮汐南北震荡运动。1998年是最热的年份，1995-1997年月亮赤纬角最小值产生的弱潮汐南北震荡是原因之一；自1998年以后，全球气温呈波动下降趋势，2005-2007年月亮赤纬角最大值产生的强潮汐南北震荡是原因之一。2014-2016年月亮赤纬角最小值有利于全球变暖^[34]。

事实上，2014年和2015年都创造了全球最热新纪录，我们的理论预测得到证实。

潮汐形变影响地震火山活动

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 ofearthquakes 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^[1].

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). 其原因在于当月内的潮汐最大值和最小值差距大, 最大的潮汐差引起地壳强烈震动,强烈震动贯穿最大潮差的始终.由表1可以看到, 最强潮汐在7月2日和30日, 但在文献[1]图4中这两天只是两个地震高峰的起始点, 月球远地点的潮汐最小值却对应地震最高峰. 这是特殊天象组合期本身意义不大的原因, 也是最大潮汐差起作用的证据.

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 ofearthquakes and volcanoes at Miyakejima

注：29*和28*表示当月没有30.

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. 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. 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^[13]. 厄尔尼诺和地震群的相互关系是同时受到强潮汐的激发作用^[2-4,8].

我们在2002年指出，目前人们只注意强震的研究和预报, 忽视了弱震的发生规律和形成机制. 事实上, 2000年6~8月日本Miyake岛火山和地震活动在最新大地测量技术观测下, 清晰准确地证实了人们多年的理论研究结果: 强潮汐产生的最大潮汐差对地震火山的激发作用. 最大潮汐差对地震的激发作用在厄尔尼诺和拉尼娜盛期和交界处非常明显。东西太平洋海面高度在厄尔尼诺和拉尼娜转化中的反向变化形成的太平洋地壳跷跷板运动是其形成机制. 地球自转速度变化使海水在惯性力作用下增大海面倾斜度, 加强潮汐的激发作用, 是判定极值状态的依据.

我们在2011年指出，根据中国1940-1981年7级以上地震目录及天文条件， 作者对1940-1981年中国7级以上地震的统计结果得出图2。中国1940-1981年7级以上地震，发生在1月的地震有8次，排位第二；2月和3月各有7次，排位第三；发生在7月的地震有9次，排位第一。1-4月和7-8月地震次数较多，6月和9-12月地震次数较少。上半年地震次数为33次，下半年为27次，上半年多6次，地震活动较强烈。

印度洋地壳的南北方向潮汐跷跷板运动是对太平洋地壳东西向潮汐跷跷板运动的一个推广，对研究欧亚地震带的地震发生规律有重要的实践意义。印度大陆在1月东北季风的作用下海面降低，在7月西南季风的作用下海面升高，1月和7月附近应该是欧亚地震带强震高发的季节。

图2  中国1940-1981年7级以上地震的按月分布

Fig. 2  amonthly curve of Ms≥7 earthquakes in 1940-1981

2004年印尼苏门答腊9级地震就发生在12月26日日月大潮和月亮视赤纬角极大值（当月的最大值27.9度）叠加时段。印度洋中脊的西北-东南向分布，为印度洋地壳潮汐跷跷板运动和印度大陆向北东方向运动提供了构造条件。太阳高潮区在北纬23.5度和南纬23.5度之间震荡，月亮高潮区在北纬28.6度和南纬28.6度之间震荡，1月初和7月初太阳分别在南北回归线附近，太阳潮的南北震荡最强，加剧了跷跷板运动（见图3）。

1940-1981年中国7级以上地震总数60次，距月亮视赤纬角最大值和最小值不超过3天的地震次数：31，出现频率为31/60，大于1/2。距日月大潮不超过3天的地震次数：19，出现频率为19/60，小于1/3。月亮视赤纬角极值的作用大于日月大潮，它产生的潮汐南北震荡对印度洋地壳跷跷板的作用也不容忽视后，在2005-2007年月亮赤纬角最大值年（28.6度）连续发生三次Ms 8.5级以上的大震，地点在印尼苏门答腊，时间分别在在2004年12月26日、2005年3月29日和2007年9月12日。

在亚洲大陆东部的西太平洋沿海，由于1月盛行西北季风，7月盛行东南季风，西太平洋地壳的潮汐跷跷板运动也受季风的影响，使地震活动在1月和7月非常显著。赤道辐合带的位置随季节而南北移动，其平均位置1月在5°S附近，7月在12—15°N左右。这对季风和跷跷板运动有重要影响。

图3  季风引起的海面升降与印度洋地壳的跷跷板运动

Fig. 3  Sea level changes by monsoon and “seesawmovement” in Pacific crust

学者徐道一指出，某些地区的地震频度随着季节有规律地变化，与地球和太阳的相对位置有关。例如，北极地区（大于等于北纬50度）7级以上地震逐月频数在3月和7月有两个峰值，在1月和9月有两个谷值；南极地区正好相反。南中纬度地区（13-33度之间）1月和8月有两个峰值，在3月和11月有两个谷值，北中纬度地区正好相反^[26]。3月和9月与春分和秋分有关，1月和7月与季风、冬至、夏至、地球近日点和远日点有关。南北半球情况反向变化，与季节性冰盖消长和风向海流变化有关。图2的统计结果并不是一个特例，与以往统计结果相比符合普遍规律。

过去，人们仅仅把日月大潮时发生的地震火山活动看成是潮汐激发的结果，因而，强潮汐与地震活动的对应关系并不明显。如果考虑朔、望、上弦、下弦、月亮近地潮、月亮赤纬角最大值和最小值七个天文要素，强潮汐与地震火山活动的对应关系就非常明显了，2008-2010年的相关对比数据发表在《科学网》的博客上。

   潮汐组合A：4月6日月亮赤纬角极小值南纬0.0003度，4月7日为日月大潮，4月8日月亮近地潮，三者强叠加，潮汐强度最大，地球扁率变大，自转变慢，有利于拉尼娜发展（最强），两极冷空气和洋流向赤道运动，可激发地震火山活动和冷空气活动（最强）。(低纬度扩张，高纬度收缩）(发生6级以上地震3次)

  潮汐组合B：4月12日为月亮赤纬角最大值北纬18.1714度。4月14日为日月小潮，两者强叠加，潮汐强度小，地球扁率变为小，地球自转变快，有利于厄尔尼诺发展（弱），潮汐使赤道空气向两极流动，可激发地震火山活动和暖空气活动，有利于低层偏南风的发展，带来较多水汽，造成部分地方出现大雾天气（弱）。（低纬度收缩，高纬度扩张）(发生6级以上地震7次)(台湾发生4级以上地震3次)

  潮汐组合C：4月22日为日月大潮，4月19日为月亮赤纬角最小值北纬0.0000度，4月22日为月亮远地潮。三者弱叠加，潮汐强度较大，地球扁率变大，自转变慢，有利于拉尼娜发展，潮汐使两极空气向赤道流动，可激发地震火山活动和冷空气活动(强)。(低纬度扩张，高纬度收缩）(发生6级以上地震1次)

 潮汐组合D：4月27日为月亮赤纬角最大值南纬18.2259度。4月30日为日月小潮，两者强叠加，地球扁率变小，地球自转变快，有利于厄尔尼诺发展（弱），潮汐使赤道空气向两极流动，可激发地震火山活动和暖空气活动，有利于低层偏南风的发展，带来较多水汽，造成部分地方出现大雾天气（弱）。（低纬度收缩，高纬度扩张）(发生6级以上地震2次) (台湾发生4级以上地震7次)

  本月天文奇点相对较集中，相互作用增强，可激发极端事件发生，特别警惕倒春寒的发生。

 2016年3-6月地震活动进入高潮。

http://blog.sciencenet.cn/blog-2277-957182.html

潮汐的东西震荡和南北震荡，使东西太平洋海平面和南北太平洋海面发生反向升降，幅度为1500px，破坏了地壳均衡，使洋壳反向降升500px，由此引起的太平洋地壳跷跷板运动可激发地震和火山活动^[11]。月亮近地潮、日月大潮和月亮赤纬角极大值可以起到增效作用。

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。为了更精确地计算球面潮汐引起的地壳跷跷板运动，潮汐-均衡模式球面模型更符合实际情况。

根据公元前426年至公元1980年全球8级以上地震目录的统计结果发现，在月亮赤纬角最小时的1905-1906年、1923-1925年、1941-1942年、1959-1960年、1977-1979年，地球平均扁率变大，地球自转变慢；在月亮赤纬角最大时的1896-1897年、1913-1914年、1931-1932年、1949-1951年、1968-1970年，地球平均扁率变小，地球自转变快。8级以上地震高潮也有相应的约9年变化周期：1897- 1906- 1914- 1923- 1932-1941- 1950- 1960- 1971- 1978年。应该说明的是，1960年5月22日智利南部发生9.5级地震，释放能量相当于8.5级地震的30倍。因此，在月亮赤纬角最小时的1959-1960年地震活动非常强烈。这是地震与地球扁率变化和自转速度变化相对应的原因，也是潮汐强弱变化激发地震活动的原因。地震有约9年周期（月亮赤纬角18.6年周期的一半，即极大值和极小值都可以激发地震）和51-56年PDO周期（1896-1920年地震高潮对应PDO冷位相、1920-1939年地震低潮对PDO暖位相、1939-1978年地震高潮对应PDO冷位相）。这个结果与全球Ms 8.5级以上地震集中爆发在PDO冷位相的统计结果是一致的^[27]。

1889年以来，全球大于等于Ms 8.5级的地震共22次。在1889-1924年PDO“冷位相”发生6（1900年以来国外数据：2）次，在1925-1945年PDO“暖位相”发生1（1）次，在1946-1977年PDO“冷位相”及其边界发生11(7)次，在1978-2003年PDO“暖位相”发生0次，在2004-2008年PDO“冷位相”已发生4次。规律表明，PDO冷位相时期是全球强震的集中爆发时期和低温期。2000年进入了PDO冷位相时期，2000-2030年是全球强震爆发时期和低温期^[12，28]。郭增建的“深海巨震降温说”是PDO冷位相与低温冻害对应的物理原因。

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^[13，28-29]。

            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  海平面变化造成的垂直运动和水平运动^[13]

Fig. 4 vertical and horizontal movement by the changes of sea level ^[13]

由图4中可以看到，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A’B’弧下降到AB弧时，圆心角变大，只能发生两种结果（见图b）^[13]：

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弧的多余部分象楔子一样劈开大陆，推动大陆向两边分离，对应的圆心角增大，其类型为大西洋两岸的快速扩张。

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

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Ms 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。圆心角越大，新洋壳就越大，这是地震带集中在环太平洋沿海地区的原因。

参考文献

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。

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 . 23 (6): 1813～1818

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.

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.

杨冬红, 杨学祥. 地球自转速度变化规律的研究和计算模型. 地球物理学进展, 2013，28（1）：58-70。

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

相关报道

为什么火山爆发会扎堆儿？

作者：蝌蚪君编译来源：蝌蚪五线谱发布时间：2014-09-28

地球旋转的变化和气候的变化可能都是导致火山活动增加的原因。

　　最近似乎有很多火山爆发事件。现在在冰岛、夏威夷、印尼和墨西哥都有火山正在爆发。此外，在菲律宾和巴布亚新几内亚最近也发生过火山爆发，不过现在似乎已经平息了。这些火山爆发中，有些已经威胁到了人类的住所，使居民被迫转移。这样集中的火山爆发，让我们不禁要问，是不是存在一个类似于雨季、旱季这样的“火山爆发季”呢？

　　令人惊讶的是，还真有这样的可能性。虽然并不存在“火山爆发季”，但是科学家们已经发现了火山活动的一些有趣的规律。

　　地轴指向和偏离太阳，导致了四季的变化。但是地球也在经历另一种不太为人所知的变化，这种变化对地球的影响可能更加微妙。可能也是更猛烈的影响。

　　因为太阳和月亮的引力拉动作用等因素，地球转动的速度一直是变化的。相应地，不同年份中，一天的长度实际上也是不同的。这种差异可能只有百万分之一秒。但是新的研究指出，这种微小的变化似乎会对地球产生巨大的影响，或者更准确的说，是对地球内部产生巨大影响。

2014年2月，《Terra Nova》杂志上发表的一项研究显示，从19世纪初开始，在地球旋转速度发生变化后，全球火山活动往往都会增加。1830年到2013年是我们能够找到可靠记录的最长一段期间。在这段时间，每次地球旋转速度发生较大的变化，大规模火山爆发的次数都会立刻增加。而且，作者还相信，旋转速度的变化与火山爆发增加不仅是时间先后的关系，而且还有因果关系。

　　改变地球的旋转，即使非常微小的改变，也需要巨大的能量。据估计，地球转速的变化每年需要消耗12万皮焦耳的能量——相当于美国各个领域全年所消耗的能量。这些能量会转移到地球的大气和地表。《Terra Nova》那篇文章的作者认为，这是引起火山爆发的第二个原因。

　　地球旋转变化将大量能量带到了地表，这很可能扰乱地表的压力场。由于岩浆存在于地壳之中，地壳的压力变化可能使岩浆更容易上升到地表。从而增加火山喷发的概率。

　　《Terra Nova》的文章并不是盖棺定论。但是，地球旋转的微小变化可以影响地球深处火山活动的这种观点，是非常有意思的。

　　但是，还有一些自然现象似乎会对火山活动有更强烈的影响，其中一个因素可能让人大跌眼镜，那就是气候变化。

　　最近几十年我们明显看到，地球冰盖减少的影响，绝不仅仅限于海平面的上升。已经有证据表明，在历史上，在冰川大幅度减少之后，都会出现火山活动的剧烈增加。

　　在大约19000年前，地球上的冰川面积是最大的，欧洲和北美的大部分地区都被冰雪覆盖。随后，气候变暖了，冰川开始减少。这次气候变化基本上是对人类有利的。

　　但是从20世纪70年代中期开始，就有一些研究指出，随着冰盖的消失，火山喷发也越来越频繁了。例如，2009年的一项研究指出，在12000年前到7000年前之间，全球的火山活动增加了六倍。在那一段时期，冰岛的火山活动概率至少是现在的30倍。

　　还有一些来自欧洲大陆、北美和南极洲的证据支持这个结论，在冰川消减周期的早期，火山活动也会增加。火山活动似乎会随着冰川面积的增减而增减，至少有时候是这样。但是为什么呢？可能还是因为压力的原因。

　　冰盖很重。每年，南极洲大约都会减少400亿公吨冰。实际上，这些冰非常重，甚至会将地壳压弯，就像被压在重物下面的木板一样。所以，当冰盖融化的时候，冰盖的质量就减轻了，地壳会弹回原来的位置。这种向上伸展的运动可能导致下层岩石受到的压力减少，而这会使岩浆更容易到达地表，形成火山喷发。

　　我们现在仍然不太理解气候变化与火山活动之间的联系。很多火山似乎并没有受到气候变化的影响。现在的媒体也不太关注气候变化对火山的影响，虽然未来冰盖面积将越来越小。从冰川融化，到火山活动因此而增加，可能需要上千年的时间。

　　不过，虽然这不是我们马上就要面临的威胁，但是这种奇怪的效应应该提醒我们，地球可能会以我们始料未及的方式来应对各种变化。火山虽然让人感觉很狂野，但是它能够帮助科学家了解，我们的地球到底有多么敏感。

　　（原文转自discovermagazine.com，原作者Robin Wylie，蝌蚪君编译。转载请标注来源。）

http://news.kedo.gov.cn/hotnews/photonews/602992.shtml

为什么火山爆发会扎堆儿？是不是存在“火山爆发季”？

川北在线2016-05-25 15:45

http://www.guangyuanol.cn/news/baike/2016/0525/581040.html