陳學(xué)忠 李艷娥 趙曉燕

1)中國地震局地球物理研究所，北京 100081

2)防災(zāi)科技學(xué)院，河北燕郊 065201

地球自轉(zhuǎn)、地震成因與地震預(yù)報(bào)*

陳學(xué)忠1)李艷娥1)趙曉燕2)

1)中國地震局地球物理研究所，北京 100081

2)防災(zāi)科技學(xué)院，河北燕郊 065201

通過對(duì)2008年5月12日四川汶川8級(jí)地震與地球自轉(zhuǎn)的關(guān)系的分析，提出了一個(gè)新的地震成因觀點(diǎn)，認(rèn)為地震的主要成因之一在于地球自轉(zhuǎn)速率的變化。地球巖石圈由大小不同、質(zhì)量不同的塊體組成。比如，大洋塊體薄、質(zhì)量輕，大陸塊體厚、質(zhì)量重。地球自轉(zhuǎn)速率變化時(shí)，就會(huì)造成這些塊體運(yùn)動(dòng)的差異性。這種差異運(yùn)動(dòng)可能使塊體之間發(fā)生“追尾”撞擊或摩察，從而引起地震。

地球自轉(zhuǎn);汶川地震;地震成因

引言

地球自轉(zhuǎn)與地震的關(guān)系一直受到專家們的關(guān)注。地球自轉(zhuǎn)速率變化可能是全球地震活動(dòng)的一種主要的動(dòng)力來源［1-2］，不少研究涉及地震活動(dòng)與地球自轉(zhuǎn)的相關(guān)性研究［3-19］，這些研究幾乎得到了相近的結(jié)果，認(rèn)為地球自轉(zhuǎn)與全球強(qiáng)震的發(fā)生具有統(tǒng)計(jì)上的相關(guān)關(guān)系，只是不同地區(qū)存在差異，有的地區(qū)與地球自轉(zhuǎn)減慢有關(guān)，有的地區(qū)則與地球自轉(zhuǎn)加速有關(guān)。至于對(duì)地球自轉(zhuǎn)與地震相關(guān)性的解釋則主要認(rèn)為是地球自轉(zhuǎn)所引起的附加力對(duì)地震的觸發(fā)作用。地震與地球自轉(zhuǎn)之間的強(qiáng)相關(guān)性是客觀存在的，僅用地球自轉(zhuǎn)所引起的附加力對(duì)地震的觸發(fā)作用來解釋似乎并不充分，因?yàn)榭梢云鸬筋愃朴|發(fā)作用的因素不止地球自轉(zhuǎn)引起的附加力，況且這種附加力不是所有地區(qū)的地震都可以解釋的。比如，蘇鸞聲的研究表明［16］，太平洋東岸的地震常常發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)加速期間，而太平洋西岸的地震卻主要發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)減速期間，可是地球自轉(zhuǎn)所引起的附加力只與緯度有關(guān)。如果地震與地球自轉(zhuǎn)的關(guān)系是確定的，其中必另有原因，因此地球自轉(zhuǎn)怎么引起地震這個(gè)問題值得深入研究。下面以2008年5月12日四川汶川地震為例，對(duì)其與地球自轉(zhuǎn)之間的關(guān)系進(jìn)行深入分析，以期對(duì)這個(gè)問題有所啟示。

1 地球自轉(zhuǎn)速率隨時(shí)間的變化

地球自轉(zhuǎn)速率在時(shí)間尺度上包含著幾天到地質(zhì)年代時(shí)間跨度的變化［19］，這種變化通常用日長變化來表征。地球內(nèi)部地核與地幔的耦合作用引起日長十年至幾十年時(shí)間尺度的起伏變化。這種時(shí)間尺度的變化在地球自轉(zhuǎn)研究領(lǐng)域中統(tǒng)稱為“十年起伏”的趨勢(shì)變化。大氣環(huán)流和固體潮等可引起日長的季節(jié)性變化。而短周期變化主要是大氣的高頻震蕩和潮汐波動(dòng)引起的［20］。

目前，地球自轉(zhuǎn)速率變化可以被精確觀測(cè)到。國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織IERS(International Earth Rotation Service)在網(wǎng)上公布了1962年以來每天的地球日長數(shù)據(jù)(http:∥hpiers.obspm.fr/eop-pc/)，圖1給出了2000年以來的地球日長隨時(shí)間的變化。圖中縱軸為日長，單位為毫秒(ms)，其意義是相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)日長的變化量。圖1(b)中給出了經(jīng)過截止周期為125天的低通濾波處理后的日長隨時(shí)間的變化曲線，圖中清楚地顯示出地球自轉(zhuǎn)的季節(jié)性變化。一般情況下，在1年的時(shí)間里，1—3月和8—10月日長呈上升變化，地球自轉(zhuǎn)減慢;4—7月和11—12月日長呈下降變化，地球自轉(zhuǎn)加速。圖2中給出了1900年以來地球日長“十年起伏”變化形態(tài)。

圖1 地球日長季節(jié)性變化

2 地球自轉(zhuǎn)與汶川地震發(fā)生的關(guān)系

2.1 2008年5月12日四川汶川8級(jí)地震

地球自轉(zhuǎn)除了存在年尺度的季節(jié)性變化外，還存在“十年起伏”的趨勢(shì)性變化。1900年以來，地球自轉(zhuǎn)大致經(jīng)歷了如下幾個(gè)階段的變化:1912年以前，地球自轉(zhuǎn)處于減速狀態(tài);1912—1929年處于加速狀態(tài);1929—1944年處于減速狀態(tài);1944—1955年處于加速狀態(tài);1955—1972年處于減速狀態(tài); 1972—1986年處于加速狀態(tài);1986—1993年處于減速狀態(tài);1993—2003年處于加速狀態(tài);2003年以來處于減速狀態(tài)。因此，2008年四川汶川8級(jí)地震發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)“十年起伏”趨勢(shì)性變化的減速階段(圖2)。

2.2 汶川地震前龍門山斷裂帶中小地震

圖2 地球日長“十年起伏”變化(“↓”表示2008年5月12日四川汶川8級(jí)地震)

為了進(jìn)一步考察汶川地震的發(fā)生與地球自轉(zhuǎn)之間的關(guān)系，下面選取龍門山斷裂帶上在汶川地震前發(fā)生的中小地震，分析其與地球自轉(zhuǎn)之間的關(guān)系。圖3給出了汶川地震前從1993年1月到2008年4月這15年中地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化與龍門山斷裂帶上發(fā)生的ML≥3級(jí)地震的關(guān)系。從圖中可以看出，在汶川地震前2年，從2006年7月始，幾乎所有ML≥3級(jí)地震都發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化的減速時(shí)段(圖中日長季節(jié)性變化曲線的上升段)，這種現(xiàn)象在其它時(shí)間段卻沒有出現(xiàn)過。表1中給出了這些地震的發(fā)生時(shí)間、地點(diǎn)和震級(jí)。

圖3 地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化與汶川地震前龍門山斷裂帶上中小地震發(fā)生的關(guān)系

表1 汶川地震前2年時(shí)間內(nèi)發(fā)生在龍門山斷裂帶上的ML≥3級(jí)地震

圖4為地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化的減慢時(shí)段與加快時(shí)段內(nèi)，龍門山段裂帶上發(fā)生的ML≥3地震數(shù)之比隨時(shí)間的變化，計(jì)算時(shí)時(shí)間窗取3年，以4個(gè)月滑動(dòng)。圖中顯示2006年起，減慢時(shí)段內(nèi)的地震數(shù)與加快時(shí)段內(nèi)的地震數(shù)之比從1.5飚升到5.5。在此期間，地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化的減慢與加快時(shí)段長度之比在1.5以下(圖5)，因此這個(gè)顯著的變化與地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化的減慢和加快時(shí)段長度變化無關(guān)，說明在臨近汶川地震發(fā)生的2年內(nèi)，地球自轉(zhuǎn)減慢使龍門山斷裂帶上ML≥3地震活動(dòng)顯著增強(qiáng)。

圖4 地球自轉(zhuǎn)減慢與加快時(shí)段內(nèi)發(fā)生的地震數(shù)之比隨時(shí)間的變化(3年時(shí)間窗，4個(gè)月滑動(dòng))

圖5 地球自轉(zhuǎn)減慢與加快時(shí)段長度之比隨時(shí)間的變化(3年時(shí)間窗，1個(gè)月滑動(dòng))

2.3 汶川地震的余震

圖6給出了汶川地震序列中ML≥5.5級(jí)的較強(qiáng)余震與地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化之間的關(guān)系。除緊跟主震發(fā)生的外，其余ML≥5.5級(jí)余震幾乎都發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化的減慢段。

圖6 地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化與汶川地震ML≥5.5級(jí)余震發(fā)生的關(guān)系

3 地震成因與地震預(yù)報(bào)

根據(jù)上述對(duì)汶川地震與地球自轉(zhuǎn)關(guān)系的分析結(jié)果，汶川地震發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)“十年起伏”趨勢(shì)變化的減慢階段，汶川地震前2年，龍門山斷裂帶上ML≥3地震幾乎全部發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化的減慢時(shí)段，汶川地震序列的ML≥5.5級(jí)較強(qiáng)余震發(fā)生也與地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化的減慢有關(guān)。這說明汶川地震在發(fā)生前后均與地球自轉(zhuǎn)減慢有關(guān)。據(jù)此，筆者認(rèn)為，地震的發(fā)生可能與地球自轉(zhuǎn)速率變化有關(guān)。地球由地核、地幔和巖石圈組成。巖石圈由大小不同、質(zhì)量不等、相互擠靠在一起的塊體組成，這些塊體就像水中的船一樣漂浮在地幔上。由于質(zhì)量存在差異，地球自轉(zhuǎn)速率變化時(shí)，就會(huì)造成這些塊體之間運(yùn)動(dòng)的差異性，塊體之間就可能發(fā)生相互作用，這種相互作用正是地震發(fā)生的根本原因。

塊體之間的相互作用主要有以下幾種情況:

(1)“追尾”。當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)加速時(shí)，西邊質(zhì)量輕的塊體就會(huì)追趕東邊質(zhì)量重的塊體;當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)減速時(shí)，西邊重的塊體就會(huì)因?yàn)閼T性“追尾”東邊質(zhì)量輕的塊體。這種情況會(huì)引起逆沖型地震。

(2)“分離”。當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)加速時(shí)，西邊質(zhì)量重的塊體與東邊質(zhì)量輕的塊體之間會(huì)產(chǎn)生“分離”作用;當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)減速時(shí)，西邊輕的塊體與東邊質(zhì)量重的塊體之間也會(huì)產(chǎn)生“分離”作用。這種情況會(huì)引起正斷層型地震。

(3)“摩擦”。不管是地球自轉(zhuǎn)是在加速還是在減速，只要是地球自轉(zhuǎn)速率發(fā)生變化，質(zhì)量不等的南北塊體間都會(huì)發(fā)生差異運(yùn)動(dòng)或“摩擦”。這種情況會(huì)引起走滑斷層型地震。

地震釋放的能量來自于兩塊體碰撞后損失的動(dòng)能的一部分。簡(jiǎn)單的計(jì)算表明，在緯度30°N處，厚度為30 km的1 km2的地塊的動(dòng)能約為6.5444×1018N·m，而1次8級(jí)地震所釋放的能量約為6.31×1016N·m。因此，只要塊體在碰撞時(shí)損失1 km2地塊的動(dòng)能，就足以用于100個(gè)8級(jí)地震釋放能量。

對(duì)兩個(gè)質(zhì)量分別為m1和m2的物體，速度分別為u1和u2，當(dāng)發(fā)生非彈性碰撞時(shí)，損失的動(dòng)能為:

當(dāng)m1?m2時(shí)

所以在速度差相同的情況下，質(zhì)量大的塊體與質(zhì)量很小的塊體之間碰撞之后，動(dòng)能損失相對(duì)較小，不會(huì)引起較大的地震。反之，兩個(gè)較大質(zhì)量的塊體之間，當(dāng)其發(fā)生碰撞后，動(dòng)能損失相對(duì)較大，引起的地震也較大。對(duì)于地球巖石圈，由于其厚度相對(duì)變化不是很大，一般來說，塊體越大，質(zhì)量也越大，因此大地震通常發(fā)生在大的塊體之間，這與我們觀測(cè)到的大地震通常發(fā)生在巨型斷裂帶上是完全一致的。因?yàn)槟切┚扌蛿嗔褞д琴|(zhì)量較大的塊體之間的分界帶。

上述地震成因觀點(diǎn)與彈性回跳理論之間存在根本的差別。根據(jù)彈性回跳理論，震前在震源區(qū)會(huì)產(chǎn)生很高的應(yīng)力，發(fā)生很大的應(yīng)變，從而積累很高的應(yīng)變能。預(yù)期在這個(gè)過程中，可能會(huì)出現(xiàn)明顯的地球物理異常現(xiàn)象。根據(jù)上述地震成因觀點(diǎn)，地震釋放的能量來自于塊體的動(dòng)能，震前震源區(qū)不需要積累很高的應(yīng)變能，所以，震前可能不會(huì)出現(xiàn)顯著的地球物理異常。如果地震發(fā)生前，兩塊體曾經(jīng)發(fā)生過“預(yù)接觸”，則在其間可能出現(xiàn)地震活動(dòng)或其它地球物理異常，且異常出現(xiàn)顯著程度與“預(yù)接觸”時(shí)兩塊體之間的作用強(qiáng)弱有關(guān)。一般來說，大地震發(fā)生前，這種“預(yù)接觸”造成的塊體之間的作用是比較強(qiáng)的，可以預(yù)期在震前會(huì)出現(xiàn)明顯的地震活動(dòng)和其它地球物理異常。但這種異?？赡苤怀霈F(xiàn)在塊體之間“預(yù)接觸”期間和相應(yīng)的局部地區(qū)。

2008年5月12日四川汶川8級(jí)地震發(fā)生在龍門山斷裂帶上，龍門山斷裂帶以西是青藏高原塊體，東邊是與華南地塊相連的四川盆地。青藏塊體地殼厚，質(zhì)量重，而四川盆地地殼薄，質(zhì)量輕。地球自西向東轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，青藏塊體與四川盆地之間的相互作用可能出現(xiàn)兩種情況:一種是地球自轉(zhuǎn)加速時(shí)，質(zhì)量輕的四川盆地比質(zhì)量重的青藏塊體跑得快，兩個(gè)塊體之間的作用減弱，作為兩個(gè)塊體結(jié)合地帶的龍門山斷裂帶上表現(xiàn)為松弛;當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)減速時(shí)，質(zhì)量重的青藏塊體由于慣性的作用使兩個(gè)塊體之間的作用加強(qiáng)，龍門山斷裂帶上推擠作用會(huì)增強(qiáng)。當(dāng)減速到一定程度時(shí)，兩個(gè)塊體之間就會(huì)發(fā)生“追尾”，引起地震。2008年5月12日汶川8級(jí)地震就是在地球自轉(zhuǎn)減速狀態(tài)下，青藏塊體與四川盆地發(fā)生“追尾”引起的。

在發(fā)生“追尾”之前，一般情況下，塊體之間會(huì)有“預(yù)接觸”。當(dāng)青藏塊體與四川盆地之間發(fā)生預(yù)接觸時(shí)，在龍門山斷裂帶上就可能出現(xiàn)地震活動(dòng)增強(qiáng)的現(xiàn)象。果然，從2006年7月至2008年4月期間，龍門山斷裂帶上幾乎所有ML≥3級(jí)地震都發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化的減速時(shí)段，這正是青藏塊體與四川盆地之間發(fā)生“預(yù)接觸”的例證。當(dāng)兩塊體碰撞發(fā)生較大地震后，塊體會(huì)損失一部分動(dòng)能，兩塊體會(huì)逐漸分離。在分離初期，若遇地球自轉(zhuǎn)減速，塊體之間還可能發(fā)生“摩擦”，引起余震。這就是汶川地震的較大的余震發(fā)生在減速時(shí)段的原因。

根據(jù)上述地震成因觀點(diǎn)，由于地球自轉(zhuǎn)存在季節(jié)性變化，在兩塊體發(fā)生強(qiáng)相互作用引起強(qiáng)烈地震前，一般會(huì)在塊體之間發(fā)生“預(yù)接觸”，正是這種“預(yù)接觸”為我們實(shí)現(xiàn)地震預(yù)報(bào)提供了機(jī)會(huì)。當(dāng)塊體之間發(fā)生“預(yù)接觸”時(shí)，可能會(huì)引起地震活動(dòng)異常和一些地球物理異?，F(xiàn)象，對(duì)這樣的異常的拾取，可能才是地震預(yù)測(cè)取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展的突破口。

地震平靜是地震活動(dòng)性觀測(cè)到的普遍現(xiàn)象。地震活動(dòng)觀測(cè)表明，強(qiáng)震前，往往會(huì)先出現(xiàn)地震活動(dòng)增強(qiáng)，然后出現(xiàn)平靜現(xiàn)象。根據(jù)上述成因觀點(diǎn)，地震活動(dòng)增強(qiáng)是塊體之間“預(yù)接觸”時(shí)，由于塊體表面粗糙，存在凹凸體，這些凹凸體會(huì)在塊體的接觸過程中逐漸被磨平，同時(shí)產(chǎn)生中小地震。當(dāng)這些凹凸體被磨平后，塊體表面變得光滑，有利于相對(duì)滑動(dòng)，進(jìn)一步的接觸不再產(chǎn)生中小地震，于是就出現(xiàn)了平靜。之后就是“追尾”發(fā)生，即較大的地震。

對(duì)于前兆異常，如果根據(jù)彈性回跳理論，震前在震源區(qū)會(huì)產(chǎn)生很高的應(yīng)力，發(fā)生很大的應(yīng)變，從而積累很高的應(yīng)變能。在這個(gè)過程中，在震源區(qū)會(huì)出現(xiàn)明顯的地球物理異?，F(xiàn)象。實(shí)際上，很多大地震前在震源區(qū)都沒有觀測(cè)到這樣的異?，F(xiàn)象。根據(jù)本文提出的成因觀點(diǎn)，地震釋放的能量來自于塊體的動(dòng)能，震前震源區(qū)不需要積累很高的應(yīng)變能，所以，震前可能不會(huì)出現(xiàn)顯著的地球物理異常。如果地震發(fā)生前，兩塊體曾經(jīng)發(fā)生過“預(yù)接觸”，則在其間可能出現(xiàn)地震活動(dòng)或其它地球物理異常，且異常出現(xiàn)顯著程度與“預(yù)接觸”時(shí)兩塊體之間的作用強(qiáng)弱有關(guān)。一般來說，大地震發(fā)生前，這種“預(yù)接觸”造成的塊體之間的作用是比較強(qiáng)的，可以預(yù)期在震前會(huì)出現(xiàn)明顯的地震活動(dòng)和其它地球物理異常。

(作者電子信箱，陳學(xué)忠:cxz8675@163.com)

［1］ 李四光.地質(zhì)力學(xué)概論.北京:科學(xué)出版社，1979

［2］ 馬宗晉，陳章立，傅征祥，等.亞歐地震系的地震構(gòu)造特征.中國科學(xué)A輯:數(shù)學(xué)，1980，23(9):883--890

［3］ 杜品仁，徐道一.天文地震學(xué)引論.北京:地震出版社，1989

［4］ 高建國.地球自轉(zhuǎn)角速度變化觸發(fā)地震的初步討論.科學(xué)通報(bào)，1981，26(5):293--296

［5］ 陳翠仙.20世紀(jì)中國8級(jí)大地震與日長關(guān)系的初析.云南天文臺(tái)臺(tái)刊，1992(4):51--53

［6］ 薄萬舉，王廣余.地球自轉(zhuǎn)、斷層形變與地震活動(dòng)關(guān)系研究.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2006，26(2):43--47

［7］ 李啟斌，肖興華，李致森.中國大陸強(qiáng)地震與地球自轉(zhuǎn)角速度長期變化關(guān)系的初步分析.地球物理學(xué)報(bào)，1973，16:71--80

［8］ 虞志英，羅時(shí)芳，許世遠(yuǎn)，等.地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化與地震關(guān)系的初步分析.地球物理學(xué)報(bào)，1994，17: 44--50

［9］ 張愈，張慧雯.地球自轉(zhuǎn)不規(guī)則變化與蘇皖及其附近地區(qū)中強(qiáng)地震的相關(guān)性.地震學(xué)刊，2000，20(3): 51--54

［10］韓延本，郭增建，趙娟，等.地球自轉(zhuǎn)速率變化與中國西部的大地震.國際地震動(dòng)態(tài)，2003(6):1--5

［11］Stoyko A.Rotationdelaterre phenomenes geophysiques et activite du soleil.Bulletin Academic Royale Belique，1969，5(55):279--285

［12］安歐.全球大震活動(dòng)與地球自轉(zhuǎn)速率的關(guān)系.華北地震科學(xué)，1985，3(1):56--67

［13］周永宏，鄭大偉.地球自轉(zhuǎn)變化與中國大陸地震活動(dòng)關(guān)系的初步分析.上海天文臺(tái)年刊，1994，15:1--8

［14］Zharov V E.Connection of the Earth’s rotation with the atmospheric angular momentum and the strongest earthquakes.Astron.Astrophys.Trans.，1996，9:317--327

［15］郭恒祖.二十世紀(jì)以來中國西部和鄰區(qū)的大地震活動(dòng)與地球自轉(zhuǎn)的關(guān)系.內(nèi)陸地震，1991，3:267--271

［16］蘇鸞聲.全球7級(jí)大震與我國地震活動(dòng)的關(guān)系.地震研究，1995，18(2):143--150

［17］馬利華，韓延本，尹志強(qiáng).全球強(qiáng)震的分布及其與地球自轉(zhuǎn)速率變化的關(guān)系.天文研究與技術(shù)(國家天文臺(tái)刊)，2007，4(4):406--411

［18］季洪欽，尤淑如.地球自轉(zhuǎn)不均勻性與全球中震、深震能量的相關(guān)分析及其力學(xué)關(guān)系.天文學(xué)報(bào)，1988，29(4):326--332

［19］鄭大偉，周永宏.地球自轉(zhuǎn)變化與全球地震活動(dòng)關(guān)系的研究.地震學(xué)報(bào)，1995，17(1):25--30

［20］鄭大偉.地球自轉(zhuǎn)與大氣、海洋活動(dòng).天文學(xué)進(jìn)展，1988，6(4):316--328

The Earth Rotation，the Cause of Earthquakes and Earthquake Prediction

Chen Xuezhong1)，Li Yan’e1)and Zhao Xiaoyan2)
1)Institute of Geophysics，CEA，Beijing 100081，China
2)Institute of Disaster Prevention Science and Technology，Yanjiao，Hebei 065201，China

A new viewpoint about the cause of earthquakes is proposed in this paper after investigation into the relationship between the earth rotation and the May 12，2008 Wenchuan，Sichuan MS8.0 earthquake.The fundamental cause of earthquakes could lie in the variation in velocity of the earth rotation.The lithosphere of the earth consists of plates with different volumes and masses.For instance，the oceanic plate is thinner and lighter，whereas the continental plate is thicker and weightier.The variation in velocity of the earth rotation could result in the motional difference between them，which could make the plates collide or rub，and cause earthquakes.

earth rotation;Wenchuan earthquake;cause of earthquake

P315.7;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.01.008

2009-03-31;

2009-06-16。