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2004年印尼蘇門(mén)答臘MW9.0地震前地震活動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)象及其與地球自轉(zhuǎn)的關(guān)系

2013-06-26 12:49:00陳學(xué)忠李艷娥王恒信郭祥云
地球物理學(xué)報(bào) 2013年1期
關(guān)鍵詞:蘇門(mén)答臘余震季節(jié)性

陳學(xué)忠,李艷娥,王恒信,郭祥云

中國(guó)地震局地球物理研究所,北京 100081

1 引 言

對(duì)板內(nèi)大地震發(fā)生前地震活動(dòng)變化的分析表明,大地震前地震活動(dòng)往往出現(xiàn)增強(qiáng)過(guò)程,有的出現(xiàn)在未來(lái)大地震的震中及其鄰近地區(qū),有的則出現(xiàn)在更大的范圍內(nèi),而在未來(lái)大地震震中及其鄰近地區(qū)無(wú)明顯增強(qiáng)顯示,這種地震活動(dòng)的增強(qiáng)一般不延續(xù)至大震發(fā)生[1].對(duì)于板塊邊緣發(fā)生的大地震,震前地震活動(dòng)是否也存在增強(qiáng)過(guò)程?如果存在,其特點(diǎn)是什么?我們對(duì)這些問(wèn)題的認(rèn)識(shí)還很有限.2004年12月26日印尼蘇門(mén)答臘MW9.0地震震中位于亞歐地震帶東段,發(fā)生在印度—澳大利亞板塊和歐亞板塊交匯部位的安達(dá)曼弧構(gòu)造帶上,是一次典型的板緣地震.本文將對(duì)這次大地震前地震活動(dòng)進(jìn)行分析,同時(shí),結(jié)合地球自轉(zhuǎn)速率變化,分析地震活動(dòng)與地球自轉(zhuǎn)速率變化之間的關(guān)系.

對(duì)于一組不同大小的地震,其強(qiáng)弱可以用b值、地震能量、本尼奧夫應(yīng)變、地震頻次等參數(shù)來(lái)表示.b值描述的是大小地震之間的比例,如果較大的地震比較小的地震相對(duì)多,則b值低,反之,則b值高.一般情況下b值低表示地震活動(dòng)性強(qiáng),但是如果相對(duì)小的地震減少也可以使b值降低,這種情況下地震活動(dòng)性并沒(méi)有增強(qiáng)或顯著增強(qiáng),因此b值并不是一個(gè)描述地震活動(dòng)性強(qiáng)弱的有效參數(shù).由于地震能量和本尼奧夫應(yīng)變受較大地震的影響很大,它們都過(guò)于強(qiáng)化較大地震的作用.從實(shí)際地震活動(dòng)現(xiàn)象中,我們注意到地震活動(dòng)性增強(qiáng)往往表現(xiàn)為一定震級(jí)范圍內(nèi)地震活動(dòng)的群體性特征,地震頻次是描述這種群體性特征的一個(gè)參數(shù),因此本文在研究過(guò)程中選取一定震級(jí)范圍的地震頻次來(lái)描述地震活動(dòng)性的強(qiáng)弱.

2 研究區(qū)域與資料

對(duì)于地震活動(dòng)性研究來(lái)說(shuō),研究區(qū)域的選取十分重要,選取不同的區(qū)域,可能得到不同的結(jié)果.本文著眼于余震區(qū)震前的地震活動(dòng)變化,因此選取余震區(qū)為研究區(qū)域.2004年12月26日印尼蘇門(mén)答臘MW9.0地震發(fā)生在印度—澳大利亞板塊和歐亞板塊交匯部位的安達(dá)曼弧構(gòu)造帶上,這里是巨型板塊的分界地帶,板塊在這里匯聚,印度—澳大利亞板塊向歐亞板塊下方俯沖引起逆沖型地震.這一帶強(qiáng)震活動(dòng)十分頻繁,是亞歐地震帶的一部分.本文選取2004年12月26日印尼蘇門(mén)答臘MW9.0地震的余震分布區(qū)作為研究區(qū)域,即圖1所示的2°N~15°N緯度范圍.

本文根據(jù)美國(guó)USGS公布的全球4級(jí)以上地震目錄,選取了1990年1月—2004年11月的地震目錄.地震目錄的完全震級(jí)M0通常是根據(jù)G-R關(guān)系曲線確定的,圖2中給出了不同時(shí)間段地震目錄的G-R關(guān)系.圖2a為1990年~2004年G-R關(guān)系,曲線的拐點(diǎn)大致在M=4.3處,完全震級(jí)M0=4.3.但在1990~1994年間G-R關(guān)系卻顯示出較高的完全震級(jí),M0=4.5(圖2b).圖2c和圖2d分別給出了1995—1999年和2000—2004年的G-R 關(guān)系曲線,由它們給出的完全震級(jí)分別為4.2和4.3.因此,從1990年以來(lái),4.5級(jí)以上地震目錄是完整的,而1995年以來(lái)4.3級(jí)以上地震目錄是完整的.

圖1 2004年12月26日印尼蘇門(mén)答臘MW9.0地震M≥5.0余震震中分布Fig.1 The distribution of epicenters for the M≥5.0 aftershocks of the December 26,2004Indonesia Sumatra earthquake of MW9.0

圖2 不同時(shí)間段G-R關(guān)系曲線Fig.2 Curves of G-Rfor the different time intervals

3 地震頻次隨時(shí)間的變化

根據(jù)1990年—2004年M4.5以上地震目錄,以給定的時(shí)間窗長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)地震頻次,以一定的步長(zhǎng)在時(shí)間軸上滑動(dòng),可以得到地震頻次隨時(shí)間的變化.由于這樣得到的是相同長(zhǎng)度的時(shí)間段里的地震頻次,將其除以時(shí)間窗長(zhǎng)度,就可以得到單位時(shí)間里地震發(fā)生的數(shù)目,即地震發(fā)生的頻率.所以,地震發(fā)生頻率隨時(shí)間的變化形態(tài)與地震頻次隨時(shí)間的變化形態(tài)是一致的,地震頻次隨時(shí)間的變化也可以看成是地震發(fā)生頻率隨時(shí)間的變化.

圖3為2004年12月26日印尼MW9.0地震前余震分布范圍內(nèi)M≥4.5地震頻次隨時(shí)間變化,時(shí)間窗取2年,滑動(dòng)步長(zhǎng)為90天.從圖中可見(jiàn),從2000年初開(kāi)始,地震頻次呈逐漸上升的變化形態(tài).在不到5年的時(shí)間里,地震頻次從80上升到180,以每年20的速率遞增.

圖4和圖5中分別給出了M≥5.0和M≥5.5地震頻次隨時(shí)間的變化,2000年以來(lái),M≥5.0和M≥5.5地震頻次都有明顯的上升趨勢(shì)變化,與圖3中M≥4.5地震頻次變化基本一致.這說(shuō)明,2000年之后出現(xiàn)的地震頻次上升趨勢(shì)變化具有較高的可信度.

2000年之后地震頻次的上升趨勢(shì)變化說(shuō)明在震前地震活動(dòng)出現(xiàn)了增強(qiáng)過(guò)程.為了分析地震活動(dòng)增強(qiáng)與主震發(fā)生在空間上的關(guān)系,利用在2000年12月—2004年11月間發(fā)生的M≥4.5地震,取1°×1°的空間窗,0.2°的滑動(dòng)步長(zhǎng),進(jìn)行空間掃描,可以得到地震頻次的空間分布圖象,如圖6所示.圖中顯示,此期間出現(xiàn)了A、B、C三個(gè)熱點(diǎn)區(qū)域,即,地震活動(dòng)水平相對(duì)高的區(qū)域.C區(qū)范圍最大,且其長(zhǎng)軸方向與當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)構(gòu)造一致,蘇門(mén)答臘MW9.0地震就發(fā)生在C區(qū)內(nèi).也就是說(shuō),震前數(shù)年,在震中及其附近不太大的區(qū)域內(nèi)地震活動(dòng)增強(qiáng)最為明顯.

4 地震活動(dòng)與地球自轉(zhuǎn)的關(guān)系

地球自轉(zhuǎn)與地震的關(guān)系一直受到專(zhuān)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(lái)源[3],不少研究涉及地震活動(dòng)與地球自轉(zhuǎn)的相關(guān)性[4-23],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)減速有關(guān),而有的地區(qū)則與地球自轉(zhuǎn)加速有關(guān).2004年12月26日印尼蘇門(mén)答臘MW9.0地震前,余震區(qū)內(nèi)地震活動(dòng)與地球自轉(zhuǎn)之間是否存在相關(guān)性,是我們十分感興趣的問(wèn)題,下面將對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行一些分析.

4.1 地球自轉(zhuǎn)速度隨時(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[23],這種變化通常用日長(zhǎng)變化來(lái)表征.地球內(nèi)部地核與地幔的耦合作用引起日長(zhǎng)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)域中稱(chēng)為“十年起伏”.大氣環(huán)流和固體潮等可引起日長(zhǎng)的季節(jié)性變化,而短周期變化主要是由大氣的高頻震蕩和潮汐波動(dòng)引起的[24].也有研究表明,地球自轉(zhuǎn)速率季節(jié)性變化主要是由于太陽(yáng)輻射光壓在南、北半球表面上不平衡分布造成的[25-26].

目前,地球自轉(zhuǎn)速率變化可以被精確觀測(cè)到.IERS(International Earth Rotation Service)在網(wǎng)上公布了1962年以來(lái)每天的地球日長(zhǎng)數(shù)據(jù)(http://hpiers.obspm.fr/eop-pc/),圖7a給出了2000年以來(lái)的地球日長(zhǎng)隨時(shí)間的變化,圖中縱軸為日長(zhǎng),單位為毫秒(ms),其意義是相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)日長(zhǎng)的變化量.圖7b中給出了經(jīng)過(guò)截止周期為125天的低通濾波處理后的日長(zhǎng)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.

圖6 2000年12月~2004年11月M≥4.5地震頻次空間分布“☆”為蘇門(mén)答臘MW9.0地震震中Fig.6 The spacial distribution of the number of M≥4.5 earthquakes from December 2000to November 2004“☆”denotes the epicenter of the MW9.0 Indonesia Sumatra earthquake

圖7 地球日長(zhǎng)季節(jié)性變化(a)原始數(shù)據(jù);(b)進(jìn)行低通濾波處理后的數(shù)據(jù)(截止周期為125天)Fig.7 The seasonal variation of the Earth′s length of day(LOD)(a)raw data;(b)lower-pass filtered data(with the period truncated at 125days)

4.2 震前余震區(qū)內(nèi)地震活動(dòng)與地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化的關(guān)系

圖8給出了2001~2004年印尼蘇門(mén)答臘MW9.0地震前余震區(qū)內(nèi)發(fā)生的M≥5.3地震(圖中豎直線)和地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化(圖中曲線).圖8中,從A點(diǎn)到B點(diǎn),地球自轉(zhuǎn)日長(zhǎng)縮短,表明地球自轉(zhuǎn)處于季節(jié)性變化的加速狀態(tài);而從B點(diǎn)到C點(diǎn),地球自轉(zhuǎn)日長(zhǎng)增加,表明地球自轉(zhuǎn)處于季節(jié)性變化的減速狀態(tài).因?yàn)榈厍蜃赞D(zhuǎn)加速期和減速期所占的時(shí)間大致相當(dāng),所以,如果地震隨機(jī)發(fā)生,其發(fā)生在加速期和減速期的可能性應(yīng)該是一樣的.但從圖中可以看出,在2002年和2003年,似乎發(fā)生在減速期間的地震明顯比發(fā)生在加速期間的地震多.

地震總是發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)減速期間或加速期間,說(shuō)明地球自轉(zhuǎn)對(duì)地震的發(fā)生具有控制作用.為了分析地震與地球自轉(zhuǎn)減速或加速之間的關(guān)系,引入地球自轉(zhuǎn)減速期間和加速期間單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的地震數(shù)之比值rda,即

式中,nd和na分別為地球自轉(zhuǎn)減速和加速期單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的地震數(shù).利用1990年1月~2004年11月30日發(fā)生在印尼蘇門(mén)答臘MW9.0地震余震區(qū)的M≥4.5地震目錄,以3年的時(shí)間窗,6個(gè)月的滑動(dòng)步長(zhǎng),根據(jù)式(1)計(jì)算,得到了rda隨時(shí)間的變化,結(jié)果示于圖9中.rda平均值約為1.4,大約在2002年5月前rda在0.6~1.9之間變化,2002年底rda急劇上升到3.3,達(dá)到最高值.到2003年5月,rda下降到2.5左右,之后維持在2.3~2.6之間小幅變化.從整個(gè)變化過(guò)程來(lái)看,1993年底rda從年初的1.5上升到1.9,之后呈逐漸下降變化形態(tài),1994年底rda下降到0.7,直到1998年5月,rda穩(wěn)定在0.6~0.8的較低值之間.1998年5月之后,rda呈起伏上升趨勢(shì)變化,從1998年5月到2002年5月,rda從0.6的低值處起伏上升到1.7,到2002年底加速上升到3.3的最高值.震前2年,rda呈現(xiàn)從最高值處下降趨勢(shì)變化形態(tài).因此,rda在震前數(shù)年表現(xiàn)為前期的緩慢趨勢(shì)上升和后期的加速上升-下降變化特征.rda的計(jì)算是根據(jù)發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)減速期和加速期單位時(shí)間內(nèi)的地震數(shù).計(jì)算中影響rda的因素主要有兩個(gè)方面:一是地球自轉(zhuǎn)減速時(shí)段和加速時(shí)段各自所占的時(shí)間長(zhǎng)短;二是地震個(gè)數(shù).一般來(lái)講,地球自轉(zhuǎn)減速時(shí)段和加速時(shí)段所占的時(shí)間長(zhǎng)短大致是相同的,但略有偏差.如果在計(jì)算時(shí)使用單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的地震數(shù),就可將偏差的影響扣除.由于地震要么發(fā)生在減速時(shí)段,要么發(fā)生在加速時(shí)段,假如地震隨機(jī)發(fā)生,可由二項(xiàng)式分布,計(jì)算rda值的隨機(jī)概率.rda值的隨機(jī)概率與樣本有關(guān).如果樣本量為3,那么(2,1)分布的概率最大,這種情況下計(jì)算得到的rda值為2.0或0.5.如果樣本量為10,則(5,5)和(4,6)分布的概率最大,因此,rda值為1或0.7或1.5.即樣本量增大時(shí),相同的rda值的隨機(jī)性減弱,或者說(shuō)具有同樣隨機(jī)概率的rda值會(huì)減小.圖10中給出了rda值=2.0、3.0、4.0、5.0的隨機(jī)概率與樣本量的關(guān)系.可以看出,當(dāng)樣本量大于50時(shí),這些rda值的隨機(jī)概率已經(jīng)很小了.圖11給出了在計(jì)算圖9中的rda值時(shí)所用的地震數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果.對(duì)所有的rda值,在計(jì)算時(shí),樣本量都在50以上,所以,2002年底以后rda值位于2以上,其隨機(jī)性非常小,結(jié)果可信度高,反映了地球自轉(zhuǎn)減速對(duì)地震活動(dòng)的控制作用.

圖12中給出了2000年1月~2004年11月印尼蘇門(mén)答臘MW9.0地震余震活動(dòng)區(qū)域內(nèi),發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化的減慢時(shí)段與加快時(shí)段內(nèi)M≥5.5地震的震中分布.可以看出,在印尼蘇門(mén)答臘MW9.0地震震中附近,緯度在1°N~7°N的空間范圍,這段時(shí)間內(nèi)幾乎全部M≥5.5地震都發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化的減速時(shí)段內(nèi).從2000年1月到2004年11月,近5年的時(shí)間,在這5年的時(shí)間里,地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性加速和減速交替變化大約要經(jīng)歷10次,且各自所占的時(shí)間長(zhǎng)度大致相等.如果這些M≥5.5地震不受地球自轉(zhuǎn)減速控制,它們發(fā)生在加速和減速時(shí)段的可能性是相同的,實(shí)際上這些地震都一致地發(fā)生在減速時(shí)段內(nèi),這表明地球自轉(zhuǎn)減速與這些地震的發(fā)生之間具有非常密切的聯(lián)系.

圖12 2000年1月—2004年11月發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)減慢與加快時(shí)段內(nèi)的M≥5.5地震“□”為發(fā)生地球自轉(zhuǎn)減慢時(shí)段內(nèi)的地震,“○”為發(fā)生地球自轉(zhuǎn)加快時(shí)段內(nèi)的地震,“☆”為印尼蘇門(mén)答臘MW9.0地震Fig.12 The distribution of M≥5.5earthquakes occurring in the deceleration or acceleration period of the seasonal change of the earth rotation from January 2000to November 2004“□”stands for the earthquakes occurring in the deceleration period of the earth rotation,“○”stands for the earthquakes occurring in the acceleration period of the earth rotation,“☆”is the MW9.0Indonesia Sumatra earthquake.

4.3 震前余震區(qū)內(nèi)地震活動(dòng)與地球自轉(zhuǎn)“十年起伏”變化的關(guān)系

圖13為蘇門(mén)答臘MW9.0地震余震區(qū)M≥4.5地震累積年頻次隨時(shí)間的變化(以1年的時(shí)間窗1年,6個(gè)月的滑動(dòng)步長(zhǎng)進(jìn)行累積計(jì)算).累積年頻次N與時(shí)間T之間近似符合線性關(guān)系:

式中N為累積年頻次,可看成是累積年頻次的長(zhǎng)期平均值,T為時(shí)間,線性相關(guān)系數(shù)r=0.9942.平均來(lái)講,這個(gè)區(qū)域M≥4.5地震以每年約44次的速率增加.實(shí)際累積年頻次N0相對(duì)于這個(gè)平均值的變化用ΔN表示,即:

圖14給出了ΔN隨時(shí)間的變化,同時(shí)也給出了地球自轉(zhuǎn)“十年起伏”變化.從圖中可以清楚地看出,1992年底以前地球自轉(zhuǎn)處于減速狀態(tài),ΔN在1992年中以前呈上升變化.1992年底地球自轉(zhuǎn)速率減小到階段低點(diǎn),開(kāi)始加速,ΔN開(kāi)始由上升轉(zhuǎn)為下降.直到2002年底,地球自轉(zhuǎn)一直處于加速狀態(tài),ΔN也一直處于下降狀態(tài).2002年底,地球自轉(zhuǎn)速率上升到階段高點(diǎn),開(kāi)始轉(zhuǎn)為減速,ΔN從低值處快速上升,蘇門(mén)答臘MW9.0地震發(fā)生前ΔN已明顯高于2倍標(biāo)準(zhǔn)差線.因此,地震活動(dòng)與地球自轉(zhuǎn)“十年起伏”變化關(guān)系表現(xiàn)為地球自轉(zhuǎn)減速時(shí)地震活動(dòng)增強(qiáng),反之,則地震活動(dòng)減弱,這反映了地震活動(dòng)受控于地球自轉(zhuǎn)速率變化的現(xiàn)象.

4.4 地震與地球自轉(zhuǎn)之間存在關(guān)系的其它震例

4.4.1 2008年5月12日四川汶川8.0級(jí)地震與地球自轉(zhuǎn)減速有關(guān)

近40年來(lái),地球自轉(zhuǎn)日長(zhǎng)“十年起伏”長(zhǎng)周期變化經(jīng)歷了兩次較大幅度的加速過(guò)程和減速過(guò)程.兩次加速過(guò)程的大致時(shí)間段分別是1972—1987年和1993—2003年,兩次減速過(guò)程的大致時(shí)間段分別是1987—1993年和2003—2008年.2008年5月12日汶川8.0級(jí)地震發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)經(jīng)歷了較大幅度的加速之后的小幅減速的背景上.汶川8.0級(jí)地震發(fā)生時(shí),地球自轉(zhuǎn)正從減速階段過(guò)渡到加速階段(圖15).根據(jù)式(1),分析了汶川地震前從1970年1月到2008年4月龍門(mén)山斷裂帶上發(fā)生的ML≥3.0地震的rda隨時(shí)間的變化,結(jié)果如圖16.計(jì)算時(shí)時(shí)間窗取3年,以4個(gè)月滑動(dòng).從圖中可以看出,汶川地震前龍門(mén)山斷裂帶上的ML≥3.0地震發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化的減速時(shí)段的數(shù)目相對(duì)于加速時(shí)段的數(shù)目增加十分明顯,這是1970年以來(lái)最為顯著且唯一的現(xiàn)象.

圖15 地球自轉(zhuǎn)日長(zhǎng)年均值變化與2008年5月12日汶川8.0級(jí)地震(“↓”)Fig.15 The annually averaged variation of the Earth′s LOD and the May 12,2008 Ms8.0Wenchuan earthquake(“↓”)

圖16 龍門(mén)山斷裂帶上rda隨時(shí)間的變化3年時(shí)間窗,4個(gè)月滑動(dòng),Mc=3.0表示最小震級(jí)為3.0級(jí)Fig.16 The variation of rdavalue with time for the Longmenshan fault beltTime window:3years,sliding step:4months,M0=3.0 denotes that the minimum magnitude is M3.0

圖17中給出了2006年1月~2008年4月四川地區(qū)發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化的減慢時(shí)段與加快時(shí)段內(nèi)的ML≥3.0地震的震中分布.從圖中可以看出,龍門(mén)山斷裂帶上,從汶川8.0級(jí)地震震中附近往東北方向一段地區(qū),ML≥3.0地震都發(fā)生于地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化的減速階段.

圖17 2006年1月~2008年4月地球自轉(zhuǎn)減速與加速時(shí)段內(nèi)四川地區(qū)ML≥3.0地震“■”為發(fā)生于地球自轉(zhuǎn)減慢時(shí)段內(nèi)的地震,“○”為發(fā)生于地球自轉(zhuǎn)加快時(shí)段內(nèi)的地震,“☆”為汶川8.0級(jí)地震Fig.17 The distribution of the ML≥3.0earthquakes occurring in the deceleration or acceleration period of the seasonal change of the earth rotation in Sichuan province from January 2006to April 2008.“■”stands for the earthquakes occurring in the deceleration eriod of earth rotation; “○ ”stands for the earthquakes occurring in the acceleration period of earth rotation;“☆”is the Ms8.0Wenchuan earthquake.

4.4.2 2011年3月11日日本本州Mw9.0地震的發(fā)生與地球自轉(zhuǎn)加速有關(guān)

2008年以來(lái)地球自轉(zhuǎn)日長(zhǎng)長(zhǎng)周期變化由上升轉(zhuǎn)為緩慢下降,地球自轉(zhuǎn)由減速轉(zhuǎn)為緩慢加速.2011年3月11日日本本州Mw9.0地震發(fā)生時(shí),地球自轉(zhuǎn)長(zhǎng)周期變化處于加速過(guò)程中.

為了分析震前震中附近地區(qū)地震活動(dòng)與地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化之間的關(guān)系,選取2011年本州Mw9.0地震余震區(qū)為研究區(qū)域,考查該區(qū)域內(nèi)在震前發(fā)生的M≥5.0地震活動(dòng)與地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化之間的關(guān)系.為此,定義地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化的加速時(shí)段與減速時(shí)段單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生的地震數(shù)之比為rad,分析其隨時(shí)間的變化.計(jì)算rad時(shí),時(shí)間窗取3年,以6個(gè)月滑動(dòng).

圖18給出了2011年本州Mw9.0地震前余震分布區(qū)域內(nèi)從1973年1月到2011年2月rad值隨時(shí)間的變化.從圖中可以看出,2011年本州Mw9.0地震前余震分布區(qū)域內(nèi),無(wú)論是M≥5.0,還是M≥5.5地震,其單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化的加速時(shí)段的數(shù)目相對(duì)于減速時(shí)段的數(shù)目有顯著增加的現(xiàn)象.特別是M≥5.5地震這種現(xiàn)象更加明顯,這幾乎是1973年以來(lái)最為顯著且唯一的現(xiàn)象.

圖18 2011年日本本州Mw9.0地震前余震分布區(qū)域內(nèi)rad隨時(shí)間的變化(3年時(shí)間窗,6個(gè)月滑動(dòng))(a)M≥5.0,(b)M≥5.5Fig.18 The variation of radvalue with time for the region where aftershocks are distributed before the MW9.0Japan Honshu earthquake(time window:3years,sliding step:6months)

圖19給出了2000年1月—2010年12月發(fā)生于地球自轉(zhuǎn)加速時(shí)段和減速時(shí)段M(5.5地震以及2011年3月11日本本州Mw9.0地震的M(5.0余震震中分布.從圖中可以看出,在這11年中,僅在2007~2008年間,在2011年日本本州Mw9.0地震震中附近及其西南一帶地區(qū)的地震全部發(fā)生于地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化的加速階段(圖19d).

根據(jù)圖7中給出的地球自轉(zhuǎn)月尺度的季節(jié)性變化情況,在1年以上的整年時(shí)間里,加快和減慢所占據(jù)的時(shí)間大約是差不多的.如果地震隨機(jī)發(fā)生的話,發(fā)生于地球自轉(zhuǎn)加速時(shí)段和減速時(shí)段內(nèi)的地震應(yīng)該交替出現(xiàn).因此,在2007—2008年間,在2011年日本本州Mw9.0地震震中附近及其西南一帶地區(qū)的地震全部發(fā)生于地球自轉(zhuǎn)加速時(shí)段的現(xiàn)象說(shuō)明,震前這個(gè)地區(qū)存在M(5.5地震的發(fā)生受到地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性加速變化的控制.

圖19f為2011年本州Mw9.0地震的M≥5.0余震的震中分布,將圖19d與之進(jìn)行對(duì)比,可以看出,在2007—2008年間發(fā)生在2011年日本本州Mw9.0地震震中附近及其西南加速時(shí)段內(nèi)的地震全部位于余震區(qū)內(nèi),也就是這些地震的發(fā)生在空間上的選擇不是隨意的,而是與未來(lái)大地震的余震區(qū)一致,因此,可以認(rèn)為它們和未來(lái)大地震發(fā)生之間存在內(nèi)在聯(lián)系.

5 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)2004年12月26日印尼蘇門(mén)答臘Mw9.0地震前余震分布區(qū)域范圍內(nèi)地震活動(dòng)性及其與地球自轉(zhuǎn)之間關(guān)系的分析,得到以下結(jié)果:

1)地震頻次隨時(shí)間變化顯示自2000年開(kāi)始地震活動(dòng)出現(xiàn)了明顯的增強(qiáng)過(guò)程,臨近地震發(fā)生前,有一定幅度的回落.

2)地震頻次空間掃描結(jié)果顯示,這種地震活動(dòng)增強(qiáng)主要發(fā)生在震中附近區(qū)域.

3)根據(jù)地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化減速時(shí)段的地震發(fā)生頻率與加速時(shí)段的地震發(fā)生頻率之比值rda隨時(shí)間的變化可知,rda在震前經(jīng)歷了明顯的緩慢上升-加速上升-下降過(guò)程,2002年底加速上升到最高值.震前2年,rda呈現(xiàn)從最高值處下降的趨勢(shì)變化形態(tài).2002年底以后rda值位于2以上,其隨機(jī)性非常小,結(jié)果可信度高,反映了地球自轉(zhuǎn)減速對(duì)地震活動(dòng)的控制作用.

4)在印尼蘇門(mén)答臘Mw9.0地震震中附近的緯度(1°N—7°N)范圍內(nèi),2000年1月—2004年11月間幾乎全部M≥5.5地震都發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)季節(jié)性變化的減速時(shí)段內(nèi).

5)累積地震年頻次相對(duì)于長(zhǎng)期平均值的變化ΔN與地球自轉(zhuǎn)“十年起伏”變化關(guān)系表現(xiàn)為地球自轉(zhuǎn)減速時(shí)ΔN上升,地震活動(dòng)增強(qiáng),地球自轉(zhuǎn)加速時(shí)ΔN下降,地震活動(dòng)減弱.

根據(jù)上述結(jié)果,可以認(rèn)為2004年12月26日印尼蘇門(mén)答臘Mw9.0地震前,其余震區(qū)地震活動(dòng)具有增強(qiáng)過(guò)程,且這個(gè)地震活動(dòng)的增強(qiáng)過(guò)程與地球自轉(zhuǎn)減速有關(guān),由于地球自轉(zhuǎn)減速引起了地震活動(dòng)的增強(qiáng).也就是說(shuō),在蘇門(mén)答臘Mw9.0地震前出現(xiàn)了地球自轉(zhuǎn)減速使地震活動(dòng)增強(qiáng)的現(xiàn)象,這個(gè)現(xiàn)象不僅對(duì)理解地震孕育過(guò)程具有意義,而且對(duì)地震預(yù)測(cè)研究也具有一定的啟示意義.

圖19 2000年1月—2010年12月發(fā)生于地球自轉(zhuǎn)加速時(shí)段和減速時(shí)段M≥5.5地震以及2011年3月11日本州Mw9.0地震的M≥5.0余震震中分布“□”為發(fā)生于地球自轉(zhuǎn)加速時(shí)段地震,“○”為發(fā)生于地球自轉(zhuǎn)減速時(shí)段地震,“☆”為本州Mw9.0地震(a)2000—2002,(b)2003—2004,(c)2005—2006,(d)2007—2008,(e)2009—2010,(f)2011年本州 Mw9.0地震余震震中分布Fig.19 The distributions of epicenters of M≥5.5earthquakes occurring in the deceleration or acceleration periods of the seasonal changes of the Earth′s rotation from January 2000to December 2010and M≥5.0aftershocks of the MW9.0 Japan Honshu earthquake on March 11,2011“□”denotes the earthquakes occurring in the acceleration period of the Earth′s rotation,“○”denotes the earthquakes occurring in the deceleration period of the Earth′s rotation,“☆ ”denotes the Japan Honshu earthquake with MW9.0on March 11,2011)(a)2000—2002,(b)2003—2004,(c)2005—2006,(d)2007—2008,(e)2009—2010(f)the distribution of aftershock epicenters of the 2011 MW9.0Japan Honshu earthquake

目前地震成因仍然是沒(méi)有解決的科學(xué)問(wèn)題.對(duì)于地震成因,目前公認(rèn)的主要是板塊構(gòu)造理論和彈性回跳學(xué)說(shuō),這也是目前地震預(yù)報(bào)研究的兩大理論支柱.板塊構(gòu)造理論可以成功地解釋板塊邊界發(fā)生的強(qiáng)震,但對(duì)板塊內(nèi)部發(fā)生的強(qiáng)震很難解釋.彈性回跳學(xué)說(shuō)是1910年美國(guó)地震學(xué)家里德(Reid)根據(jù)對(duì)1906年4月18日美國(guó)加州舊金山地震前后橫跨圣安德烈斯斷層所進(jìn)行的大地形變測(cè)量資料的變化進(jìn)行分析之后提出的,但至今沒(méi)有發(fā)現(xiàn)第二個(gè)例子.以上述這兩大理論支柱為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的地震預(yù)報(bào)研究,仍然未能取得實(shí)質(zhì)性突破,其原因,顯然不能全部歸結(jié)為觀測(cè)技術(shù)方面的問(wèn)題.以此為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的地震孕育和地震前兆模式,如硬化模式、擴(kuò)容模式、包體模式、裂紋串通模式、組合模式、紅腫模式等,雖然解釋了或預(yù)期一些地震前兆現(xiàn)象,但與地震實(shí)際情況之間仍然存在相當(dāng)?shù)木嚯x.實(shí)際上,這些被解釋的前兆現(xiàn)象與地震的關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜,這些被預(yù)期的前兆與地震之間的關(guān)系往往并不是一一對(duì)應(yīng)的.

地震,作為自然現(xiàn)象,應(yīng)該有其發(fā)生的原因,有其規(guī)律可尋.早在20世紀(jì)70年代初,著名科學(xué)家李四光在論及地殼運(yùn)動(dòng)的起源和動(dòng)力來(lái)源問(wèn)題時(shí),就認(rèn)為在地殼上所能確定的巨型構(gòu)造體系都具有一定的方向性,決定地殼運(yùn)動(dòng)方向的因素不是地球自轉(zhuǎn),而是地球自轉(zhuǎn)速度的變更[2].板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)的基礎(chǔ)是魏格納提出的大陸漂移學(xué)說(shuō),雖然它主要是建立在硅鋁層和硅鎂層的比重不等、若干大小陸塊現(xiàn)今邊緣形狀的相符性、古氣候帶地位的改變和陸上古動(dòng)物群及古植物群分布情況等等事實(shí)的基礎(chǔ)之上,而對(duì)于使大陸分裂和移動(dòng)的原因,魏格納還是把其歸根于地球的自轉(zhuǎn).如果認(rèn)為地震是地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物,那么地震與地球自轉(zhuǎn)之間的關(guān)系就不難理解.馬宗晉院士也認(rèn)為地球自轉(zhuǎn)速率變化可能是地震活動(dòng)的一種主要的動(dòng)力來(lái)源[3].

至于地震前發(fā)生在震中附近地區(qū)的中、小地震與地球自轉(zhuǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,可能與塊體之間的預(yù)接觸有關(guān).如果把地震看成為塊體之間的相互作用,強(qiáng)的相互作用引起的地震大,弱的相互作引起的地震小.當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)速率發(fā)生變化時(shí),具有不同質(zhì)量的巖石圈塊體之間,由于質(zhì)量存在差異,其運(yùn)動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生差異性,從而使塊體之間發(fā)生相互作用,引發(fā)地震.如果地震發(fā)生前,兩塊體曾經(jīng)發(fā)生過(guò)“預(yù)接觸”,則在其間可能出現(xiàn)地震活動(dòng)或其它地球物理現(xiàn)象,其顯著程度與“預(yù)接觸”時(shí)兩塊體之間的作用強(qiáng)弱有關(guān).一般來(lái)說(shuō),大地震發(fā)生前,這種“預(yù)接觸”造成的塊體之間的作用就比較強(qiáng),在震前出現(xiàn)的地震活動(dòng)就比較顯著.

地震成因是復(fù)雜的,地震可能是多因素聯(lián)合作用的產(chǎn)物.本文重點(diǎn)在于揭示2004年12月26日印尼蘇門(mén)答臘Mw9.0地震與地球自轉(zhuǎn)之間具有較好對(duì)應(yīng)關(guān)系的現(xiàn)象,上述解釋尚是定性的,需要更多的證據(jù)來(lái)證實(shí).盡管這樣,它對(duì)理解地震成因仍具有一定的啟示意義.

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