厄尔尼诺激发强震——太平洋地壳跷跷板运动

杨学祥

 

    摘  要: 在厄尔尼诺现象和拉尼娜现象发生前后, 东西太平洋海面高度分别升降40cm, 水均衡作用使洋壳反向升降13cm. 由此形成的东西太平洋地壳跷跷板运动加强了强潮汐对地震火山活动的激发作用.

关键词：厄尔尼诺,拉尼娜,潮汐,地震群,火山,地球自转.

 

1．  强潮汐激发地震火山活动的可能机制

 

最新计算结果表明, 潮汐使巨量地球流体相对固体作差异旋转运动^[3]. 为了计算方便, 我们将海面升降简化为平面模型(见图2).

设跷跷板支点为坐标原点, 如图1所示, 东西太平洋海面斜线异常分布的表达式为

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a cm长2L的东西向太平洋地壳,δ为海水的密度,g为重力加速度.在x处所受压力微元和力矩微元分别为

dp = δagydx                                 （2）

                dM = δagxydx                                （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δ= 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 = (δagHL²)/3                               （4）

这相当于在宽1cm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 = δagHL/3                            （5）

将H = 60cm,a = 1cm，L = 10000km代入公式得p = 2×10⁸ N. 因此, 非均匀的异常海面分布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.

 

 

图1 潮汐引起的海面升降与太平洋地壳的跷跷板运动

Fig 1. Sea level changes by the tides and “seesaw movement” in Pacific Crust

 

如图1a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, 科里奥利力使断裂引张有利于火山喷发和岩浆侵入. 如图1b所示, 当潮汐使东太平洋海面增高和西太平洋海面降低时, 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, 科里奥利力使断裂挤压不利于火山喷发和岩浆侵入.

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40~60cm. 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^[3,4]. 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.

1999年8月和2000年8月地球自转速度两次达到极大值（日长△LOD极小值）, 表明拉尼娜有两次显现将要结束的征兆^[5]. 1999年8-10月是大地震频发的时期, 火山活动也激增, 全球发生火山爆发17起. 1999年纪录的27起火山活动, 有14起出现在土耳其大地震以后短短的两个多月内. 1999年4~8月是强潮汐阶段. 大范围大震与局部小震有明显的不同, 大震造成的大断裂使大范围的地震火山活动受到激发, 时间有个滞后期. 因此, 2000年7~8月的日本Miyake岛地震火山活动就不是一个孤立的现象, 而同年1月20日的强潮汐没有拉尼娜结束的配合（表现为日长极小值）, 因此激发作用较小. 拉尼娜的特征是西太平洋增暖海面升高, 东太平洋变冷海面降低(见图1中的a). 日本近海洋壳因加载海水的重压而下沉, 岩浆沿断裂上涌而产生群震.地球自转加快使海水在惯性力作用下向西运动, 增大海面倾斜度.

2000年12月至2001年3月是强潮汐阶段，其中1月发生7~8级地震5次. 2001年6~10月强潮汐阶段使东太平洋从10月开始增温，是厄尔尼诺发生的前兆, 全球有4次7级以上大地震发生在10月。11月12日为近地潮，15日为日月大潮，离强潮汐相差3天的标准仅多了一天。因此，2001年11月14日昆仑山口发生了8.1级地震仍然是强潮汐激发的滞后作用，并且有厄尔尼诺将要发生的前兆配合。同样，2003年9~12月强潮汐阶段因为2月厄尔尼诺的结束而增强，其间地震活动异常强烈。特别是9月22日~27日, 全球有4次7~8级大地震发生. 2001年到2003年, 当年发生7级以上大震最多的月份都在强潮汐阶段.

总之, 强潮汐在地球自转变化、厄尔尼诺和拉尼娜的配合下, 激发地震火山作用更加明显. 地球自转速度变化的极值点是重要的判断依据.地球自转最快(慢)、西太平洋海面上升到最高(低)值(见图1a)和日长变化(△LOD)取得极小(大)值是这个时期的主要特点^[5,6].

 

2．   结论

 

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[14].

 

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