菲律賓海板塊西緣強(qiáng)震活動(dòng)與地球自轉(zhuǎn)角加速度變化關(guān)系研究

田韜 馮志生 祝濤 李鴻宇 王維 葉碧文

江蘇省地震局，南京市衛(wèi)崗3號(hào) 210014

0 引言

地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及其變化所提供的應(yīng)變能可能是地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的一個(gè)重要來(lái)源（李四光，1974）。自從20世紀(jì)30年代發(fā)現(xiàn)了地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的不均勻性后，國(guó)內(nèi)外很多地震學(xué)者開(kāi)始研究地球自轉(zhuǎn)速率變化與全球或區(qū)域地震活動(dòng)時(shí)空分布特征之間的相關(guān)性（李啟斌等，1973；Anderson，1974；鄭大偉等，1995；陳學(xué)忠等，2011）。陳翠仙（1992）研究發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)中國(guó)的8級(jí)地震都發(fā)生在日長(zhǎng)變短期間；郭恒祖（1991）研究發(fā)現(xiàn)，中國(guó)西部及其鄰區(qū)76%的強(qiáng)震發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)加速時(shí)期；傅征祥等（2004）研究還發(fā)現(xiàn)，我國(guó)大陸東部的中朝-魯東黃海地塊大于6級(jí)的強(qiáng)震中70%以上發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)加快的年份，中蒙-華北平原地塊大于6級(jí)的強(qiáng)震中67%以上發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)減慢的年份。

上述工作都是研究地球自轉(zhuǎn)速度的變化與地震之間的關(guān)系，而對(duì)于地球自轉(zhuǎn)角加速度的變化與地震間的關(guān)系則研究較少，而二者的力學(xué)意義是有區(qū)別的。馮志生等（2013）的初步研究表明，1962年以來(lái)華北地區(qū)6級(jí)以上地震都發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)角加速度上升段；而華東地區(qū)11次5.2級(jí)以上地震中，有10次發(fā)生在自轉(zhuǎn)角加速度上升段。上述初步研究范圍和震級(jí)較小，為了更好地說(shuō)明地球自轉(zhuǎn)角加速度與地震之間的關(guān)系，本文以菲律賓海板塊西邊緣帶為研究區(qū)域，選取了1962～2016年間的地震資料，用統(tǒng)計(jì)的方法討論了強(qiáng)震與地球自轉(zhuǎn)角加速度變化的關(guān)系。

1 研究資料及處理

本文采用的地球自轉(zhuǎn)速度數(shù)據(jù)源自IERS（International Earth Rotation Service）網(wǎng)站，起止時(shí)間為1962年1月1日～2016年8月31日。圖1為地球自轉(zhuǎn)角速度隨時(shí)間變化的日值曲線，其中，地球自轉(zhuǎn)角加速度為對(duì)地球自轉(zhuǎn)角速度采用一階差分的結(jié)果。有學(xué)者研究認(rèn)為，地球自轉(zhuǎn)10年尺度波動(dòng)源于地幔與地核之間的耦合作用（傅容珊等，1999）。因此，本文為分析地震活動(dòng)與地球自轉(zhuǎn)角加速度長(zhǎng)趨勢(shì)變化間的關(guān)系，采用富氏擬合對(duì)其進(jìn)行濾波，具體運(yùn)算時(shí)采用6階富氏擬合濾除了10年以下周期；為避免短周期變化對(duì)6階富氏擬合產(chǎn)生影響，在6階富氏擬合前，先用27階富氏擬合濾除了2年以下短周期變化。

圖1 1962～2016年地球自轉(zhuǎn)角速度隨時(shí)間的變化

圖2 1962～2016年地球自轉(zhuǎn)角加速度隨時(shí)間的變化

圖2中地球自轉(zhuǎn)角加速度為地球自轉(zhuǎn)速度經(jīng)一階差分及27階富氏擬合處理后的結(jié)果，以及經(jīng)一階差分及6階富氏擬合處理后的結(jié)果。由圖2可見(jiàn)，經(jīng)6階富氏擬合處理結(jié)果的總體趨勢(shì)與經(jīng)27階富氏擬合處理的趨勢(shì)一致，表明數(shù)據(jù)處理過(guò)程基本反映了地球自轉(zhuǎn)角加速度真實(shí)的趨勢(shì)性變化。

由國(guó)家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)大震速報(bào)目錄網(wǎng)站給出的全球7.5級(jí)以上地震的目錄可知，1962～2016年間，菲律賓海板塊與亞歐板塊邊緣的菲律賓-臺(tái)灣-琉球島孤區(qū)（5°S～35°N，120°～135°E）共發(fā)生7.5級(jí)以上地震25次，地震震中分布如圖3所示。

圖3 1962～2016年菲律賓海板塊西緣7.5級(jí)以上地震分布

圖4 1962～2016年菲律賓海西緣7.5級(jí)以上強(qiáng)震活動(dòng)與地球自轉(zhuǎn)角加速度上升期關(guān)系

2 地球自轉(zhuǎn)角加速度與菲律賓海西緣強(qiáng)震間關(guān)系的初步分析

圖4、表1給出了1962～2016年間菲律賓海西緣7.5級(jí)以上地震活動(dòng)與地球自轉(zhuǎn)角加速度的長(zhǎng)趨勢(shì)變化。由圖4、表1可見(jiàn)，1962年以來(lái)地球自轉(zhuǎn)角加速度上升期可劃分為5個(gè)時(shí)段，分別為1965年1月～1969年8月、1971年11月～1976年11月、1979年6月～1983年12月、1990年2月～1998年9月、2006年6月～2010年10月。5個(gè)上升時(shí)段中持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的為9年左右，最短的為近4年，上升總持續(xù)時(shí)間共26年9個(gè)月，占整體研究時(shí)間54年11個(gè)月的48.7%；1962～2016年間，菲律賓海西緣共發(fā)生7.5級(jí)以上地震25次，其中，21次地震發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)角加速度上升期間，占整體研究時(shí)間內(nèi)地震事件總數(shù)的88%，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，兩者之間存在明顯的相關(guān)性。

表1 地球自轉(zhuǎn)角加速度上升期與菲律賓海板塊西邊緣帶7.5級(jí)以上地震間的關(guān)系

3 結(jié)果與討論

3.1 結(jié)果

1962～2016年間地球自轉(zhuǎn)角加速度上升時(shí)間僅占整體研究時(shí)間的48.7%，而同期菲律賓板塊西邊緣發(fā)生7.5級(jí)以上地震25次，其中，21次地震發(fā)生在地球自轉(zhuǎn)角加速度上升期間，地球自轉(zhuǎn)角加速度上升期發(fā)生的地震占研究時(shí)間內(nèi)地震事件總數(shù)的88%，明顯高于本底概率的48.7%，這表明，該地區(qū)7.5級(jí)以上地震的發(fā)生與地球自轉(zhuǎn)角加速度上升之間存在明顯的相關(guān)性。

3.2 討論

菲律賓海板塊的西邊緣為海洋型的菲律賓海板塊與大陸型的歐亞板塊的俯沖接觸帶，太平洋板塊、菲律賓海板塊以較大速率朝NWW向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，歐亞板塊以較小的速率朝NEE向移動(dòng)，這構(gòu)成了雙方向的板塊匯聚格局，臺(tái)灣島以北段菲律賓海板塊向歐亞板塊下俯沖，臺(tái)灣島以南段歐亞板塊向菲律賓海板塊俯沖（姜輝等，2012；瞿辰等，2007），因此，本文涉及的地震為歐亞板塊與菲律賓板塊之間的板間地震。

按照板塊學(xué)說(shuō)，板塊下伏在具有流動(dòng)性的地幔軟流層之上，隨著軟流層的運(yùn)動(dòng)，各個(gè)板塊發(fā)生相應(yīng)的水平運(yùn)動(dòng)，板塊運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源主要來(lái)自地幔對(duì)流。相較于太平洋板塊和菲律賓板塊，歐亞板塊巖石圈較厚，存在陸根構(gòu)造深嵌入地幔，顯示歐亞板塊巖石層與下伏地幔間為強(qiáng)耦合（高祥林，2004）；事實(shí)上，歐亞板塊相對(duì)于下地幔的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于太平洋板塊和菲律賓板塊（張瓊等，2017）。因此，我們可以簡(jiǎn)單設(shè)想歐亞板塊與地球?yàn)橐惑w，而菲律賓板塊與下伏地幔間為弱耦合，當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)時(shí)菲律賓板塊由此的徑向受力Fn與切向受力Fτ分別為

其中，r為地球半徑；m為菲律賓板塊質(zhì)量；ω為地球自轉(zhuǎn)角速度；β為地球自轉(zhuǎn)角加速度。Fτ事實(shí)上等同于由地球自轉(zhuǎn)角加速度而產(chǎn)生的菲律賓板塊對(duì)歐亞板塊的附加擠壓力，F(xiàn)τ的變化形態(tài)（包括正負(fù)性質(zhì)）與圖4的地球自轉(zhuǎn)角加度的變化一致。因此，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生在地球自轉(zhuǎn)角加速度上升期時(shí)，即表示地震發(fā)生在Fτ上升期。

顯然，該附加力Fτ肯定不是板間地震的主要?jiǎng)恿υ础５牵粢淮伟彘g地震已完成孕育過(guò)程，則該附加力對(duì)該地震的發(fā)生會(huì)有觸發(fā)作用或推遲作用。從本文統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，當(dāng)?shù)厍蜃赞D(zhuǎn)角加速度處于上升期時(shí)，該附加力對(duì)該地區(qū)的板間地震具有觸發(fā)作用，但具體的觸發(fā)過(guò)程目前尚不清楚，還需進(jìn)一步研究。