地球物理学报  2011, Vol. 54 Issue (9): 2256-2262   PDF    
大地震的18.6年周期
杜品仁1, 赵俊猛2, 高祥林1     
1. 中国地震局地质研究所,北京 100029;
2. 中国科学院青藏高原研究所,北京 100085
摘要: 将全球分为15个研究区,用1900~2009年MW≥7.0地震目录,统计分析了各区大地震与月球交点运动周期的关系,得出15个研究区中有10个区,大地震存在统计意义上的18.6 a周期:活跃段为12.4 a,平静段为6.2 a;环太平洋地震带北、南、西、东4大区的大地震,不仅有这样的周期,而且其地震活跃段的时间存在一定规律.用第6个18.6 a(1991~2009年)期间的大地震,检验据前5个18.6 a(1900~1990年)地震目录所得18.6 a 周期的稳定性和实用性,发现有这种周期的地区多数的周期性是稳定的.大地震18.6 a周期的可能成因有: (1)18.6 a潮波通过调制日潮和半日潮调制大地震; (2)上地幔内流体的潮汐(地内潮)作用; (3)18.6 a潮波通过影响地球自转变化调制大地震.
关键词: 月球交点运动      板块      地震活跃段      2检验      地球自转     
The 18.6-year periodicity of great earthquakes
DU Pin-Ren1, ZHAO Jun-Meng2, GAO Xiang-Lin1     
1. Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China;
2. Institute of Tibetan Plateau Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100085, China
Abstract: Dividing the world into 15 study areas and using the earthquake catalogue of MW≥7.0 during 1900~2009, we make a statistical analysis of the relationship between seismicity of each area and the period of lunar nodal motion. The result shows that among the 15 areas, 10 areas exhibit an 18.6-year cycle of great earthquakes in statistical sense, which consists of a 12.4-year active section and a 6.2-year quiet section. In the eastern, northern, southern and western areas of the Circum-Pacific seismic belt, such a periodicity is present and their active sections have certain regularity. In terms of seismic events during the sixth cycle (1991~2009), this study has tested the stability and applicability of the 18.6-year periodicity derived from earlier five cycles (1900~1990). It is found that most of periodicities are stable in the regions with such characters. The possible mechanisms of the 18.6-year periodicity are as follows: (1) Earthquakes are modulated by the 18.6-year tide via day and half-day tides. (2) Effect of fluid tide in upper mantle (tide within the Earth). And (3) earthquakes are dictated by 18.6-year tide through variation of Earth rotation.
Key words: Lunar nodal motion      Plate      Active section of earthquakes      2 test      Earth rotation     
1 引言

18.6a是月球交点运动周期.在此周期内,月球轨道与赤道面的倾角在18.3°~28.6°之间变化.受此影响,地球有相应周期的章动和潮汐,全球的气温和海平面变化[1, 2]、太平洋年代际振荡指数PDO 和北太平洋的洋面温度[3, 4]、北美的气温和旱涝变化[5, 6]等也有这一周期或与此周期有关.

大地震的18.6a周期曾被作为一些地区中长期地震预测的依据[7~10].后发现,大地震的18.6a周期(或轮回),不仅少数地区有,而且全球主要地震区都有[11, 12];不仅浅源大地震有,中源和深源大地震也有[13].文献[14~16]还从不同角度研究了这种周期性.

全球各地震区都有18.6a周期吗?这种周期是否稳定,是否能用于中长期地震预测?月球交点运动影响大地震的成因是什么?本文将对这些问题进行探讨.

2 分析方法 2.1 研究区和地震样本

本文依据地震和板块分布图将全球分为15个研究区(图 1),其中标号为1~13 的研究区与文献[11, 12]相同,14和15区是借助地理信息系统新增的2个研究区:新西兰及其邻区和东地中海.做这类统计分析,最好选用归一化地震目录.因此,本文所用地震目录为用标量地震矩MO 计算的矩震级MW ≥7.0浅源地震目录,其中,1900~1976年,MO 用Pachecoand Sykes的数据[17],1977年起用哈佛大学数据[18].MW 按文献[17]中所用公式计算.

图 1 板块、研究区和1900~2009年MW ≥7.0地震分布图 Fig. 1 Map showing plates, study areas and distribution of MW ≥7.0 earth quakes in 1900~2009
2.2 计算和检验

某个地震区的地震是否有18.6a周期,依据地震发震时刻的月球升交点黄经Ω 是否丛集在某一区间而定.Ω 的取值范围为0°~360°,对应的时间长度为18.6a;地震丛集区间取为240°,对应的时间长度为12.4a.通过这种处理,时间长度为多个18.6a的地震分布被变换为360°范围内的分布,更易于做统计分析.本文称地震丛集区间所对应的时段为地震活跃段;非丛集区间所对应的时段为地震平静段.因此,本文所说的18.6a周期,就由12.4a的地震活跃段和6.2a的地震平静段组成.

由于月球升交点的运动与月球和太阳的运动方向相反,对月球升交点黄经的计算有按顺行算的,也有按逆行算的.文献[11, 12]中的月球升交点黄经N′就是按顺行算的,计算公式为[19]:

(1)

因为逆行算法用得更普遍,本文对月球升交点黄经的计算按逆行计算,计算公式为:

(2)

式中T是从1900年1月0日12时起算的儒略世纪数.也可用2000.0 起算的Ω 计算公式[14].N′和Ω之间的关系为:N′+Ω=360°,或者Ω= -N′,据此可相互转换,不会影响分析结果.与此相应,地震活跃段用Ω0±120°表示,Ω0 为地震活跃段的中心时刻,Ω 值的其余120°为地震平静段.

本文的统计检验采用χ2 检验,以均匀分布为零假设.地震样本不是在活跃段内,便是在平静段内,自由度v显然为1.在v=1,置信水平α=0.05的情况下,χ2=3.841.因此,如果χ2>3.841,即认可地震有集中发生在所述活跃段内的18.6a周期.由于13个样本中有一个不在活跃段内的χ2 值为3.846,刚好满足存在18.6a周期的最低要求,故统计样本数一般不少于13.对从MW ≥7.0 起相差0.1 级的一系列样本,都做统计计算,取χ2 值为最大的那一震级作为起始震级,其相应结果为本文结果.

为检验18.6a 周期的稳定性和实用性,做了1900~1990 年和1900~2009 年两个时段的分析,1900~2009年段的Ω0 和起始震级,用1900~1990年段所得结果.在两个时段所得χ2 均大于3.841的情况下,如果第6个18.6a期间(1991~2009年)新增的地震至少有2/3在活跃段内,即认为18.6a周期是稳定的,可用于中长期预测.

3 分析结果

先以14号区为例,说明本文的分析研究方法.

3.1 新西兰及其邻区

该区(图 1,14区)位于澳大利亚-太平洋板块边界东南段.新西兰北岛东侧,太平洋板块向西俯冲;南岛西南,澳大利亚板块向东俯冲.在这两条相向的俯冲带间,是斜穿南岛的阿尔派恩走滑断裂[20, 21].地震多发生在俯冲带上.1897~2009 年间,该区共发生MW ≥7.0地震23次.

对地震发生时间的Ω 值做统计发现,该区地震的活跃时段为Ω=50°±120°所对应的时间:1923年3月22日~1935年8月18日,1941年11月1日~1953年12月31日,1960年6月12日~1972年11月8 日,1979 年1 月22 日~1991 年6 月20 日,1997年9月3日~2010年1月30日.该区的23次MW ≥7.0 地震有21 次发生在上述时段,χ2=6.283;22次MW ≥7.1 地震有21 次发生在上述时段,χ2=8.201;16次MW ≥7.2地震全部在活跃段内(表 1),χ2=8.000.如据1990年前MW ≥7.1地震所得18.6年周期,预测下一个18.6a该区的地震活动情况,新增的8 次MW ≥7.1 地震除1995 年的1次外,其余7次都与预测结果相符.该区下一个地震活跃段的开始时间为2016年4月14日.

表 1 新西兰及其邻区MW ≥7.2地震目录和Ω Table 1 Earthquakes of MW ≥7.2 and Ω values in New Zealand and adjacent areas
3.2 全球各研究区

各研究区1900~2009年间各18.6a周期的地震活跃段为图 2的阴影区,其中心时刻的Ω0 值列于表 2.

图 2 各研究区地震的时空分布(R1,R2,…,R15对应图 1中的研究区) Fig. 2 Temporal-spatial distribution of earth quakes in each study area
表 2 各研究区18.6年周期统计结果 Table 2 Statistics by 18.6-year periodicity to each study area

表 2可见,据1900~2009年目录,15个研究区中,除2、3、4、9和15区外,其余10 个区的χ2值均大于3.84.因此,从统计检验的角度可以认为,多数研究区的大地震存在18.6a周期.

为检验这种周期的稳定性和实用性,表 2的3、5、6列括号中列出了对1900~1990 年间地震所得结果.第6 个18.6a(1991~2009 年)期间,各研究区的地震样本数为表 2第3列括号外与括号内数值之差;各活跃段内地震数为第5 列括号外与括号内数值之差.将前5个18.6a所得结果用第6个18.6a的大地震加以检验,得出在上述10 个存在18.6a周期的区中,与所得18.6a周期相符的有8个区(6~8,10~14区),不相符的2个区(1和5区).

3.3 环太平洋4区

文献[12]曾得出,环太平洋东、南、西、北4个区大地震也有18.6a周期,且其Ω0 值的分布呈现一定规律性.据1900~1990 年和1900~2009 年的MW 地震目录,对这4大区做18.6a周期分析,所得结果见表 3图 3.

表 3 环太平洋4大区大地震的18.6年周期 Table 3 Cycles of 18.6 years in 4 regions of the Circum-Pacific seismic belt
图 3 环太平洋4大区地震的时空分布 Fig. 3 Temporal-spatial distributions of great earthquakes in 4 regions of the Circum-Pacific seismic belt

表 3图 3可见,无论是据1900~1990 年,还是1900~2009年的MW 地震目录,北太平洋(8区)和南太平洋(12和13区)地震活跃段的中心时间在Ω0=0°或360°值所对应的时间附近;西太平洋(5~7区)的Ω0 大致为270°;东太平洋(9~11区)的Ω0 为90°.地震群体活动所显示的这一规律是否与板块俯冲运动方向有关值得研究.因为从总体上看,这里所指的北太平洋和南太平洋地区板块俯冲方向是向北,东太平洋是向东,西太平洋是向西,Ω0 之间的差值正好与不同的俯冲方向相对应:东与西约差180°;南、北与东或西约差90°.

4 大地震18.6a周期的成因探讨 4.1 18.6a波调制日潮和半日潮

为什么地球的气圈、水圈和岩石圈中一些地区的某些现象会呈现18.6a周期,目前还没有确切的机制加以解释.对气圈和水圈中的这一现象,一般认为是由18.6a月球交点周期的潮汐作用所致[1~6].这种潮汐作用包括两个方面,一是18.6a波本身的作用,如它引起海潮有相同周期的长期起伏;另一方面,是18.6a 波对日潮和半日潮所施加的调制作用.潮汐位理论预测这种调制作用对M2、K1和O1波振幅的影响分别为±4%、±13%和±19%.在南极的重力固体潮台站已观测到K1、O1 和M2 波的振幅受到18.6a波的调制,与理论预测结果非常一致[22].潮汐,主要是日潮和半日潮,对地震有明显的触发作用[23, 24].因此,如果大地震存在18.6a周期,其成因之一可能是18.6a波调制日潮和半日潮,进而调制大地震.

4.2 地内潮的影响

一些研究表明[23],潮汐应力太小,不足以触发地震或调制大地震.文献[12]提出岩浆潮假设,认为地震的孕育和发生与软流圈内岩浆的潮汐上涌密切相关,大地震的18.6a周期是月球运动产生的18.6a岩浆潮周期性调制造成的.岩浆潮实际指上地幔内的流体相对其刚性固体骨架的潮汐运动,更广义地可称之为地内潮.现已证明,强震多数发生在层析成像所揭示的低速区附近,与深部流体密切相关[25].虽然目前还无法对地内潮进行观测,但是,从火山喷发时岩浆上涌的壮观场景所展示的地内流体的强烈运动可以推断,上地幔内部流体的潮汐运动或地内潮也可能是大地震有18.6a 周期的成因之一.

4.3 通过影响地球自转变化影响大地震

长周期潮是引潮力位中的带谐函数部分,其振幅虽远不如日潮和半日潮,但其对应的地球内部质量分布变化,可影响地球的主惯量矩C,使地球自转速率产生某种波动[26].空间大地测量已经可以探测到地球自转速率的起伏变化.这些起伏的一部分来自地球对日月引潮力位带谐部分的响应.依据由引潮力位带谐部分引起的日长变化ΔLOD(表 4)[27],本文提出长周期潮通过影响地球自转速率变化进而影响大地震的可能性.

表 4 由带谐潮引起的日长和地球自转能量变化 Table 4 Variations of daylength and energy of Earth rotation caused by zonal harmonic tide

旋转体的动能:

(3)

其中,C为地球绕自转轴的转动惯量,ω 为地球自转角速度.

由转速变化引起的旋转体动能变化:

(4)

(5)

(6)

ΔLOD[27]按(6)式算得的各长周期波引起的地球自转能量变化ΔErot列于表 4.其中18.6a波引起的日长变化ΔLOD=-0.1257 ms, 所引起的ΔErot=6.22×1020J.

按Gutenberg和Richter[28]的经验关系式:

(7)

可得出MS=8.7 地震所释放的地震波能量为7×1017J.每年全球地震所释放的能量为1019J量级.因此,从能量的角度看,18.6a等长周期潮汐波不是直接触发地震,通过地球自转变化来影响大地震是可能的.虽然地球自转变化如何影响地震时空分布的问题还未曾解决[23],18.6a等长周期潮汐波如何通过地球自转变化来影响大地震的机制还有待研究,但对潮汐与地震关系的这一认识,有可能改变长期以来的两种观点:一是潮汐应力太小,不会对大地震产生影响;二是即使潮汐对大地震有影响,也是振幅大的日潮和半日潮起主要作用.

5 讨论和结论

文献[11]和[12]曾得出,全球主要地震区的大地震都存在18.6a周期(或轮回),与本文所得结果差别较大,这主要是由使用不同的地震目录所致.由于本文结果由完全归一化的地震目录所得,应该是对大地震的这种周期性更客观和更可信的认识.

从地震构造角度可以清楚地看出,大地震存在18.6a周期的地区,都是以俯冲构造为主要发震构造,且板块俯冲方向较为一致的地区,它们大都在环太平洋地震带上.在大地震不存在18.6a周期的5个区(表 2)中,下述4 个区都不是以俯冲构造为主要发震构造的地区[20]:天山-贝加尔(2 区)和伊朗及其邻区(3 区)俯冲带不发育;美国西部和墨西哥北部地区(9区),虽地处环太平洋带,但其主要发震构造是圣安德烈斯走滑断裂带;东地中海地区(15区)在东地中海内虽有小段俯冲带,但大地震大都发生在北安纳托利亚走滑断裂带上.马来半岛和巽他群岛地区(4区)虽然是以俯冲构造为主要发震构造的地区,但板块俯冲方向,从安达曼海区的向东,经苏门答腊岛转至爪哇岛的向北,在班达弧区又转为向西和向南,如此复杂的俯冲构造,可能是这一地区的大地震不存在18.6a周期的原因.

通过本文分析得出以下结论:

(1) 全球以俯冲构造为主要发震构造,且板块俯冲方向较为一致的地区,大地震存在活跃段为12.4a, 平静段为6.2a的18.6a周期.

(2) 大地震18.6a周期稳定的地区,约占研究区的半数.在这些地区,可用其18.6a周期外推来做地震趋势预测.

(3) 月球交点运动对大震活动的影响,很可能不是通过引潮力的直接作用,而是通过影响地震自转速率的变化来调制大地震.有关机制还有待进一步研究.

致谢

两位外审专家对本文提出了非常细致、中肯的修改意见,在此深表谢意.

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