地球自转、地震成因与地震预报*

陈学忠 李艳娥 赵晓燕

1)中国地震局地球物理研究所，北京 100081

2)防灾科技学院，河北燕郊 065201

地球自转、地震成因与地震预报*

陈学忠1)李艳娥1)赵晓燕2)

1)中国地震局地球物理研究所，北京 100081

2)防灾科技学院，河北燕郊 065201

通过对2008年5月12日四川汶川8级地震与地球自转的关系的分析，提出了一个新的地震成因观点，认为地震的主要成因之一在于地球自转速率的变化。地球岩石圈由大小不同、质量不同的块体组成。比如，大洋块体薄、质量轻，大陆块体厚、质量重。地球自转速率变化时，就会造成这些块体运动的差异性。这种差异运动可能使块体之间发生“追尾”撞击或摩察，从而引起地震。

地球自转;汶川地震;地震成因

引言

地球自转与地震的关系一直受到专家们的关注。地球自转速率变化可能是全球地震活动的一种主要的动力来源［1-2］，不少研究涉及地震活动与地球自转的相关性研究［3-19］，这些研究几乎得到了相近的结果，认为地球自转与全球强震的发生具有统计上的相关关系，只是不同地区存在差异，有的地区与地球自转减慢有关，有的地区则与地球自转加速有关。至于对地球自转与地震相关性的解释则主要认为是地球自转所引起的附加力对地震的触发作用。地震与地球自转之间的强相关性是客观存在的，仅用地球自转所引起的附加力对地震的触发作用来解释似乎并不充分，因为可以起到类似触发作用的因素不止地球自转引起的附加力，况且这种附加力不是所有地区的地震都可以解释的。比如，苏鸾声的研究表明［16］，太平洋东岸的地震常常发生在地球自转加速期间，而太平洋西岸的地震却主要发生在地球自转减速期间，可是地球自转所引起的附加力只与纬度有关。如果地震与地球自转的关系是确定的，其中必另有原因，因此地球自转怎么引起地震这个问题值得深入研究。下面以2008年5月12日四川汶川地震为例，对其与地球自转之间的关系进行深入分析，以期对这个问题有所启示。

1 地球自转速率随时间的变化

地球自转速率在时间尺度上包含着几天到地质年代时间跨度的变化［19］，这种变化通常用日长变化来表征。地球内部地核与地幔的耦合作用引起日长十年至几十年时间尺度的起伏变化。这种时间尺度的变化在地球自转研究领域中统称为“十年起伏”的趋势变化。大气环流和固体潮等可引起日长的季节性变化。而短周期变化主要是大气的高频震荡和潮汐波动引起的［20］。

目前，地球自转速率变化可以被精确观测到。国际地球自转服务组织IERS(International Earth Rotation Service)在网上公布了1962年以来每天的地球日长数据(http:∥hpiers.obspm.fr/eop-pc/)，图1给出了2000年以来的地球日长随时间的变化。图中纵轴为日长，单位为毫秒(ms)，其意义是相对于标准日长的变化量。图1(b)中给出了经过截止周期为125天的低通滤波处理后的日长随时间的变化曲线，图中清楚地显示出地球自转的季节性变化。一般情况下，在1年的时间里，1—3月和8—10月日长呈上升变化，地球自转减慢;4—7月和11—12月日长呈下降变化，地球自转加速。图2中给出了1900年以来地球日长“十年起伏”变化形态。

图1 地球日长季节性变化

2 地球自转与汶川地震发生的关系

2.1 2008年5月12日四川汶川8级地震

地球自转除了存在年尺度的季节性变化外，还存在“十年起伏”的趋势性变化。1900年以来，地球自转大致经历了如下几个阶段的变化:1912年以前，地球自转处于减速状态;1912—1929年处于加速状态;1929—1944年处于减速状态;1944—1955年处于加速状态;1955—1972年处于减速状态; 1972—1986年处于加速状态;1986—1993年处于减速状态;1993—2003年处于加速状态;2003年以来处于减速状态。因此，2008年四川汶川8级地震发生在地球自转“十年起伏”趋势性变化的减速阶段(图2)。

2.2 汶川地震前龙门山断裂带中小地震

图2 地球日长“十年起伏”变化(“↓”表示2008年5月12日四川汶川8级地震)

为了进一步考察汶川地震的发生与地球自转之间的关系，下面选取龙门山断裂带上在汶川地震前发生的中小地震，分析其与地球自转之间的关系。图3给出了汶川地震前从1993年1月到2008年4月这15年中地球自转季节性变化与龙门山断裂带上发生的ML≥3级地震的关系。从图中可以看出，在汶川地震前2年，从2006年7月始，几乎所有ML≥3级地震都发生在地球自转季节性变化的减速时段(图中日长季节性变化曲线的上升段)，这种现象在其它时间段却没有出现过。表1中给出了这些地震的发生时间、地点和震级。

图3 地球自转季节性变化与汶川地震前龙门山断裂带上中小地震发生的关系

表1 汶川地震前2年时间内发生在龙门山断裂带上的ML≥3级地震

图4为地球自转季节性变化的减慢时段与加快时段内，龙门山段裂带上发生的ML≥3地震数之比随时间的变化，计算时时间窗取3年，以4个月滑动。图中显示2006年起，减慢时段内的地震数与加快时段内的地震数之比从1.5飚升到5.5。在此期间，地球自转季节性变化的减慢与加快时段长度之比在1.5以下(图5)，因此这个显著的变化与地球自转季节性变化的减慢和加快时段长度变化无关，说明在临近汶川地震发生的2年内，地球自转减慢使龙门山断裂带上ML≥3地震活动显著增强。

图4 地球自转减慢与加快时段内发生的地震数之比随时间的变化(3年时间窗，4个月滑动)

图5 地球自转减慢与加快时段长度之比随时间的变化(3年时间窗，1个月滑动)

2.3 汶川地震的余震

图6给出了汶川地震序列中ML≥5.5级的较强余震与地球自转季节性变化之间的关系。除紧跟主震发生的外，其余ML≥5.5级余震几乎都发生在地球自转季节性变化的减慢段。

图6 地球自转季节性变化与汶川地震ML≥5.5级余震发生的关系

3 地震成因与地震预报

根据上述对汶川地震与地球自转关系的分析结果，汶川地震发生在地球自转“十年起伏”趋势变化的减慢阶段，汶川地震前2年，龙门山断裂带上ML≥3地震几乎全部发生在地球自转季节性变化的减慢时段，汶川地震序列的ML≥5.5级较强余震发生也与地球自转季节性变化的减慢有关。这说明汶川地震在发生前后均与地球自转减慢有关。据此，笔者认为，地震的发生可能与地球自转速率变化有关。地球由地核、地幔和岩石圈组成。岩石圈由大小不同、质量不等、相互挤靠在一起的块体组成，这些块体就像水中的船一样漂浮在地幔上。由于质量存在差异，地球自转速率变化时，就会造成这些块体之间运动的差异性，块体之间就可能发生相互作用，这种相互作用正是地震发生的根本原因。

块体之间的相互作用主要有以下几种情况:

(1)“追尾”。当地球自转加速时，西边质量轻的块体就会追赶东边质量重的块体;当地球自转减速时，西边重的块体就会因为惯性“追尾”东边质量轻的块体。这种情况会引起逆冲型地震。

(2)“分离”。当地球自转加速时，西边质量重的块体与东边质量轻的块体之间会产生“分离”作用;当地球自转减速时，西边轻的块体与东边质量重的块体之间也会产生“分离”作用。这种情况会引起正断层型地震。

(3)“摩擦”。不管是地球自转是在加速还是在减速，只要是地球自转速率发生变化，质量不等的南北块体间都会发生差异运动或“摩擦”。这种情况会引起走滑断层型地震。

地震释放的能量来自于两块体碰撞后损失的动能的一部分。简单的计算表明，在纬度30°N处，厚度为30 km的1 km2的地块的动能约为6.5444×1018N·m，而1次8级地震所释放的能量约为6.31×1016N·m。因此，只要块体在碰撞时损失1 km2地块的动能，就足以用于100个8级地震释放能量。

对两个质量分别为m1和m2的物体，速度分别为u1和u2，当发生非弹性碰撞时，损失的动能为:

当m1≫m2时

所以在速度差相同的情况下，质量大的块体与质量很小的块体之间碰撞之后，动能损失相对较小，不会引起较大的地震。反之，两个较大质量的块体之间，当其发生碰撞后，动能损失相对较大，引起的地震也较大。对于地球岩石圈，由于其厚度相对变化不是很大，一般来说，块体越大，质量也越大，因此大地震通常发生在大的块体之间，这与我们观测到的大地震通常发生在巨型断裂带上是完全一致的。因为那些巨型断裂带正是质量较大的块体之间的分界带。

上述地震成因观点与弹性回跳理论之间存在根本的差别。根据弹性回跳理论，震前在震源区会产生很高的应力，发生很大的应变，从而积累很高的应变能。预期在这个过程中，可能会出现明显的地球物理异常现象。根据上述地震成因观点，地震释放的能量来自于块体的动能，震前震源区不需要积累很高的应变能，所以，震前可能不会出现显著的地球物理异常。如果地震发生前，两块体曾经发生过“预接触”，则在其间可能出现地震活动或其它地球物理异常，且异常出现显著程度与“预接触”时两块体之间的作用强弱有关。一般来说，大地震发生前，这种“预接触”造成的块体之间的作用是比较强的，可以预期在震前会出现明显的地震活动和其它地球物理异常。但这种异常可能只出现在块体之间“预接触”期间和相应的局部地区。

2008年5月12日四川汶川8级地震发生在龙门山断裂带上，龙门山断裂带以西是青藏高原块体，东边是与华南地块相连的四川盆地。青藏块体地壳厚，质量重，而四川盆地地壳薄，质量轻。地球自西向东转动时，青藏块体与四川盆地之间的相互作用可能出现两种情况:一种是地球自转加速时，质量轻的四川盆地比质量重的青藏块体跑得快，两个块体之间的作用减弱，作为两个块体结合地带的龙门山断裂带上表现为松弛;当地球自转减速时，质量重的青藏块体由于惯性的作用使两个块体之间的作用加强，龙门山断裂带上推挤作用会增强。当减速到一定程度时，两个块体之间就会发生“追尾”，引起地震。2008年5月12日汶川8级地震就是在地球自转减速状态下，青藏块体与四川盆地发生“追尾”引起的。

在发生“追尾”之前，一般情况下，块体之间会有“预接触”。当青藏块体与四川盆地之间发生预接触时，在龙门山断裂带上就可能出现地震活动增强的现象。果然，从2006年7月至2008年4月期间，龙门山断裂带上几乎所有ML≥3级地震都发生在地球自转季节性变化的减速时段，这正是青藏块体与四川盆地之间发生“预接触”的例证。当两块体碰撞发生较大地震后，块体会损失一部分动能，两块体会逐渐分离。在分离初期，若遇地球自转减速，块体之间还可能发生“摩擦”，引起余震。这就是汶川地震的较大的余震发生在减速时段的原因。

根据上述地震成因观点，由于地球自转存在季节性变化，在两块体发生强相互作用引起强烈地震前，一般会在块体之间发生“预接触”，正是这种“预接触”为我们实现地震预报提供了机会。当块体之间发生“预接触”时，可能会引起地震活动异常和一些地球物理异常现象，对这样的异常的拾取，可能才是地震预测取得实质性进展的突破口。

地震平静是地震活动性观测到的普遍现象。地震活动观测表明，强震前，往往会先出现地震活动增强，然后出现平静现象。根据上述成因观点，地震活动增强是块体之间“预接触”时，由于块体表面粗糙，存在凹凸体，这些凹凸体会在块体的接触过程中逐渐被磨平，同时产生中小地震。当这些凹凸体被磨平后，块体表面变得光滑，有利于相对滑动，进一步的接触不再产生中小地震，于是就出现了平静。之后就是“追尾”发生，即较大的地震。

对于前兆异常，如果根据弹性回跳理论，震前在震源区会产生很高的应力，发生很大的应变，从而积累很高的应变能。在这个过程中，在震源区会出现明显的地球物理异常现象。实际上，很多大地震前在震源区都没有观测到这样的异常现象。根据本文提出的成因观点，地震释放的能量来自于块体的动能，震前震源区不需要积累很高的应变能，所以，震前可能不会出现显著的地球物理异常。如果地震发生前，两块体曾经发生过“预接触”，则在其间可能出现地震活动或其它地球物理异常，且异常出现显著程度与“预接触”时两块体之间的作用强弱有关。一般来说，大地震发生前，这种“预接触”造成的块体之间的作用是比较强的，可以预期在震前会出现明显的地震活动和其它地球物理异常。

(作者电子信箱，陈学忠:cxz8675@163.com)

［1］ 李四光.地质力学概论.北京:科学出版社，1979

［2］ 马宗晋，陈章立，傅征祥，等.亚欧地震系的地震构造特征.中国科学A辑:数学，1980，23(9):883--890

［3］ 杜品仁，徐道一.天文地震学引论.北京:地震出版社，1989

［4］ 高建国.地球自转角速度变化触发地震的初步讨论.科学通报，1981，26(5):293--296

［5］ 陈翠仙.20世纪中国8级大地震与日长关系的初析.云南天文台台刊，1992(4):51--53

［6］ 薄万举，王广余.地球自转、断层形变与地震活动关系研究.大地测量与地球动力学，2006，26(2):43--47

［7］ 李启斌，肖兴华，李致森.中国大陆强地震与地球自转角速度长期变化关系的初步分析.地球物理学报，1973，16:71--80

［8］ 虞志英，罗时芳，许世远，等.地球自转季节性变化与地震关系的初步分析.地球物理学报，1994，17: 44--50

［9］ 张愈，张慧雯.地球自转不规则变化与苏皖及其附近地区中强地震的相关性.地震学刊，2000，20(3): 51--54

［10］韩延本，郭增建，赵娟，等.地球自转速率变化与中国西部的大地震.国际地震动态，2003(6):1--5

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

［12］安欧.全球大震活动与地球自转速率的关系.华北地震科学，1985，3(1):56--67

［13］周永宏，郑大伟.地球自转变化与中国大陆地震活动关系的初步分析.上海天文台年刊，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.二十世纪以来中国西部和邻区的大地震活动与地球自转的关系.内陆地震，1991，3:267--271

［16］苏鸾声.全球7级大震与我国地震活动的关系.地震研究，1995，18(2):143--150

［17］马利华，韩延本，尹志强.全球强震的分布及其与地球自转速率变化的关系.天文研究与技术(国家天文台刊)，2007，4(4):406--411

［18］季洪钦，尤淑如.地球自转不均匀性与全球中震、深震能量的相关分析及其力学关系.天文学报，1988，29(4):326--332

［19］郑大伟，周永宏.地球自转变化与全球地震活动关系的研究.地震学报，1995，17(1):25--30

［20］郑大伟.地球自转与大气、海洋活动.天文学进展，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。