地震活动对大气与海洋环境变化的影响分析——以美国加州与日本3·11地震为例＊

伊丕源 黄树桃 赵英俊 张景发 童 鹏 张 川

1）核工业北京地质研究院遥感信息与图像分析技术国家级重点实验室，北京100029 2）中国地震局地壳应力研究所，北京100085

地震活动对大气与海洋环境变化的影响分析
——以美国加州与日本3·11地震为例＊

伊丕源1）黄树桃1）赵英俊1）张景发2）童 鹏1）张 川1）

1）核工业北京地质研究院遥感信息与图像分析技术国家级重点实验室，北京100029 2）中国地震局地壳应力研究所，北京100085

通过美国加州林火期间的地震、CO气体监测等数据的统计分析，认为地震对气候干燥、林火的发生以及CO气体浓度变化存在重要影响；对比分析日本3·11地震前后的海洋表面温度变化，认为海底地震的热能释放是导致海水温度升高及海洋热膨胀的重要因素，并进而通过海气交换对大气圈等产生影响；综上分析认为，地震活动伴随有大量的热能及气体释放，并对地球系统的多个方面产生影响，在全球变化中具有重要作用。

地震；林火；海洋表面温度；CO2

引言

地震前在震源及其附近地区，由于岩石的变形、应力的变化、微破裂的发育或先存断裂的预滑等都可能引起深部流体的上涌，并把热量带到地表，引起热异常［1］。资料表明，很多地震前震中附近地区地表存在增热现象［2］。地震短临期间出现突发性地面增温异常是一种非常普遍的现象，并引起低空地面大气增温异常［3］。另一方面，CO2是地壳气体中最主要的组成部分之一，特别是在上地壳的下部与中地壳的上部（地下几公里至十几公里深度）气体中CO2占绝对优势，在这个深度段，正好与地震活动的多震层深度大体上吻合［4］。因此，地震活动必然会导致地壳中大量热能以及CO2、CO等气体的释放，进而影响地球系统的其他组成部分，包括大气圈和海洋活动的变化。

本文通过对2008年加州地震、CO浓度变化以及日本地震与海洋温度变化的统计分析，认为陆地地震和海洋地震都可以直接或间接的对大气、海洋环境等产生重要影响，地震活动在全球变化中具有不可忽略的影响作用。

1 美国加州地震与林火、大气CO浓度变化监测分析

2008年5月起，加利福尼亚州出现异常高温干燥天气，最高气温逼近46℃，并在河滨、洛杉矶和圣迭戈等地区接连出现了多处山林火灾。美国《科学》杂志发表报告认为，“20世纪80年代中期以来，包括加州在内的美国西部发生林火面积超过4平方公里的火灾数量出现明显增长。春季提早到来的趋势以及极端气象条件的变化与不断增长的火灾数量存在密切联系，扩大了火灾的范围，加重了破坏程度”［5］。

本文首先对选取的加州地区及外围（35°～41°N，118°～124°W）区域2008年5月底至7月中旬的林火进行了统计［6］（图1中红点），然后与NASA公布的林火期间监测的CO柱浓度变化［7］进行对比分析。图2是本文选取的CO柱浓度较高时段的分布图。通过对比发现CO柱浓度变化总体与林火的发生以及规模相一致，但个别时段存在一定差异，如6月8日并无大规模林火，但整个加州南北上空都有一定的气体浓度分布。鉴于美国加利福尼亚州是美国地震多发区域，圣安德烈斯断层贯穿其西南部。本文查取美国地质调查局（USGS）公布的2008年5月13日至7月26日的地震监测数据，发现同时间段内该区域出现多次地震［8］（图1中蓝点）。

从图1可以看出，在林火发生期间，该区域范围同时分布有多次地震。为了便于分析地震影响，本文将该地区发生的地震进行了统计，并依据地震强度与能量之间的转换关系，按照公式（1）进行了换算

其中，M为震级，E代表地震能量，单位用焦耳（J）表示。

地震能量释放与时间的关系如图3所示。另外，对期间林火发生的次数也进行了统计，如图4所示。根据NASA公布的CO柱浓度变化监测数据可以发现，CO浓度最大的时间段分别为6月3—6日、6月8日、6月10—13日、6月22—27日、7月4—6日、7月8—12日（图2）。

首先，除去6月8日的CO浓度高峰外，其余都与图4中林火的发生较为吻合，可以认定CO的高浓度分布主要与林火相关。其次，对比图3和图4可以发现，地震能量释放的高峰期与林火发生数量较高的时期相互对应。此外，6月8日的CO高浓度分布虽然无林火发生，却有地震活动高峰与之对应。

通过以上数据的综合对比分析，可以判断，地震活动对加州地区林火的发生起到重要作用。一方面，频繁的地震活动引起地球深部的热能释放，是导致大气增温，出现高温干燥天气的重要原因之一，也是林火的重要起因；另一方面，地震活动本身可能也有CO等气体的释放。

承继成、赵英俊等人曾对MOPITT卫星监测的CO柱浓度进行分析，同样发现印度尼西亚地震带在地震发生时也存在CO浓度升高现象［9］。

2 日本3·11地震对海洋温度变化的影响分析

海洋在全球变化中的作用异常突出。当前的海洋变化研究中，认为海平面的上升主要是由两方面因素造成的：一是全球变暖导致的冰川融化，二是海洋热膨胀。但是，关于海洋热收支的研究中，大多关注的是太阳辐射变化、气候变化影响等，而忽略了海底地震、海底火山喷发等地质活动的影响。

2011年3月11日，日本当地时间14时46分，日本东北部海域（38.1°N、142.6°E）发生了9.0级地震并引发海啸，震源深度24 km（图5）。本文对美国地质调查局（USGS）公布的该地区2011年2月4日至4月上旬的地震监测数据进行了统计，发现该地区在3·11地震前曾有10余次4级至6级间的地震，3·11地震后则出现了多次余震且震级在4以上。

另一方面，本文利用美国国家海洋和大气管理局（NOAA）公布的AVHRR卫星监测的海洋表面温度数据（Sea Surface Temperature）进行对比分析［10］。海洋表面温度数据的范围如图5中红框所示。

震级强度变化与区域平均海洋表面温度变化的对比结果如图6所示。图中分析可以看出，在3·11地震后2天时间，区域海洋表面温度出现明显升高（图7）。随后区域平均海洋表面温度出现下降趋势，但伴随着多次余震的发生及能量释放（图8），其温度随后呈现较高的上升。

图1 2008年5月31日至7月16加州林火、地震空间分布图

图2 2008年6月1日至7月14日CO柱浓度分布变化

图3 2008年5月31日至7月16加州地震能量统计

图4 2008年5月31日至7月16加州林火发生次数统计

图5 日本3·11地震震源位置及海洋表面温度数据统计范围

图6 日本3·11地震震级与海洋温度变化统计对比图（30°～41°N，135°～150°E）

图7 2011年3月14日海洋表面温度分布

关于3月20日左右出现的区域平均海洋表面温度下降，本文认为是由于大范围的海洋内部热交换引起的，统计区域的海水在海底地震后首先进行垂直方面的热交换引起温度快速上升，随后水平方向向太平洋大范围的热输送引起平均温度下降，但余震的不断发生及热能释放弥补了统计区域内海洋热交换的损失，造成海洋表面温度随后再次上升。余震的震级不如3·11地震强烈，因此其能量传递的速度不如先前，加之海水表面的运动加速了水平方向的热传递，所以海水温度呈缓慢上升。

政府间气候变化委员会（IPCC）在第4版评估报告中提出，自1993年以来，海洋热膨胀对海平面上升的预估贡献率占所预计的各贡献率之和的57%；并认为温室效应是导致海洋热膨胀、冰川融化的主要原因。由于温室效应导致大气升温，从而导致海洋表面受热，且由于海洋表层受热被完全传到海洋整个深度的过程需要相当的时间，因此，即使大气温室气体浓度稳定后，全球海平面还将继续上升。另外，当海洋温度升高时，就会释放CO2或者吸收CO2的能力就会下降。

本文认为海底地震是海洋受热的一个重要方面。通过上文分析，日本3·11地震及余震引起面积约120万km2的海面温度上升近1℃。海洋温度升高，必定释放CO2，但海－气界面CO2通量是一个影响因素非常复杂的量，人们先后建立了许多数学模型，主要以风速和海－气二氧化碳的分压差为主要参数来计算［11］。由于无法对当时大面积的海洋状况进行统计，因此，造成的CO2释放量难以准确计算。但如果简单依据CO2的溶解度测算，水温14℃时溶解度为2 032 g／m3，15℃时为1 970 g／m3，取700 m深的海洋上部层面，按海洋面积120万km2计算，则释放的CO2质量约为：

（1.2×1012m2×700 m）×（2 032－1 970）g／m3＝5.208×1016g，即约5.2×1010吨。

可见，海底地震向海洋本身释放大量热量，是导致海洋热膨胀的重要因素之一，同时可通过导致海水升温，间接影响海气交换，进而影响地球大气圈。

图8 3月12日后余震的震级能量统计

3 结论

地球系统是一个复杂的巨系统，地震是地球自身释放能量的一种方式，在地球系统的变化中起到很重要的作用，陆地地震和海洋地震通过不同方式对大气、海洋环境变化产生重要影响。

美国加州地震与林火在空间分布上具有一致性，依据地震频率、震级能量与林火及CO监测结果分析，加州地区频繁的地震对当地高温天气以及林火的发生和CO释放具有重要的影响。

通过对日本3·11地震分析，发现震后海洋表面温度有明显上升，可见，海底地震是海洋温度上升和热膨胀的重要因素，并进而通过海气交换过程对大气圈产生一定影响。

自1990年以来全球平均每年各级地震发生的次数：8级以上1次，7～7.9级地震17次，6～6.9级地震134次，5～5.9级地震1 319次，4～4.9级地震13万次，3～3.9级13万次，2～2.9级地震130万次［12］。由此可见，地震活动在全球变化中具有重要的影响。要全面认识全球变化问题，必须加强对地震、火山等地质活动的研究。

（作者电子信箱，伊丕源：yipiyuan＠163.com）

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［2］叶民权，吴其勇，储长江.卫星遥感技术在地震监测中的应用.减灾技术与方法，2006（2）：22－24

［3］徐秀登，徐保华，马未宇.临震卫星热红外异常的机理分析.科技导报，2007，25（6）：38－42

［4］鱼金子，车用太，刘五洲.地壳中的CO2及其释放与地震短临预测.国际地震动态，1998（8）：8－13

［5］Westerling A L，Hidalgo H G，Cayan D R，et al.Warming and earlier spring increase western U.S.forest wildfire activity.Science，2006，313（5789）：940－943

［6］http：∥www.arb.ca.gov／desig／excevents／2008wildfires.htm

［7］http：∥photojournal.jpl.nasa.gov／catalog／？IDNumber＝pia10973

［8］http：∥earthquake.usgs.gov／earthquakes／map／

［9］承继成，赵英俊.地球系统释放CO2及其遥感研究进展.北京：电子工业出版社，2011：243－253

［10］http：∥oceanwatch.pifsc.noaa.gov／las／servlets／constrain？var＝92

［11］陈泮勤.地球系统碳循环.北京：科学出版社，2004：324－329

［12］崔伟宏，弗雷德·辛格，万森·库尔提欧，等.自然是气候变化的主要驱动因素.北京：中国科学技术出版社，2012：101－107

Analysis of the impact of earthquake for the atmosphere and ocean——Based on the California and Japan 3·11 earthquake

Yi Piyuan1），Huang Shutao1），Zhao Yingjun1），Zhang Jingfa2），Tong Peng1），Zhang Chuan1）
1）National Key Lab.of Remote Sensing Information and Image Analysis Technique，Beijing Research Institute of Uranium Geology，Beijing 100029，China 2）The Institute of Crustal Dynamics，CEA，Beijing 100085，China

Through the statistical analysis of data record about the earthquake，wildfire and CO column concentration，it can be found that the earthquake has important influence on the dry climate，wildfire and the variation of CO concentration；Compare the change of sea surface temperature after the 3·11 earthquake of Japan，the heat energy released by submarine earthquake was improved as an important factor for the improvement of ocean temperature and thermal expansion，and also influence the atmosphere indirectly.All the analysis show the earthquake has many impacts on the earth and plays an important role in the global change.

earthquake；wildfire；sea surface temperature；Carbon dioxide

P315；

A；

10.3969／j.issn.0235－4975.2013.11.003

2013－06－26；

2013－07－31。

国家863计划项目（2012AA121304）资助。