菲律賓海板塊西緣強震活動與地球自轉角加速度變化關系研究

田韜 馮志生 祝濤 李鴻宇 王維 葉碧文

江蘇省地震局，南京市衛崗3號 210014

0 引言

地球自轉運動及其變化所提供的應變能可能是地殼構造運動的一個重要來源（李四光，1974）。自從20世紀30年代發現了地球自轉運動的不均勻性后，國內外很多地震學者開始研究地球自轉速率變化與全球或區域地震活動時空分布特征之間的相關性（李啟斌等，1973；Anderson，1974；鄭大偉等，1995；陳學忠等，2011）。陳翠仙（1992）研究發現，20世紀中國的8級地震都發生在日長變短期間；郭恒祖（1991）研究發現，中國西部及其鄰區76%的強震發生在地球自轉加速時期；傅征祥等（2004）研究還發現，我國大陸東部的中朝-魯東黃海地塊大于6級的強震中70%以上發生在地球自轉加快的年份，中蒙-華北平原地塊大于6級的強震中67%以上發生在地球自轉減慢的年份。

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

1 研究資料及處理

本文采用的地球自轉速度數據源自IERS（International Earth Rotation Service）網站，起止時間為1962年1月1日～2016年8月31日。圖1為地球自轉角速度隨時間變化的日值曲線，其中，地球自轉角加速度為對地球自轉角速度采用一階差分的結果。有學者研究認為，地球自轉10年尺度波動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與地球自轉角加速度長趨勢變化間的關系，采用富氏擬合對其進行濾波，具體運算時采用6階富氏擬合濾除了10年以下周期；為避免短周期變化對6階富氏擬合產生影響，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年地球自轉角速度隨時間的變化

圖2 1962～2016年地球自轉角加速度隨時間的變化

圖2中地球自轉角加速度為地球自轉速度經一階差分及27階富氏擬合處理后的結果，以及經一階差分及6階富氏擬合處理后的結果。由圖2可見，經6階富氏擬合處理結果的總體趨勢與經27階富氏擬合處理的趨勢一致，表明數據處理過程基本反映了地球自轉角加速度真實的趨勢性變化。

由國家測震臺網大震速報目錄網站給出的全球7.5級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-臺灣-琉球島孤區（5°S～35°N，120°～135°E）共發生7.5級以上地震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級以上地震分布

圖4 1962～2016年菲律賓海西緣7.5級以上強震活動與地球自轉角加速度上升期關系

2 地球自轉角加速度與菲律賓海西緣強震間關系的初步分析

圖4、表1給出了1962～2016年間菲律賓海西緣7.5級以上地震活動與地球自轉角加速度的長趨勢變化。由圖4、表1可見，1962年以來地球自轉角加速度上升期可劃分為5個時段，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個上升時段中持續時間最長的為9年左右，最短的為近4年，上升總持續時間共26年9個月，占整體研究時間54年11個月的48.7%；1962～2016年間，菲律賓海西緣共發生7.5級以上地震25次，其中，21次地震發生在地球自轉角加速度上升期間，占整體研究時間內地震事件總數的88%，統計結果表明，兩者之間存在明顯的相關性。

表1 地球自轉角加速度上升期與菲律賓海板塊西邊緣帶7.5級以上地震間的關系

3 結果與討論

3.1 結果

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

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向運動，同時，歐亞板塊以較小的速率朝NEE向移動，這構成了雙方向的板塊匯聚格局，臺灣島以北段菲律賓海板塊向歐亞板塊下俯沖，臺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。

按照板塊學說，板塊下伏在具有流動性的地幔軟流層之上，隨著軟流層的運動，各個板塊發生相應的水平運動，板塊運動的動力源主要來自地幔對流。相較于太平洋板塊和菲律賓板塊，歐亞板塊巖石圈較厚，存在陸根構造深嵌入地幔，顯示歐亞板塊巖石層與下伏地幔間為強耦合（高祥林，2004）；事實上，歐亞板塊相對于下地幔的運動速度遠小于太平洋板塊和菲律賓板塊（張瓊等，2017）。因此，我們可以簡單設想歐亞板塊與地球為一體，而菲律賓板塊與下伏地幔間為弱耦合，當地球自轉時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為菲律賓板塊質量；ω為地球自轉角速度；β為地球自轉角加速度。Fτ事實上等同于由地球自轉角加速度而產生的菲律賓板塊對歐亞板塊的附加擠壓力，Fτ的變化形態（包括正負性質）與圖4的地球自轉角加度的變化一致。因此，當地震發生在地球自轉角加速度上升期時，即表示地震發生在Fτ上升期。

顯然，該附加力Fτ肯定不是板間地震的主要動力源。但是，若一次板間地震已完成孕育過程，則該附加力對該地震的發生會有觸發作用或推遲作用。從本文統計結果來看，當地球自轉角加速度處于上升期時，該附加力對該地區的板間地震具有觸發作用，但具體的觸發過程目前尚不清楚，還需進一步研究。