固體潮力觸發(fā)地震的可能性

李啟成

(黑龍江科技學(xué)院 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心，哈爾濱 150027)

固體潮力觸發(fā)地震的可能性

李啟成

(黑龍江科技學(xué)院 工程訓(xùn)練與基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中心，哈爾濱 150027)

為驗(yàn)證固體潮力觸發(fā)地震的可能性，通過(guò)理論推導(dǎo)計(jì)算了太陽(yáng)和月球?qū)Φ厍虻墓腆w潮力及其作用范圍。結(jié)果顯示:太陽(yáng)和月球?qū)Φ厍虻墓腆w潮力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地殼巖石強(qiáng)度，單一的固體潮力不能使巖石破裂而引發(fā)地震;太陽(yáng)和月球?qū)Φ厍虻募有遁d作用主要集中在低緯度地區(qū)，與地球地震帶范圍基本吻合。巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，巖石在外力作用下達(dá)到非線性時(shí)，固體潮力的擾動(dòng)也可以觸發(fā)地震。該結(jié)果為地震預(yù)報(bào)研究奠定了基礎(chǔ)。

固體潮力;地震;加卸載作用

Abstract:Aimed at validating the possibility that solid tides trigger earthquakes，this paper introduces the calculation of effect of the sun and the moon on solid tides，based on the theoretical derivation.The result shows that solid tides exerted by the sun and the moon on the earth are much smaller than crustal rock strength，leaving single solid tides incapable of the rocks fracture and consequent earthquake.The load-unload effect of the sun and the moon on the earth is mainly concentrated on low latitude areas，showing approximate consistence with range of seismic belts.A rock mechanics experiment shows that if rocks subject to the actions of external force is up to nonlinearity，disturbance from solid tides can trigger earthquakes.This research is of benefit to earthquake prediction.

Key words:solid tides;earthquake;load-unload

固體潮是在日、月引潮力的作用下，地球產(chǎn)生的周期形變的現(xiàn)象。固體潮力與地震的關(guān)系問(wèn)題一直是地震學(xué)家關(guān)注的熱點(diǎn)，該問(wèn)題對(duì)地震成因和預(yù)報(bào)研究具有十分重要的意義。大量研究和觀測(cè)結(jié)果［1－4］表明，固體潮力可以觸發(fā)地震。但以往研究主要針對(duì)固體潮力對(duì)具體地震的觸發(fā)作用，而忽略了固體潮力單獨(dú)作用不能使巖石破裂卻可以觸發(fā)地震的理論研究。為此，筆者計(jì)算了太陽(yáng)和月球?qū)Φ厍蚬腆w潮力大小和作用范圍，分析了固體潮力對(duì)地球的加卸載作用，加深了對(duì)地震觸發(fā)機(jī)制的理解，為固體潮力預(yù)報(bào)地震提供一定的物理基礎(chǔ)。

1 太陽(yáng)和月球?qū)Φ厍虻募有遁d作用

1.1 固體潮力計(jì)算

圖1表示太陽(yáng)對(duì)地球固體潮力的分布情況［5］。從圖中可以看出，地球兩極上3和4兩處的地殼物質(zhì)受到垂直地面向下的固體潮力，就是通常所說(shuō)的壓潮力。隨著地球的自轉(zhuǎn)，兩極地區(qū)一直受到壓潮力的作用，但不會(huì)受到加卸載作用。赤道上1和2兩處受到背離地心方向的作用力，就是通常所說(shuō)的引潮力。當(dāng)赤道上1和2兩處旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，將受到壓潮力作用。由于地球自轉(zhuǎn)，赤道地區(qū)將周期性地受到壓潮力和引潮力作用，也就是周期性地受到加載和卸載作用，周期為12 h。

圖1 地球表面固體潮力分布Fig.1 Distribution of solid tides on earth surface

由于破壞性地震大都發(fā)生在地面以下30 km的范圍內(nèi)，故選擇地下約7 km處計(jì)算太陽(yáng)和月球?qū)Φ厍虻膲撼绷鸵绷ΑＳ?jì)算時(shí)，取地殼物質(zhì)密度為2.7×103kg/m3，根據(jù)文獻(xiàn)［5］中的計(jì)算公式，帶入相關(guān)數(shù)據(jù)求得1和2處單位面積的引潮力為9 Pa，3和4處單位面積的壓潮力為4.5 Pa［5］。同理可以求得，月球?qū)Φ厍虻墓腆w潮力大約是太陽(yáng)對(duì)地球的固體潮力的2.25倍(由于其他天體距地球遠(yuǎn)，對(duì)地球的引力甚微，在固體潮研究中一般可忽略不計(jì))。

太陽(yáng)繞地球運(yùn)行的軌道與月球繞地球運(yùn)行的軌道夾角平均值約為5°9'，故可忽略太陽(yáng)和月球運(yùn)行軌道間的夾角。當(dāng)?shù)厍?、太?yáng)和月球在一條直線上時(shí)，1和2下方7 km處單位面積的引潮力為29.25 Pa，3和4下方7 km處單位面積的壓潮力為14.62 Pa;當(dāng)?shù)厍蚝吞?yáng)所在直線與地球和月球所在直線垂直時(shí)，1和2下方7 km處單位面積的引潮力為11.25 Pa，3和4下方7 km處單位面積的壓潮力為5.62 Pa。

1.2 固體潮作用范圍

以太陽(yáng)為例，計(jì)算固體潮對(duì)地球的作用范圍。如圖2所示，太陽(yáng)對(duì)地球上任意一點(diǎn)質(zhì)量為Δm物質(zhì)的萬(wàn)有引力為

式中:F——太陽(yáng)對(duì)地球的萬(wàn)有引力;

G——引力常數(shù);

Re——地球半徑;

rs——太陽(yáng)與地球之間的距離;

ms——太陽(yáng)質(zhì)量;

θ——慣性力與地球半徑的夾角。

地球上任意一點(diǎn)質(zhì)量為Δm物質(zhì)受到太陽(yáng)作用力的切向分量為

式中:α——萬(wàn)有引力與太陽(yáng)和地球連線的夾角。垂直于地面方向分量為

由于地球的自轉(zhuǎn)作用，其上任意一點(diǎn)受到的太陽(yáng)作用力均處于變化狀態(tài)，變化的原因在于α的變化。地球自轉(zhuǎn)一周，赤道上任意一點(diǎn)，tan α變化范圍為0～Re/rs，α 變化范圍為 0 ～0.002°;兩極上的點(diǎn)，tan α不變化。從式(1)、(2)可以看出，在赤道附近，θ比較小，α的變化對(duì)地球固體潮力的影響較大;在高緯度地區(qū)，θ比較大，α的變化對(duì)地球固體潮力的影響較小。所以，地球低緯度地區(qū)受固體潮力加卸載影響比較大，主要集中在北緯60°和南緯60°之間，而高緯度地區(qū)幾乎不受固體潮力加卸載的影響。

圖2 固體潮對(duì)地球的作用范圍Fig.2 Areas that solid tides act on earth

赤道、太陽(yáng)軌道和月球軌道平面間關(guān)系如圖3所示。

圖3 赤道、太陽(yáng)軌道平面和月球軌道平面Fig.3 Equator，orbital planes of sun and moon

由圖3可見，太陽(yáng)相對(duì)地球的運(yùn)行軌道平面與地球赤道平面夾角為23.45°，月球的軌道平面與太陽(yáng)相對(duì)地球的運(yùn)行軌道平面的夾角約為5.15°，月球的軌道平面與地球赤道平面夾角在28.60°(23.45°+5.15°)～18.30°(23.45°－5.15°)之間變化。因此，太陽(yáng)和月球?qū)Φ厍虻闹饕饔梅秶鸀楸本?8.60°至南緯28.60°之間，即太陽(yáng)和月球固體潮力對(duì)地球的主要作用位于地球的低緯度地區(qū)。

由于地球同時(shí)受到太陽(yáng)和月球的固體潮力作用，在地球上的A點(diǎn)和C點(diǎn)將受到引潮力的作用，最大值為29.25 Pa，最小值為11.25 Pa;在地球上的B、D、E和F四點(diǎn)所在的圓周上將受到壓潮力作用，最大值為14.62 Pa，最小值為5.62 Pa。在地球的一個(gè)自轉(zhuǎn)周期內(nèi)，低緯度地區(qū)均經(jīng)歷壓潮—引潮—壓潮—引潮的變化。壓潮—引潮的交替變化就是對(duì)地殼巖石加卸載。由于巖石的彈性模量(數(shù)量級(jí)大于1010Pa)遠(yuǎn)大于上述應(yīng)力值，所以固體潮力對(duì)地球的加卸載作用不能產(chǎn)生地震。

2 固體潮力觸發(fā)地震的可能性

太陽(yáng)和月球?qū)Φ厍虻途暥鹊貐^(qū)的固體潮力對(duì)地殼介質(zhì)存在著周期性的加卸載作用。由于這種作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于巖石強(qiáng)度不可能使巖石直接破裂而發(fā)生地震，但這并不意味著固體潮力不能觸發(fā)地震。圖4為巖石的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線［6］。AB段是巖石的彈性階段，BC是塑性階段。地震不發(fā)生在應(yīng)力的極大值C點(diǎn)處，而是在C點(diǎn)過(guò)后。在C點(diǎn)過(guò)后，很微小的作用力都會(huì)使巖石失穩(wěn)破裂，從而發(fā)生地震。當(dāng)?shù)貧r石在地質(zhì)運(yùn)動(dòng)的作用下，應(yīng)力超出彈性范圍，甚至超出了應(yīng)力極大值所在的C點(diǎn)時(shí)，即使是固體潮力這樣微小的加卸載作用，也會(huì)使巖石失穩(wěn)破裂而觸發(fā)地震。

圖4 巖石應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve between stress and strain

圖5為全球地震帶和火山的分布情況。地震帶和火山主要分布在北緯60°和南緯60°之間，這與太陽(yáng)和月球?qū)Φ厍虻墓腆w潮力主要作用范圍吻合，說(shuō)明固體潮力對(duì)地震的觸發(fā)作用不可忽視。

圖5 全球地震帶分布Fig.5 Distribution of earth seismic belts

綜上所述，固體潮力遠(yuǎn)小于巖石的破裂強(qiáng)度，不是引發(fā)地震的主要原因，但是由于太陽(yáng)和月球?qū)Φ厍虻途暥鹊貐^(qū)存在著周期性的加卸載作用，而其作用范圍與地球的地震帶吻合。巖石力學(xué)的加載實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明，巖石在其他外力的作用下達(dá)到非線性時(shí)，像固體潮力這樣很小的作用力也可以使巖石失穩(wěn)破裂從而引發(fā)地震。因此，固體潮力具有觸發(fā)地震的可能。

3 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)和月球?qū)Φ厍虻墓腆w潮力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于巖石強(qiáng)度，說(shuō)明固體潮力不能積累足夠的能量使地殼巖石發(fā)生破裂，但當(dāng)?shù)貧r石在其他地質(zhì)動(dòng)力作用下達(dá)到非線性狀態(tài)時(shí)，固體潮力這樣相對(duì)較小的加卸載作用也可以觸發(fā)地震。加強(qiáng)固體潮力觸發(fā)地震機(jī)制的研究對(duì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)地震具有重要意義。

［1］ 陳榮華，張 晶，李志海.固體潮應(yīng)力對(duì)大地震前顯著地震觸發(fā)的兩個(gè)例子［J］.內(nèi)陸地震，2009，23(4):413－416.

［2］ 張 晶，郗欽文，楊林章，等.引潮力與潮汐應(yīng)力對(duì)強(qiáng)震觸發(fā)的研究［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2007，50(2):448－454.

［3］ 陳榮華.引潮力對(duì)顯著地震觸發(fā)作用與大震關(guān)系及在雅江地震預(yù)報(bào)中的應(yīng)用［J］.地震，2003，23(1):53－56.

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［6］ 陳 顒.地殼巖石的力學(xué)性能［M］.北京:地震出版社，1988:54－57.

(編輯 荀海鑫)

Possibility that solid tides can trigger earthquakes

LI Qicheng
(Center of Engineering Training＆ Basic Experiment，Heilongjiang Institute of Science＆ Technology，Harbin 150027，China)

P315.7

A

1671－0118(2011)05－0386－03

2011－08－05

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12513082)

李啟成(1963－)，男，遼寧省朝陽(yáng)人，副教授，博士，研究方向:地震工程學(xué)，E-mail:731732866@qq.com。