地震活動對大氣與海洋環(huán)境變化的影響分析
——以美國加州與日本3·11地震為例＊

伊丕源 黃樹桃 趙英俊 張景發(fā) 童 鵬 張 川

1）核工業(yè)北京地質(zhì)研究院遙感信息與圖像分析技術(shù)國家級重點實驗室，北京100029 2）中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京100085

地震活動對大氣與海洋環(huán)境變化的影響分析
——以美國加州與日本3·11地震為例＊

伊丕源1）黃樹桃1）趙英俊1）張景發(fā)2）童 鵬1）張 川1）

1）核工業(yè)北京地質(zhì)研究院遙感信息與圖像分析技術(shù)國家級重點實驗室，北京100029 2）中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京100085

通過美國加州林火期間的地震、CO氣體監(jiān)測等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，認為地震對氣候干燥、林火的發(fā)生以及CO氣體濃度變化存在重要影響；對比分析日本3·11地震前后的海洋表面溫度變化，認為海底地震的熱能釋放是導(dǎo)致海水溫度升高及海洋熱膨脹的重要因素，并進而通過海氣交換對大氣圈等產(chǎn)生影響；綜上分析認為，地震活動伴隨有大量的熱能及氣體釋放，并對地球系統(tǒng)的多個方面產(chǎn)生影響，在全球變化中具有重要作用。

地震；林火；海洋表面溫度；CO2

引言

地震前在震源及其附近地區(qū)，由于巖石的變形、應(yīng)力的變化、微破裂的發(fā)育或先存斷裂的預(yù)滑等都可能引起深部流體的上涌，并把熱量帶到地表，引起熱異常［1］。資料表明，很多地震前震中附近地區(qū)地表存在增熱現(xiàn)象［2］。地震短臨期間出現(xiàn)突發(fā)性地面增溫異常是一種非常普遍的現(xiàn)象，并引起低空地面大氣增溫異常［3］。另一方面，CO2是地殼氣體中最主要的組成部分之一，特別是在上地殼的下部與中地殼的上部（地下幾公里至十幾公里深度）氣體中CO2占絕對優(yōu)勢，在這個深度段，正好與地震活動的多震層深度大體上吻合［4］。因此，地震活動必然會導(dǎo)致地殼中大量熱能以及CO2、CO等氣體的釋放，進而影響地球系統(tǒng)的其他組成部分，包括大氣圈和海洋活動的變化。

本文通過對2008年加州地震、CO濃度變化以及日本地震與海洋溫度變化的統(tǒng)計分析，認為陸地地震和海洋地震都可以直接或間接的對大氣、海洋環(huán)境等產(chǎn)生重要影響，地震活動在全球變化中具有不可忽略的影響作用。

1 美國加州地震與林火、大氣CO濃度變化監(jiān)測分析

2008年5月起，加利福尼亞州出現(xiàn)異常高溫干燥天氣，最高氣溫逼近46℃，并在河濱、洛杉磯和圣迭戈等地區(qū)接連出現(xiàn)了多處山林火災(zāi)。美國《科學(xué)》雜志發(fā)表報告認為，“20世紀80年代中期以來，包括加州在內(nèi)的美國西部發(fā)生林火面積超過4平方公里的火災(zāi)數(shù)量出現(xiàn)明顯增長。春季提早到來的趨勢以及極端氣象條件的變化與不斷增長的火災(zāi)數(shù)量存在密切聯(lián)系，擴大了火災(zāi)的范圍，加重了破壞程度”［5］。

本文首先對選取的加州地區(qū)及外圍（35°～41°N，118°～124°W）區(qū)域2008年5月底至7月中旬的林火進行了統(tǒng)計［6］（圖1中紅點），然后與NASA公布的林火期間監(jiān)測的CO柱濃度變化［7］進行對比分析。圖2是本文選取的CO柱濃度較高時段的分布圖。通過對比發(fā)現(xiàn)CO柱濃度變化總體與林火的發(fā)生以及規(guī)模相一致，但個別時段存在一定差異，如6月8日并無大規(guī)模林火，但整個加州南北上空都有一定的氣體濃度分布。鑒于美國加利福尼亞州是美國地震多發(fā)區(qū)域，圣安德烈斯斷層貫穿其西南部。本文查取美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）公布的2008年5月13日至7月26日的地震監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)同時間段內(nèi)該區(qū)域出現(xiàn)多次地震［8］（圖1中藍點）。

從圖1可以看出，在林火發(fā)生期間，該區(qū)域范圍同時分布有多次地震。為了便于分析地震影響，本文將該地區(qū)發(fā)生的地震進行了統(tǒng)計，并依據(jù)地震強度與能量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，按照公式（1）進行了換算

其中，M為震級，E代表地震能量，單位用焦耳（J）表示。

地震能量釋放與時間的關(guān)系如圖3所示。另外，對期間林火發(fā)生的次數(shù)也進行了統(tǒng)計，如圖4所示。根據(jù)NASA公布的CO柱濃度變化監(jiān)測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，CO濃度最大的時間段分別為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（圖2）。

首先，除去6月8日的CO濃度高峰外，其余都與圖4中林火的發(fā)生較為吻合，可以認定CO的高濃度分布主要與林火相關(guān)。其次，對比圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，地震能量釋放的高峰期與林火發(fā)生數(shù)量較高的時期相互對應(yīng)。此外，6月8日的CO高濃度分布雖然無林火發(fā)生，卻有地震活動高峰與之對應(yīng)。

通過以上數(shù)據(jù)的綜合對比分析，可以判斷，地震活動對加州地區(qū)林火的發(fā)生起到重要作用。一方面，頻繁的地震活動引起地球深部的熱能釋放，是導(dǎo)致大氣增溫，出現(xiàn)高溫干燥天氣的重要原因之一，也是林火的重要起因；另一方面，地震活動本身可能也有CO等氣體的釋放。

承繼成、趙英俊等人曾對MOPITT衛(wèi)星監(jiān)測的CO柱濃度進行分析，同樣發(fā)現(xiàn)印度尼西亞地震帶在地震發(fā)生時也存在CO濃度升高現(xiàn)象［9］。

2 日本3·11地震對海洋溫度變化的影響分析

海洋在全球變化中的作用異常突出。當前的海洋變化研究中，認為海平面的上升主要是由兩方面因素造成的：一是全球變暖導(dǎo)致的冰川融化，二是海洋熱膨脹。但是，關(guān)于海洋熱收支的研究中，大多關(guān)注的是太陽輻射變化、氣候變化影響等，而忽略了海底地震、海底火山噴發(fā)等地質(zhì)活動的影響。

2011年3月11日，日本當?shù)貢r間14時46分，日本東北部海域（38.1°N、142.6°E）發(fā)生了9.0級地震并引發(fā)海嘯，震源深度24 km（圖5）。本文對美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）公布的該地區(qū)2011年2月4日至4月上旬的地震監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)在3·11地震前曾有10余次4級至6級間的地震，3·11地震后則出現(xiàn)了多次余震且震級在4以上。

另一方面，本文利用美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）公布的AVHRR衛(wèi)星監(jiān)測的海洋表面溫度數(shù)據(jù)（Sea Surface Temperature）進行對比分析［10］。海洋表面溫度數(shù)據(jù)的范圍如圖5中紅框所示。

震級強度變化與區(qū)域平均海洋表面溫度變化的對比結(jié)果如圖6所示。圖中分析可以看出，在3·11地震后2天時間，區(qū)域海洋表面溫度出現(xiàn)明顯升高（圖7）。隨后區(qū)域平均海洋表面溫度出現(xiàn)下降趨勢，但伴隨著多次余震的發(fā)生及能量釋放（圖8），其溫度隨后呈現(xiàn)較高的上升。

圖1 2008年5月31日至7月16加州林火、地震空間分布圖

圖2 2008年6月1日至7月14日CO柱濃度分布變化

圖3 2008年5月31日至7月16加州地震能量統(tǒng)計

圖4 2008年5月31日至7月16加州林火發(fā)生次數(shù)統(tǒng)計

圖5 日本3·11地震震源位置及海洋表面溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計范圍

圖6 日本3·11地震震級與海洋溫度變化統(tǒng)計對比圖（30°～41°N，135°～150°E）

圖7 2011年3月14日海洋表面溫度分布

關(guān)于3月20日左右出現(xiàn)的區(qū)域平均海洋表面溫度下降，本文認為是由于大范圍的海洋內(nèi)部熱交換引起的，統(tǒng)計區(qū)域的海水在海底地震后首先進行垂直方面的熱交換引起溫度快速上升，隨后水平方向向太平洋大范圍的熱輸送引起平均溫度下降，但余震的不斷發(fā)生及熱能釋放彌補了統(tǒng)計區(qū)域內(nèi)海洋熱交換的損失，造成海洋表面溫度隨后再次上升。余震的震級不如3·11地震強烈，因此其能量傳遞的速度不如先前，加之海水表面的運動加速了水平方向的熱傳遞，所以海水溫度呈緩慢上升。

政府間氣候變化委員會（IPCC）在第4版評估報告中提出，自1993年以來，海洋熱膨脹對海平面上升的預(yù)估貢獻率占所預(yù)計的各貢獻率之和的57%；并認為溫室效應(yīng)是導(dǎo)致海洋熱膨脹、冰川融化的主要原因。由于溫室效應(yīng)導(dǎo)致大氣升溫，從而導(dǎo)致海洋表面受熱，且由于海洋表層受熱被完全傳到海洋整個深度的過程需要相當?shù)臅r間，因此，即使大氣溫室氣體濃度穩(wěn)定后，全球海平面還將繼續(xù)上升。另外，當海洋溫度升高時，就會釋放CO2或者吸收CO2的能力就會下降。

本文認為海底地震是海洋受熱的一個重要方面。通過上文分析，日本3·11地震及余震引起面積約120萬km2的海面溫度上升近1℃。海洋溫度升高，必定釋放CO2，但海－氣界面CO2通量是一個影響因素非常復(fù)雜的量，人們先后建立了許多數(shù)學(xué)模型，主要以風(fēng)速和海－氣二氧化碳的分壓差為主要參數(shù)來計算［11］。由于無法對當時大面積的海洋狀況進行統(tǒng)計，因此，造成的CO2釋放量難以準確計算。但如果簡單依據(jù)CO2的溶解度測算，水溫14℃時溶解度為2 032 g／m3，15℃時為1 970 g／m3，取700 m深的海洋上部層面，按海洋面積120萬km2計算，則釋放的CO2質(zhì)量約為：

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

可見，海底地震向海洋本身釋放大量熱量，是導(dǎo)致海洋熱膨脹的重要因素之一，同時可通過導(dǎo)致海水升溫，間接影響海氣交換，進而影響地球大氣圈。

圖8 3月12日后余震的震級能量統(tǒng)計

3 結(jié)論

地球系統(tǒng)是一個復(fù)雜的巨系統(tǒng)，地震是地球自身釋放能量的一種方式，在地球系統(tǒng)的變化中起到很重要的作用，陸地地震和海洋地震通過不同方式對大氣、海洋環(huán)境變化產(chǎn)生重要影響。

美國加州地震與林火在空間分布上具有一致性，依據(jù)地震頻率、震級能量與林火及CO監(jiān)測結(jié)果分析，加州地區(qū)頻繁的地震對當?shù)馗邷靥鞖庖约傲只鸬陌l(fā)生和CO釋放具有重要的影響。

通過對日本3·11地震分析，發(fā)現(xiàn)震后海洋表面溫度有明顯上升，可見，海底地震是海洋溫度上升和熱膨脹的重要因素，并進而通過海氣交換過程對大氣圈產(chǎn)生一定影響。

自1990年以來全球平均每年各級地震發(fā)生的次數(shù)：8級以上1次，7～7.9級地震17次，6～6.9級地震134次，5～5.9級地震1 319次，4～4.9級地震13萬次，3～3.9級13萬次，2～2.9級地震130萬次［12］。由此可見，地震活動在全球變化中具有重要的影響。要全面認識全球變化問題，必須加強對地震、火山等地質(zhì)活動的研究。

（作者電子信箱，伊丕源：yipiyuan＠163.com）

［1］鄧志輝，陳梅花，王煜.衛(wèi)星熱遙感技術(shù)在地震預(yù)測中應(yīng)用研究進展.大地測量與地球動力學(xué)，2005，25（2）：46－51

［2］葉民權(quán)，吳其勇，儲長江.衛(wèi)星遙感技術(shù)在地震監(jiān)測中的應(yīng)用.減災(zāi)技術(shù)與方法，2006（2）：22－24

［3］徐秀登，徐保華，馬未宇.臨震衛(wèi)星熱紅外異常的機理分析.科技導(dǎo)報，2007，25（6）：38－42

［4］魚金子，車用太，劉五洲.地殼中的CO2及其釋放與地震短臨預(yù)測.國際地震動態(tài)，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］承繼成，趙英俊.地球系統(tǒng)釋放CO2及其遙感研究進展.北京：電子工業(yè)出版社，2011：243－253

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

［11］陳泮勤.地球系統(tǒng)碳循環(huán).北京：科學(xué)出版社，2004：324－329

［12］崔偉宏，弗雷德·辛格，萬森·庫爾提歐，等.自然是氣候變化的主要驅(qū)動因素.北京：中國科學(xué)技術(shù)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。

國家863計劃項目（2012AA121304）資助。