太陽黑子、地球自轉(zhuǎn)與華北地區(qū)中強震關(guān)系研究

裴東洋，高立新，戴 勇，格 根，梁沙沙，王 磊

(內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

太陽是距離地球最近的恒星，許多地球物理過程和太陽活動有密切關(guān)系[1]，因此研究太陽活動與地震的關(guān)系具有重要意義。天文學(xué)上一般用太陽黑子相對數(shù)作為描述太陽活動強度的指數(shù)。地震與太陽黑子相對數(shù)的統(tǒng)計關(guān)系早已受到研究學(xué)者的關(guān)注。目前，關(guān)于太陽黑子數(shù)變化與地震活動頻次的相關(guān)性研究認(rèn)為兩者呈一定程度的負(fù)相關(guān)，太陽黑子的強烈活動是中強地震發(fā)生的重要誘因和影響因子，并且這種影響具有一定的延遲效果。有學(xué)者認(rèn)為地震一般發(fā)生在太陽11年活動周期減弱時期[2]。此外，也有學(xué)者認(rèn)為不同構(gòu)造區(qū)域的地震與太陽黑子活動的關(guān)系不同，且同一斷裂帶的不同地段也有不同，有的地區(qū)集中在太陽活動的下降段發(fā)震，有的則在太陽活動上升段發(fā)震[3]。

該文主要針對太陽黑子活動周期及地球自轉(zhuǎn)速率變化與華北地區(qū)5級以上中強地震活動之間的關(guān)系進行分析研究。研究區(qū)的范圍參考華北地區(qū)地震活動斷裂邊界[4]，北起陰山褶皺帶，南至河南許昌，西起內(nèi)蒙古五原，東至遼寧丹東(34°～42°N，108°～124°E)。地震目錄來源于中國地震臺網(wǎng)中心統(tǒng)一編目后的目錄，考慮到7級以上強震造成的余震與地球外部因素關(guān)系不大，使用Gardner和Knopoff提出的方法刪除目錄中7級以上強震的余震[5]。太陽黑子相對數(shù)來源于比利時皇家天文臺世界數(shù)據(jù)中心SILSO[6]，時間從1749年至2019年，并進行13個月滑動平均處理得到太陽黑子相對數(shù)月滑動平均值。地球自轉(zhuǎn)速率變化以國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)局(IERS,http://hpiers.obspm.fr/)提供的地球日長時間(LOD)數(shù)據(jù)來表征地球自轉(zhuǎn)速度的大小，LOD數(shù)據(jù)表示地球日長時間實際值與24小時差值。

1 太陽黑子周期特征

太陽黑子相對數(shù)存在平均11 a的周期變化規(guī)律。按照國際規(guī)定，把1755年為太陽黑子活動周第一周的起點，至今已經(jīng)歷24個完整周期，從2019年3月進入第25個太陽活動周。根據(jù)黑子數(shù)變化情況，每一個完整的太陽黑子活動周可分為上升段和下降段，通過分析1901年以來太陽黑子相對數(shù)變化情況得知，上升段持續(xù)約3～4 a，下降段持續(xù)約7～8 a。不同活動周期內(nèi)太陽黑子峰值數(shù)及時序曲線形態(tài)能夠反映太陽活動的強度。太陽活動強烈的周期內(nèi)一般表現(xiàn)為單峰值曲線，黑子數(shù)峰值均在200以上；太陽活動平穩(wěn)的周期內(nèi)一般表現(xiàn)為雙峰值曲線，黑子數(shù)峰值在100左右(見第2頁圖1、表1)。

小波變換可以將時間序列分解成時間-頻率形態(tài)，使數(shù)據(jù)在時域與頻域方面均有良好局部性質(zhì)，可以檢測時間序列中的突變信息，分析它的主要變化周期，并得到這些周期在不同時段的影響大小，因此適合研究太陽黑子相對數(shù)時間序列的周期性變化[7]。對太陽黑子相對數(shù)作Morlet小波分析，用小波系數(shù)來反映全部周期的演化特征及主周期的變化趨勢。

用小波系數(shù)的實部等值線圖來反映太陽黑子相對數(shù)序列不同時間尺度的周期變化及其在時間域中的分布，判斷在不同時間尺度上，黑子數(shù)的未來變化趨勢。從實部等值線圖看出，太陽黑子相對數(shù)變化在9～16 a的時間段上顯著(見圖2)。用小波系數(shù)模值來反映不同時間尺度變化周期所對應(yīng)的能量密度在時間域中分布的反映，系數(shù)模值愈大，表明其所對應(yīng)時間尺度的周期性愈強。從模值等值線圖看出，在太陽黑子相對數(shù)變化過程中，11～16 a時間尺度模值最大，說明該時間尺度周期變化最明顯(見圖3)。

表1 1901年以來太陽黑子活動周黑子相對數(shù)特征表Table 1 Characteristics of relative number of sunspots in the active cycle of sunspots since 1901

根據(jù)以上小波系數(shù)的分析結(jié)果，用小波方差圖來反映太陽黑子相對數(shù)時間序列的波動能量隨周期的分布情況，確定黑子數(shù)變化過程中的主周期。由小波方差圖看出(見圖4)，在1～32 a尺度上的小波方差檢驗結(jié)果中，只有11 a左右的周期顯著，是太陽黑子相對數(shù)變化的主周期。因此，對于黑子數(shù)變化趨勢的分析應(yīng)以11 a周期的小波數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。在主周期小波系數(shù)實部圖中看出(見第3頁圖5)，1930-2000年的小波系數(shù)實部值較高，反映太陽黑子活動劇烈。2000年以后活動減弱，由主周期小波系數(shù)實部曲線變化規(guī)律推測，這一過程持續(xù)約20～25 a左右。

基于太陽黑子相對數(shù)時間序列小波系數(shù)、小波方差檢驗結(jié)果以及主周期小波系數(shù)實部變化曲線的分析，認(rèn)為2000年以來太陽黑子相對數(shù)處于相對低水平。

圖2 太陽黑子小波系數(shù)實部等值線圖Fig.2 Contour map of real part of wavelet coefficient of sunspot

圖3 小波系數(shù)模值等值線圖Fig.3 Modulus isoline of wavelet coefficient

圖4 太陽黑子數(shù)小波方差圖Fig.4 Wavelet variance of sunspot number

圖5 太陽黑子數(shù)主周期小波系數(shù)圖Fig.5 Main period wavelet coefficients of sunspot number

當(dāng)前的第25太陽活動周，太陽黑子活動將進一步加強，太陽黑子相對數(shù)將處于相對高的水平。

2 華北地區(qū)中強震與太陽活動關(guān)系

太陽活動對地震活動的作用有兩種方式。一種是通過電磁效應(yīng)來實現(xiàn)[8]，太陽活動造成的磁暴對地球磁場影響強烈，而地球磁場變化可能通過磁震效應(yīng)產(chǎn)生觸發(fā)地震活動的效果；另一種是通過太陽物質(zhì)噴發(fā)造成日地間引力變化影響地球自轉(zhuǎn)，進而作用于地震孕育過程[9]。

2.1 太陽黑子相對數(shù)與中強震頻次變化關(guān)系

按照太陽黑子活動周各變化階段統(tǒng)計華北地區(qū)中強震的發(fā)生情況看出(見圖6)，太陽活動是誘發(fā)中強地震活動的重要因素，且影響效果存在明顯的延遲。華北地區(qū)5級以上中強震一般不發(fā)生在太陽黑子活動最劇烈的年份，由于空間距離的影響、地殼運動的累積效應(yīng)，中強震活動強烈的年份一般為太陽黑子數(shù)前一個周期波谷與下一個周期波峰之間，太陽黑子數(shù)處于上升階段的區(qū)間。太陽黑子活動與地震發(fā)生之間的時間延遲現(xiàn)象，說明太陽活動并不能直接觸發(fā)地震活動。

圖6 太陽黑子相對數(shù)時序曲線與華北地區(qū)中強地震頻次Fig.6 Time series curve of sunspot relative number and frequency of moderate and strong earthquakes in North China

2.2 地球自轉(zhuǎn)與太陽黑子、中強地震時序列關(guān)系

太陽活動劇烈期間將向外太空拋射大量的物質(zhì)，導(dǎo)致太陽扁率增加。由于日地間引力關(guān)系和引力攝動效應(yīng)，造成地球自轉(zhuǎn)速率減小[10]。由于太陽輻射光壓在南、北半球表面上的不平衡分布以及地球軌道變化，太陽輻射光壓可產(chǎn)生地球內(nèi)核相對地殼地幔的南北震蕩，是形成地球自轉(zhuǎn)速度周期變化的主要原因[10]。地球自轉(zhuǎn)速率的變化將導(dǎo)致地球內(nèi)部圈層力學(xué)耦合狀態(tài)以及地球物理場的變化，導(dǎo)致地殼，特別是斷裂帶上應(yīng)力的重新分布[11-12]。

太陽黑子相對數(shù)與地球自轉(zhuǎn)速率呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。太陽黑子相對數(shù)上升階段，地球自轉(zhuǎn)變慢、日長增加，華北地區(qū)中強地震活躍。太陽黑子數(shù)量達到峰值后約兩年后，地球自轉(zhuǎn)速度有加快趨勢；太陽黑子數(shù)量達到谷值年后約2年，地球自轉(zhuǎn)速度呈降低趨勢。目前，華北地區(qū)地震活動處于第4活動期，已經(jīng)歷5個活躍幕[13]。其中，第一個強震活躍期大約為1966年到1977年，發(fā)生了河北邢臺、遼寧海城和河北唐山3次7級以上強震；第二個活躍期為1988年到1998年，發(fā)生了山西大同-陽高、內(nèi)蒙古包頭和河北張北3次6級以上強震。2次活躍期均處于太陽黑子相對數(shù)上升階段及日長數(shù)據(jù)高值區(qū)域(見圖7)。

圖7 太陽黑子、日長數(shù)據(jù)與華北地區(qū)中強地震M-t圖Fig.7 Sunspot, day length data and M-t map of moderate and strong earthquakes in North China

對地球日長日值數(shù)據(jù)進行Demy小波分解的結(jié)果顯示，d3部分存在顯著的約18.6 a的周期變化，其小波分解曲線波谷及其附近2～3 a時間段內(nèi)華北地區(qū)中強震頻次明顯升高，發(fā)生該活躍幕內(nèi)的最強地震(見第4頁圖8)。

地球日長數(shù)據(jù)中包含有18.6 a周期的變化成分，太陽黑子相對數(shù)有約11 a的周期變化規(guī)律。兩者的共同作用是影響華北地區(qū)中強地震活動的重要因素(見圖7、圖8)，當(dāng)太陽黑子相對數(shù)周期上升段與地球日長18.6 a周期的波谷段疊加時，對華北地震活動的影響達到最大，可能觸發(fā)區(qū)域中強地震的發(fā)生。目前，太陽活動處于黑子相對數(shù)的第25周期初始上升階段，地球日長18.6 a周期曲線也處于上升階段，兩者不構(gòu)成疊加關(guān)系，因此誘發(fā)華北地區(qū)進入中強震多發(fā)狀態(tài)的可能性不大。

圖8 地球日長數(shù)據(jù)小波分解與華北地區(qū)中強地震M-t圖Fig.8 Wavelet decomposition of earth's daily length data and M-t map of moderate and strong earthquakes in North China

3 結(jié)論與討論

(1) 根據(jù)Morlet小波分解及小波系數(shù)分析結(jié)果，顯示太陽黑子相對數(shù)時間序列變化的主周期是11 a。主周期小波系數(shù)實部曲線的變化規(guī)律表明第25太陽活動周太陽黑子相對數(shù)將處于相對高水平。

(2) 太陽黑子相對數(shù)變化、地球自轉(zhuǎn)速率變化與華北地區(qū)中強地震活動水平有比較明顯的相關(guān)關(guān)系。太陽黑子相對數(shù)上升，地球自轉(zhuǎn)變慢、日長增大時，華北地區(qū)中強地震相對活躍。具體表現(xiàn)為當(dāng)太陽黑子相對數(shù)周期上升段與地球日長18.6 a周期波谷段疊加時，對華北地震活動的影響達到最大，可能觸發(fā)區(qū)域中強地震的發(fā)生。當(dāng)前處于第25太陽活動周初期，太陽黑子相對數(shù)為轉(zhuǎn)折上升狀態(tài)，地球日長小波分解三階細(xì)節(jié)曲線不處于波谷位置，不構(gòu)成觸發(fā)華北地區(qū)中強地震的條件。

(3) 不同地區(qū)地殼與地幔的耦合關(guān)系不同，自轉(zhuǎn)速度的變化對不同區(qū)域地殼活動的影響也不同。因此，在不同地區(qū)自轉(zhuǎn)速度變化對地震活動的影響需要具體分析。