徐长仪等-JGR：地震对全球动力学参数长期变化的影响

全球动力学变化，或者叫低频动力学变化，通常包含低阶重力场带谐系数 (例如J₂)变化，三维地球自转变化(极移和日长变化)等，这些参数的变化主要来自于内部圈层的质量交换，故能够揭示不同时空尺度下的固体地球系统的动力学以及地表流体的质量运输过程。 

　　传统观念认为，全球动力学参数长期变化是由冰后期反弹效应(Glacier Isostatic Adjustment)主导，20世纪末则把参数长期变化趋势的转折主要归因于全球气候变暖导致的地表流体质量迁移现象(～80%)。但是成因仍存在不确定性，可能的影响因素包括全球板块运动、全球地幔对流，甚至包括近期用于碳汇研究的全球水库蓄水行为，以及接下来要讨论的全球地震变形。 

　　中国科学院地质与地球物理研究所徐长仪副研究员与李娟研究员合作，利用行星自转动力学原理，结合地震位错理论和全球历史地震目录，较全面地估计了全球地震的同震和震后变形产生的全球动力学参数累积变化，并计算了其对全球动力学参数长期变化的贡献。 

　　他们基于地球动力学参数的观测时间序列，利用SSA方法首先获取了动力学参数的长期变化，并利用MK方法检验了长期变化的趋势(是否存在非线性)。为揭示长期变化的物理成因，他们将获取的GIA效应也一并进行了计算。研究发现：全球动力学参数在20世纪末期 (～1998) 出现了趋势转弯现象，且GIA效应不能够完全解释长期变化 (图1)。

图1 基于SSA方法获取的全球动力学参数长期变化(红色曲线)。灰色曲线表示观测值，蓝色曲线表示GIA效应的影响

为进一步讨论全球地震变形的贡献，他们利用发展的基于球形地震位错理论的同震动力学参数变化计算方法，以及1976～2020年全球地震矩张量解目录，计算了同震效应及其累积效应(图2蓝色曲线)；基于震后变形的数学表达式，通过选取合理的参数估计了全球震后变形的效应(图2红色曲线)。 

图2 全球地震变形产生的极移地球物理激发，日长变化，J₂和地球总惯性矩变化。图中蓝色曲线表示同震效应，红色阴影表示同震+震后效应。注意该研究中忽略了全球震间变形效应，以待后期讨论

计算结果表明：全球历史地震变形产生的动力学参数变化存在非常明显的趋势且在20世纪末期存在加速的现象，这与全球地震在20世纪末期进入了高发期密切相关。在包含了同震和震后效应后，地震产生的极移每年以0.38mas (1mas = 3.1cm)的速度向118.4°东漂移；地震产生的日长变化速率为 -1.42μs/yr，量级虽小，但可以看出地震一直在迫使地球转的更快。地震产生的地球扁率变化率为-5.94×10^-12/yr，这意味着地震迫使地球变得更圆。地震产生的地球总惯性矩变化速率为-1.00×10²⁷kgm²/yr，意味着地震迫使地球变化的更加密实。通过与观测值的比较发现：全球地震效应约占全球动力学参数长期变化的20%甚至更高(图3)，而且与GIA效应、气候变化驱使的地球流体效应在量级上相当。

图3 全球动力学参数长期变化。图中蓝色曲线代表利用SSA方法提取的长期变化观测值。红色曲线表示扣除全球地震变形后的观测值。注意图中产生明显变化的为极移地球物理的东向和北向分量，以及J₂

该研究详细阐明了地震在全球动力学参数长期变化物理成因分析中的重要性，且对于以后利用动力学参数的观测值反演地幔的粘滞性，揭示圈层动力学过程，以及地球的长期物理演化都具有重要参考意义。该研究也进一步强调在今后的全球水循环估计、海平面变化、GIA效应等卫星观测时，必须考虑地震效应的影响。 

文章来源：中科院地质地球所