全球動(dòng)力學(xué)變化，或者叫低頻動(dòng)力學(xué)變化，通常包含低階重力場(chǎng)帶諧系數(shù) (例如J₂)變化，三維地球自轉(zhuǎn)變化(極移和日長(zhǎng)變化)等，這些參數(shù)的變化主要來(lái)自于內(nèi)部圈層的質(zhì)量交換，故能夠揭示不同時(shí)空尺度下的固體地球系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)以及地表流體的質(zhì)量運(yùn)輸過程。

傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，全球動(dòng)力學(xué)參數(shù)長(zhǎng)期變化是由冰后期反彈效應(yīng)(Glacier Isostatic Adjustment)主導(dǎo)，20世紀(jì)末則把參數(shù)長(zhǎng)期變化趨勢(shì)的轉(zhuǎn)折主要?dú)w因于全球氣候變暖導(dǎo)致的地表流體質(zhì)量遷移現(xiàn)象( 80%)。但是成因仍存在不確定性，可能的影響因素包括全球板塊運(yùn)動(dòng)、全球地幔對(duì)流，甚至包括近期用于碳匯研究的全球水庫(kù)蓄水行為，以及接下來(lái)要討論的全球地震變形。

中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所徐長(zhǎng)儀副研究員與李娟研究員合作，利用行星自轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)原理，結(jié)合地震位錯(cuò)理論和全球歷史地震目錄，較全面地估計(jì)了全球地震的同震和震后變形產(chǎn)生的全球動(dòng)力學(xué)參數(shù)累積變化，并計(jì)算了其對(duì)全球動(dòng)力學(xué)參數(shù)長(zhǎng)期變化的貢獻(xiàn)。

他們基于地球動(dòng)力學(xué)參數(shù)的觀測(cè)時(shí)間序列，利用SSA方法首先獲取了動(dòng)力學(xué)參數(shù)的長(zhǎng)期變化，并利用MK方法檢驗(yàn)了長(zhǎng)期變化的趨勢(shì)(是否存在非線性)。為揭示長(zhǎng)期變化的物理成因，他們將獲取的GIA效應(yīng)也一并進(jìn)行了計(jì)算。研究發(fā)現(xiàn)：全球動(dòng)力學(xué)參數(shù)在20世紀(jì)末期 ( 1998) 出現(xiàn)了趨勢(shì)轉(zhuǎn)彎現(xiàn)象，且GIA效應(yīng)不能夠完全解釋長(zhǎng)期變化 (圖1)。

圖1 基于SSA方法獲取的全球動(dòng)力學(xué)參數(shù)長(zhǎng)期變化(紅色曲線)。灰色曲線表示觀測(cè)值，藍(lán)色曲線表示GIA效應(yīng)的影響

為進(jìn)一步討論全球地震變形的貢獻(xiàn)，他們利用發(fā)展的基于球形地震位錯(cuò)理論的同震動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化計(jì)算方法，以及1976 2020年全球地震矩張量解目錄，計(jì)算了同震效應(yīng)及其累積效應(yīng)(圖2藍(lán)色曲線)；基于震后變形的數(shù)學(xué)表達(dá)式，通過選取合理的參數(shù)估計(jì)了全球震后變形的效應(yīng)(圖2紅色曲線)。

圖2 全球地震變形產(chǎn)生的極移地球物理激發(fā)，日長(zhǎng)變化，J₂和地球總慣性矩變化。圖中藍(lán)色曲線表示同震效應(yīng)，紅色陰影表示同震+震后效應(yīng)。注意該研究中忽略了全球震間變形效應(yīng)，以待后期討論

計(jì)算結(jié)果表明：全球歷史地震變形產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化存在非常明顯的趨勢(shì)且在20世紀(jì)末期存在加速的現(xiàn)象，這與全球地震在20世紀(jì)末期進(jìn)入了高發(fā)期密切相關(guān)。在包含了同震和震后效應(yīng)后，地震產(chǎn)生的極移每年以0.38mas (1mas = 3.1cm)的速度向118.4 東漂移；地震產(chǎn)生的日長(zhǎng)變化速率為 -1.42μs/yr，量級(jí)雖小，但可以看出地震一直在迫使地球轉(zhuǎn)的更快。地震產(chǎn)生的地球扁率變化率為-5.94 10^-12/yr，這意味著地震迫使地球變得更圓。地震產(chǎn)生的地球總慣性矩變化速率為-1.00 10²⁷kgm²/yr，意味著地震迫使地球變化的更加密實(shí)。通過與觀測(cè)值的比較發(fā)現(xiàn)：全球地震效應(yīng)約占全球動(dòng)力學(xué)參數(shù)長(zhǎng)期變化的20%甚至更高(圖3)，而且與GIA效應(yīng)、氣候變化驅(qū)使的地球流體效應(yīng)在量級(jí)上相當(dāng)。

圖3 全球動(dòng)力學(xué)參數(shù)長(zhǎng)期變化。圖中藍(lán)色曲線代表利用SSA方法提取的長(zhǎng)期變化觀測(cè)值。紅色曲線表示扣除全球地震變形后的觀測(cè)值。注意圖中產(chǎn)生明顯變化的為極移地球物理的東向和北向分量，以及J₂

該研究詳細(xì)闡明了地震在全球動(dòng)力學(xué)參數(shù)長(zhǎng)期變化物理成因分析中的重要性，且對(duì)于以后利用動(dòng)力學(xué)參數(shù)的觀測(cè)值反演地幔的粘滯性，揭示圈層動(dòng)力學(xué)過程，以及地球的長(zhǎng)期物理演化都具有重要參考意義。該研究也進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)在今后的全球水循環(huán)估計(jì)、海平面變化、GIA效應(yīng)等衛(wèi)星觀測(cè)時(shí)，必須考慮地震效應(yīng)的影響。

研究成果發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊JGR-Solid Earth(徐長(zhǎng)儀^*，李娟. Seismic contributions to secular changes in global geodynamic parameters[J].Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2022, 127, e2022JB024590. DOI: 10.1029/2022JB024590). 研究成果受國(guó)家自然科學(xué)基金、所重點(diǎn)部署項(xiàng)目聯(lián)合資助。

美編：傅士旭

校對(duì)：萬(wàn)鵬