地震引起的地球体积、低阶重力场系数和自转变化研究

Earthquakes not only produce the permanent deformation of Earth’s layers, and the changes in entire volume, the low-degree gravitational field (Stokes coefficients) and the 3-D rotation of Earth, which are important to understand the physical activities and the dynamic processes of Earth’s interior. In this project, the accumulative changes in the excitation of the rotation (polar motion excitation and variation in length of day), the volume of the Earth and the low-degree Stokes coefficients induced by earthquakes from 1960 to 2016 are computed using the dislocation theory and the source parameters from the GCMT catalog. Then we compare the theoretical computed quantities to the results derived from the observed data of rotation excitation, SLR-derived time series of the low-degree Stokes coefficients, geodetic measurements and plate motion models to confirm the relationship between the long-term drift induced by earthquakes. Finally, we analyze the dynamic features of earthquake-induced long term changes of the geometry and gravitational field of the Earth using the Monte-Carlo approach.

地震不仅会造成地球圈层的永久变形,同时也会产生地球体积、低阶重力场系数(Stokes系数)和三维地球自转等变化。这些因素变化对于理解地球内部物理活动和动力学过程有着重要意义。本项目拟依据弹性球形位错理论，利用1960以来的全球历史地震震源模型，估算地震的同震形变对地球体积、自转激发(极移激发和日长变化)以及低阶重力场系数累积变化和年变化率。将上述结果与地球自转地球物理激发观测数据、SLR卫星测距获取的低阶重力场系数变化和现代大地测量数据及板块运动模型结果进行对比，并利用Monte-Carlo方法，从板块运动学的角度分析地震位置参数和震源参数对分析地震引起的地球体积变化、自转变化和低阶Stokes系数变化进行特征分析，最终明确地震与观测的体积、地球自转激发及低阶重力场系数变化间的关系，揭示地震对地球几何形状和地球自转变化的长期影响特征。

地震产生的地球动力学参数变化主要为同震地球体积、低阶重力场系数(Stokes系数)和三维地球自转等变化，这些因素变化对于理解地球内部物理活动和动力学过程有着重要意义。本项目基于同震地球动力学参数变化理论、全球历史地震模型和地球动力学参数变化观测数据，计算了全球历史地震产生的动力学参数累积变化并估算了其年变化率；基于地球动力学参数变化观测数据，利用SSA方法提取了其长时间变化信号，厘清了地震对其贡献并提出了全球地震周期形变产生的动力学参数变化一般模型；利用发布的全球板块运动模型，计算了地质时间尺度下产生的地球平均半径变化，并将其与地震引起的地球体积变化进行对比分析，探讨地震作为当前地球膨胀现象的物理激发源可能性及贡献量；利用球形地震位错理论的优势，发展了同震地球重力势能变化的计算方法，并计算了全球历史地震产生的重力势能净累积变化和对地球各圈层的影响。研究成果对于理解深刻理解地震造成的地球质量再分布、揭示长期极漂物理激发源、系统认识地球活动过程和地球大系统相互作用具有很好的启示作用，为研究当前地球膨胀的物理激发源提供了理论支持，为研究地幔热机效应和地球长期演化过程提供了思路。