全球動力學(xué)變化，或者叫低頻動力學(xué)變化，通常包含低階重力場帶諧系數(shù) (例如J2)變化，三維地球自轉(zhuǎn)變化(極移和日長變化)等，這些參數(shù)的變化主要來自于內(nèi)部圈層的質(zhì)量交換，故能夠揭示不同時空尺度下的固體地球系統(tǒng)的動力學(xué)以及地表流體的質(zhì)量運輸過程。
傳統(tǒng)觀念認為，全球動力學(xué)參數(shù)長期變化是由冰后期反彈效應(yīng)(Glacier Isostatic Adjustment)主導(dǎo)，20世紀末則把參數(shù)長期變化趨勢的轉(zhuǎn)折主要歸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動、全球地幔對流，甚至包括近期用于碳匯研究的全球水庫蓄水行為，以及接下來要討論的全球地震變形。
中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所徐長儀副研究員與李娟研究員合作，利用行星自轉(zhuǎn)動力學(xué)原理，結(jié)合地震位錯理論和全球歷史地震目錄，較全面地估計了全球地震的同震和震后變形產(chǎn)生的全球動力學(xué)參數(shù)累積變化，并計算了其對全球動力學(xué)參數(shù)長期變化的貢獻。
他們基于地球動力學(xué)參數(shù)的觀測時間序列，利用SSA方法首先獲取了動力學(xué)參數(shù)的長期變化，并利用MK方法檢驗了長期變化的趨勢(是否存在非線性)。為揭示長期變化的物理成因，他們將獲取的GIA效應(yīng)也一并進行了計算。研究發(fā)現(xiàn)：全球動力學(xué)參數(shù)在20世紀末期 (～1998) 出現(xiàn)了趨勢轉(zhuǎn)彎現(xiàn)象，且GIA效應(yīng)不能夠完全解釋長期變化 (圖1)。
圖1 基于SSA方法獲取的全球動力學(xué)參數(shù)長期變化(紅色曲線)。灰色曲線表示觀測值，藍色曲線表示GIA效應(yīng)的影響
為進一步討論全球地震變形的貢獻，他們利用發(fā)展的基于球形地震位錯理論的同震動力學(xué)參數(shù)變化計算方法，以及1976～2020年全球地震矩張量解目錄，計算了同震效應(yīng)及其累積效應(yīng)(圖2藍色曲線)；基于震后變形的數(shù)學(xué)表達式，通過選取合理的參數(shù)估計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)，日長變化，J2和地球總慣性矩變化。圖中藍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
計算結(jié)果表明：全球歷史地震變形產(chǎn)生的動力學(xué)參數(shù)變化存在非常明顯的趨勢且在20世紀末期存在加速的現(xiàn)象，這與全球地震在20世紀末期進入了高發(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0.38 mas (1 mas = 3.1 cm)的速度向118.4°東漂移；地震產(chǎn)生的日長變化速率為 -1.42 μs/yr，量級雖小，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-1.00×1027 kgm2/yr，意味著地震迫使地球變化的更加密實。通過與觀測值的比較發(fā)現(xiàn)：全球地震效應(yīng)約占全球動力學(xué)參數(shù)長期變化的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)在量級上相當(dāng)。
圖3 全球動力學(xué)參數(shù)長期變化。圖中藍色曲線代表利用SSA方法提取的長期變化觀測值。紅色曲線表示扣除全球地震變形后的觀測值。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
該研究詳細闡明了地震在全球動力學(xué)參數(shù)長期變化物理成因分析中的重要性，且對于以后利用動力學(xué)參數(shù)的觀測值反演地幔的粘滯性，揭示圈層動力學(xué)過程，以及地球的長期物理演化都具有重要參考意義。該研究也進一步強調(diào)在今后的全球水循環(huán)估計、海平面變化、GIA效應(yīng)等衛(wèi)星觀測時，必須考慮地震效應(yīng)的影響。
研究成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊JGR-Solid Earth (徐長儀*，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). 研究成果受國家自然科學(xué)基金、所重點部署項目聯(lián)合資助。