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本研究组发现地球浅表异常S1应变潮

( 2017-10-22 )

近日,中国科学技术大学地震与地球内部物理实验室温联星研究组,通过分析钻孔应变仪记录的地下形变数据,定量研究了地球浅表异常的S1应变固体潮及其产生机制。20171021日,该成果在线发表于国际知名期刊《地球物理学研究:固体地球》(Journal of Geophysical Research: Solid Earth)上。

  

潮汐是地球上一种常见的现象。最为人们熟悉的一种潮汐是海潮:在太阳和月亮万有引力下的作用下,地球上的海水会周期性地涨落,形成海潮。与海潮类似,地球的固体部分在太阳和月亮万有引力的作用下也会发生周期性的变形,这便是地球的固体潮汐。固体潮汐又分为重力固体潮、地倾斜固体潮及应变(变形)固体潮等。固体潮汐作用在地球内部的应力(即单位面积上受到的力)会引起地球内部地震波波速的变化,同时也在地震、慢地震、非火山震颤、火山喷发和滑坡等地质活动的触发中扮演重要角色。因此,精确计算和定量研究固体潮汐的变化是对前述现象研究的重要基础。

  

在时间上,潮汐又可以分解成不同变化周期的潮汐分波,其中变化周期在一天附近的一群潮汐分波被称为日波。S1潮汐波便是其中一种日波,它的变化周期刚好等于24小时。由于S1潮汐波既受太阳、月球万有引力的影响,又受太阳热辐射的影响,人们很早便认识到了它的复杂性。前人研究过大气压、气温、海潮等的S1潮汐波,但是从来没有人对S1应变固体潮进行过定量研究,更别提对它与地球浅表其它物理过程相互作用的研究。因此,如果能够研究清楚S1应变固体潮的变化机制,那么人们将不仅可以更精确地计算理论潮汐,而且能够更清楚地理解地球浅表的变形机制。

  

温联星研究组基于对北美西海岸的板块边界观测平台(PBO)钻孔应变仪记录的地下形变数据的系统分析,定量研究了S1应变固体潮振幅和相位相对于其它日波的异常,并分析了其产生的物理机制。研究组首先通过对比原始应变数据与理论潮汐的傅里叶频谱,发现S1应变固体潮谱峰的观测值比理论值大几十倍(图1d)。为了更定量地分析S1应变固体潮的异常,他们接着从钻孔应变仪记录的原始形变数据中提取出固体潮汐信号,再把潮汐分解成不同周期的潮汐分波,最后将不同潮汐分波的观测值与其理论值进行对比。他们发现S1潮汐波的观测/理论振幅之比值比其它日波的观测/理论振幅比值大几十倍到上百倍不等(图1a1c),并且S1潮汐波的相位也处在其它日波相位平均值的三倍方差之外(图1b),进一步说明了异常S1应变固体潮的存在。为了探究造成S1应变固体潮异常的原因,研究组分析并排除了地表大气压的积分效应、地球浅表介质对大气压的粘弹响应、海洋潮汐载荷、地下水潮汐载荷、应变仪钻孔的热泄漏、仪器太阳能电板昼夜电压变化等因素的可能性,最终确定了两种物理机制:(1S1大气压潮汐的弹性载荷,和(2)时空变化的S1地表温度潮汐在地球浅表的热弹效应(图2)。

  

该研究通过定量分析地球浅表介质与大气压、地表气温的相互作用,揭示了热弹效应是地球浅表的一种重要的物理过程,其对地球浅表的应力和应变变化有很大的影响,在相关的地球科学研究(比如GPS观测)中应受到慎重考虑。同时,该研究首次定量分析了S1应变固体潮的振幅与相位的空间分布,使得人们可以更精确地计算固体潮汐的变化,并能够更定量地研究其对地震、火山和滑坡等地质活动的触发效应。

  

该论文的作者为研究组的博士生陆洲及其导师温联星教授。该研究得到了国家自然科学基金和中国科学院的资金支持。

  

论文链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2017JB014383/full

论文引用:Lu, Z., & Wen, L. (2017). Abnormally strong daily-cycle S1 strain tide: Observation and physical mechanism. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 122(9). https://doi.org/10.1002/2017JB014383


1 异常S1应变固体潮的观测和分析。(aB087应变仪中观测到的潮汐日波的振幅响应(观测/理论振幅之比)。绿、蓝和红颜色的线分别代表潮汐日波(除S1外)振幅的平均值、一倍方差和三倍方差。bB087应变仪中观测到的潮汐日波的相位。不同颜色线条的意义与图a类似。cS1应变固体潮放大倍数(“S1观测/理论振幅比值”与“其它日波观测/理论振幅比值平均值”之比)的空间分布。不同颜色的圆圈代表同一应变仪不同方向的观测结果。d原始应变数据(蓝线)与理论潮汐(红线)的傅里叶频谱对比。


2 异常S1应变固体潮的产生机制。S1应变固体潮由两种物理机制产生:(1S1大气压潮汐的弹性载荷,和(2)时空变化的S1地表温度潮汐在地球浅表的热弹效应。S1大气压(蓝色虚线)在地下造成与其同相位的应变(蓝色实线),而S1地表气温(红色虚线,相位通常异于大气压)则在地下产生与其相位不同的应变(红色实线)。这两种应变振幅相近,相位不同,相互叠加形成了地下的S1应变固体潮(绿色实线),该潮汐的相位异于S1大气压和S1地表气温。


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