温联星研究组
 
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本研究组建立国际上首个全球综合时变应力数据库

2018-04-19

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综合计算了地球储水量变化、大气压、海水(包括海潮和非海潮扰动)、日月固体潮、极潮等力的弹性载荷以及冰后回弹的粘弹效应在地球上造成的应力变化,建立了国际上首个全球综合应力变化数据库。 2018年4月18日,该成果被国际知名期刊《地球物理学研究:固体地球》(J. Geophys. Res. Solid Earth) 接收并发表(论文链接)(数据库链接)。该论文的作者为研究组博士生陆洲、许昌学院教师易航(为研究组毕业生)及其导师温联星教授。

地球内部的应力场时刻都在变化,它们在地球构造活动中起着很大作用。地球内部应力变化不仅可以由地球内部构造活动(如地震)产生,还可以被地球储水量变化、大气压、海水、日月固体潮、地球极移及冰盖变化等加载在地球上的外力产生。这些外力载荷造成的应力变化(简称载荷应力变化)可以触发和调制地震、非火山震颤、慢滑移事件、火山喷发、滑坡等地质构造事件,因此对它们全面的研究和精确的计算可以更定量地确定地球内部的应力状态,并加深人们对构造事件触发机制的理解。然而,前人关于载荷应力变化的研究或限于某些区域,或限于某些时间段,或限于某些单个外力。截至目前,还没有研究对所有不同载荷外力在全球范围、不同深度造成的应力变化进行综合、全面的分析。

在该研究中,温联星研究组建立了一个计算全球应力变化的物理框架,对地球储水量变化、大气压、海水、固体潮、极潮及冰后回弹等外力在全球范围、不同深度造成的应力变化进行综合、全面的分析。研究组通过球谐展开的方法,使用GRACE卫星数据、ECMWF ERA-Interim地表大气压、TPXO海潮、CMEMS海面高度异常、SPOTL潮汐计算程序及ICE-5G冰盖历史等数据,计算了2000至2017年间地球储水量变化、大气压、海水(包括海潮和非海潮扰动)、日月固体潮、极潮等力的弹性载荷(图1a)以及冰后回弹的粘弹效应(图1b)在全球范围、不同深度造成的应力变化,建立了国际上首个全球综合应力变化数据库。计算结果(图2)显示,地球储水量变化、大气压、非海潮扰动及日月固体潮造成的最大正应力变化在$10^{-2}$ bar量级,海潮的为$10^{-1}$ bar,极潮的为$10^{-4}$–$10^{-3}$ bar,冰后回弹造成的正应力率为$10^{-3}$–$10^{-2}$ bar/yr;它们造成的剪应力(率)约比正应力(率)小一个数量级。载荷应力变化表现出明显地理变化(图2):地球储水量变化造成的应力变化主要分布在热带和寒带,大气压的在温带和寒带,海水的在沿岸地区,冰后回弹的在格陵兰岛、北欧、北美及南极洲。载荷应力也表现出明显的时间变化:地球储水量变化造成的应力在亚马逊平原、印度北部、非洲中部有明显的季节性变化,在南极洲、格陵兰岛和阿拉斯加则持续增加(或减小)。此外,载荷应力还表现出随深度的明显变化。

温联星研究组的研究对不同载荷外力在全球范围、不同深度造成的应力变化进行综合、全面的分析,这在国际上尚属首次。该研究建立的应力数据库(链接)提供了不同时间、空间尺度的应力数据,它将可能激发更多关于构造事件触发机制的研究。在建立数据库的过程中,研究组建立了地球对外力响应的物理框架,它将方便更多从不同时空尺度反演地球内部力学参数和物理状态的研究。

论文链接: https://doi.org/10.1029/2017JB015243

应力数据库链接: http://seis.ustc.edu.cn/resource/stress

参考文献: Lu Z., Yi H., & Wen L. (2018). Loading-induced Earth’s stress change over time. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, doi:10.1029/2017JB015243

图1 加载在地球上的外力及地球对其弹性、粘弹响应示意图。(a)地球的弹性响应。左:加载在地球上的短周期(数时至数年)外力,包括地球储水量变化、大气压、海水(包括海潮和非海潮扰动)及固体潮;右:地球对短周期外力的弹性响应(以应变表示)。(b)地球的粘弹响应。(左)加载在地球上的冰盖及(右)地球对其粘弹响应。

图1 加载在地球上的外力及地球对其弹性、粘弹响应示意图。(a)地球的弹性响应。左:加载在地球上的短周期(数时至数年)外力,包括地球储水量变化、大气压、海水(包括海潮和非海潮扰动)及固体潮;右:地球对短周期外力的弹性响应(以应变表示)。(b)地球的粘弹响应。(左)加载在地球上的冰盖及(右)地球对其粘弹响应。

图2 不同载荷外力在地表造成应力(率)最大振幅分布图。(a)储水量变化、(b)大气压、(c)海潮、(d)非海潮海水扰动、(e)日月固体潮、(f)极潮造成的应力以及(g)冰后回弹造成的应力率的最大振幅。

图2 不同载荷外力在地表造成应力(率)最大振幅分布图。(a)储水量变化、(b)大气压、(c)海潮、(d)非海潮海水扰动、(e)日月固体潮、(f)极潮造成的应力以及(g)冰后回弹造成的应力率的最大振幅。

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