全球動力學變化，或者叫低頻動力學變化，通常包含低階重力場帶諧系數 (例如J₂)變化，三維地球自轉變化(極移和日長變化)等，這些參數的變化主要來自于內部圈層的質量交換，故能夠揭示不同時空尺度下的固體地球系統(tǒng)的動力學以及地表流體的質量運輸過程。

傳統(tǒng)觀念認為，全球動力學參數長期變化是由冰后期反彈效應(Glacier Isostatic Adjustment)主導，20世紀末則把參數長期變化趨勢的轉折主要歸因于全球氣候變暖導致的地表流體質量遷移現(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。

中國科學院地質與地球物理研究所徐長儀副研究員與李娟研究員合作，利用行星自轉動力學原理，結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生的全球動力學參數累積變化，并計算了其對全球動力學參數長期變化的貢獻。

他們基于地球動力學參數的觀測時間序列，利用SSA方法首先獲取了動力學參數的長期變化，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效應也一并進行了計算。研究發(fā)現(xiàn)：全球動力學參數在20世紀末期 ( 1998) 出現(xiàn)了趨勢轉彎現(xiàn)象，且GIA效應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參數長期變化(紅色曲線)?；疑€表示觀測值，藍色曲線表示GIA效應的影響

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參數變化計算方法，以及1976 2020年全球地震矩張量解目錄，計算了同震效應及其累積效應(圖2藍色曲線)；基于震后變形的數學表達式，通過選取合理的參數估計了全球震后變形的效應(圖2紅色曲線)。

圖2 全球地震變形產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，紅色陰影表示同震+震后效應。注意該研究中忽略了全球震間變形效應，以待后期討論

計算結果表明：全球歷史地震變形產生的動力學參數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。在包含了同震和震后效應后，地震產生的極移每年以0.38mas (1mas = 3.1cm)的速度向118.4 東漂移；地震產生的日長變化速率為 -1.42μs/yr，量級雖小，但可以看出地震一直在迫使地球轉的更快。地震產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。通過與觀測值的比較發(fā)現(xiàn)：全球地震效應約占全球動力學參數長期變化的20%甚至更高(圖3)，而且與GIA效應、氣候變化驅使的地球流體效應在量級上相當。

圖3 全球動力學參數長期變化。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參數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參數的觀測值反演地幔的粘滯性，揭示圈層動力學過程，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在今后的全球水循環(huán)估計、海平面變化、GIA效應等衛(wèi)星觀測時，必須考慮地震效應的影響。

研究成果發(fā)表于國際學術期刊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基金、所重點部署項目聯(lián)合資助。

美編：傅士旭

校對：萬鵬