太阳黑子、地球自转与华北地区中强震关系研究

裴东洋，高立新，戴 勇，格 根，梁沙沙，王 磊

(内蒙古自治区地震局，内蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

太阳是距离地球最近的恒星，许多地球物理过程和太阳活动有密切关系[1]，因此研究太阳活动与地震的关系具有重要意义。天文学上一般用太阳黑子相对数作为描述太阳活动强度的指数。地震与太阳黑子相对数的统计关系早已受到研究学者的关注。目前，关于太阳黑子数变化与地震活动频次的相关性研究认为两者呈一定程度的负相关，太阳黑子的强烈活动是中强地震发生的重要诱因和影响因子，并且这种影响具有一定的延迟效果。有学者认为地震一般发生在太阳11年活动周期减弱时期[2]。此外，也有学者认为不同构造区域的地震与太阳黑子活动的关系不同，且同一断裂带的不同地段也有不同，有的地区集中在太阳活动的下降段发震，有的则在太阳活动上升段发震[3]。

该文主要针对太阳黑子活动周期及地球自转速率变化与华北地区5级以上中强地震活动之间的关系进行分析研究。研究区的范围参考华北地区地震活动断裂边界[4]，北起阴山褶皱带，南至河南许昌，西起内蒙古五原，东至辽宁丹东(34°～42°N，108°～124°E)。地震目录来源于中国地震台网中心统一编目后的目录，考虑到7级以上强震造成的余震与地球外部因素关系不大，使用Gardner和Knopoff提出的方法删除目录中7级以上强震的余震[5]。太阳黑子相对数来源于比利时皇家天文台世界数据中心SILSO[6]，时间从1749年至2019年，并进行13个月滑动平均处理得到太阳黑子相对数月滑动平均值。地球自转速率变化以国际地球自转服务局(IERS,http://hpiers.obspm.fr/)提供的地球日长时间(LOD)数据来表征地球自转速度的大小，LOD数据表示地球日长时间实际值与24小时差值。

1 太阳黑子周期特征

太阳黑子相对数存在平均11 a的周期变化规律。按照国际规定，把1755年为太阳黑子活动周第一周的起点，至今已经历24个完整周期，从2019年3月进入第25个太阳活动周。根据黑子数变化情况，每一个完整的太阳黑子活动周可分为上升段和下降段，通过分析1901年以来太阳黑子相对数变化情况得知，上升段持续约3～4 a，下降段持续约7～8 a。不同活动周期内太阳黑子峰值数及时序曲线形态能够反映太阳活动的强度。太阳活动强烈的周期内一般表现为单峰值曲线，黑子数峰值均在200以上；太阳活动平稳的周期内一般表现为双峰值曲线，黑子数峰值在100左右(见第2页图1、表1)。

小波变换可以将时间序列分解成时间-频率形态，使数据在时域与频域方面均有良好局部性质，可以检测时间序列中的突变信息，分析它的主要变化周期，并得到这些周期在不同时段的影响大小，因此适合研究太阳黑子相对数时间序列的周期性变化[7]。对太阳黑子相对数作Morlet小波分析，用小波系数来反映全部周期的演化特征及主周期的变化趋势。

用小波系数的实部等值线图来反映太阳黑子相对数序列不同时间尺度的周期变化及其在时间域中的分布，判断在不同时间尺度上，黑子数的未来变化趋势。从实部等值线图看出，太阳黑子相对数变化在9～16 a的时间段上显著(见图2)。用小波系数模值来反映不同时间尺度变化周期所对应的能量密度在时间域中分布的反映，系数模值愈大，表明其所对应时间尺度的周期性愈强。从模值等值线图看出，在太阳黑子相对数变化过程中，11～16 a时间尺度模值最大，说明该时间尺度周期变化最明显(见图3)。

表1 1901年以来太阳黑子活动周黑子相对数特征表Table 1 Characteristics of relative number of sunspots in the active cycle of sunspots since 1901

根据以上小波系数的分析结果，用小波方差图来反映太阳黑子相对数时间序列的波动能量随周期的分布情况，确定黑子数变化过程中的主周期。由小波方差图看出(见图4)，在1～32 a尺度上的小波方差检验结果中，只有11 a左右的周期显著，是太阳黑子相对数变化的主周期。因此，对于黑子数变化趋势的分析应以11 a周期的小波数据为基础。在主周期小波系数实部图中看出(见第3页图5)，1930-2000年的小波系数实部值较高，反映太阳黑子活动剧烈。2000年以后活动减弱，由主周期小波系数实部曲线变化规律推测，这一过程持续约20～25 a左右。

基于太阳黑子相对数时间序列小波系数、小波方差检验结果以及主周期小波系数实部变化曲线的分析，认为2000年以来太阳黑子相对数处于相对低水平。

图2 太阳黑子小波系数实部等值线图Fig.2 Contour map of real part of wavelet coefficient of sunspot

图3 小波系数模值等值线图Fig.3 Modulus isoline of wavelet coefficient

图4 太阳黑子数小波方差图Fig.4 Wavelet variance of sunspot number

图5 太阳黑子数主周期小波系数图Fig.5 Main period wavelet coefficients of sunspot number

当前的第25太阳活动周，太阳黑子活动将进一步加强，太阳黑子相对数将处于相对高的水平。

2 华北地区中强震与太阳活动关系

太阳活动对地震活动的作用有两种方式。一种是通过电磁效应来实现[8]，太阳活动造成的磁暴对地球磁场影响强烈，而地球磁场变化可能通过磁震效应产生触发地震活动的效果；另一种是通过太阳物质喷发造成日地间引力变化影响地球自转，进而作用于地震孕育过程[9]。

2.1 太阳黑子相对数与中强震频次变化关系

按照太阳黑子活动周各变化阶段统计华北地区中强震的发生情况看出(见图6)，太阳活动是诱发中强地震活动的重要因素，且影响效果存在明显的延迟。华北地区5级以上中强震一般不发生在太阳黑子活动最剧烈的年份，由于空间距离的影响、地壳运动的累积效应，中强震活动强烈的年份一般为太阳黑子数前一个周期波谷与下一个周期波峰之间，太阳黑子数处于上升阶段的区间。太阳黑子活动与地震发生之间的时间延迟现象，说明太阳活动并不能直接触发地震活动。

图6 太阳黑子相对数时序曲线与华北地区中强地震频次Fig.6 Time series curve of sunspot relative number and frequency of moderate and strong earthquakes in North China

2.2 地球自转与太阳黑子、中强地震时序列关系

太阳活动剧烈期间将向外太空抛射大量的物质，导致太阳扁率增加。由于日地间引力关系和引力摄动效应，造成地球自转速率减小[10]。由于太阳辐射光压在南、北半球表面上的不平衡分布以及地球轨道变化，太阳辐射光压可产生地球内核相对地壳地幔的南北震荡，是形成地球自转速度周期变化的主要原因[10]。地球自转速率的变化将导致地球内部圈层力学耦合状态以及地球物理场的变化，导致地壳，特别是断裂带上应力的重新分布[11-12]。

太阳黑子相对数与地球自转速率呈明显的负相关关系。太阳黑子相对数上升阶段，地球自转变慢、日长增加，华北地区中强地震活跃。太阳黑子数量达到峰值后约两年后，地球自转速度有加快趋势；太阳黑子数量达到谷值年后约2年，地球自转速度呈降低趋势。目前，华北地区地震活动处于第4活动期，已经历5个活跃幕[13]。其中，第一个强震活跃期大约为1966年到1977年，发生了河北邢台、辽宁海城和河北唐山3次7级以上强震；第二个活跃期为1988年到1998年，发生了山西大同-阳高、内蒙古包头和河北张北3次6级以上强震。2次活跃期均处于太阳黑子相对数上升阶段及日长数据高值区域(见图7)。

图7 太阳黑子、日长数据与华北地区中强地震M-t图Fig.7 Sunspot, day length data and M-t map of moderate and strong earthquakes in North China

对地球日长日值数据进行Demy小波分解的结果显示，d3部分存在显著的约18.6 a的周期变化，其小波分解曲线波谷及其附近2～3 a时间段内华北地区中强震频次明显升高，发生该活跃幕内的最强地震(见第4页图8)。

地球日长数据中包含有18.6 a周期的变化成分，太阳黑子相对数有约11 a的周期变化规律。两者的共同作用是影响华北地区中强地震活动的重要因素(见图7、图8)，当太阳黑子相对数周期上升段与地球日长18.6 a周期的波谷段叠加时，对华北地震活动的影响达到最大，可能触发区域中强地震的发生。目前，太阳活动处于黑子相对数的第25周期初始上升阶段，地球日长18.6 a周期曲线也处于上升阶段，两者不构成叠加关系，因此诱发华北地区进入中强震多发状态的可能性不大。

图8 地球日长数据小波分解与华北地区中强地震M-t图Fig.8 Wavelet decomposition of earth's daily length data and M-t map of moderate and strong earthquakes in North China

3 结论与讨论

(1) 根据Morlet小波分解及小波系数分析结果，显示太阳黑子相对数时间序列变化的主周期是11 a。主周期小波系数实部曲线的变化规律表明第25太阳活动周太阳黑子相对数将处于相对高水平。

(2) 太阳黑子相对数变化、地球自转速率变化与华北地区中强地震活动水平有比较明显的相关关系。太阳黑子相对数上升，地球自转变慢、日长增大时，华北地区中强地震相对活跃。具体表现为当太阳黑子相对数周期上升段与地球日长18.6 a周期波谷段叠加时，对华北地震活动的影响达到最大，可能触发区域中强地震的发生。当前处于第25太阳活动周初期，太阳黑子相对数为转折上升状态，地球日长小波分解三阶细节曲线不处于波谷位置，不构成触发华北地区中强地震的条件。

(3) 不同地区地壳与地幔的耦合关系不同，自转速度的变化对不同区域地壳活动的影响也不同。因此，在不同地区自转速度变化对地震活动的影响需要具体分析。