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第24 卷 第4 期 地 震 学 报 Vol.24 No.4 2002 年7 月 (397 406) ACTA SEISMOLOGICA SINICA Jul. 2002 文章编号 0253-3782(2002)04-0397-10 液核动力学扰动引起的地球形变 徐建桥 孙和平 (中国武汉430077中国科学院测量与地球物理研究所动力大地测量学重点开放实验室) 摘要 讨论了地球固体部分对液核动力学效应引发的核幔边界和内核边界上压力和引力扰动 的形变响应 采用弹性-引力形变理论描述地幔和内核的形变 给出了内部负荷 Love 数的一 般表达式 以初始参考地球模型为例 分别计算了在地球表面 核幔边界和内核边界上的内 部负荷 Love 数 探讨了液核边界上压力和引力扰动导致的地球形变场的空间和频率分布特 征 本文的结果可以为中短周期液核动力学理论模拟提供必要的边界条件 关键词 液核动力学效应 液核边界 内部负荷Love 数 地球的形变场 边界条件 + 中图分类号 P315.72 5 文献标识码 引言 流体外核将地球的固体部分分成两个主要部分 地幔和内核 使得这一力学体系的自 由和受迫运动都变得更加复杂和丰富多彩 与弹性地幔类似 由于深部大地震的激发 地 球的液态外核也将发生 自由振荡 (Crosley 1975a Friedlander Siegmann 1982 Shen 1983 Friedlander 1985) 其简正模通常被称为 内部重力或惯性波 或简称为 核模 核 模信号很微小 目前 国际上正尝试采用现代地球高精度的大地测量或天文测量手段进行 检测(Melchior Ducarme 1986 Aldridge Lumb 1987 Cummins Wahr 1991) 同时 对于自转的椭球分层地球 地球的液态外核相对于其固体部分存在相对刚性转动 即存在 近周日自由摆动(NDFW) 导致在核幔边界(CMB)和内核边界(ICB)上的内部附加压力的存 在(Hinderer et al. 1982 Legros Amalvict 1985) CMB 和 ICB 上的扰动将导致地球的 表面和地球固体部分(包括地幔和内和) 的形变和引力位变化 即液核动力学效应 在一般情形下 地球液核的动力学特征与自转产生的 Coriolis 力 电磁力 粘滞力等 和流体的浮力有关 所有这些力都将在CMB 和ICB 上产生相应的扰动 从而在不同程度 上导致地球固体部分的形变 尽管经过许多科学家的不懈努力 但到目前为止我们还很难 建立这些扰动之间的关系 在液核动力学处理中都仅采用非常简单的模型 对于周期比较 小( 小于几年) 的液核流动 在运动方程中可以忽略流体的粘滞力和电磁力(Crossley Smylie 1975 Poirier 1988) 即使如此 由于强Coriolis 耦合将导致液核流动的球型位 移和环型位移的无穷耦合链(Smith 1974) 其收敛性很难确定 要建立液核振荡的理论 模型 往往要对流体的性质作出一些假设 其中最著名的两个假设是 Boussinesq 近似 (BA)(Crossley Rochester 1980)和亚地震波近似(SSA)(Smylie Rochester 1981) BA 假 * 国家自然科学基金项目 和中国科学院项目(KZ9S2-J1-411 KZ952-J1-411)联合资助 2001-10-24 收到初稿 2002-03-01 收到修改稿 2002-04-18 决定采用 398 地 震 学 报 24 卷 设流体是不可压缩的 并忽略了密度和引力位的扰动 而SSA 则假设流体中 1