GPS地壳形变

GPS地壳形变与地震预测 自20世纪80年代以来,VLBI、GPS、SLR等空间大地测量技术的精度得到大幅度提高,其观测结果已被应用于板块运动、冰后期反弹、火山、地震、地球自转和地球系统内部物质再分布等地球动力学过程的研究[1,2]。尤其是GPS观测技术,由于GPS接收机价格不是特别昂贵,观测比较容易实施,在地壳形变监测中得到了广泛应用。如为了监测地壳形变,日本在境内布设了1 000多个连续GPS观测站点,平均每隔30 km就有一个GPS观测站点[3];美国为了监测南加州圣安德烈斯断层带的运动和形变,布设了超过250个站的连续GPS监测网[4]。我国自20世纪80年代开始,在青藏高原、南北地震带、川滇和华北首都圈等地壳运动活跃区和地震监测重点区布设了一系列GPS观测网,用于研究这些区域的地壳形变和地震以及判断板块内部块体构造运动模型[5]。这些GPS区域网中的部分站点已经并入国家连续GPS观测网或定期复测GPS观测网,列入长期观测计划。随着连续和分期GPS网观测的持续,积累的地表运动观测数据越来越多。这是一类观测精度非常高(上百km范围内可以测量1mm/a的水平方向变化)、分布在监测区域地表上的站点坐标时间序列。利用这类时空观测数据提取精确可靠的地壳形变信息,反演地球动力学机制是现代大地形变测量数据处理的科学目标,为此,很多学者开展了一系列的理论和方法研究,也取得了不少应用成果。 从现有的研究成果来看,通过全球连续GPS网观测数据已经成功地解算了全球板块运动模型参数,其结果与基于地质和地球物理调查数据(百万年平均)得到的板块运动模型参数(NUVEL-1A)非常接近，连续或分期的GPS观测网成功地观测到了同震位移和震后位移[6],并且用于反演地震断层面上的位错分布，或结合地震波数据联合反演,增加人们对地震破裂过程的认识，通过GPS观测结果结合地质调查和地球物理勘探结果,研究划分板块内部次一级的构造运动块体,以及确定各块体之间的相对运动等[7]。目前,国内外研究关注的焦点和难点是如何通过GPS观测得到的站点坐标时间序列提取块体边界或断层带的地壳形变信息,进而研究如地震孕震形变等地球动力学过程[8]。 一、GPS地壳形变监测在地震预测中的作用 （一）GPS地壳形变监测的优点 在GPS介入地壳形变监测之前,我们主要是通过地震学、地质学和大地测量学中的常规手段进行地壳形变的监测。 地质学途径给出的地壳形变的时间尺度大致是百万年的,也就是说通过地质学途径给出的地壳运动是大空间范围内的百万年尺度的平均。而地震学研究的时间尺度大致为秒[9]。两者之间的时间尺度相差极大,他们之间所存在的时间空档使得地壳形变的研究在时间上不能实现连续,从而使得地壳形变在地震预测中的作用大打折扣,而GPS可以提供全天候的观测,用GPS进行地壳形变监测的时间尺度可以是分、时、日、月、年到几十年、上百年，它恰好填补了地震学和地质学这一时间域空档。通过常规测量手段进行地壳形变的监测,只能测定各孤立点的当前运动,既无法给出变形点之间的运动信息,也无法给出大范围内的整体运动。而利用GPS进行地壳形变监测则可以弥补常规手段的不足,不仅可以提供点的运动信息,而且还能给出点之间的运动状态,更重要的是GPS可以在大范围内对地壳形变进行监测。 因此,GPS全天候、观测点间无需通视的优点使得地壳形变监测的内容更加丰富,观测也更加方便。为我们预测地震提供了更多的信息资源。 （二）GPS地壳形变信息的提取 通过GPS监测可以获得的有关地壳形变的信息主要分以下几种: (1)相对于全球参考框架的GPS观测位置的时间序列。GPS观测位置坐标包括3个,分别是E(东向),N(北向),H(垂直方向),而所有GPS测站的观测坐标都可以纳入到统一的参考坐标系中,这个参考坐标系通常称为参考框架,如ITRF2005国际地球参考框架。这样就使得各期观测的GPS位置坐标有了可比性。 (2)相对于区域基准的GPS观测位置的时间序列。通过扣除区域相对于全球的刚性运动,可以获得区域本身的运动信息,也就是说扣除刚性运动后获得的运动信息可以描述区域本身的相对运动。这时GPS观测的位置坐标是相对于这个区域基准的。 (3)GPS站间的观测基线长度的时间序列。GPS观测的基线长度是不受参考基准影响的,它反应的是两个GPS站之间的相对运动状态。根据不同的投影还可以获得不同方向上的基线变化分量如:E方向上的基线长度变化分量)。 (4)区域变形参数时间序列。通过上述获得的GPS位置时间序列和基线长度时间序列,我们可以参考文献[2]提供的计算方法获得区域的应变参数数据,如剪应变,正应变分量,面 应变等。根据以上信息可以建立相应的位移场、速度场和应变场。从而使得我们对地壳运动的认识更直观、更全面。 （三）GPS地壳形变推动地震预测研究 目前,根据现有的研究,GPS地壳形变监测主要在以下两个方面可能会为地震研究带来突破。为判断地震是否可以预测提供有力依据尽管地震预测已有数十年的历史,但是对于地震是否可以预测至今还存在争论,一些人认为地壳运动系统是属于“自组织临界态”(SOC)的系统,因此地震不可预测;相反还有些人则认为地震是可预测的,因为他们认为地壳运动系统不属于“自组织临界态”系统。 在《现今地壳运动动力学基本状态与地震可预报性研究》一文中,周硕愚等人根据近十年来的GPS地壳形变监测信息对地壳运动系统进行了分析,得出了以下结论[10]:SOC只是出现于地壳运动自组织过程特定阶段中的特定时空域,并非时时处处存在,如地震等。地壳运动系统经过长期自组织演化,所形成的“稳定态”、“周期态”及“拟周期态”等“定态”,为识别作为“暂态”的地震孕育过程(只少是大震、强震)提供了天然的正常基准并可望提供是否进入了“临界态”(“混沌边缘态”)的判据。因此从机理上说,地震这种偏离定态的暂态行为是可能预报的,我们应坚定信心。 二、国外、国内GPS定位技术在地球动力学方面的应用

空间大地测量学的发展,为精确地研究板块运动的规律,开辟了重要的新途经。高精度的GPS卫星定位技术,已经日益普遍地应用于板块运动的监测,并已取得了良好的结果。现有观测数据的分析表明,欧亚板块与太平洋板块间的相互运动速度约1cm/年,北美板块与太平洋板块间的相对运动速度约为5cm/年,而北美板块内部的变形不超过1cm/年。 由于高精度的GPS定位技术,可以精确提供有关板块运动的四维信息(空间和时间),而且其设备简单,作业方便,所以,它不仅在监测区域性板块运动和板块内的地壳变形方面,具有广阔的应用前景,而且在监测全球性的板块运动方面,也可与其它空间定位技术相媲美。 在美国西部从阿拉斯加到加利福尼亚沿板块边界建立了多个永久台与流动台结合的监测网,其中包括在加州南部由250个观测站组成的永久性密集网SCIGN(Southern Cal-ifornia Integrated Geodetic Network)等。这些台网产生的数据已服务于地震监测与科学研究,其中包括区域性中长期地震危险性估计,地壳结构、断层演化过程及地震破裂动力学过程研究等。 日本作为一个地震灾害频繁的国家,建立了由近1000个固定GPS观测站组成的日本地壳运动连续观测网络,大大加强了对日本列岛地壳运动和变形的监测。由观测资料初步确立了由于太平洋与菲律宾板块下插造成地壳形变的运动学模型,并在局部地区观测到由于断层及岩浆活动造成的地表形变,为研究形变源的时空演化提供了重要的基础。 我国利用GPS技术监测地壳运动起步较早,自20世纪80年代中期开始至“中国地壳运动观测网络”建成,取得了中国地壳大尺度运动的初步结果。中国地壳运动以中部的南北地震带为界,西部地壳形变量大、复杂,东部形变量小,相对比较平稳。西部的地壳运动在印度板块对欧亚板块的作用影响下,呈现南北向缩短,东西向伸长的基本特征。运用GPS观测资料对我国活动地块模型进行了定量分析,初步得到11个有明显相对运动的活动地块,对研究地块内部的稳定性、块体边界断层的活动性与震害危险性、及建立大陆地壳动力学模型提供了基础。 三、区域GPS网数据处理

区域GPS网数据处理主要包括两个方面,一方面是如何利用分期和连续的高精度GPS观测获取点位位移、速度及其精度;另一方面是如何布网才能更有效和更经济地监测到地壳形变。现有的研究工作主要集中在前一个方面,即高精度GPS数据处理。数据处理的规模可以分为全球网、洲际网和区域网三个层次,所采用的主流软件有MIT的GAMIT、JPL的JIPSY以及瑞士伯尔尼科技大学的BERNESE。一般区域GPS网的数据处理都要加入至少一个全球网的连续观测站数据一起处理,先进行以d为单位的基线松弛解,然后利用基线解组网得到点位自由网平差解,最后通过固定或限制全球连续站坐标和速度的方式通过卡尔曼滤波得到所有区域网站点在全球坐标框架中(如目前的ITRF2005)的坐标时间序列。在上述数据处理过程中,已经加入了固体潮汐模型改正、大气延迟模型改正、轨道参数改正、极移改正等,尽管这些改正不可避免地仍残留有模型误差[11]。 构造运动主要包括全球尺度的板块运动、区域性的板块边界走滑或俯冲运动以及板块内部构造单元之间的相互运动。板块运动目前引用较多的是NUVELL-1A模型[12],它根据地震、地磁和转换断层运动等资料把全球划分为十几个刚性运动的块体,每个块体都是做绕某个极轴的欧拉运动。在板块运动边界,地表运动表现为板块的相对运动与边界弹性变形的合成,对于板块内部构造单元分割带的地面运动,也有类似的特征。Matsuura率先提出了一种用块体运动与断层位错运动合成来表述块体边界的地面运动的理论模型,并且运用于解释美国加州大地测量得到的地面移动数据。随后,这种模型广泛运用于板块边界、断层带大地形变观测数据的解释[13]。当断层发生地震时,该模型也可以用于描述地震断层滑动分布造成的地表形变场。