酒正綱 張林廣 郁 雯

（河北建筑工程學(xué)院，河北張家口075000）

1 概 述

我國(guó)是世界上地震災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，自1900年以來，世界6級(jí)以上陸地地震總數(shù)的三分之一都發(fā)生在我國(guó)，我國(guó)的地震分布在全國(guó)是不均勻的，總體來講，可分為5個(gè)主要區(qū)域，分別是西南地區(qū)、華北地區(qū)、西北地區(qū)、東南沿海地區(qū)和臺(tái)灣地區(qū)，其他區(qū)域也有地震發(fā)生但較少，在這五個(gè)區(qū)域中，西南地區(qū)地震的發(fā)生頻率和強(qiáng)度位居第一，而華北地區(qū)位居第二；華北地區(qū)包括河北、河南、內(nèi)蒙古、山東、陜西、山西、江蘇、寧夏、安徽等省的全部或部分地區(qū)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，自有記錄以來華北地區(qū)發(fā)生過5次8級(jí)及以上地震，而7－7.9級(jí)地震共發(fā)生18次.由于我國(guó)的首都在華北地區(qū)，而且華北地區(qū)又是我國(guó)的政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心，華北地區(qū)的地震監(jiān)測(cè)一直是我國(guó)地震監(jiān)測(cè)的重中之重.

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，1900年以來，華北地區(qū)5.5級(jí)以上地震平均2年左右發(fā)生1次，6.0級(jí)以上地震平均3－4年發(fā)生1次，7.0級(jí)以上地震平均15－20年發(fā)生1次［1］.自1998年張北6.2級(jí)地震以來，華北地區(qū)已經(jīng)有16年沒有發(fā)生6.0級(jí)以上地震，未來華北地區(qū)發(fā)生強(qiáng)震的可能性很大，華北地區(qū)的安全性非常值得關(guān)注.

2 地殼形變監(jiān)測(cè)的發(fā)展概況

通俗地講，地殼形變監(jiān)測(cè)就是對(duì)通過測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)地殼上點(diǎn)的坐標(biāo)和高程變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，目前地殼形變監(jiān)測(cè)主要用于地震預(yù)報(bào)，而地殼形變監(jiān)測(cè)用于地震預(yù)報(bào)是我國(guó)和一些發(fā)達(dá)國(guó)家一直采用的方法，下面我們將詳細(xì)進(jìn)行論述.

（1）美國(guó)的地殼形變監(jiān)測(cè)發(fā)展概述.

美國(guó)是最早應(yīng)用GPS技術(shù)的國(guó)家之一，早在1985年，美國(guó)開始采用GPS技術(shù)進(jìn)行地殼形變監(jiān)測(cè)，首先在加利福尼亞灣布設(shè)了有由3個(gè)點(diǎn)構(gòu)成的GPS地殼形變監(jiān)測(cè)網(wǎng)，其中2個(gè)點(diǎn)布設(shè)在太平洋板塊上，另外1個(gè)點(diǎn)布設(shè)在北美板塊上，他們之間距離較長(zhǎng)，分別是610KM、450KM和350KM，經(jīng)過連續(xù)4年的觀測(cè)，經(jīng)過成果計(jì)算，計(jì)算出了上述兩個(gè)板塊四年內(nèi)的年平均相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，將此成果計(jì)算精度和甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量VLBI（Very Long Baseline Interferometry，用VLBI表示）精度相比較，結(jié)果顯示兩者的精度是一致的；這樣就可以在某種程度上取代VLBI而采用GPS技術(shù)監(jiān)測(cè)地殼形變.美國(guó)南加州是地震重點(diǎn)監(jiān)控地區(qū)，美國(guó)先后在南加州建立了200多個(gè)GPS監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)該地區(qū)的地殼形變，通過對(duì)1992年加州蘭德斯地震前后的地殼形變進(jìn)行了數(shù)據(jù)比對(duì)，發(fā)現(xiàn)震前和震后地殼形變的速率差別是3－5mrn／a，這充分說明應(yīng)用GPS技術(shù)可以應(yīng)用于地殼形變監(jiān)測(cè)并且其精度是符合要求的.

（2）日本的地殼形變監(jiān)測(cè)發(fā)展概述.

日本也是一個(gè)地震多發(fā)國(guó)家，歷史上日本曾多次發(fā)生強(qiáng)烈地震，日本早在1883－1906年就對(duì)覆蓋日本列島的一等三角測(cè)量網(wǎng)進(jìn)行第一期地殼水平形變觀測(cè)，并在東京灣布設(shè)一等水準(zhǔn)網(wǎng)來進(jìn)行地殼垂直形變監(jiān)測(cè)，到1930年，又系統(tǒng)地建立了地殼形變的連續(xù)不間斷觀測(cè)方法，在1990到1992年的兩年期間，日本舉全國(guó)的力量集中了許多大學(xué)和科研所進(jìn)行了GPS會(huì)戰(zhàn)式的聯(lián)合測(cè)量，聯(lián)合測(cè)量的結(jié)果證明GPS用于監(jiān)測(cè)地殼形變是精度精度可以達(dá)到mm級(jí)，是符合地殼形變監(jiān)測(cè)精度要求的；并且在觀測(cè)期間成功地預(yù)報(bào)了一些火山地震，使得火山地震所造成的災(zāi)害減少到了最小.

（3）我國(guó)的地殼形變監(jiān)測(cè)發(fā)展概述.

國(guó)家測(cè)繪局、總參測(cè)繪局級(jí)以及中國(guó)地震局等多個(gè)部門，從20世紀(jì)90年代開始就建立不同等級(jí)的GPS觀測(cè)網(wǎng)用于監(jiān)測(cè)地殼形變，為地震預(yù)報(bào)提供數(shù)據(jù)依據(jù)，這些GPS控制網(wǎng)包括高精度GPS A級(jí)和B級(jí)網(wǎng)、全國(guó)GPS一、二級(jí)網(wǎng)和全國(guó)GPS地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)三個(gè)全國(guó)性的GPS網(wǎng)，這些控制網(wǎng)的建立極大地提高了我國(guó)地殼形變監(jiān)測(cè)的技術(shù)水平；另外，我國(guó)“九五”期間國(guó)家投巨資建設(shè)的中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)（Crustal Movement Observation Network of China，CMONOC）已經(jīng)投入使用，該觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)由基本網(wǎng)，基準(zhǔn)網(wǎng)和區(qū)域網(wǎng)等1000多個(gè)GPS觀測(cè)站點(diǎn)構(gòu)成，該網(wǎng)絡(luò)工程的建立主要應(yīng)用于地殼形變監(jiān)測(cè)，為地震預(yù)報(bào)提供依據(jù).CMONOC經(jīng)過了幾期觀測(cè)，積累了大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，CMONOC工程的建成極大地提高了我國(guó)對(duì)大地震的預(yù)報(bào)能力.

3 地殼形變與強(qiáng)震發(fā)生的相互關(guān)系

目前，采用GPS技術(shù)監(jiān)測(cè)地殼形變平面精度已經(jīng)達(dá)到毫米甚至是亞毫米的精度，采用精密水準(zhǔn)測(cè)量對(duì)高程變化精度觀測(cè)早已達(dá)到亞毫米的精度，已經(jīng)基本滿足地殼形變監(jiān)測(cè)的精度要求，目前地殼形變監(jiān)測(cè)仍存在觀測(cè)點(diǎn)少和觀測(cè)經(jīng)費(fèi)投入不足的問題，另外就是數(shù)據(jù)處理結(jié)果和強(qiáng)震發(fā)生的相關(guān)性問題，關(guān)于這方面的問題國(guó)內(nèi)學(xué)者發(fā)表的研究很多，本文將從已下幾個(gè)方面進(jìn)行論述：

（1）強(qiáng)震的發(fā)生和GPS基線長(zhǎng)度變化的時(shí)間序列的關(guān)系.

在GPS地殼形變監(jiān)測(cè)中，我們常常根據(jù)GPS基線長(zhǎng)度時(shí)間序列來描述該基線所在區(qū)域地殼形變的數(shù)值，一般來說，GPS點(diǎn)位發(fā)生變化，GPS基線長(zhǎng)度也會(huì)發(fā)生變化，基線長(zhǎng)度增長(zhǎng)表明基線所在區(qū)域是伸張的，基線長(zhǎng)度縮短表明基線所在區(qū)域是壓縮的，而基線長(zhǎng)度的壓縮表明該區(qū)域存在應(yīng)力的集中，目前地震學(xué)家認(rèn)為應(yīng)力的集中是地震發(fā)生的前提條件.

我們研究汶川8.0級(jí)地震震前GPS基線時(shí)間序列的變化，汶川8.0級(jí)地震震中附近及周邊地區(qū)GPS連續(xù)觀測(cè)站較多，各個(gè)GPS觀測(cè)站點(diǎn)之間可組成大量的GPS基線；我們?yōu)榱苏f明問題，選擇了4條基線時(shí)間序列進(jìn)行分析震前一段時(shí)間內(nèi)基線長(zhǎng)度的時(shí)間序列，這些GPS基線中，GPS基線YAAN—QIME（雅安—七美）、GPS基線YAAN—XNIN（雅安—西寧）和GPS基線MYAN—QIME（綿陽(yáng)—七美）穿過龍門山斷裂帶，GPS基線YAAN—MYAN（雅安—綿陽(yáng)）位于龍門山斷裂帶的右側(cè)，圖1為2008年1月8日—5月11日汶川震中附近GPS基線序列，通過詳細(xì)分析四條基線時(shí)間序列的特征我們有這樣的發(fā)現(xiàn)：四條基線在震前均表現(xiàn)為縮短的趨勢(shì)，其中MYAN—QIME、YAAN—QIME這兩條基線縮短的速度較基線YAAN—MYAN和YAAN－XNIN為快，并且每條基線的時(shí)間間隔不同，其具體的縮短數(shù)值不同，比如，基線MYAN—QIME在1月20日至25日和3月25日至30日以及4月25日到30日有三次明顯的縮短異常變化，基線YAAN—QIME在2月28日至3月6日和4月21日至5月4日在出現(xiàn)了兩次明顯的異常變化；4月21日至5月4日變化很大；另外我們發(fā)現(xiàn)，基線YAAN—XNIN也呈現(xiàn)縮短趨勢(shì)變化，但異常特征不是很明顯.

綜上所述，四條基線在汶川8.0級(jí)地震前出現(xiàn)明顯波動(dòng)變化，基本趨勢(shì)是向下波動(dòng)變化，反映的是基線長(zhǎng)度有不斷壓縮的趨勢(shì).

（2）強(qiáng)震的發(fā)生和地面隆起的相互關(guān)系.

我們從日本1964年的新潟7.5級(jí)地震來分析震前地表隆起與地震的關(guān)系；日本新潟地區(qū)從1898年開始首次水準(zhǔn)測(cè)量，日本新潟1964年7.5級(jí)地震震前及震后水準(zhǔn)測(cè)量的成果比較詳細(xì)，精密水準(zhǔn)的成果時(shí)間跨度也很長(zhǎng)，前后有60多年，對(duì)地震與地面隆起的數(shù)據(jù)關(guān)系研究非常有意義.

圖1 汶川震中附近GPS站基線變化圖

日本沿著這條布設(shè)在海岸線并經(jīng)新潟地區(qū)的水準(zhǔn)路線，前后經(jīng)過多次測(cè)量，從1954年以來一直是以極短的間隔進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量.從圖2可以看出，從1900年以來，地面異常隆起一直在緩慢變化著，大約從1954年前后改變了速率，異常的隆起在1959年達(dá)到了最大值，這一狀態(tài)一直持續(xù)了幾年，以后在1964年地震便接踵而至.

大量的研究表明，發(fā)生強(qiáng)烈地震的區(qū)域震前地面表現(xiàn)為隆起的形態(tài)；1976年7月28日唐山7.8級(jí)強(qiáng)震震前幾年震中區(qū)域也有隆起的形態(tài)出現(xiàn)，文章篇幅原因這里不再敘述.

圖2 日本新潟地區(qū)垂直形變速率圖

4 地殼形變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理中應(yīng)采取的策略

（1）我們經(jīng)過大量的震例研究發(fā)現(xiàn)：那些曾經(jīng)發(fā)生強(qiáng)烈地震所在的區(qū)域，在震前都會(huì)有地面隆起的地形變發(fā)生，這種地形變的發(fā)生都有一個(gè)漫長(zhǎng)的發(fā)生過程，在臨震這種地形變會(huì)發(fā)生突變，強(qiáng)烈地震隨之就會(huì)發(fā)生，我們應(yīng)采取的策略是可以通過中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)的高程變化來在華北地區(qū)找到這樣的區(qū)域.

（2）我們經(jīng)過大量的研究還發(fā)現(xiàn)：那些強(qiáng)烈地震發(fā)生的區(qū)域大多是震前基線處于壓縮狀態(tài)的區(qū)域，根據(jù)這個(gè)發(fā)現(xiàn)，我們應(yīng)采取的策略是可以通過數(shù)據(jù)的計(jì)算在華北地區(qū)找到這些處于壓縮狀態(tài)的區(qū)域；可以通過計(jì)算中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的華北地區(qū)眾多GPS站點(diǎn)的基線長(zhǎng)度變化找到這樣的基線.

（3）如果我們經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)華北地區(qū)某個(gè)區(qū)域既是隆起區(qū)域又是GPS基線壓縮區(qū)域，那么該區(qū)域即是可能要發(fā)生強(qiáng)烈地震的區(qū)域.

5 結(jié) 論

本文論述了我國(guó)是世界上發(fā)生陸地強(qiáng)震最多的國(guó)家之一，而華北地區(qū)是我國(guó)地震預(yù)測(cè)的重點(diǎn)關(guān)注地區(qū)，地殼形變監(jiān)測(cè)是我國(guó)和一些發(fā)達(dá)國(guó)家地震預(yù)測(cè)的重要方法，文章論述了強(qiáng)震發(fā)生前GPS基線時(shí)間序列逐步縮短的規(guī)律，以及通過精密水準(zhǔn)資料論述了強(qiáng)烈地震發(fā)生前震中區(qū)域常有地面隆起的形態(tài)出現(xiàn)，同時(shí)本文提出在華北地區(qū)GPS地殼形變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理中應(yīng)采取的策略是尋找GPS基線長(zhǎng)度縮短的區(qū)域同時(shí)又是地面隆起的區(qū)域，這些區(qū)域可能是以后將要發(fā)生強(qiáng)烈地震的區(qū)域.

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