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GNNS观测与大地震前兆地壳形变研究进展
2021-01-08
GNSS（全球导航卫星系统）包括我国的北斗和美国的GPS（全球卫星定位系统）等，是能观测不同震级大地震前后大范围、长时期、高精度、高稳定性、高采样率的地壳形变观测技术，能满足长、中、短临地震预报对观测技术在时空强（“强”指观测值的大小）等方面的要求，已成为多功能地震地壳形变监测技术，并促进地震预测、地震波观测、地震机制研究、建筑物破坏评估和地震警报系统等的发展。全球GNSS连续观测站已数以万计，成为庞大的地球科学基础工程。日趋庞大的GNNS连续观测网每日产生海量观测结果，再加上全球多次发生6至9级大地震，使利用GNNS观测研究大地震前兆显得尤为迫切。
GNNS观测可获得大地震前后关键时间段和关键区域的关键观测结果。GPS应用时间长，至今仍常用于地壳运动和地震监测。已获得了多次大地震大量GPS连续观测站地壳形变观测结果；一次地震可利用的观测站近1 600站；观测站离震中距离最近约1 km；观测时间最长已达20多年；临震前近震中有高频采样观测。震级越大、站点越密且离震中越近、覆盖范围越广、观测时间越长，资料越珍贵，科学意义越重大。
只有认识大地震前兆形变的时空演化，才可能实现地震预报。前兆地壳形变震例研究是突破地震预报的必由之路。基于位移和应变等基础分析方法的研究，GNSS观测获得了2008年汶川8级地震多项前兆地壳形变、2011年东日本9级巨震大范围前兆地壳形变、2013年芦山7级大地震前震中水平位移闭锁、2015年尼泊尔8.1级逆冲型地震完美的（弹性）回跳、2016年日本九州岛7.3级地震详细的震前震中水平位移闭锁、2016年日本本州东岸近海7.2级强余震前兆地壳形变、2016年新西兰7.8级复杂大地震的前兆地壳形变和2018年夏威夷火山区6.9级地震近震中显著的临震前兆形变等。还得到了2013年岷县6.6级大地震、2017至2018年墨西哥近海8.2级和墨西哥2次7.1级大地震（2017年地震震源深度50km）、2018年美国阿拉斯加湾8.0级和阿拉斯加7.2级大地震（震源深度40 km）、2018年日本北海道6.9级大地震（震源深度40 km）、2014年美国加州南纳帕6.1级地震和2019年美国加州6.4和7.1级地震等GPS观测到的前兆形变结果。近期，又得到了2020年6月23日墨西哥7.4级地震和7月22日阿拉斯加以南海域7.8级地震的前兆形变结果（图1）。GPS得到的地震前兆形变震例结果可靠、机理明确，在很多方面是其他观测不可比且达不到的，是GPS重要的观测成果。
同震位移是公认的大地震特有的地壳运动现象，而GNNS观测有利于获得该类地壳运动现象。GNNS观测表明，地震的成因就是地壳的水平运动，且震前主要是沿累积直线产生的水平挤压（包括拉张）运动，由此导致地震断层走滑水平剪切破裂或沿倾滑剪切破裂，或同时兼有两种剪切破裂，产生同震位移。
GNNS观测得到的多次大地震大量同震水平位移的弹性回跳有两类主要方式。地震前震中及其附近水平位移缓慢累积（见图1）或近震中水平位移形成“闭锁”，而同震水平位移是震前水平位移积累或闭锁是在时空或空间上的（弹性）回跳。图1水平位移向量时间序列可直观地显示地震前后的水平运动过程。震前水平位移累积或形成闭锁，与同震水平位移的关系就是地震过程中的作用与反作用，是由渐变到突变，由量变到质变，是因果关系。因此，震前的地壳水平位移积累或闭锁是地震前兆地壳形变，同震水平位移是认识地震前兆形变存在的关键，证明大地震是可以预报的。GNSS是观测地壳运动，研究地震成因和机制根本且有效的观测手段，同时是地震预测利器。
在离震中一定距离外，同震水平位移与震前积累的水平位移方向相反，使水平位移回复到水平位移积累前的状态和水平，根据弹性形变特性，属时空上的弹性回跳，由此证明，通常长期地表GNNS观测得到的震前缓慢水平位移也是地壳运动。
随着震级的减小，前兆水平形变的范围急剧减小，从9级地震离震中3 000 km范围内，到6.6级地震不到50 km的范围之内。只有密集的GPS观测站才有可能获得临震前兆形变或更多与地震有关的地壳运动现象。
100多年前，里德基于旧金山8级地震前后的大地测量资料，提出了地震发生的剪切形变弹性回跳假说。GNNS观测能验证里德弹性回跳模型是否符合实际，并揭示同震位移（弹性）回跳的真实方式和机理。GNNS观测得到的水平位移向量图清楚显示（见图1），近震中震前水平位移几乎沿直线累积，称为累积直线。只有沿此直线方向上的同震水平位移分量为积累的水平位移的（弹性）回跳。大地震震前无与同震垂直位移方向相反的垂直位移积累（见图1垂直位移分量时间序列）。同震水平位移在累积直线的垂直方向上的分量也无相反方向的水平位移积累。走滑地震断层两侧的同震水平位移方向相反，但震前却无相反方向的水平位移积累。在以走滑运动为主的圣安德烈斯断层带上，大地震的发生也不是剪切走滑运动产生的。此外，震前震中及其周围介质已处于非弹性状态。这些GNNS观测结果都不符合里德弹性回跳模型。
依据GPS观测多个震例，目前的地震预测可实现不漏报8级及以上大地震，争取实现7～7.9级地震的预报，特别是7.5～7.9级地震的预报。地震预报的难点是寻找短临前兆。GNSS获得的大地震前水平位移或应变临界值、电离层TEC（总电子含量）变化等，是值得探索的短临异常。
大地震发生概率小、孕育时间长、震例累积时间漫长，因此地震预测研究周期长。目前，有临震前兆形变的震例太少，临震前兆证据依然不足，地震预报观测研究更需长期艰难努力。充分利用全球GPS观测结果，有助于缩短地震预测研究周期。汶川地震和东日本大地震前曾发现GPS连续观测得到的形变异常和其他观测手段异常，可见，在监测和研究的同时，有可能实现不同程度的预报。GNSS观测网是地球科学重要的基础设施和研究支撑，受到国际重视。尽管未见全球GNSS观测网在地震预测中的直接效益，但由于坚持长期观测，获得了大量的基础观测数据，对地球科学的发展贡献巨大。地震预报工作者应充分利用国内数以万计GNSS连续观测站，扩大“中国地壳运动观测网络”的GNSS观测网规模，期待北斗早日大放光彩，为发展中国特色地球科学、突破地震预测预报瓶颈筑牢基础。
