蘆山MS7.0地震前水平位移和同震水平位移研究

顧國(guó)華 王武星 占 偉 梁洪寶 朱 爽

1） 中國(guó)北京100036中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所 2） 中國(guó)天津300180中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心

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蘆山MS7.0地震前水平位移和同震水平位移研究

1） 中國(guó)北京100036中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所 2） 中國(guó)天津300180中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心

本文利用“中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)（二期）”多個(gè)GPS連續(xù)觀測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果， 將2013年4月20日四川蘆山MS7.0地震區(qū)域參考框架同震水平位移與全球參考框架同震水平位移進(jìn)行比較， 結(jié)果表明兩組框架解一致， 說(shuō)明兩種參考框架均可當(dāng)作位錯(cuò)參考框架， 也即全球參考框架同震水平位移也可視為區(qū)域參考框架同震水平位移． 區(qū)域參考框架下GPS連續(xù)觀測(cè)站地震前的水平位移和同震水平位移結(jié)果表明， 震前數(shù)年， SCTQ站西側(cè)的GPS站構(gòu)造運(yùn)動(dòng)十分顯著， 而該站水平位移卻很小， 即出現(xiàn)反常的閉鎖． 但該站的同震水平位移使其彈性回跳至正常構(gòu)造水平位移水平， 因此SCTQ站震前的位移閉鎖是水平位移空間分布中的異常， 是蘆山MS7.0地震的前兆． 水平位移時(shí)空變化表明， 該站震前和震時(shí)位移完全符合里德的彈性回跳理論． 區(qū)域參考框架中位移時(shí)間系列和同震水平位移的綜合研究有助于對(duì)蘆山地震地殼運(yùn)動(dòng)前兆的認(rèn)識(shí)和解釋． 盡管本文未能直接采用其它GPS連續(xù)觀測(cè)站的資料， 但結(jié)合本文和其它研究結(jié)果可以證實(shí)， 震中附近其它站地震前后的變化與SCTQ站類似． 基于蘆山地震前水平位移和同震水平位移及其與前兆關(guān)系的研究， 本文進(jìn)一步討論了GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布設(shè)、 數(shù)據(jù)處理和分析等問(wèn)題．

GPS GNSS 同震水平位移 彈性位錯(cuò)模型 蘆山地震 地震前兆 地震預(yù)測(cè)

引言

2012年3月“中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)（二期）”（以下簡(jiǎn)稱網(wǎng)絡(luò)二期）建成． 該網(wǎng)絡(luò)仍以全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Stellite System, 簡(jiǎn)稱為GNSS）為主要觀測(cè)技術(shù)， 以地震預(yù)報(bào)為主要目的， 建成260個(gè)GNSS連續(xù)觀測(cè)站（包括一期的25個(gè)站）， 2000個(gè)不定期觀測(cè)的GNSS區(qū)域站． 240多個(gè)連續(xù)觀測(cè)站已從2010年7月開始進(jìn)行GPS觀測(cè)． 此外， 各地區(qū)根據(jù)不同目的， 也建有相當(dāng)多的GPS連續(xù)觀測(cè)站． 這些GPS觀測(cè)站為觀測(cè)研究大地震前后不同范圍的地殼運(yùn)動(dòng)， 探索不同震級(jí)地震前兆提供了豐富的觀測(cè)資料．

網(wǎng)絡(luò)二期GPS站連續(xù)觀測(cè)期間， 發(fā)生了2011年3月11日東日本MW9.0大地震和2013年4月20日我國(guó)四川蘆山MS7.0地震（30.3°N、 103.0°E）． 2008年汶川MS8.0地震后不久國(guó)內(nèi)外曾對(duì)龍門山斷裂帶南段， 包括蘆山及其周圍地區(qū)的地震危險(xiǎn)性進(jìn)行過(guò)預(yù)測(cè)． 為此， 中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所在汶川地震后不久在此地區(qū)布設(shè)了多個(gè)GPS連續(xù)觀測(cè)站． 四川省地震局在汶川地震前已布設(shè)了多個(gè)GPS連續(xù)觀測(cè)站． 據(jù)統(tǒng)計(jì)， 在離蘆山地震震中300 km內(nèi)有50個(gè)GPS連續(xù)觀測(cè)站、 200 km內(nèi)有34個(gè)站、 100 km內(nèi)有14個(gè)站、 50 km內(nèi)有8個(gè)站， 其中最近的站離蘆山地震震中僅17 km， 另一個(gè)站也不到18 km． 一個(gè)MS7.0地震前后在近震中四周有較長(zhǎng)時(shí)間、 如此密集的GPS連續(xù)觀測(cè)站進(jìn)行觀測(cè)， 實(shí)屬難得， 為研究這次地震提供了豐富的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)． 本文主要研究蘆山地震周圍GPS連續(xù)觀測(cè)站的水平位移結(jié)果， 得到了距離MS7.0地震震中較近GPS觀測(cè)站的震前位移和同震位移結(jié)果， 特別是同震水平位移結(jié)果． 然而， 除了網(wǎng)絡(luò)二期GPS站連續(xù)觀測(cè)站， 研究區(qū)域內(nèi)所有其它GPS連續(xù)觀測(cè)站的數(shù)據(jù)處理結(jié)果尚不能直接采用．

利用GPS觀測(cè)手段， 對(duì)蘆山MS7.0地震已有不少研究成果（武艷強(qiáng)等， 2013； Duetal， 2013； Tanetal， 2013； 牛安福等， 2013a； 金明培等， 2014； Jiangetal， 2014）， 其中包括與GPS觀測(cè)得到的同震水平位移非常一致的彈性位錯(cuò)模型結(jié)果， 也有涉及GPS觀測(cè)得到的前兆地殼運(yùn)動(dòng)． 問(wèn)題是， GPS是地震預(yù)測(cè)利器嗎？本文僅利用網(wǎng)絡(luò)二期部分GPS連續(xù)觀測(cè)站得到的蘆山地震同震水平位移時(shí)間序列， 分析和討論此次地震的前兆地殼運(yùn)動(dòng)， 為地震前兆探索提供新的證據(jù)和思考．

本文采用中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心提供的美國(guó)麻省理工學(xué)院等單位研制的GAMIT/GLOBK和董大南的QOCA數(shù)據(jù)處理軟件， 得到全球參考框架GPS觀測(cè)的每日解， 由此作進(jìn)一步處理和分析． 數(shù)據(jù)處理中采用網(wǎng)絡(luò)二期245個(gè)GPS連續(xù)觀測(cè)站和中國(guó)大陸周邊IGS（國(guó)際GNSS服務(wù)）全球網(wǎng)一些GPS連續(xù)觀測(cè)站的數(shù)據(jù)處理結(jié)果， 觀測(cè)時(shí)間為從2010年7月—2013年4月24日．

1 GPS數(shù)據(jù)處理

本文所說(shuō)的GPS數(shù)據(jù)處理， 是指對(duì)利用GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)處理得到的全球參考框架下的坐標(biāo)時(shí)間序列作進(jìn)一步的處理和分析． 首先涉及的問(wèn)題是參考框架（或稱為基準(zhǔn)）的選擇和變換．

大地測(cè)量中參考框架是建立坐標(biāo)系統(tǒng)的基本要素， 但任何參考框架都無(wú)法由自身確定其坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)， 而必須附加外部或內(nèi)部條件才能確定， 以適應(yīng)不同需要．

全球參考框架須符合牛頓定律描述的GPS衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的要求， 采用地固地心坐標(biāo)系統(tǒng)和維持此坐標(biāo)系統(tǒng)必需的地殼板塊運(yùn)動(dòng)模型， 選取全球分布的有良好線性運(yùn)動(dòng)的核心站（即框架站）． 此參考框架是GPS觀測(cè)精密數(shù)據(jù)處理所必需的， 是研究全球地殼板塊運(yùn)動(dòng)的依據(jù)， 也是通過(guò)相似變換獲取其它各種參考框架解的基礎(chǔ)． 由于站點(diǎn)的變化， 特別是站點(diǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化等原因， 全球參考框架核心站數(shù)量會(huì)因時(shí)而變． 自GPS觀測(cè)開始以來(lái)， 國(guó)際地球參考框架（international terrestrial reference frame， 簡(jiǎn)稱為ITRF）已推出過(guò)不同版本， 即使是所采用的IGS08參考框架也有第二個(gè)版本IGb08， 甚至是同一版本的參考框架， 其核心站的數(shù)量通常也會(huì)逐漸減少．

區(qū)域參考框架有賴于區(qū)域內(nèi)水平運(yùn)動(dòng)速率很低的穩(wěn)定核心站， 符合研究區(qū)域相對(duì)運(yùn)動(dòng)的要求． 為了區(qū)域大地測(cè)量和區(qū)域地殼相對(duì)運(yùn)動(dòng)研究的需要， 各地區(qū)采用區(qū)域參考框架， 如穩(wěn)定的北美參考框架（stable North American reference frame， 簡(jiǎn)稱為SNARF）（Blewitt， 2007）和歐洲參考框架（European reference frame， 簡(jiǎn)稱為EUREF）等． 在利用大量我國(guó)及其周邊地區(qū)GPS觀測(cè)結(jié)果研究中國(guó)大陸及周邊位移場(chǎng)時(shí)， 作者一直采用以中國(guó)大陸內(nèi)部， 且主要在中國(guó)大陸東部的穩(wěn)定站為核心站的區(qū)域參考框架， 得到了許多研究成果（Guetal， 2001， 2009， 2011； 顧國(guó)華等， 2004， 2009； 顧國(guó)華， 王武星， 2009, 2011）． 大量研究結(jié)果表明， 與全球參考框架不同的是， 區(qū)域參考框架核心站不僅水平位移速率低， 且可保持長(zhǎng)期不變， 位移時(shí)間序列噪聲水平低， 有更好的穩(wěn)定性， 其結(jié)果有利于區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)過(guò)程的分析和研究（Guetal， 2011）． 區(qū)域參考框架不僅有利于分析大地震前的地殼運(yùn)動(dòng)異常， 也有利于顯示同震水平位移是震前位移的彈性回跳， 易于證明大地震存在地殼運(yùn)動(dòng)前兆．

地震斷層破裂的彈性位錯(cuò)理論是研究同震形變（主要是位移）的理論模型． 彈性位錯(cuò)模型表明， 地震震級(jí)越大、 離震中越遠(yuǎn)處， 同震位移才接近于0（黃立人， 顧國(guó)華， 1982）． 因此， 對(duì)于震級(jí)越大的地震， 為獲取與彈性位錯(cuò)理論模型一致的位移場(chǎng)， 應(yīng)當(dāng)采用離震中更遠(yuǎn)的（多個(gè)）站作為觀測(cè)得到的同震位移的參考框架． 由于同震位移是斷層位錯(cuò)的結(jié)果， 因此， 本文將同震位移參考框架稱之為（斷層）位錯(cuò)參考框架． 這是一種以物理理論模型為依據(jù)、 利用觀測(cè)結(jié)果確定的參考框架， 是一種穩(wěn)定的參考框架， 是獲取同震位移的理想選擇． 而當(dāng)?shù)卣鹫鸺?jí)不太大時(shí)， 當(dāng)不同參考框架的核心站均遠(yuǎn)離震中時(shí)， 所得到的同震位移有可能十分一致. 這些參考框架相互通用， 都可視為位錯(cuò)參考框架．

在利用GPS觀測(cè)結(jié)果研究大地震， 甚至巨大地震的同震位移時(shí)， 以往幾乎所有的研究均直接采用全球參考框架的解． 由于全球參考框架的核心站在全球的分布較為分散， 相距較遠(yuǎn)， 離大地震震中一般也較遠(yuǎn)， 可將全球參考框架當(dāng)作位錯(cuò)參考框架， 且采用此方法計(jì)算最為簡(jiǎn)單． 由于同震位移是極短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的現(xiàn)象， 全球框架核心站緩慢的運(yùn)動(dòng)速率對(duì)獲得同震位移的影響非常小， 地震前后兩個(gè)時(shí)刻越接近， 此種影響越可忽略不計(jì)． 通常在GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)處理中， 會(huì)即時(shí)刪除靠近震中同震位移很大的核心站． 然而， 對(duì)全球參考框架的另一種影響是， 短時(shí)間快速急劇的地殼運(yùn)動(dòng)有可能明顯改變處于變形區(qū)內(nèi)的參考框架核心站的空間位置． 對(duì)于大地震， 特別是巨大地震， 同震水平位移對(duì)離震中相對(duì)較近的核心站的影響是否可以忽略， 也即全球參考框架， 甚至區(qū)域參考框架是否可作為位錯(cuò)參考框架， 必須作具體分析． 利用位錯(cuò)參考框架的位移場(chǎng)反演巨大地震彈性位錯(cuò)模型時(shí)， 由于此時(shí)遠(yuǎn)離震中的位移已與模型一致， 因此， 無(wú)須估計(jì)觀測(cè)得到的位移場(chǎng)相對(duì)于模型位移場(chǎng)的相似變換參數(shù)．

各種框架除其它特殊要求外， 均要求核心站有一定數(shù)量和質(zhì)量， 分布盡可能合理等． 根據(jù)自由網(wǎng)平差理論， 位移場(chǎng)在數(shù)學(xué)上是多解的， 同一時(shí)刻、 不同參考框架的位移解保持相似變換關(guān)系， 只要得到任何一種參考框架的解即可得到其它參考框架的解． 因此， 在利用位移反演形變模型時(shí)， 需估計(jì)不同參考框架的位移場(chǎng)相對(duì)于模型位移的相似變換參數(shù)， 由此得到一致的形變模型． 顯然， 由于區(qū)域參考框架、 全球參考框架與位錯(cuò)參考框架的同震位移都是自由網(wǎng)平差解， 在反演彈性位錯(cuò)模型時(shí)， 所得到的模型可完全一致． 傳統(tǒng)大地測(cè)量觀測(cè)技術(shù)制約了同震位移的觀測(cè)范圍， 常常只能采用小范圍內(nèi)的局部地區(qū)參考框架， 無(wú)法得到同震位移接近于0的位錯(cuò)參考框架核心站， 因此在模型反演， 如位錯(cuò)模型反演時(shí)， 必須采用模型參考框架（或模型基準(zhǔn)）（顧國(guó)華， 1990）， 在位錯(cuò)模型反演時(shí)即為位錯(cuò)模型參考框架， 將觀測(cè)位移場(chǎng)作相似變換， 使之與模型得到的數(shù)值位移在最小二乘意義上保持最佳擬合．

如何確定地殼運(yùn)動(dòng)位移場(chǎng)的參考框架是形變測(cè)量長(zhǎng)期爭(zhēng)論不休的問(wèn)題． 其原因是運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性， 數(shù)學(xué)上可有各種解． 源于古代人們的直覺(jué)和基于數(shù)學(xué)上不同的相對(duì)運(yùn)動(dòng)描述， 歷史上天文學(xué)中曾長(zhǎng)期存在關(guān)于行星運(yùn)動(dòng)的日心說(shuō)與地心說(shuō)的爭(zhēng)論． 此爭(zhēng)論由于牛頓力學(xué)物理解釋了行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律， 而最終確立了日心說(shuō)． 可見對(duì)于運(yùn)動(dòng)的描述最根本的選擇原則是物理原則或物理事實(shí)． 同樣， 應(yīng)根據(jù)物理原則， 合理確定測(cè)量平差得到的位移解．

與網(wǎng)絡(luò)一期25個(gè)GPS連續(xù)觀測(cè)站相比， 網(wǎng)絡(luò)二期觀測(cè)站數(shù)量顯著增多， 區(qū)域參考框架核心站的選擇余地更大. 本文所用核心站數(shù)增加至21個(gè)站（位于東部地區(qū)， 即104°E以東和27°N以北， 包括網(wǎng)絡(luò)一期時(shí)作者所用的5個(gè)核心站）， 分布更為合理． 如上所述， 區(qū)域參考框架核心站的增加有助于改善區(qū)域參考框架的穩(wěn)定性， 更有助于數(shù)據(jù)分析．

本文采用高精度的周解和區(qū)域參考框架研究蘆山地震的同震水平位移和位移時(shí)間序列， 探討此次地震同震水平位移的成因、 特點(diǎn)以及地殼運(yùn)動(dòng)前兆及其監(jiān)測(cè)． GPS觀測(cè)得到的周解水平位移分量精度已達(dá)1—2 mm， 垂直位移精度約為3 mm．

2 蘆山MS7.0地震同震水平位移

利用蘆山地震震中四周相當(dāng)密集的GPS連續(xù)觀測(cè)站的觀測(cè)結(jié)果， 武艷強(qiáng)等（2013）獲得了ITRF2005全球框架下此次地震豐富的同震位移， 特別是同震水平位移， 并利用ITRF2005 參考框架下的GPS 速度場(chǎng)扣除華南地塊的整體運(yùn)動(dòng)， 得到了此種區(qū)域參考框架的GPS 水平位移速度場(chǎng)．

由于本文采用的區(qū)域參考框架有利于獲得區(qū)域內(nèi)的地殼相對(duì)運(yùn)動(dòng)， 且其核心站遠(yuǎn)離蘆山地震震中， 采用此種參考框架既可獲取此次地震GPS連續(xù)觀測(cè)站符合彈性位錯(cuò)模型的同震水平位移， 又可獲得這些站的水平位移或水平位移時(shí)間序列． 圖1給出了蘆山地震同震水平位移（中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所， 2013）. 可以看出， 兩種框架解差別很小， 圖中同震水平位移小的站幾乎看不出差別， 而位移大的SCTQ站（天全站）是說(shuō)明兩種框架解一致性最明顯的例子． 這表明， 由于全球參考框架和本文采用的區(qū)域參考框架的核心站均遠(yuǎn)離蘆山地震震中， 且地震震級(jí)不算巨大， 因此對(duì)于蘆山地震， 兩種參考框架都可作為位錯(cuò)參考框架， 所得同震位移的結(jié)果一致． 同時(shí)也表明， 基于彈性位錯(cuò)模型推斷所得到的關(guān)于某些情況不同參考框架下同震位移解一致的結(jié)論是符合實(shí)際的． 造成圖中差別很小的原因主要是由于兩種框架解所取的地震前后時(shí)間不同造成的． 比較采用同一全球框架數(shù)據(jù)處理計(jì)算結(jié)果獲得的區(qū)域框架解， 可看出兩種參考框架得到的蘆山地震同震水平位移差別較圖1中的差別更?。?顯然， 圖1中武艷強(qiáng)等（2013）的全球框架同震位移也可當(dāng)作區(qū)域框架同震位移． 根據(jù)其同震水平位移結(jié)果， 表1給出了蘆山地震水平位移向量長(zhǎng)大于2 mm的一些GPS站的同震水平位移和垂直位移． 圖1中SCTQ站的同震水平位移達(dá)20.8 mm． 由于GPS觀測(cè)水平位移的精度約為1—2 mm， 表中給出大于2 mm的同震水平位移是GPS能觀測(cè)得到的． 垂直位移的觀測(cè)精度要低一些， 約3 mm左右． 表中也給出離震中很近但同震位移很小的LS02站的結(jié)果． 多數(shù)站的同震垂直位移小于同震水平位移， 變化更為復(fù)雜．

表1中GPS觀測(cè)站的同震水平位移隨震中距的衰減如圖2所示． 隨著震中距的增大， 同震水平位移迅速衰減. 當(dāng)震中距小于50 km時(shí)， 位移量大于10 mm； 當(dāng)震中距大于80 km時(shí)， 位移量已小于5 mm． 關(guān)于蘆山地震同震位移的詳細(xì)情況見武艷強(qiáng)等（2013）的文章．

圖1 蘆山MS7.0地震同震水平位移紅色表示本文區(qū)域框架解， 藍(lán)色表示武艷強(qiáng)等（2013）的全球框架解

表1 蘆山MS7.0地震周圍部分GPS站的同震水平位移和垂直位移位移（水平位移向量長(zhǎng)大于2 mm）
Table 1 Coseismic horizontal and vertical displacements detected at GPS stations around the LushanMS7.0 earthquake （The vector lengths of the horizontal displacements are larger than 2 mm）

GPS站L/mmLE/mmLN/mmLU/mmD/kmGPS站L/mmLE/mmLN/mmLU/mmD/kmLS0567．5-9．9-66．883．617．2LS034．8 2．1-4．3 5．6 80．8LS0730．024．1-17．8-4．631．9LS244．5-3．9-2．31．3303．5SCTQ21．1-9．8-18．75．833．8LS103．83．4-1．61．785．8LS0117．7-16．56．50．342．8SCXJ3．32．2-2．4-1．598．3QLAI11．6-11．60．8-4．930．0LS093．11．9-2．49．3130．4LS0611．1-8．5-7．116．317．8LESH2．8-2．70．80．3109．4LS0810．85．5-9．32．251．8RENS2．4-2．40．2-3．0106．7YAAN9．5-7．06．4-3．535．4SCJL2．0-1．8-0．85．6204．0LS048．7-7．15．00．557．9LS020．70．30．60．248．9

注：L為水平位移向量長(zhǎng)度，LE為水平位移東西向分量，LN為水平位移南北向分量，LU為垂直位移，D為GPS站到震中的距離.

圖2 蘆山MS7.0地震同震水平位移隨震中距的衰減

3 水平位移時(shí)間序列中蘆山地震同震水平位移與地殼運(yùn)動(dòng)前兆

以上討論和比較了GPS觀測(cè)站蘆山地震兩種框架解的同震水平位移的空間分布． 同震位移為研究震源機(jī)制提供了大地測(cè)量觀測(cè)結(jié)果． 然而， 更重要的是如何利用位移時(shí)間序列研究包括同震水平位移在內(nèi)的水平位移過(guò)程， 探索地震前兆及其監(jiān)測(cè)．

大地震同震位移獨(dú)具突然出現(xiàn)、 （幾乎）同步變化、 量值顯著、 不受地面沉降等干擾影響、 同源產(chǎn)生并有彈性位錯(cuò)理論模型等特點(diǎn)， 是公認(rèn)的大地震特有的地殼運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象， 是探索地震前兆地殼運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵． 同震位移也是評(píng)價(jià)GPS觀測(cè)精度的可靠資料． 2008年汶川MS8.0大地震和2011年?yáng)|日本MW9.0巨大地震的同震水平位移研究表明， 在區(qū)域參考框架中同震水平位移是震前水平位移過(guò)程的彈性回跳， 證明大地震前是有地殼運(yùn)動(dòng)前兆的（顧國(guó)華， 王武星， 2009; Gu, Wang, 2011）． 由于這兩次大地震前， GPS連續(xù)觀測(cè)站水平位移時(shí)間序列在穩(wěn)定背景下出現(xiàn)顯著變化或異常， 據(jù)此很容易判別同震水平位移是震前水平位移異常的彈性回跳． 對(duì)于緩慢的區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)研究而言， 由于全球參考框架的解包含區(qū)域的整體運(yùn)動(dòng)， 不利于區(qū)域地殼相對(duì)運(yùn)動(dòng)研究， 因此， 本研究依然基于區(qū)域參考框架的位移時(shí)間序列， 以便直接地反映區(qū)域內(nèi)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)．

除了上述的同震位移外， 本文著重以離蘆山地震震中33.8 km、 同震水平位移比較大的SCTQ站的GPS連續(xù)觀測(cè)結(jié)果為例加以分析． 圖3為區(qū)域參考框架下SCTQ站自開始觀測(cè)直至蘆山地震時(shí)的水平位移時(shí)間序列. 2012年6—9月中旬該站數(shù)據(jù)有中斷． 盡管該站有觀測(cè)中斷， 但參考其它站的長(zhǎng)期變化， 可以看出震前SCTQ站的水平位移無(wú)明顯變化． 據(jù)此時(shí)間序列， 無(wú)法用對(duì)汶川或東日本大地震的同震位移分析方法， 說(shuō)明該站的同震水平位移是震前水平位移過(guò)程的彈性回跳． 圖2中水平位移分量時(shí)間序列清楚表明， 在區(qū)域參考框架中SCTQ站自開始觀測(cè)以來(lái)一直僅有很小的水平位移， 表明蘆山地震震中區(qū)域震前處于閉鎖狀態(tài)． 由于區(qū)域參考框架核心站具有高度的穩(wěn)定性， 且整個(gè)中國(guó)大陸東部就是十分穩(wěn)定的區(qū)域， 這表明震前SCTQ站的閉鎖狀態(tài)是確實(shí)的． 關(guān)于震前震中區(qū)處于閉鎖狀態(tài)， 早就是地震學(xué)研究的結(jié)論． SCTQ站的變化是GPS連續(xù)觀測(cè)地殼運(yùn)動(dòng)資料得到的大地震震中區(qū)域處于閉鎖狀態(tài)最直接的觀測(cè)證據(jù)． 盡管本研究未能給出近震中其它GPS連續(xù)觀測(cè)站的水平位移時(shí)間序列， 但已有研究表明震前靠近震中的其它站的水平位移也處于閉鎖狀態(tài)（牛安福等， 2013a）．

圖3 SCTQ站區(qū)域參考框架解水平位移南北分量（左）和東西分量（右）的時(shí)間序列. 圖中包括蘆山

由于蘆山地震震級(jí)相對(duì)較小， 且區(qū)域參考框架核心站離震中足夠遠(yuǎn)， 非常有利于在同一區(qū)域參考框架下研究地震前水平位移和同震水平位移及其時(shí)間序列． 區(qū)域參考框架中蘆山地震前四川地區(qū)網(wǎng)絡(luò)二期GPS連續(xù)觀測(cè)站至臨震前累積的水平位移、 同震水平位移及包括同震水平位移在內(nèi)累積的水平位移如圖4所示． 圖中網(wǎng)絡(luò)二期的GPS連續(xù)觀測(cè)站已包括在圖1中．

圖4清楚地顯示， 蘆山地震位于南北向與北西向構(gòu)造運(yùn)動(dòng)帶的交匯處， 但主要受蘆山地震斷層西側(cè)南北向構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和北西向構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響． 圖4a顯示， SCTQ站震前處于閉鎖狀態(tài)， 而其南部和西北部的GPS站震前則保持顯著的正常構(gòu)造運(yùn)動(dòng)． 圖4b顯示該站的同震水平位移十分顯著， 達(dá)20.8 mm， 而其它站的同震水平位移均較小， 其中部分站的同震水平位移見表1． 圖4c顯示， SCTQ站同震水平位移恰好彌補(bǔ)了震前虧缺的正常構(gòu)造運(yùn)動(dòng)量， 使該站恢復(fù)到與其南面GPS站（如SCML， SCYX等站）一致的正常構(gòu)造運(yùn)動(dòng)水平， 南北分量最為一致．

圖4顯示的水平位移時(shí)空變化表明， SCTQ站同震水平位移也是一種形式的彈性回跳， 即從閉鎖狀態(tài)瞬間回復(fù)到正常構(gòu)造運(yùn)動(dòng)水平． 圖3中SCTQ站南北分量時(shí)間序列圖上的虛線表示該站與SCML、 SCYX等站一致的正常緩慢構(gòu)造運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)． 可見， 震前SCTQ站水平位移所反映的震中區(qū)閉鎖是蘆山地震前兆地殼運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)形式． 從圖4中可以看出地震斷層西側(cè)震前形變較為強(qiáng)烈， 位于地震斷層西側(cè)的該站震前和震時(shí)位移時(shí)空發(fā)展完全

圖4 四川地區(qū)蘆山MS7.0地震前2010年7月—2013年2月GPS連續(xù)觀測(cè)站累積的水平位移（a）、 同震水平位移（b）及2010年7月—2013年4月包括同震水平位移在內(nèi)累積的水平位移（c）

符合里德的彈性回跳模式． 盡管本文不能直接利用圖1中網(wǎng)絡(luò)二期外的GPS連續(xù)觀測(cè)站的數(shù)據(jù)處理結(jié)果， 但利用圖1中武艷強(qiáng)等（2013）的同震水平位移結(jié)果， 結(jié)合牛安福等（2013a, b）文中圖10的位移速率（采用與本文相同的區(qū)域參考框架）結(jié)果， 可以說(shuō)明其它站的同震位移也是彈性回跳. 其中與SCTQ站同在地震斷層西側(cè)的站的彈性回跳規(guī)律一致， 同樣說(shuō)明震前這些站的水平位移閉鎖是蘆山地震前兆． 盡管不能直接給出時(shí)間序列結(jié)果， 但由此間接結(jié)果表明， 同震水平位移大的LS05、 LS07和LS01等站（表1）的時(shí)間序列變化與SCTQ站相似． 地震斷層?xùn)|側(cè)的GPS站震前水平位移和同震水平位移變化比較復(fù)雜． 圖4a顯示， 蘆山地震震前斷層?xùn)|側(cè)受西側(cè)的擠壓是明顯的. 據(jù)此推斷， 同震水平位移理應(yīng)向西回跳， 但卻無(wú)法由已有的資料（牛安福等， 2013a）得以證明． 需要指出的是， 根據(jù)同震位移， 離震中最近的LS05站的回跳遠(yuǎn)超出（即大于）觀測(cè)期間正常的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)水平（對(duì)比圖1與圖4c）， 這與其它大地震（如東日本MW9.0大地震）近震中GPS站點(diǎn)的情況一致． LS02站離蘆山地震震中僅48.9 km， 但震前不在閉鎖區(qū)（牛安福等， 2013a）， 應(yīng)與其它不在閉鎖區(qū)的站一樣無(wú)明顯同震水平位移. 彈性位錯(cuò)模型反演結(jié)果與該觀測(cè)結(jié)果一致（Jiangetal， 2014）． 表1給出的結(jié)果不僅說(shuō)明蘆山地震同震水平位移比較復(fù)雜， 同時(shí)也說(shuō)明震前水平位移也是比較復(fù)雜的．

4 討論與結(jié)論

蘆山MS7.0地震震中周圍有密集的近場(chǎng)GPS連續(xù)觀測(cè)站， 且分布于不同部位， 對(duì)于研究大地震前后的地殼運(yùn)動(dòng)、 同震位移和震源機(jī)制， 特別是前兆地殼運(yùn)動(dòng)而言， 所得的GPS觀測(cè)結(jié)果十分有利． 本文利用網(wǎng)絡(luò)二期多個(gè)GPS連續(xù)觀測(cè)站觀測(cè)資料， 并參考其它多個(gè)GPS連續(xù)觀測(cè)站的同震水平位移結(jié)果， 得到了2013年4月20日蘆山MS7.0地震區(qū)域參考框架下震前四川地區(qū)的水平位移和同震水平位移． 綜合區(qū)域參考框架水平位移時(shí)間系列和同震水平位移， 有助于對(duì)蘆山地震地殼運(yùn)動(dòng)前兆的認(rèn)識(shí)和解釋．

對(duì)于蘆山地震， 由于區(qū)域框架和全球框架核心站均遠(yuǎn)離震中， 兩種框架下的同震水平位移解應(yīng)該一致（實(shí)際上也是一致的）， 因此兩種參考框架均可視為位錯(cuò)參考框架， 全球參考框架的同震位移也可為區(qū)域參考框架的同震位移． 除LS05站外， GPS觀測(cè)獲得的蘆山地震同震垂直位移不如水平位移顯著， 且垂直位移變化更為復(fù)雜．

蘆山地震的GPS連續(xù)觀測(cè)結(jié)果表明， 區(qū)域參考框架中同震水平位移在時(shí)空上也是震前水平位移的彈性回跳， 在震中附近其表現(xiàn)形式是水平位移從閉鎖迅速回復(fù)到正常構(gòu)造運(yùn)動(dòng)水平， 因而震前這些站的水平位移閉鎖是蘆山地震的前兆．

根據(jù)蘆山地震同震水平位移的空間分布， 可為GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布設(shè)提供一定的依據(jù)． 由于GPS觀測(cè)精度要求相當(dāng)高， 目前布設(shè)GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)最主要的問(wèn)題是站點(diǎn)的密度． 站點(diǎn)密度與不同震級(jí)大地震所能觀測(cè)到的前兆位移量級(jí)有關(guān)， 也即與同震位移量級(jí)有關(guān)， 同時(shí)也與構(gòu)造有關(guān)． 如上所述， 對(duì)于蘆山地震同震水平位移， 當(dāng)震中距小于50 km時(shí)， 位移量大于10 mm； 當(dāng)震中距大于80 km時(shí)， 位移量已小于5 mm． 彈性位錯(cuò)模型反演結(jié)果表明， 同震位移受構(gòu)造制約． 根據(jù)以往GPS觀測(cè)結(jié)果， 在利用位移時(shí)間序列作前兆分析時(shí)， 若考慮位移時(shí)間序列中的其它不確定因素， 則水平位移時(shí)間序列中累積（相對(duì)）位移5—10 mm時(shí)， 比較有可能判別異常． 此外， 須考慮異常分析的可靠性， 必須有較多的站（如至少有3個(gè)站）才能觀測(cè)到異常． 基于這些考慮， 對(duì)于監(jiān)測(cè)M7.0地震， GPS連續(xù)觀測(cè)站的間距最大不應(yīng)超過(guò)50 km， 間距在30 km左右時(shí)比較有利于獲取多個(gè)站點(diǎn)的異常． 站點(diǎn)越密集越有助于分辨震級(jí)相對(duì)小一點(diǎn)的地震的前兆．

盡管M7.0地震的地殼形變前兆范圍相對(duì)較小， 可在此相對(duì)較小范圍內(nèi)布設(shè)較為密集的GPS連續(xù)觀測(cè)站， 若采用穩(wěn)定的區(qū)域參考框架， 仍需要較大范圍的GPS連續(xù)觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理． 在GPS連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析中不僅要考慮各觀測(cè)站的時(shí)間異常， 同時(shí)必須分析觀測(cè)結(jié)果的空間異常， 特別是在運(yùn)動(dòng)背景下的位移閉鎖區(qū)．

M7.0左右地震的發(fā)生頻率相對(duì)較高， 到目前為止蘆山地震的GPS觀測(cè)資料是最為豐富的， 積極開展研究意義重大． 由于無(wú)法直接采用其它GPS連續(xù)觀測(cè)站（如同震水平位移大的LS05， LS07和LS01等站）的資料， 本文無(wú)法提供更為翔實(shí)的研究結(jié)果， 如無(wú)法得到多站的位移時(shí)間序列以及作應(yīng)變分析等．

迄今為止的地震預(yù)測(cè)探索表明， 地殼形變依然是地震預(yù)報(bào)中最值得重視的主要學(xué)科， GPS是最具優(yōu)勢(shì)的地殼形變觀測(cè)技術(shù)， 是至今最適合地震預(yù)測(cè)的觀測(cè)技術(shù)之一（顧國(guó)華， 2012； Gu， Wang， 2013）． 本文的研究再次說(shuō)明： GPS觀測(cè)獲得大地震的同震位移場(chǎng)有利于大地震發(fā)生機(jī)理的研究， 有利于大地震的地殼形變前兆研究； 利用蘆山地震同震位移可進(jìn)行彈性位錯(cuò)模型反演， 并能獲得很好的結(jié)果. 因而再次表明， 利用彈性位錯(cuò)模型有助于研究地震的形變前兆．

震中近場(chǎng)GPS觀測(cè)對(duì)于探索其它類型的形變前兆， 特別是短臨前兆必不可少（顧國(guó)華等， 2011）． 蘆山MS7.0地震表明， 中國(guó)大陸大范圍的GPS觀測(cè)可覆蓋包括內(nèi)陸地震震中在內(nèi)的廣大區(qū)域， 有利于監(jiān)測(cè)大地震的時(shí)空孕育過(guò)程．

本項(xiàng)目采用中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)中心提供的網(wǎng)絡(luò)GPS連續(xù)觀測(cè)站數(shù)據(jù)處理結(jié)果． 本文使用GMT軟件繪圖．

顧國(guó)華. 1990. 形變監(jiān)測(cè)網(wǎng)的基準(zhǔn)與形變模型反演[J]. 地殼形變與地震, 10（1）: 21--29.

Gu G H. 1990. Datum definition in geodynamic network and inversion of deformation models[J].CrustalDeformationandEarthquake, 10（1）: 21--29 （in Chinese）.

顧國(guó)華， 申旭輝， 王敏， 鄭貴明， 方穎， 李鵬. 2001. 中國(guó)大陸現(xiàn)今地殼水平運(yùn)動(dòng)基本特征[J]. 地震學(xué)報(bào)，23（4）： 352--369.

Gu G H, Shen X H, Wang M, Zhen G M, Fang Y, Li P. 2001. General characteristics of the recent horizontal crustal movement in Chinese mainland [J].ActaSeismologicaSinica, 14（4）: 384--393.

顧國(guó)華, 符養(yǎng), 王武星. 2004. 1999—2001年中國(guó)大陸現(xiàn)今地殼水平運(yùn)動(dòng)[J]. 地震學(xué)報(bào), 26（增刊）: 50--57.

Gu G H, Fu Y, Wang W X. 2004. Horizontal crustal movement in Chinese mainland from 1999 to 2001 [J].ActaSeismologicaSinica, 26（Suppl.）: 50--57.

顧國(guó)華, 王武星. 2009. GPS測(cè)得的汶川大地震同震位移[J]. 地震, 29（1）: 92--99.

Gu G H, Wang W X. 2009. Coseismic displacements of the 2008 WenchuanM8.0 earthquake observed by GPS[J].Earthquake, 29（1）: 92--99 （in Chinese）.

顧國(guó)華, 王武星, 孟國(guó)杰, 徐岳仁. 2009. GPS 測(cè)得的汶川大地震前后的地殼運(yùn)動(dòng)[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)： 信息科學(xué)版, 34（11）: 1336--1339.

Gu G H, Wang W X, Meng G J, Xu Y R. 2009. Crustal movements before and after the Wenchuan earthquake as detected by GPS observations[J].GeomaticsandInformationScienceofWuhanUniversity, 34（11）: 1336--1339 （in Chinese）.

顧國(guó)華, 王武星. 2011. 區(qū)域網(wǎng)GPS觀測(cè)得到的汶川大地震前后的地殼垂直運(yùn)動(dòng)[J]. 地震, 31（3）: 1--8.

Gu G H, Wang W X. 2011. Vertical crustal movement before and after the great Wenchuan earthquake obtained from GPS observations in the regional network[J].Earthquake, 31（3）: 1--8 （in Chinese）.

顧國(guó)華, 孟國(guó)杰, 方穎. 2011. 汶川大地震前后GPS觀測(cè)的精密單歷元解得到的震區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)[J]. 地震學(xué)報(bào), 33（3）: 319--326.

Gu G H, Meng G J, Fang Y. 2011. Crustal movement in the earthquake area before and after 2008 Wenchuan earthquake as detected by precise single epoch positioning of GPS observations [J].ActaSeismologicaSinica, 33（3）: 319--326 （in Chinese）.

顧國(guó)華. 2012. GPS： 地震預(yù)測(cè)利器[G]∥科學(xué)與中國(guó)（第4卷）. 北京: 北京大學(xué)出版社: 163--184.

Gu G H. 2012. GPS： Useful technique for earthquake prediction[G]∥ScienceinChina（Vol.4）. Beijing: Peking University Press: 163--184 （in Chinese）.

黃立人, 顧國(guó)華. 1982. 靜力位錯(cuò)理論[M]. 北京: 地震出版社: 111--177.

Huan L R, Gu G H. 1982.TheoryofStaticDislocation[M]. Beijing: Seismological Press: 111--177 （in Chinese）.

金明培, 汪榮江, 屠泓為. 2014. 蘆山7級(jí)地震的同震位移估計(jì)和震源滑動(dòng)模型反演嘗試[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 57（1）: 129--137.

Jin M P, Wang R J, Tu H W. 2014. Slip model and co-seismic displacement field derived from near-source strong motion records of the LushanMS7.0 earthquake on 20 April 2013[J].ChineseJournalofGeophysics, 57（1）: 129--137. doi: 10.6038/cjg20140112 （in Chinese）.

牛安福, 顧國(guó)華, 曹景鵬, 張凌空, 閆偉, 趙靜, 吉平. 2013a. 蘆山MS7. 0地震前遠(yuǎn)、 近場(chǎng)形變時(shí)空演化特征研究[J]. 地震學(xué)報(bào), 35（5）: 670--680.

Niu A F, Gu G H, Cao J P, Zhang L K, Yan W, Zhao J, Ji P. 2013a. On the preseismic deformation changes prior to the LushanMS7.0 earthquake[J].ActaSeismologicaSinica, 35（5）: 670--680 （in Chinese）.

牛安福, 張凌空, 李媛, 閆偉, 趙靜, 吉平. 2013b. 蘆山MS7.0級(jí)地震前的形變空區(qū)特征研究[J]. 震災(zāi)防御技術(shù), 8（4）: 341--350.

Niu A F, Zhang L K, Li Y, Yan W, Zhao J, Ji P. 2013b. On the weak deformation area prior to the LushanMS7.0 earthquake[J].TechnologyforEarthquakeDisasterPrevention, 8（4）: 341--350 （in Chinese）.

武艷強(qiáng), 江在森, 王敏, 車時(shí), 廖華, 李強(qiáng), 李鵬, 楊永林, 向和平, 邵志剛, 王武星, 魏文薪, 劉曉霞. 2013. GPS 監(jiān)測(cè)的蘆山7.0 級(jí)地震前應(yīng)變積累及同震位移場(chǎng)初步結(jié)果[J]. 科學(xué)通報(bào), 58（20）: 1910--1916.

Wu Y Q, Jiang Z S, Wang M, Che S, Liao H, Li Q, Li P, Yang Y L, Xiang H P, Shao Z G, Wang W X, Wei W X, Liu X X. 2013. Preliminary results pertaining to coseismic displacement and preseismic strain accumulation of the LushanMS7.0 earthquake, as reflected by the GPS surveying[J].ChineseScienceBulletin, 58（28/29）: 3460--3466. doi: 10.1007/s11434-013-5998-5.

中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所. 2013. GPS連續(xù)站測(cè)定的蘆山“4·20”MS7.0地震同震位移場(chǎng)數(shù)據(jù)公開[EB/OL]. [2013-11-27]. http:∥www.seis.ac.cn/manage/html/8a9080a125b29b1b0125b2a3093a0002/kydt/index_3.html.

Institute of Earthquake Science， China Earthquake Administration. 2013. Open release of the data of the coseismic displacement field of theMS7.0 Lushan earthquake on April 20, 2013, as detected at stations of continuous GPS observations[EB/OL]. [2013-11-27]. http:∥www.seis.ac.cn/manage/html/8a9080a125b29b1b0125b2a3093a0002/kydt/index_3.html （in Chinese）.

Blewitt G. 2008. Overview of the SNARF Working Group, its activities, and accomplishments[C]∥8thSNARFWorkshopAGUFallMeeting. San Francisco, December 11, 2008.

Du Y J, Wang Z M, Yang S J, An J C, Liu Q, Che G W. 2013. Co-seismic deformation derived from GPS observations during April 20th, 2013 Lushan earthquake, Sichuan, China[J].EarthquakeScience, 26（3/4）: 153--160.

Gu G H, Wang W, Xu Y R, Li W J. 2009. Horizontal crustal movement before the great Wenchuan earthquake obtained from GPS observations in the regional network[J].EarthquakeScience, 22（5）: 471--478.

Gu G H, Meng G J, Wang W X. 2011. Anomalous crustal movements before great Wenchuan earthquake observed by GPS[J].GeodGeodyn, 2（2）: 13--22.

Gu G H, Wang W X. 2011. Far-field crustal movements before and after the 2011MS9.0 Japan earthquake from GPS observations[J].GeodGeodyn, 2（3）: 1--7.

Gu G H, Wang W X. 2013. Advantages of GNSS in monitoring crustal deformation for detection of precursors to strong earthquakes[J].Positioning, 4（1）: 11--19. doi: 10.4236/pos.2013.41003.

Jiang Z S, Min W, Wang Y Z, Wu Y Q, Che S, Shen Z K, Bürgmann R, Sun J B, Yang Y L, Liao H, Li Q. 2014. GPS constrained coseismic source and slip distribution of the 2013MW6.6 Lushan, China, earthquake and its tectonic implications[J].GeophysResLett, 41（2）: 407--413. doi: 10.1002/2013GL058812.

Tan H B, Shen C Y, Wei J, Zhao B, Wang J, Xuan S B. 2013. Simulation of coseismic effects of theMS7.0 Lushan earthquake[J].GeodGeodyn, 4（3）: 12--18.

Preseismic and coseismic horizontal crustal movements of the 2013MS7.0 Lushan earthquake in Sichuan

1）InstituteofEarthquakeScience,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100036,China2）FirstMonitoringCenter，ChinaEarthquakeAdministration,Tianjin300180,China

In this paper the coseismic horizontal displacements of theMS7.0 Lushan earthquake on April 20， 2013 in Sichuan, China are obtained in the global and regional reference frames from continuous GPS observations at some stations in the Crustal Movement Observation Network of China （CMONOC） and other stations. Comparison of the two sets of solutions for the coseismic horizontal displacements shows that they are in good agreement and both of the reference frames can be taken as the dislocation reference frame for the coseismic horizontal displacements of this event. So the coseismic horizontal displacements in the global reference frame can be used as coseismic horizontal displacements in the regional reference frame. The relationship between the coseismic horizontal displacements and the preseismic horizontal displacements can be analyzed reasonably with the results in the regional reference frame so as to study the crustal movements precursory to this event. Time series of preseismic displacements and the coseismic displacements in the regional reference frame at continuous GPS observation stations show that the tectonic horizontal crustal movements were quite significant at some stations west to the station SCTQ near epicenter of the Lushan earthquake, while this station showed abnormal locking in the horizontal movement. The coseismic horizontal displacements at the station SCTQ and other stations were elastic rebound to their normal horizontal tectonic movements. Therefore the locked horizontal displacements at these stations were anomalous in the spatial distribution of the horizontal displacements at the GPS stations and were precursors to the earthquake. The horizontal displacement change in time and space show that the preseismic and coseismic displacements at the station SCTQ are in good agreement with Reid’s elastic rebound model. The combined studies on time series of the horizontal displacements and the coseismic horizontal displacements in the regional reference frame are important for the reasonable explanation on the crustal movements precursory to the earthquake. Though the data used in this study are limited, combination of the results in this paper with other papers suggests that the result obtained from data at the station SCTQ can be verified by the data at other GPS stations. Based on the studies on the preseismic and coeseismic horizontal displacements, some problems in the GPS monitoring networks and the data processing and analyses are discussed.

GPS; GNSS; coseismic horizontal displacement; elastic dislocation model; Lushan earthquake; earthquake precursor; earthquake prediction

10.11939/jass.2015.01.005.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41274098）、 中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（2013IES0407）和中國(guó)地震局老專家科研基金課題共同資助.

2014-05-23收到初稿， 2014-07-24決定采用修改稿.

e-mail: ggh@seis.ac.cn

10.11939/jass.2015.01.005

P315.72+5

A

顧國(guó)華， 王武星， 占偉， 梁洪寶， 朱爽. 2015. 蘆山MS7.0地震前水平位移和同震水平位移研究. 地震學(xué)報(bào), 37（1）: 53--64.

Gu G H, Wang W X, Zhan W, Liang H B, Zhu S. 2015. Preseismic and coseismic horizontal crustal movements of the 2013MS7.0 Lushan earthquake in Sichuan.ActaSeismologicaSinica, 37（1）: 53--64. doi:10.11939/jass.2015.01.005.