大地震監(jiān)測預(yù)報現(xiàn)“曙光”

謝酬 邵蕓

中國是世界上地震災(zāi)害較多的國家之一。千百年來，人類一直想要攻克大地震監(jiān)測預(yù)報的難題。

目前，國際上監(jiān)測地震前后地殼形變最先進(jìn)的技術(shù)，就是星載干涉雷達(dá)技術(shù)。此技術(shù)能精確俘獲地震、火山、地面沉降、山體滑坡等災(zāi)難前后的地表形變信息，為監(jiān)測和預(yù)報提供技術(shù)支撐。

星載干涉雷達(dá)技術(shù)能及時俘獲震前形變場的前兆信息，使科學(xué)家能據(jù)此預(yù)測地震，因此它有望成為未來地震監(jiān)測預(yù)報的“曙光”。

地表形變監(jiān)測“新星”

2015年尼泊爾發(fā)生了8.1級大地震。震后各國科學(xué)家紛紛對地震造成的地殼變形等情況進(jìn)行了細(xì)致科學(xué)的研究?？茖W(xué)家們清楚，研究這些地震前后地殼形變的信息，對今后的大地震監(jiān)測和預(yù)報非常重要。

早在20世紀(jì)90年代，星載干涉雷達(dá)技術(shù)就已開始用于地震形變的監(jiān)測。近年，全球大地震都是采用此技術(shù)監(jiān)測地表變形，這對災(zāi)情分析的作用顯著。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，星載干涉雷達(dá)技術(shù)能用于地震、火山運動、地面沉降、山體滑坡、冰川運動等地表形變的監(jiān)測，為此類災(zāi)害預(yù)報提供及時準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)服務(wù)，其未來在地質(zhì)、自然災(zāi)害領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

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星載干涉雷達(dá)技術(shù) 英文名稱D-InSAR（Differential Intereferometric Synthetic Aperture Radar），即“星載合成孔徑雷達(dá)差分干涉測量技術(shù)”。它能全天時、全天候地透過地表植被獲取地殼表面信息，是目前最先進(jìn)的監(jiān)測地表形變的技術(shù)。它利用兩次獲取的覆蓋同一區(qū)域的合成孔徑雷達(dá)回波圖像，根據(jù)兩次成像時傳感器、地面目標(biāo)點的空間幾何關(guān)系，能獲取地表形變的信息。

D-InSAR的“閃光點”

在大的自然災(zāi)害預(yù)測面前，時間往往就是生命。星載干涉雷達(dá)技術(shù)的“閃光點”，無疑是能為災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報贏得更多的避險時間。

D-InSAR是全天候、全天時的，能瞬時獲取數(shù)萬平方千米高分辨率的地面形變圖，具有空間連續(xù)覆蓋的巨大優(yōu)勢。它具有高程的變化敏感度高、觀測穩(wěn)定性好、動態(tài)性強、精度高、無需建立地面觀測站等特點。

近年來，科學(xué)家在差分干涉測量技術(shù)的基礎(chǔ)上，還發(fā)展了永久散射體技術(shù)。它的出現(xiàn)標(biāo)志著空間遙感成像已從三維信息獲取進(jìn)入四維（空間三維+時間維）信息獲取的新階段。

震災(zāi)分析是“重頭戲”

1992年美國加州蘭德斯（Landers）發(fā)生了里氏7.3級地震，迪·馬森耐特（Didier Massonnet）等人首次用星載干涉雷達(dá)技術(shù)獲取了地震的同震形變場。此后，該技術(shù)便在地震形變研究中廣泛應(yīng)用。

星載干涉雷達(dá)技術(shù)，目前重點用于分析中強以上地震的同震形變場。如2008年的汶川地震、2010年的玉樹地震、2012年的蘆山地震以及2015年的尼泊爾地震等，國內(nèi)外的地質(zhì)學(xué)家利用星載干涉雷達(dá)技術(shù)都對地震的成因以及地震造成的地表破壞等進(jìn)行了深入研究。

其中，2008年5月12日汶川8.1級地震是繼1976年唐山大地震后發(fā)生在人口稠密地區(qū)的一次重大地震事件，對四川災(zāi)區(qū)造成了難以彌補的損失。震后全球科學(xué)家動用各種手段對其進(jìn)行了分析。

科學(xué)家利用星載干涉雷達(dá)技術(shù)，分析了汶川地震的破壞范圍和地面破壞程度。分析顯示，斷裂帶沿東北走向，長約250千米，斷裂帶兩側(cè)地面形變超過1.2米的區(qū)域非常大。斷裂帶兩側(cè)形變的方向不一致，東南側(cè)以抬升為主，西北側(cè)以沉降為主，這些都與地質(zhì)調(diào)查的結(jié)果吻合。

此外，例如美國加州大學(xué)的Eric Lindsey利用獲取于2015年2月22日與2015年5月3日的星載雷達(dá)成像數(shù)據(jù)，分析了此次尼泊爾地震的破壞范圍和地面破壞程度。

結(jié)果表明，此次地面形變超過0.2米的區(qū)域非常大，東西向長約150千米，南北向長約100千米。在斷裂帶兩側(cè)形變的方向不一致，南側(cè)以抬升為主，北側(cè)以沉降為主。最大的地面抬升發(fā)生在加德滿都東北方向20千米處，在加德滿都的形變抬升量超過了1米，同時還有0.3米的朝西運動。這些分析結(jié)果都與后期的實地勘測結(jié)果基本吻合。

其實，2015年的尼泊爾地震、2012年的蘆山地震、2009年的玉樹地震、2008年的汶川地震都是印度板塊和歐亞板塊碰撞擠壓的結(jié)果。因此，板塊運動過程中的相互作用，是引起這些地震的重要原因。

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SAR（Synthetic Aperture Radar） 即合成孔徑雷達(dá)。它是一種高分辨率成像雷達(dá)，能在能見度極低的氣象條件下，得到類似光學(xué)照相的高分辨雷達(dá)圖像。

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火山會“呼吸” 科學(xué)家利用永久散射性技術(shù)對意大利埃特納火山（Enta）進(jìn)行監(jiān)測，獲取了該火山區(qū)域長時間序列的形變圖像，當(dāng)這些數(shù)據(jù)被做成動畫時，科學(xué)家驚奇地發(fā)現(xiàn)，火山由于地球引力以及熔漿擠壓的作用，它在交替的膨脹或緊縮，就像人的“呼吸”運動。

雷達(dá)衛(wèi)星兩次對意大利埃特納火山（Enta）成像，由于地球引力以及熔漿擠壓會造成火山表面的抬升或者沉降，通過干涉處理能夠得到火山區(qū)域的干涉條紋圖，“紅-綠-藍(lán)”的顏色交替變化對應(yīng)于火山形變量的變化。

玉樹地震“顯身手”

2010年4月14日青海玉樹發(fā)生7.1級地震后。我們利用震前和震后獲取的日本ALOS衛(wèi)星的遙感數(shù)據(jù)，開展了地震同震形變分析。

據(jù)此，我們做出了“玉樹地震解譯結(jié)果圖”。從圖中可見，震中與結(jié)古鎮(zhèn)有一條被噪聲覆蓋的條帶，該條帶對應(yīng)于玉樹地震中地表破壞最為嚴(yán)重的區(qū)域。結(jié)古鎮(zhèn)在條帶內(nèi)說明它的城區(qū)破壞程度相當(dāng)劇烈。

此外，分析顯示距離“甘孜-玉樹”斷裂帶越近，形變量越大，斷裂帶東北側(cè)地表形變較大，而西南側(cè)的地表形變量較小。玉樹地震南側(cè)向西運動，而北側(cè)向東運動，星載干涉雷達(dá)監(jiān)測的最大形變發(fā)生在斷裂帶上北緯33°04’，東經(jīng)96°49’處（接近于結(jié)古鎮(zhèn)所在位置），監(jiān)測到的雷達(dá)視向上的最大形變量達(dá)到35厘米。

后期發(fā)現(xiàn)，這一干涉測量結(jié)果與震后野外調(diào)查隆起形變的結(jié)論相符，且與地面調(diào)查的最大形變中心基本一致。

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同震形變監(jiān)測 地表形變是發(fā)生地震最直接的表觀現(xiàn)象。大地震通常會造成嚴(yán)重的地表破裂、變形和位移。因此利用震前、震后SAR數(shù)據(jù)，根據(jù)差分干涉技術(shù)可以獲取連續(xù)覆蓋的地表變形空間信息，有助于地質(zhì)學(xué)家確定發(fā)震斷層模型及其參數(shù)。

地震預(yù)報的“曙光”

地震的孕育和發(fā)生是地應(yīng)力長期積累，巖層突然失穩(wěn)而迅速釋放能量的結(jié)果。雖然目前的科技水平尚無法預(yù)測地震，未來很長一段時間內(nèi)地震也是無法預(yù)測的，但預(yù)測的“曙光”定會因科技進(jìn)步而降臨。

許多震例表明，在地震發(fā)生前1～3年，孕震區(qū)形變場有加速變形的過程，形變量級可達(dá)每年幾十毫米。

利用星載干涉雷達(dá)技術(shù)，完全可以獲取震前干涉形變場演化的特征。通過分析地震前地表形變場的變化特征，能為地震監(jiān)測預(yù)報提供一定的科學(xué)基礎(chǔ)。因此，此項技術(shù)有望成為大地震預(yù)測的“曙光”。

1997年11月8日西藏自治區(qū)那曲地區(qū)瑪尼鄉(xiāng)北約150千米處（35.2°N，87.3°E）發(fā)生了里氏7.9級強烈地震。該地震發(fā)生在瑪爾蓋茶卡斷層附近，該區(qū)域已屢次發(fā)生6級以上強震。科學(xué)家選用瑪尼地震前后不同時段的多景歐空局ERS-1/2 SAR的圖像，利用星載干涉雷達(dá)技術(shù)獲取了該區(qū)域的震前干涉變形場圖像。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在震前10個月孕震區(qū)地表形變場中，就開始出現(xiàn)了與發(fā)震斷層性質(zhì)一致的變化趨勢。震前兩個半月，斷層北側(cè)形變加大，且干涉條紋開始平行于發(fā)震斷層。這種干涉條紋分布特征顯示出短期形變場前兆異常信息，此發(fā)現(xiàn)為我們認(rèn)識地震前兆形變場奠定了基礎(chǔ)。

后續(xù)，科學(xué)家在對汶川地震的發(fā)震斷層形變研究中，發(fā)現(xiàn)震前的垂直變形可能是其主要變形特征。這種震前垂直形變場的發(fā)現(xiàn)，可能為未來的地震監(jiān)測預(yù)報提供科學(xué)依據(jù)。

因此，對地震地質(zhì)、地震活動性、地震前兆環(huán)境因素異常的研究以及對地震前兆信息的監(jiān)測，將成為未來地震預(yù)報的重要依據(jù)。

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地震前兆 地震發(fā)生前出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象。巖體在地應(yīng)力作用下，在應(yīng)力應(yīng)變逐漸積累、加強的過程中，會引起震源及附近物質(zhì)發(fā)生如地震活動、地表明顯變化及地磁、地電、重力等地球物理異常，還會引起地下水位、水化學(xué)、動物的異常行為等。

中國幅員遼闊、自然條件復(fù)雜，地面形變臺的覆蓋范圍和觀測能力非常有限，而星載干涉雷達(dá)測量技術(shù)將不受這些因素的限制。

目前通過對瑪尼地震、汶川地震等案例的研究?？茖W(xué)家認(rèn)識到利用星載干涉雷達(dá)技術(shù)，可以俘獲到震前形變場的前兆信息。這表明該項新技術(shù)在強震監(jiān)測、預(yù)報方面將有巨大的應(yīng)用潛力。