地殼形變觀測

于克達(dá)

【摘要】地殼內(nèi)一定的能量積累成核時，在其接近破裂之前會在某些特殊部位發(fā)生形變的劇烈變化，這就是說地殼形變與地震是地殼構(gòu)造運動的結(jié)果，它們之間存在這密切的關(guān)系。本文通過地震現(xiàn)象的研究，對地殼形變觀測的發(fā)展做了簡單的介紹，并闡述了地殼形變觀測在科學(xué)研究中的作用，為發(fā)展新的觀測手段，以增強地殼形變?yōu)暮Φ谋O(jiān)測預(yù)警能力提供理論基礎(chǔ)。

低應(yīng)變、地傾斜斜等定點形變測量指標(biāo)能直接反映地殼介質(zhì)的微動態(tài)變化，捕捉到地殼介質(zhì)破裂前的力學(xué)變化信息，出現(xiàn)明顯的地殼形變，必然要在較大范圍內(nèi)引起地殼內(nèi)部物理與化學(xué)性質(zhì)的變化，特別是地殼應(yīng)力狀態(tài)的變化，并可能最終導(dǎo)致局部地殼巖體破壞，發(fā)生地震。我們?nèi)祟愘囈陨娴牡厍?，不時地發(fā)生地震現(xiàn)象，了解地震的本質(zhì)，也是科學(xué)地認(rèn)識地球構(gòu)造和地殼形變的一種重要知識來源。我國是世界上震害最重的國家之一，提高地震預(yù)測預(yù)報水平是國家和社會公眾的迫切需求，近年來，研究表明臨近地震前在近震源區(qū)地殼形變可能觀測到個別的異常，在遠(yuǎn)離震源的區(qū)域上可觀測到更多，更顯著的地殼異常變化。地震必然伴隨著地殼形變現(xiàn)象，但地殼與地震之間的相關(guān)性判別直接影響著研究結(jié)果的科學(xué)性，通過我國和其他國家的觀測和地震工作者多年的探索，已有了較為深入的研究。

一、地殼形變觀測的發(fā)展

地球內(nèi)部的力量使巖石逐漸發(fā)生不引人注目的形變，便是俗稱意義上的地殼形變，這種變化通過儀器測量觀察到，如用激光測量地表標(biāo)志之間的距離變化，也可用水準(zhǔn)儀測量地面固定點之間的高差變化等。在構(gòu)造活動區(qū)內(nèi)，通過對地震活動斷層的形變測量，可以為預(yù)測地震提供重要依據(jù)。

日本是研究地殼形變與地震關(guān)系最早的國家，從1883-1906年對覆蓋日本列島的一等三角測量網(wǎng)進行第一期地殼水平形變觀測，后進行了一系列地殼形變的觀測，包括地殼垂直形變觀測，且建立了地殼形變的連續(xù)觀測方法。美國費城重視地殼形變與地震之間的聯(lián)系，自1851-1860年，便開始觀測斷層的水平運動，1906年開始對基線進行了復(fù)測，證實斷層兩次相對位移增大很快，1907年的復(fù)測將原基線錯開約6m。我國地殼形變的觀察開始與1962年，為研究和檢測庫區(qū)地殼運動，建立了一個高精度的檢測網(wǎng)，1910年2001年，許才軍等利用了地震資料和GPS聯(lián)合反演了中國大陸地殼應(yīng)變等，并結(jié)合了地殼形變狀態(tài)及構(gòu)造背景，進行了地震危險區(qū)域的分析。后進一步對地殼形變觀測的影響因素進行了研究，大氣壓強波動引起氣體通過地表上下運移，宏觀上造成地面負(fù)荷的增減變化，微觀上造成巖體孔隙壓力的變化，從而影響地殼形變觀測值，來自大氣層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定或外來振蕩的激發(fā)而造成的聲重力波浮力振蕩也可引起觀測值的改變，此外，與許多外界條件和初始條件有關(guān)，包括土層的膨脹和變形以及降雨量的大小和持續(xù)時間，還與地形地貌、地下徑流、滲透率、孔隙率以及初始含水量有密切的關(guān)系。隨著研究的深入，我國在觀測條件、觀測數(shù)據(jù)處理方面取得了重大成就，使我國在地殼形變觀測領(lǐng)域進入了國際先進水平的行列。

二、地殼形變觀測在科學(xué)研究中的作用

由全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）發(fā)展而來的地殼運動觀測技術(shù)，已成功地用于中國大陸幾個地震區(qū)的檢測之中，據(jù)此可以獲得大陸地塊的相對運動速率，并獲得大范圍的地殼形變運動圖像。此外還有大面積水準(zhǔn)、斷層形變和地傾斜、重力、洞體應(yīng)變與鉆孔應(yīng)變等觀測，深入研究地震機制、震源物理，對充分掌握地殼形變規(guī)律的規(guī)律和特征有著重要的意義。

1.用地殼形變連續(xù)觀測的方法以補充傳統(tǒng)大地測量方法的觀測精度和復(fù)測周期等方面的不足，從而讓獲得了高精度的地殼傾斜、應(yīng)變的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，此外連續(xù)的測量方法進行的重復(fù)觀測，為中、長期地震預(yù)測提供依據(jù)。通過長期的觀測和研究，逐步建立了方法、理論、特點和相關(guān)的儀器，采用改進的有序聚類分析法圖時間序列的趨勢轉(zhuǎn)折點具有明確的統(tǒng)計意義，可減少人為判斷的主觀和任意性。

2.應(yīng)用地殼形變連續(xù)觀測方法觀測地震前后地殼形變的特征，為研究震源機制建立理論模型等提供了外部約束，此外，觀測到了地殼的短期變化，通過斷中所揭示的破裂擴展過程或成核過程，其引起的應(yīng)補償變化主要分布在裂紋在地表的投影機沿拓展方向在地表的投影區(qū)域附件，通過檢測地震成核過程，得到的固體潮、地脈動、地傾斜現(xiàn)象和應(yīng)變階躍，為其他學(xué)科服務(wù)。

3.地震發(fā)生后，我們通常尋找震源附件地震前幾年的異常變化，建立臺站型的連續(xù)觀測方法，以監(jiān)測幾天至幾秒為周期的地震地殼形變的前兆，從地球物理場的角度觀測震源狀態(tài)，探索孕震區(qū)物理的地質(zhì)特性，以及地殼彈性和塑性的性質(zhì)和模量的改變，從而使地殼形變研究與地球物理研究結(jié)合起來。前兆現(xiàn)象與地震之間越具有更大相關(guān)性的假定，事實上，這種假定具有一定的普遍性，這種思想一直延續(xù)至今，為突破臨期地震預(yù)測相關(guān)方面提供依據(jù)。

4.在地殼形變觀測的發(fā)展中，建立了井下測量系統(tǒng)，由于傳感測量單位安裝在深井底部，顯著減弱了地表巖石風(fēng)化與地形的影響，有利于高精度的測量結(jié)果，獲得了高質(zhì)量的地殼應(yīng)力場動態(tài)變化觀測數(shù)據(jù)的主要方法，對觀測地震發(fā)生的具體過程進行科學(xué)的闡述提供了科學(xué)的借鑒，成為了地殼形變寬頻帶綜合觀測技術(shù)解決大、中型城市“地震監(jiān)測盲區(qū)”問題的有效措施之一。

5.地殼形變觀測結(jié)果提供了具有明確物理意義的地殼運動的直接證據(jù)和定量特征，以評價、預(yù)測區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性和地震可能性等所進行的測量工作，此外，若采用時窗滑動法，通過跳幀窗長和步長的大小，提取不同領(lǐng)域、不同時段的多個轉(zhuǎn)折點，增加其靈活性，拓展其應(yīng)用范圍，實時追蹤趨勢轉(zhuǎn)折點的演化。

三、結(jié)束語

地殼形變觀測在防震減災(zāi)工作中是一項不可或缺的重要手段，這種地殼形變是多種因素綜合作用的結(jié)果，在地殼發(fā)生異常形變時，所需要觀測到轉(zhuǎn)折時間的精確定位，需要數(shù)學(xué)上的、定量的方法。長期以來，我們將地殼形變觀測通常理解為構(gòu)造變形觀測，實際上這將導(dǎo)致許多觀測結(jié)果之間出現(xiàn)矛盾，及前兆現(xiàn)象與地震之間關(guān)系的復(fù)雜性，根據(jù)此為契機，隨著空間科學(xué)和光電科學(xué)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代地殼形變所建立起來的觀測技術(shù)，已從總體上區(qū)分為空間觀測技術(shù)體系好地面觀測技術(shù)體系。地殼形變的觀測，不論是在研究地球動力學(xué)，地殼構(gòu)造運動和地殼穩(wěn)定性評價，以及研究地殼形變在地震形成過程中所起的作用，都具有重要意義。