地殼形變觀測(cè)在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中的發(fā)展與應(yīng)用研究

鞏丹丹 尚俊斌

【摘要】我國(guó)是世界上地震比較多的國(guó)家，同時(shí)也是受到地震災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一。通過(guò)降低地震災(zāi)害，能夠有效保障我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展以及人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。有鑒于此，本文淺談地殼形變觀測(cè)在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中的發(fā)展與應(yīng)用，期望能夠借此為我國(guó)地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作提供借鑒，有效降低我國(guó)地震災(zāi)害造成的損失。

【關(guān)鍵詞】地殼形變觀測(cè);地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào);發(fā)展與應(yīng)用

中圖分類號(hào)：P315.7

地震的孕育以及產(chǎn)生和地殼形變之間存在緊密的關(guān)聯(lián)性，地殼形變是地震過(guò)程當(dāng)中最直觀的一種線性變化，因此通過(guò)對(duì)地殼形變的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，能夠?yàn)榈卣鸨O(jiān)測(cè)以及預(yù)報(bào)提供至關(guān)重要的依據(jù)。因此，對(duì)地殼形變觀測(cè)在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中的發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)行研究就勢(shì)在必行，借此能夠?qū)⒌貧ば巫冇^測(cè)的作用完全發(fā)揮出來(lái)，有效預(yù)防突發(fā)性的地震災(zāi)害對(duì)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及民眾的生命安全產(chǎn)生嚴(yán)重危害。

1 地殼形變觀測(cè)在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中應(yīng)用的重要性

地震是群災(zāi)之首，其具備突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、影響范圍廣、防御難度大以及次生災(zāi)害嚴(yán)重等多方面的特點(diǎn)。我國(guó)是世界上震害最重的國(guó)家之一，提高地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)水平是國(guó)家和社會(huì)公眾的迫切需求。

地震帶來(lái)的直接災(zāi)害主要有以下幾個(gè)方面：建筑以及構(gòu)筑物的破壞，如房屋倒塌、橋梁斷落、公路開(kāi)裂以及鐵路變形等等;對(duì)地面產(chǎn)生破壞，如地面出現(xiàn)裂縫、噴水冒砂等現(xiàn)象;山體等自然環(huán)境的，如山崩、滑坡、天然水池干涸等等;海嘯，海底地震將會(huì)造成巨大海浪沖上海岸，進(jìn)而對(duì)沿海地區(qū)產(chǎn)生毀滅性災(zāi)害。除此之外，在一些大地震之中還會(huì)出現(xiàn)地光燒傷人畜的情況。在發(fā)生地震災(zāi)害之后，伴隨而來(lái)的還有次生災(zāi)害，甚至，某些情況之下，地震帶來(lái)的次生災(zāi)害所造成的人員傷亡以及經(jīng)濟(jì)損失甚至比地震災(zāi)害還要大。以1932年日本發(fā)生的關(guān)東大地震為例，在地震來(lái)臨之際倒塌的房屋僅僅只有1萬(wàn)間左右，但是因?yàn)樵摰卣鹧苌鰜?lái)的次生災(zāi)害火災(zāi)卻燒毀了七十余萬(wàn)間房屋。地震帶來(lái)的次生災(zāi)害主要分為以下四種類型：第一種，火災(zāi)，主要是因?yàn)榈卣鹬蠡鹪词Э厮鶎?dǎo)致的次生災(zāi)害;第二種，水災(zāi)，主要是因?yàn)榈卣鹪斐伤畨螞Q口或者山崩塞住河道所導(dǎo)致的;第三種，毒氣泄漏，主要是因?yàn)榈卣饘?duì)建筑物或者相關(guān)裝置造成破壞所導(dǎo)致的的;第四種，瘟疫，主要是地震對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞所導(dǎo)致的。地震災(zāi)害將會(huì)對(duì)其發(fā)生地區(qū)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生大量的人員傷亡，不利于我國(guó)和諧穩(wěn)定社會(huì)的建設(shè)工作。

在發(fā)生地震的過(guò)程當(dāng)中，地球內(nèi)部的力量會(huì)讓巖石出現(xiàn)一些非常微小的改變，但是通過(guò)專業(yè)化的儀器是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)這種微小變化的觀測(cè)的。例如通過(guò)激光測(cè)量地標(biāo)標(biāo)志之間發(fā)生的微小距離變化;利用水準(zhǔn)儀對(duì)地面固定點(diǎn)的高差變化情況進(jìn)行檢測(cè)等等。地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)技術(shù)是建立在全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)之上的，現(xiàn)今已經(jīng)在我國(guó)各大地區(qū)地震檢測(cè)工作之中得到了充分應(yīng)用，通過(guò)應(yīng)用該技術(shù)能夠幫助工作人員計(jì)算出大路地塊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率，同時(shí)獲得大范圍的地殼形變運(yùn)動(dòng)圖像。在構(gòu)造活動(dòng)區(qū)之中，通過(guò)對(duì)地震活動(dòng)斷層的形變進(jìn)行測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地震進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而在地震災(zāi)害發(fā)生的過(guò)程當(dāng)中及時(shí)止損。地應(yīng)變、地傾斜等定點(diǎn)形變測(cè)量指標(biāo)能直接反映地殼介質(zhì)的微動(dòng)態(tài)變化，從而捕捉到地殼介質(zhì)破裂前的力學(xué)變化信息。近年來(lái)，研究表明臨近地震前在近震源區(qū)地殼形變可能能觀測(cè)到個(gè)異常，通過(guò)地殼形變觀測(cè)對(duì)地震引發(fā)的地殼形變現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠有效降低地震造成的損失。除此之外，還有大面積水準(zhǔn)、斷層形變以及地傾斜、重力、胴體應(yīng)變和鉆孔應(yīng)變等多方面內(nèi)容的觀測(cè)。

2 地殼形變觀測(cè)在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中的發(fā)展

2.1 大地形變測(cè)量技術(shù)

自從1966年邢臺(tái)地震之后一直到1998年，我國(guó)依然應(yīng)用大地形變測(cè)量技術(shù)開(kāi)展測(cè)量工作。大地測(cè)量觀測(cè)數(shù)據(jù)在地殼形變研究之中發(fā)揮過(guò)作用。但是該技術(shù)具備勞動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大、效率低、精度低以及觀測(cè)周期長(zhǎng)等多方面的缺點(diǎn)，同時(shí)對(duì)于地震預(yù)報(bào)存在緩不濟(jì)急的問(wèn)題，因此一般在中長(zhǎng)期地震預(yù)報(bào)監(jiān)測(cè)工作之中應(yīng)用。GPS是大地測(cè)量技術(shù)的革命，現(xiàn)今已經(jīng)發(fā)展成熟。GPS地殼形變觀測(cè)技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)就是成本較低、觀測(cè)精度高，同時(shí)可以在站點(diǎn)密度、觀測(cè)區(qū)域范圍、位移變化范圍、觀測(cè)數(shù)據(jù)采樣間隔以及數(shù)據(jù)處理結(jié)果速度以及時(shí)效等多個(gè)方面有效滿足地震預(yù)報(bào)工作的各種工作需求。我國(guó)于1998年建立了一個(gè)以GPS為主要觀測(cè)技術(shù)、地震預(yù)報(bào)為核心目的的地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，標(biāo)志著我國(guó)地殼形變觀測(cè)以及地震預(yù)報(bào)發(fā)展新階段的開(kāi)始。因?yàn)槎砹_斯的GLONASS，中國(guó)的北斗以及歐洲的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，GPS技術(shù)已經(jīng)和這些系統(tǒng)一同組成了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，多個(gè)系統(tǒng)組合在一起有效提升了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的觀測(cè)精度，特別是因?yàn)樵谕粫r(shí)間內(nèi)觀測(cè)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)數(shù)量的增加，因此單歷元的定位精度也隨之得到了較大的提升，有效提升了地震短臨地殼運(yùn)動(dòng)信息的探索效率和探索質(zhì)量。

2.2 地殼形變連續(xù)觀測(cè)技術(shù)

為了對(duì)地震進(jìn)行預(yù)報(bào)，特別是短臨地震進(jìn)行預(yù)報(bào)，國(guó)外國(guó)家如俄羅斯、日本以及美國(guó)等國(guó)家在GPS技術(shù)應(yīng)用之前，就開(kāi)始應(yīng)用地殼形變連續(xù)觀測(cè)技術(shù)：如傾斜儀、應(yīng)變儀等儀器來(lái)進(jìn)行地震預(yù)報(bào)，借此有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)大地測(cè)量技術(shù)精度較低、采樣間隔較長(zhǎng)以及只能在地表觀測(cè)等多方面的不足之處。雖然地形變連續(xù)觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展以及應(yīng)用非常早，甚至比GPS技術(shù)都要早很多，但是在多方面因素的影響之下，導(dǎo)致地形變連續(xù)觀測(cè)技術(shù)對(duì)于地震前兆以及震前形變異常觀測(cè)結(jié)果過(guò)于零散，這直接導(dǎo)致該技術(shù)在地震預(yù)報(bào)工作之中進(jìn)展非常緩慢。地殼形變連續(xù)觀測(cè)技術(shù)除了觀測(cè)儀器之外，還會(huì)涉及到站點(diǎn)的選擇以及密度、布設(shè)和構(gòu)成的圖形、觀測(cè)周期和觀測(cè)數(shù)據(jù)采樣率、輔助觀測(cè)項(xiàng)目和數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷喾矫娴膬?nèi)容，對(duì)于較為成熟的觀測(cè)技術(shù)來(lái)說(shuō)，增加觀測(cè)站點(diǎn)的密度就成為地殼形變連續(xù)觀測(cè)工作發(fā)展的主要方向。

2.3 地殼形變監(jiān)測(cè)網(wǎng)布局

因?yàn)槲覈?guó)大陸地震災(zāi)害主要為內(nèi)陸地震，獨(dú)特的地殼構(gòu)造條件以及強(qiáng)烈的地殼運(yùn)動(dòng)，為我國(guó)布網(wǎng)觀測(cè)地殼形變以及對(duì)地震前兆進(jìn)行研究提供了非常優(yōu)良的場(chǎng)地條件。通過(guò)建設(shè)GPS觀測(cè)網(wǎng)，對(duì)我國(guó)地殼形變監(jiān)測(cè)網(wǎng)布局產(chǎn)生了根本上的改變，同時(shí)積累出大量的寶貴的觀測(cè)材料，有效促進(jìn)了我國(guó)地殼形變觀測(cè)研究工作以及地震地殼形變前兆探索工作的進(jìn)一步發(fā)展。

3 地殼形變觀測(cè)在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

一次地震災(zāi)害之中釋放出來(lái)的應(yīng)變能，只有在重新孕育之后才能夠引發(fā)下一次地震。因此，上一次地震的同震應(yīng)變的大小以及形狀能夠有助于工作人員對(duì)下一次地震的可能性進(jìn)行預(yù)測(cè)有著積極的促進(jìn)作用。但是，以過(guò)往的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，只有極少數(shù)情況下能夠獲得精準(zhǔn)的同震形變測(cè)量結(jié)果。造成這一情況的主要原因就是監(jiān)測(cè)網(wǎng)的精度以及密度均達(dá)不到相關(guān)要求標(biāo)準(zhǔn)。要想取得同震形變信息，必須要以10千米一點(diǎn)的密度建設(shè)高精度監(jiān)測(cè)網(wǎng)。因?yàn)槲覈?guó)許多地震都是發(fā)生在板塊邊界之上，因此通過(guò)沿板塊邊界觀測(cè)兩次地震之間的長(zhǎng)期形變，有助于工作人員對(duì)應(yīng)變積累機(jī)制進(jìn)行了解。要想對(duì)地震之前、同震以及地震之后地殼運(yùn)動(dòng)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，大地測(cè)量技術(shù)是唯一的方法。在地學(xué)之中，特別是在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作之中，主要要求形變測(cè)量工作提供空間上地殼板塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)、區(qū)域應(yīng)變場(chǎng)以及震源應(yīng)變場(chǎng)等多方面的數(shù)據(jù)信息。

在時(shí)間區(qū)域之中，要求獲取長(zhǎng)期地震、中期地震以及短臨地震前兆應(yīng)變信息。各種形變測(cè)量技術(shù)有著不同的技術(shù)特點(diǎn)，其適用于不同的情況之下。以空間技術(shù)VLIB、GPS等技術(shù)為例，這些技術(shù)主要適用于基線長(zhǎng)于200km同時(shí)絕對(duì)測(cè)量精度低于正負(fù)1cm的大范圍地殼形變測(cè)量工作之中，例如板塊運(yùn)動(dòng);常見(jiàn)的大地形變測(cè)量技術(shù)如水準(zhǔn)、側(cè)邊三角網(wǎng)等主要適用于基線長(zhǎng)度為幾公里到幾十公里之間同時(shí)測(cè)量的絕對(duì)精度低于幾毫米的區(qū)域應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量工作之中;應(yīng)變以及傾斜連續(xù)測(cè)量技術(shù)主要適用于基線長(zhǎng)度低于1千米同時(shí)絕對(duì)測(cè)量精度低于1mm的震源應(yīng)變場(chǎng)測(cè)量工作之中。

先進(jìn)的地殼形變觀測(cè)技術(shù)能夠有效壓低噪聲，提升信噪比。在經(jīng)過(guò)幾十年的不斷發(fā)展之后，地震前兆觀測(cè)技術(shù)取得非常大的發(fā)展成果，但是卻并未完全成功。因?yàn)檫B續(xù)觀測(cè)緩慢的前兆地球物理信息，對(duì)于儀器設(shè)備有著非常高的要求標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)需要對(duì)大量地標(biāo)噪聲干擾情況進(jìn)行有效避免，并將來(lái)自地球內(nèi)部的微小地震前兆信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此難度非常大。要想有效獲取來(lái)自地球內(nèi)部的微小地震前兆信息，首先需要選擇一個(gè)合理的觀測(cè)位置，同時(shí)將儀器設(shè)備和地殼之間存在的完全耦合的問(wèn)題進(jìn)行解決。地表觀測(cè)工作具備低成本、寬敞等方面的特點(diǎn)，工作人員可以自由接近工作儀器，因此儀器安裝、維修工作難度較低。但是由于地表層具備松散、遍布裂隙等特點(diǎn)，因此地表層會(huì)和深部完整的地殼脫節(jié)，進(jìn)而將地殼深部傳出的微小信息阻斷或者歪曲。除此之外，嚴(yán)重的地表噪聲將會(huì)將地殼深部傳來(lái)的信息淹沒(méi)或者模糊化。雖然應(yīng)用線性預(yù)報(bào)理論可以將這些干擾去除掉一部分，但是剩余的噪聲水平依然會(huì)對(duì)地殼深部傳來(lái)的信息產(chǎn)生嚴(yán)重影響。此外，部分干擾機(jī)制具備較強(qiáng)的復(fù)雜性，工作人員很難應(yīng)用數(shù)字模型對(duì)其進(jìn)行模擬。因此要想通過(guò)數(shù)學(xué)方法將這些干擾進(jìn)行去除是很難辦到的。要想將這些干擾有效解決，只有避開(kāi)地表層，直接將觀測(cè)儀器安裝在地殼深處的基巖之上，借此有效提高觀測(cè)工作的效率以及質(zhì)量。通過(guò)應(yīng)用深部觀測(cè)法，能夠有效防止地表松散層阻隔、歪曲地殼深部傳來(lái)的信息，幫助工作人員獲得精準(zhǔn)度較高的地殼深部信息。

結(jié)束語(yǔ)

地震的危害性非常大，其不僅會(huì)對(duì)我國(guó)民眾的人身安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，同時(shí)還會(huì)對(duì)災(zāi)害地區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，不利于我國(guó)建設(shè)和諧穩(wěn)定的社會(huì)。有鑒于此，我國(guó)有識(shí)之士必須要對(duì)地殼形變觀測(cè)在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中的發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)行深入研究，借此有效將地震災(zāi)害帶來(lái)的損失降低到最小。

參考文獻(xiàn)

[1]王慶良.地殼形變觀測(cè)在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中的發(fā)展與應(yīng)用研究[J].地震研究，2018，41（03）：343.

[2]李臘月. 北京及鄰區(qū)現(xiàn)代地殼形變特征及其與地震活動(dòng)關(guān)系的研究[D].中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，2013.

[3]王禹萌. 地殼形變與火山活動(dòng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系研究[D].東北師范大學(xué)，2011.

[4]張磊. 基于地殼形變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的地震危險(xiǎn)性研究[D].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），2017.

[5]劉文義，張文濤，李麗，黃穩(wěn)柱，李芳.光纖傳感技術(shù)——未來(lái)地震監(jiān)測(cè)的發(fā)展方向[J].地震，2012，32（04）：92-102.

[6]顧國(guó)華.地殼形變與地震前兆探索回顧和展望[J].地震，2012，32（02）：22-30.

[7]劉冠中. 巴顏喀拉塊體邊界斷裂的跨斷層形變與地震活動(dòng)[D].中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，2014.

[8]李臘月. 北京及鄰區(qū)現(xiàn)代地殼形變特征及其與地震活動(dòng)關(guān)系的研究[D].中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，2013.

鞏丹丹，生于1991年3月6日，籍貫陜西周至，漢族，就職于甘肅省地震局嘉峪關(guān)中心地震臺(tái)，郵編735100，畢業(yè)于防災(zāi)科技學(xué)院（大學(xué)本科工學(xué)學(xué)士），目前從事地震監(jiān)測(cè)工作（形變學(xué)科）。

第二作者：尚俊斌 男 甘肅定西19901119?? 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），本科，甘肅省地震局嘉峪關(guān)中心地震臺(tái)，735100，地震監(jiān)測(cè)