GPS觀測到的智利及其鄰區(qū)多次大地震前后地殼運(yùn)動＊

顧國華 王武星

（中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036）

引言

智利位于大洋板塊納茲卡與南美板塊邊界。納茲卡板塊朝東向南美板塊下方俯沖，沿板塊邊界構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈，大地震頻發(fā)，其中包括地震儀器觀測以來發(fā)生的震級最大的1960年9.5級巨震。2001年以來，沿板塊邊界的智利近海及其鄰近區(qū)域相繼發(fā)生了3次7.1—7.7級和4次8級以上大地震，且震中附近有GPS（或GNSS）連續(xù)觀測站（圖1）。表1中包括2001年秘魯南部近海8.4級大地震和2021年發(fā)生在板塊以東內(nèi)陸的阿根廷6.4級地震。這些大地震沿板塊邊界狹窄條帶分布（圖1），清楚地表明地震的發(fā)生受此區(qū)單一構(gòu)造運(yùn)動的控制。盡管這些地震大多數(shù)發(fā)生在近海，雖然南美GPS連續(xù)觀測站的密度遠(yuǎn)不如日、美等國，但臨近地震東側(cè)就是大片陸地，觀測站較多，且相對較密集。其中的8.8、8.3、8.2和7.7級大地震各有數(shù)個離地震震中很近的GPS連續(xù)觀測站，十分有利于了解各次地震前后較大范圍內(nèi)的地殼運(yùn)動及其相互影響，為地震前兆地殼運(yùn)動研究提供了更多信息豐富的震例[1]。有個別觀測站從1994年就開始連續(xù)觀測，遺憾的是，有的站觀測有中斷。

圖1 智利近海及其鄰近區(qū)域的大地震（大藍(lán)點(diǎn)），附近的GPS連續(xù)觀測站（小的彩色點(diǎn)）。圖右側(cè)是表示GPS觀測站大地高程的色碼。黑色站名是本文位移時間序列所顯示的12個GPS連續(xù)觀測站Fig. 1 Large earthquakes （big blue dot） and GPS stations of continuous observations （small color dot） in Chile and its neighborhood near the events. On the right side is the color bar for the geodetic heights at the GPS stations. 12 GPS stations of continuous observations with displacement time series shown in this paper are marked with station code in black color

1 GPS數(shù)據(jù)及其處理與分析

利用從http://geodesy.unr.edu網(wǎng)站（以下稱G網(wǎng)站）下載得到的 Geoffrey Blewitt教授用美國JPL（噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室）研制的GIPSY軟件處理得到的南美70多個GPS連續(xù)觀測站南美參考框架（SA）坐標(biāo)（或位移）時間序列，獲得這些大地震前后和同震水平和垂直位移。在獲取GPS觀測結(jié)果的同時，連接美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）網(wǎng)站，同時得到表1中地震的震源參數(shù)，還可獲得各次地震的構(gòu)造和構(gòu)造運(yùn)動信息。

表1 2001年至今智利近海多次大地震統(tǒng)計Table1 Statistics of earthquakes occurred in Chile and its neighborhood since 2001

位移參考框架及其核心站（或稱為參考基準(zhǔn)）是合理分析區(qū)域位移的關(guān)鍵[2-4]。為此，近年來G網(wǎng)站推出了多個區(qū)域或板塊參考框架，給出了GPS觀測站所在板塊的板塊參考框架位移速率和水平與垂直位移時間序列。至今僅北美區(qū)域參考框架（NA）有明確的定義[4]，作者曾直接利用此參考框架的數(shù)據(jù)研究地震的前兆形變和地震后的地殼運(yùn)動[1,5]。其他各板塊的參考框架也可從水平位移速率圖了解其含義。G網(wǎng)站發(fā)布有南美洲GPS觀測站南美板塊（SA）參考框架的坐標(biāo)或位移分量時間序列數(shù)據(jù)和圖表。而從水平位移速率圖可知，南美板塊參考框架的核心站應(yīng)位于南美大陸的東部。盡管發(fā)生了多次大震，但至今在8.8級地震以北智利沿海仍以3—4 cm/a的速率向北東方向水平位移。

2 智利近海及其鄰近區(qū)域多次大地震同震位移

GPS連續(xù)觀測的一大優(yōu)勢是可快速并準(zhǔn)確獲得大地震大范圍的同震位移，特別是近震中大幅度同震位移。同震位移，特別是近震中的同震位移，是短時間產(chǎn)生的顯著突變，通常即使根據(jù)全球參考框架的坐標(biāo)或位移時間序列中的突變，也可找到相應(yīng)時間發(fā)生的大地震。表1中的絕大多數(shù)大地震就是這樣找到的。顯然，突出的同震位移是劃分震前和震后地殼運(yùn)動明確的關(guān)鍵分界。在震后的震例研究中，利用同震位移可證明大地震存在前兆形變或地殼運(yùn)動，并研究其變化特征，以期利于日后的地震預(yù)測。同震位移也有助于了解GPS觀測精度。

當(dāng)?shù)卣鹫鸺壊惶髸r，同一地震不同參考框架得到的同震位移有可能一致或非常接近，這些參考框架都可當(dāng)作位錯參考框架[6]。本文采用南美板塊參考框架的同震位移。對8.8級地震而言，此參考框架同震位移與位錯參考框架同震位移差別不大；對其他震級的地震，南美板塊參考框架就可作為位錯參考框架。將不同地震南美板塊參考框架的同震位移繪于同一幅圖中，有利于對比分析所有地震的同震位移及其影響。圖2為智利近海及其鄰近區(qū)域多次大地震同震水平與垂直位移。恰當(dāng)參考框架的同震位移可用位錯模型作數(shù)值模擬。

盡管智利各次地震周圍的GPS站密度不同，但圖2清楚顯示同震水平位移隨震級的明顯變化，震級小，同震位移范圍和位移量也小，總體符合同震位移隨震級而變的一般規(guī)律。

圖2和圖3中，CONS站離8.8級地震震中64 km，也是離此次地震最近的站，該站同震水平位移最大，達(dá)4713 mm；離8.8級地震震中114 km的CONT站同震垂直位移最大，為上升790 mm。然而，該地震也有同震位移特殊的站。8.3級大地震是在8.8級地震5年半后發(fā)生的，2次地震相距約480 km，但圖3中8.3級地震震中北側(cè)橢圓中8.8級地震9個站的同震水平位移僅約10 mm，不僅位移量比8.3級地震震中南側(cè)的站小很多，而且?guī)缀跻恢孪虮蔽灰?，同震垂直位移量也偏小。這9個站為CMBA（506 km，77 km）、CNBA（507 km，28 km，離8.3級地震最近的站）、EMAT（530 km，47 km）、PFRJ（582 km，100 km）、PEDR（586 km，124 km）、OVLL（598 km，116 km）、BT01（629 km，146 km）、TOLO（654 km，176 km）和LSCH（672 km，189 km）（括號中的數(shù)字分別為觀測站到8.8級和8.3級地震的震中距）。這9個站8.3級地震同震位移無異常。很明顯，這些站8.8級地震的同震水平位移應(yīng)是8.3級地震前的異常地殼運(yùn)動，據(jù)此可判斷在8.8級地震發(fā)生前，8.3級大地震就已在孕育，并因此顯著減小了這些站8.8級地震的同震位移。5年半內(nèi)發(fā)生兩次相距相當(dāng)近的8級以上大震，是少有的，而GPS觀測到這種同震水平位移異常，至今罕見。在水平位移時間序列中，有幾個站，例如圖4中所示的LSCH，在8.3級地震前出現(xiàn)不同于其他站的反常變化就不足為奇了。

圖2 智利近海及其鄰近區(qū)域多次大地震同震水平 （左圖） 與垂直 （右圖） 位移。各圖左下角為位移向量比例尺Fig.2 Coseismic horizontal displacements （left figure） and vertical displacements （right figure） of the large earthquakes in Chile and its neighborhood. The displacement vector scale is shown at the bottom left of each figure

圖3 智利2010年8.8級大地震的同震水平位移。左下角為水平位移向量比例尺Fig.3 Coseismic horizontal displacements of the 2010 earthquake of M8.8 in Chile. The displacement vector scale is shown at the bottom left of the figure

3 智利近海及其鄰近區(qū)域多次大地震附近GPS連續(xù)觀測站位移時間序列

GNSS可做不同范圍，直至全球，各種采樣率的高精度連續(xù)觀測，獲得有明確物理或構(gòu)造運(yùn)動意義的區(qū)域參考框架位移時間序列和空間分布等結(jié)果，得到大地震前后快慢不等的地殼運(yùn)動時空演變過程和地震波，有助于研究地震成因和地震機(jī)制，有助于探索地震（預(yù)）警報，尤其有利于研究是否存在前兆地殼形變，探索地震預(yù)測。近大地震震中及其附近的GNSS連續(xù)觀測可獲得地震波和同震位移，是地震儀不可替代的地震波觀測手段，成為必不可少的多功能地震監(jiān)測技術(shù)，并構(gòu)成全球地球科學(xué)基礎(chǔ)觀測網(wǎng)的主干。

圖4給出表1中智利及其鄰區(qū)11次大地震附近12個GPS連續(xù)觀測站的位移時間序列，試圖利用盡可能少的站，反映離震中不同范圍典型的地殼運(yùn)動，特別是前兆與震后地殼運(yùn)動。12個GPS連續(xù)觀測站包括，震級最大和離震中最近且震后位移非常顯著的站，顯示近震中地震前后的位移特點(diǎn)；離震級較大地震距離較遠(yuǎn)的站，顯示大地震的影響范圍，特別是前兆形變范圍；從1994年開始觀測時間最長的SANT與AREQ站，顯示盡可能長時間的觀測結(jié)果，特別是震前盡可能長時間的觀測結(jié)果；其中還包括上述8.8級地震同震位移異常的站。此12觀測站站名在圖1中用黑色標(biāo)記。

順便說明一下，圖4中SANT與AREQ等站水平位移向量時間序列彩色條帶寬度隨時間推移逐漸變窄，表明早期GPS觀測精度較低，觀測結(jié)果離散度較大，而隨著觀測與數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷改進(jìn)，觀測精度逐步提高。向量時間序列的彩色條帶是因水平位移時間點(diǎn)密集而形成的。近些年GNSS觀測精度已趨于穩(wěn)定，水平位移分量精度為2 mm，垂直位移分量精度為6 mm。為便于與圖對照，表2給出此12個GPS連續(xù)觀測站得到的不同地震的同震水平位移。

表2 12個GPS連續(xù)觀測站得到的不同地震同震水平位移Table2 Coseismic horizontal displacements observed at 12 stations of continuous GPS observations for earthquakes of different magnitudes

圖4 智利近海等多次大地震附近南美洲12個GPS連續(xù)觀測站3個位移分量和水平位移向量時間序列，位移單位均為mm。左圖為3個分量，即水平位移東西（E，棕色）和南北（N，紅色）分量與垂直（U，藍(lán)色）位移時間序列，圖上方標(biāo)出了有明顯同震位移的地震震級和相應(yīng)的以km為單位的震中距。右圖為水平位移向量時間序列，圖右側(cè)為用GPS周表示日期的色碼Fig.4 Time series of 3 displacement components（left figure）and horizontal displacement vectors （right figure） in mm at 12 stations of continuous GPS observations in South America near the large earthquakes in Chile and its neighborhood. The 3 displacement components are the east horizontal component E in brown，north horizontal component N in red and vertical component U in blue. At the top of the figures of 3 displacement components，the magnitudes of the earthquakes and the epicentral distances of the stations in km are shown. On the right side of each vector figure the color bar shows the date in GPS week for time series of the horizontal displacement vectors

為使畫面簡潔，圖4未作較多的標(biāo)注，在此稍加說明。圖4中的同日的箭頭為一次地震的同震位移，接在箭頭尾之前的數(shù)據(jù)為該次地震震前觀測結(jié)果，接在箭頭之后的數(shù)據(jù)為該次地震震后觀測結(jié)果。需說明的是，圖4中各站位移分量時間序列圖與G網(wǎng)站的圖是一樣的，但作者給出了水平位移向量時間序列圖，更直觀顯示各站水平位移平面曲線圖像。CONS站觀測到了3次地震的影響，為便于清晰顯示后2次地震的結(jié)果，增加了2011年后的位移時間序列圖。LLCH站的水平位移向量時間序列圖僅突出顯示6.8級地震前后一段時間的結(jié)果。

除了阿根廷6.4級地震，其他10次大地震均很靠近板塊邊界。同先前得到的板塊邊界大地震前后的位移觀測結(jié)果一樣[1]，這些大地震顯著的同震水平位移均為震前積累的水平位移的（非彈性）回跳（近震中處）或彈性回跳（遠(yuǎn)離震中處），且在水平擠壓的位移方向有回跳或彈性回跳。各站震前均無明顯垂直積累，因此，同震垂直位移不是震前垂直位移的（彈性）回跳。圖4中離震中較遠(yuǎn)的SANT等站的水平位移向量時間序列清楚顯示，8.8級大地震的同震水平位移是震前水平位移積累的彈性回跳，同震水平位移與震前水平位移積累幾乎在同一直線上，是典型的逆沖型地震，與該地區(qū)的板塊運(yùn)動是一致的。水平擠壓是這些地震的成因。遺憾的是，2016年12月25日智利南部7.6級地震前TPYU站的觀測資料時間太短，僅10個月，且僅此一站，未能清晰顯示回跳或彈性回跳特征。

由于遠(yuǎn)場同震水平位移是震前積累的水平位移的彈性回跳，據(jù)此可分析前兆水平位移的范圍。至今僅GPS觀測可給出不同震級地震的前兆水平位移的確切范圍。在GPS位移觀測精度范圍內(nèi)，8.8級地震的前兆水平位移范圍可達(dá)1 000 mm（圖3）；6.7級地震在離震中70 km時，前兆水平位移可達(dá)10 mm等（圖4，CONS站）。圖3中離8.8級地震震中672 km的LSCH站，該地震同震水平位移小且有異常，前兆水平位移仍達(dá)6 mm多（圖4，LSCH站N分量），但與震前水平位移方向相同，即同震水平位移方向也與其他站不同。

CONS站離智利2012年3月25日的7.1級地震僅17 km。此次地震是8.8級地震后強(qiáng)烈地殼運(yùn)動過程中發(fā)生的強(qiáng)余震（見USGS網(wǎng)站的相關(guān)報道），離主震僅80 km，時間相隔2年。此余震與東日本2016年11月22日本州東岸近海7.2級強(qiáng)余震[7]有相似的主震后顯著地殼運(yùn)動背景，臨震前E分量速率也變得緩慢（水平位移向量圖明顯些），但畢竟附近觀測站太少，僅有此站觀測結(jié)果是很難作預(yù)測的。值得關(guān)注的一個問題是，在何種站點(diǎn)密度和位移時空變化的情況下，多大震級的強(qiáng)余震是可預(yù)測的。

表1中震級最小的阿根廷6.4級地震，在離震中50 km的CSLO站有明顯的8.8級和8.3級大地震后地殼運(yùn)動影響，同震水平位移為20 mm，但此站震前無與同震水平位移相反方向的水平位移積累，也無資料證明震前震中水平位移處于閉鎖狀態(tài)。因僅此一站，無法了解震前位移的空間變化，如震中附近水平位移是否閉鎖等異常現(xiàn)象[8]。

近震中大地震的震后地殼運(yùn)動是地殼粘彈性松弛現(xiàn)象。一些巨大地震后數(shù)年的GPS連續(xù)觀測清楚顯示，位移分量曲線呈指數(shù)逐漸衰減，據(jù)此可作粘彈性位錯模型擬合。巨大地震的震后地殼運(yùn)動觀測結(jié)果表明，GPS觀測不僅精度高、連續(xù)性好，且觀測結(jié)果長期穩(wěn)定。

盡管不少大地震后位移分量曲線都呈指數(shù)逐漸衰減（參見圖4中多個站的分量圖），但水平位移向量時間序列顯示，其平面曲線形態(tài)是多樣的。與東日本大地震類似，智利大地震的震后松弛水平位移曲線大致有4種形態(tài)（圖4）： ① 在震前水平位移前進(jìn)方向，震后向右側(cè)U拐（彎），如SANT和CSLO等站； ② 在震前水平位移前進(jìn)方向，震后向左側(cè)U拐（彎），如AREQ和PTRE等站； ③ 震后一直保持震前的直線水平位移方向，如ANTC和MAUL等站； ④ 震后基本保持震前水平位移方向，但逐漸彎曲，如LSCH等站。相比大地震前的水平位移直線積累過程，震后的水平位移平面曲線則要復(fù)雜得多。這也許表明，震前長期水平位移積累過程的分析可能要簡單些。

4 結(jié)論與討論

前兆震例的積累與研究是突破地震預(yù)測的必然過程。21世紀(jì)以來，智利及其鄰區(qū)發(fā)生數(shù)次大地震，且附近有較多GPS連續(xù)觀測站，同樣是利用GPS觀測研究前兆形變難得的機(jī)遇。與作者利用GPS觀測得到的其他大地震前兆形變震例研究相比，雖然GPS數(shù)據(jù)的獲取與處理滯后，對智利及其鄰區(qū)大地震前兆形變的研究延后，但所得結(jié)果更集中，更有利于對比說明大地震前后地殼運(yùn)動規(guī)律的普遍性和個別地震的特殊性。盡管6次大地震附近僅一個GPS連續(xù)觀測站，但作為群體結(jié)果，對于研究前兆形變的總體特征和統(tǒng)計規(guī)律，如前兆形變范圍等，還是有意義的。

較之2011年日本近海9.0級等大地震，智利及其鄰區(qū)多次地震大于8級，發(fā)震時間間隔較長，發(fā)震地點(diǎn)空間間距不密集，且智利東側(cè)大范圍有較多GPS連續(xù)觀測站，有利于分辨較大范圍內(nèi)各次大地震前后地殼運(yùn)動。

GPS觀測結(jié)果表明，全球地殼垂直運(yùn)動幅度普遍較低；相比之下，全球地殼水平運(yùn)動不僅幅度大，而且涉及范圍廣大。震例研究[1]，包括此次智利及其鄰區(qū)震例研究表明，大地震前震中及其附近無明顯的垂直位移積累，同震垂直位移不是（彈性）回跳。觀測事實(shí)說明，與地殼垂直運(yùn)動相比，地殼水平運(yùn)動產(chǎn)生的水平作用力巨大，板塊運(yùn)動或地殼水平運(yùn)動就是地震成因。

盡管東日本和智利近海大地震的構(gòu)造環(huán)境不同，太平洋西北側(cè)2011年東日本9.0級大地震震前水平位移向西為主，同震水平位移向東為主；而太平洋東南側(cè)智利及其鄰區(qū)幾次大地震震前水平位移向東為主，同震水平位移則以向西為主。然而，這些地震的同震水平位移回跳或彈性回跳的規(guī)律一致，地震成因都是水平擠壓，機(jī)理一致。圖4中的CONS站結(jié)果與日本的J550站相似，而SANT站結(jié)果與日本的USUD站相似。太平洋兩側(cè)的這2次巨大地震前的地殼運(yùn)動清楚顯示大洋海底擴(kuò)張。

智利8.3級地震震中以北8.8級地震同震水平位移量值偏小，且方向一致，異常向北，這是多次大地震中最明顯的特殊現(xiàn)象，可認(rèn)為是8.3級地震的前兆形變，這是多次大地震中最明顯的特殊現(xiàn)象。

已有越來越多的GNSS觀測結(jié)果清楚的顯示，7級以上大地震震前有水平位移積累時空發(fā)展過程[1]。對6級左右地震的前兆形變，尚有待積累更多觀測資料，以期了解GNSS觀測最有可能預(yù)測的地震震級下限。

同震水平位移同樣證明，這些大地震存在前兆地殼形變，但本項(xiàng)研究未能獲得臨震前兆形變。臨震前兆現(xiàn)象研究工作復(fù)雜，還可包括利用GPS觀測獲取TEC（電離層總電子含量）臨震異常信息，但工作量大，需要投入更多研究。

智利及臨近地區(qū)多次大地震前兆形變震例研究表明，臨近智利的南美地區(qū)是全球最利于地震預(yù)測探索的地區(qū)之一。

致謝

本文利用了http://geodesy.unr.edu網(wǎng)站得到的Geoffrey Blewitt教授用GIPSY軟件處理得到的GPS連續(xù)觀測站坐標(biāo)時間序列[9]。使用GMT軟件繪圖[10]。在此一并表示感謝。