大地測(cè)量與地震地質(zhì)災(zāi)害防治
今年10月13日是第32個(gè)“國(guó)際減少災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)日”，其主題是“構(gòu)建災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)適應(yīng)性和抗災(zāi)力”。國(guó)際減災(zāi)日由聯(lián)合國(guó)大會(huì)倡議設(shè)立，其主要目的旨在推動(dòng)國(guó)際社會(huì)對(duì)防災(zāi)減災(zāi)采取各項(xiàng)措施以減輕各種災(zāi)害的影響。自然災(zāi)害是人類生存和發(fā)展的巨大障礙，其中地震是主要自然災(zāi)害之一，在帶來(lái)大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的同時(shí)，還可能會(huì)引起包括山體滑坡、海嘯等在內(nèi)的次生災(zāi)害。全球1/3的內(nèi)陸破壞性地震發(fā)生在我國(guó)大陸，因地震造成的人員死亡超過(guò)60萬(wàn)，約占全球地震死亡總?cè)藬?shù)的50%。
地震孕育與構(gòu)造變形和應(yīng)力應(yīng)變積累密切相關(guān)。如果我們能夠精細(xì)地觀測(cè)到斷裂帶震間、同震和震后地殼形變時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征，準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)斷層帶閉鎖段應(yīng)力應(yīng)變積累狀態(tài)，不僅可以對(duì)斷裂帶變形演化特征、孕震過(guò)程、發(fā)震機(jī)制有深入認(rèn)識(shí)，為開展具有物理含義的強(qiáng)震危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)研究提供重要基礎(chǔ)，而且可以為區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)研究提供重要依據(jù)。近三十多年來(lái)，以全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）和干涉合成孔徑雷達(dá)（InSAR）為代表的現(xiàn)代大地測(cè)量技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，為各種規(guī)模尺度地殼運(yùn)動(dòng)的高精度、高密度、全天候監(jiān)測(cè)提供了前所未有的先進(jìn)手段。借著本年度國(guó)際減災(zāi)日的機(jī)會(huì)，特此撰文介紹現(xiàn)代空間大地測(cè)量在地震地質(zhì)災(zāi)害防治方面的應(yīng)用。
1、GPS地殼形變觀測(cè)在中國(guó)的發(fā)展
20世紀(jì)70年代，美國(guó)建立了全球定位系統(tǒng)（GPS），利用繞地衛(wèi)星實(shí)時(shí)、精確地測(cè)定地面點(diǎn)的位置，使得在短時(shí)間內(nèi)獲取大范圍地殼運(yùn)動(dòng)圖像成為可能。
1988年中德合作在滇西地震預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)開展大地測(cè)量實(shí)驗(yàn)，正式揭開了中國(guó)大陸現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)GPS監(jiān)測(cè)研究的序幕。1994年中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)主持的國(guó)家攀登計(jì)劃項(xiàng)目“現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)”，在全國(guó)范圍內(nèi)布設(shè)了22個(gè)GPS點(diǎn)，組成了全國(guó)GPS地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，開啟了中國(guó)大陸地殼形變的定量研究。彼時(shí)，盡管我國(guó)在GPS研究地殼運(yùn)動(dòng)方面取得了一些進(jìn)展，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，國(guó)內(nèi)地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)站數(shù)量少、空間分布稀疏，無(wú)法取得高時(shí)-空分辨率的地殼運(yùn)動(dòng)圖像和參數(shù)，更談不上為地震預(yù)報(bào)提供所需的實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)了。1997年，我國(guó)正式啟動(dòng)了國(guó)家重大科學(xué)工程“中國(guó)地殼觀測(cè)網(wǎng)”，建成了覆蓋中國(guó)大陸的1000多個(gè)GPS測(cè)站，并于1999年3月1號(hào)正式開始運(yùn)行。2010年前后，“網(wǎng)絡(luò)工程”開始升級(jí)改造，于2011年建成由2000多個(gè)測(cè)站組成的“中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)”。至此，初步實(shí)現(xiàn)了對(duì)中國(guó)大陸地殼形變的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
近年來(lái)，隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的快速發(fā)展，全球?qū)Ш蕉ㄎ灰矎腉PS逐步邁向GNSS，即美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO和中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組成的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。特別指出的是，我國(guó)的北斗三號(hào)系統(tǒng)于2020年7月31日正式開通，為全球范圍內(nèi)地殼形變的監(jiān)測(cè)注入了新的活力。
圖1 GPS高精度測(cè)量原理圖
2、InSAR技術(shù)及其應(yīng)用
星載InSAR，通過(guò)對(duì)同一目標(biāo)區(qū)域的多次觀測(cè)，在具備一定相干性（信噪比指標(biāo)）的條件下，利用兩幅SAR圖像的相位差獲取高精度的目標(biāo)高程信息或位置變化信息。InSAR技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于非接觸、不受地面條件限制、大范圍空間連續(xù)覆蓋，幾乎實(shí)現(xiàn)了地殼形變的時(shí)空連續(xù)觀測(cè)
InSAR技術(shù)已經(jīng)在地震、冰川、火山、滑坡、城市和人工建筑形變等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在地震和構(gòu)造活動(dòng)研究中，基于大地測(cè)量的形變觀測(cè)對(duì)于地震構(gòu)造研究極為重要。例如，對(duì)于斷裂帶的同震和震后形變場(chǎng)的監(jiān)測(cè)可以較精確地約束斷層同震破裂分布和震后余滑分布，并結(jié)合連續(xù)觀測(cè)獲得的震間形變，就能夠定量分析斷層滑移速率和閉鎖狀態(tài)，進(jìn)一步地可以評(píng)估地震的發(fā)生周期，同時(shí)也可以對(duì)地球內(nèi)部斷層的動(dòng)力學(xué)演化過(guò)程提供依據(jù)。
3、GNSS與InSAR是怎樣監(jiān)測(cè)斷層形變的？
我國(guó)大部分?jǐn)鄬拥淖冃嗡俾适敲磕陰讉€(gè)毫米，且絕大部分?jǐn)鄬拥淖冃卧诘乇硎强床怀鰜?lái)的。那么怎樣去監(jiān)測(cè)這些活斷層的變形過(guò)程、從而為地震危險(xiǎn)性的中長(zhǎng)期評(píng)估提供依據(jù)呢？ GNSS的定位精度能夠達(dá)到1毫米，時(shí)間序列InSAR獲取的年形變速率場(chǎng)的精度也可達(dá)到毫米級(jí)，因此，利用它們可以精準(zhǔn)捕獲斷層運(yùn)動(dòng)在地表造成的兩盤相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而通過(guò)構(gòu)建地下斷層面與地表觀測(cè)點(diǎn)的物理關(guān)系，利用數(shù)學(xué)反演來(lái)獲得斷層的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，了解斷層的變形過(guò)程。
通過(guò)模型的反演，我們能夠清晰的厘定斷層在哪個(gè)部位是閉鎖的，即卡住不動(dòng)了，這意味著能量正在斷層面上積累（圖２）；當(dāng)然，也能夠看清斷層在哪個(gè)段落是緩慢滑動(dòng)的，從而將能量“悄無(wú)聲息”地進(jìn)行釋放。
圖2 空間對(duì)地觀測(cè)與斷層形變
4、GNSS與地震預(yù)警
在2021年7月27日，中國(guó)地震局宣布中國(guó)地震預(yù)警網(wǎng)已在京津冀、四川、云南和福建地區(qū)實(shí)現(xiàn)示范運(yùn)行。既然“地震預(yù)警”已經(jīng)如火如荼的在全國(guó)各地開展了，還有必要再用GNSS去做地震預(yù)警么？答案是肯定的。這是因?yàn)?，現(xiàn)有的地震預(yù)警大多是基于測(cè)震儀器，這些一起測(cè)量地震時(shí)地表運(yùn)動(dòng)的速度和加速度，這對(duì)于一般的中小地震是有效的。但是，如果發(fā)生震級(jí)較大的地震，測(cè)震儀器很可能會(huì)飽幅，也可以理解為量程滿格了。GNSS雖然采樣率較低，但是不存在限幅，并且能夠在較短的時(shí)間內(nèi)獲得地表的位移，對(duì)地震破裂的大小、過(guò)程有比較好的約束。比如在2011年日本9級(jí)311大地震中，測(cè)震臺(tái)網(wǎng)在震后22.6秒第一次處理震級(jí)僅為4.3級(jí)；在震后25.8秒向公眾發(fā)布第一次預(yù)警信息時(shí)，預(yù)警震級(jí)為7.2級(jí)；震后39.4秒發(fā)布第二次預(yù)警信息，預(yù)警震級(jí)為7.6級(jí)；震后82.3秒發(fā)布第三次預(yù)警信息，預(yù)警震級(jí)為7.9級(jí)；震后122.2秒后，預(yù)警震級(jí)才為8.1級(jí)；直至震后3小時(shí)后才將震級(jí)更正為8.8。而后期采用GNSS檢測(cè)，震后39秒即確定為8.15級(jí)，震后130秒就給出震級(jí)為9級(jí)！如果當(dāng)時(shí)能對(duì)震級(jí)進(jìn)行較好的估計(jì)，會(huì)讓人們對(duì)海嘯的規(guī)模做出準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，從而最大程度減少人員傷亡！由此看來(lái)，GNSS在“地震預(yù)警系統(tǒng)”中是不可或缺的一員！
注：本文的撰寫得到中國(guó)地震學(xué)會(huì)大地測(cè)量與地震動(dòng)力學(xué)專業(yè)委員會(huì)、中國(guó)地震局“空間對(duì)地觀測(cè)與地殼形變”創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目2019YFC1509200的支持。
京公網(wǎng)安備 11010502042766號(hào)
