一種將GPS觀測(cè)應(yīng)用于地震中短期預(yù)測(cè)的簡(jiǎn)單嘗試①

余懷忠，程 佳

（中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045）

一種將GPS觀測(cè)應(yīng)用于地震中短期預(yù)測(cè)的簡(jiǎn)單嘗試①

余懷忠，程 佳

（中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045）

本文嘗試采用一種類似于加卸載響應(yīng)比的簡(jiǎn)單算法將GPS觀測(cè)應(yīng)用于地震中短期預(yù)測(cè)。算法根據(jù)孕震區(qū)域在不同階段的加卸載響應(yīng)比變化判斷未來地震的發(fā)生趨勢(shì)：當(dāng)?shù)貧ぬ幱诜€(wěn)定狀態(tài)時(shí)，得到的時(shí)間序列在1.0附近波動(dòng)；而在臨近地震之前會(huì)出現(xiàn)明顯的異常高值。以2004年美國(guó)南加州的Parkfield地震為例對(duì)方法的有效性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在地震發(fā)生前半年左右震中附近GPS臺(tái)站得到加卸載響應(yīng)比時(shí)間序列都發(fā)生了比較明顯的異常變化；而一些距離震中較遠(yuǎn)臺(tái)站卻沒有觀察到類似的異常變化。這可能反映了孕震區(qū)地殼介質(zhì)穩(wěn)定性的變化，表明通過處理GPS觀測(cè)資料可能獲得新的地震前兆異常。

GPS；加卸載響應(yīng)比；Parkfield地震；地震預(yù)測(cè)

Abstract：In this paper we attempt to develop a simple algorithm to apply GPS observations to the short－intermediate－term earthquake prediction practices.By using the Load Unload Response Ratio（LURR）values at different stages，the earthquake potentiality in a seismogenic region is evaluated.The LURR time series fluctuats around 1.0when the source media is in a steady state，and becomes quite high just before a large earthquake.To show the validity of the approach，the 2004Parkfield earthquake in southern California is chosen as the example.We find that about half a year before the earthquake the LURR time series derived from the nearby GPS stations increased obviously；while from some far GPS stations，we can not observe similar anomaly.Therefore，the anomaly may be resulted from the regional crust stability change.The fact suggests that we can get new precursory anomaly to predict large earthquake by properly disposing GPS measurement data.

Key words：GPS；Load unload response ratio；Parkfield earthquake；Earthquake prediction

0 引言

空間測(cè)地觀測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)從根本上突破了傳統(tǒng)大地測(cè)量的局限性，為現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)開辟了嶄新的途徑［1－10］。其中GPS技術(shù)以其大范圍、高精度、全天候等優(yōu)點(diǎn)為監(jiān)測(cè)全球和區(qū)域地殼運(yùn)動(dòng)帶來了革命性的變化，日益成為三維地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)的重要技術(shù)手段［11－12］。GPS觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了觀測(cè)向連續(xù)化、數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)化、技術(shù)手段多元化發(fā)展，使觀測(cè)結(jié)果既可把握構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的整體變化，又可勾畫出構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的精細(xì)圖象。與傳統(tǒng)方法相比，不僅觀測(cè)效率提高了數(shù)十倍，而且精度也提高了近3個(gè)數(shù)量級(jí)，使上千公里長(zhǎng)的基線觀測(cè)精度達(dá)亞厘米量級(jí)，這樣的精度足以監(jiān)測(cè)大范圍地殼運(yùn)動(dòng)的微小變化。尤其重要的是，與傳統(tǒng)大地測(cè)量方法相比，GPS在不同區(qū)域或不同時(shí)期的觀測(cè)均可納入全球統(tǒng)一的參考框架，從而使我們能夠定量確定任何相鄰或非相鄰構(gòu)造區(qū)域之間的相互運(yùn)動(dòng)，從而為各種規(guī)模尺度的地球動(dòng)力學(xué)的研究提供至關(guān)重要的約束［13－16］。

在我國(guó)，自1988年中德合作在滇西試驗(yàn)場(chǎng)建立我國(guó)第一個(gè)GPS地殼形變監(jiān)測(cè)網(wǎng)以來，已經(jīng)建成了以GPS站點(diǎn)為主的“中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”，該網(wǎng)絡(luò)包括連續(xù)觀測(cè)的25個(gè)基準(zhǔn)站，定期復(fù)測(cè)的56個(gè)基本站和分布于我國(guó)多震區(qū)的不定期復(fù)測(cè)的1 000個(gè)區(qū)域站，初步形成了對(duì)我國(guó)大陸內(nèi)部較大構(gòu)造塊體運(yùn)動(dòng)的整體性觀測(cè)和對(duì)華北、川滇及青藏塊體東北緣等多震區(qū)的區(qū)域性較高空間分辨率的觀測(cè)能力［17，4］。建成以來所產(chǎn)出的大量的高精度觀測(cè)數(shù)據(jù)，為認(rèn)知中國(guó)大陸地殼運(yùn)動(dòng)特征及其動(dòng)力學(xué)機(jī)制提供了至關(guān)重要的基礎(chǔ)資料和定量約束［17－20］。目前我國(guó)正在實(shí)施中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的二期工程——“中國(guó)大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)”，將建成大范圍、高密度覆蓋中國(guó)大陸的地殼形變觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，為研究我國(guó)大陸現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)與形變、地球動(dòng)力學(xué)和地震前兆現(xiàn)象以及探索大陸地震孕育和發(fā)生規(guī)律提供重要基礎(chǔ)。

隨著GPS觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，如何利用地殼形變資料研究地震的孕育過程和規(guī)律，并進(jìn)而進(jìn)行地震預(yù)報(bào)研究越來越受到普遍的關(guān)注。地震是地殼介質(zhì)在構(gòu)造力的長(zhǎng)期作用下，應(yīng)變能不斷積累，并在一些薄弱部位突然釋放的結(jié)果［21－28］。在地震孕育、發(fā)生過程中，孕震體介質(zhì)必然產(chǎn)生形變，如能采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段從GPS地殼形變觀測(cè)信息中發(fā)現(xiàn)在不同孕震階段的有特征性的形變信息，無疑可能成為地震預(yù)測(cè)的有利判據(jù)。本文嘗試將GPS觀測(cè)資料與加卸載響應(yīng)比方法［29－30］相結(jié)合，研究地震發(fā)生的前兆現(xiàn)象。為了檢驗(yàn)方法的有效性，以2004年美國(guó)南加州發(fā)生的Parkfield地震為例進(jìn)行了分析。

1 加卸載響應(yīng)比理論

加卸載響應(yīng)比理論是基于非均勻脆性介質(zhì)損傷演化特征提出的一種中短期地震預(yù)測(cè)方法［29－30］，研究系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)，達(dá)到了解該系統(tǒng)的目的。按照定義加卸載響應(yīng)比可以表示為

其中，“＋”表示加載過程，“－”表示卸載過程，X為響應(yīng)率。

假定P和R分別代表一個(gè)非線性系統(tǒng)的載荷和響應(yīng)，響應(yīng)率X則可以表示為

ΔR為載荷P發(fā)生微小增量ΔP時(shí)響應(yīng)R的變化。

當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，X＋≈X－，Y≈1；當(dāng)系統(tǒng)接近失穩(wěn)破壞時(shí)，X＋＞X－，Y＞1（圖1）。圖1顯示當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，加載和卸載響應(yīng)呈線性，當(dāng)系統(tǒng)接近破壞時(shí)，響應(yīng)偏離了線性狀態(tài)。因此加卸載響應(yīng)比的演化反映了非線性系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)的變化。

圖1 典型的巖石本構(gòu)曲線（P和R分別表示載荷和響應(yīng)）Fig.1 Schematic view of the constitutive law of a brittle mechanic system（Pand Rcorrespond to the load and response of the mechanic system）.

2 GPS觀測(cè)中的加卸載響應(yīng)比計(jì)算方法

在以往的加卸載響應(yīng)比實(shí)踐時(shí)，通常將一定時(shí)間窗和空間窗內(nèi)釋放的地震能量被作為響應(yīng)量。加、卸載過程根據(jù)日月潮汐力引起的庫侖破壞應(yīng)力在地震破裂面上的變化ΔCFS進(jìn)行判斷［31－32］，ΔCFS＞0為加載，ΔCFS＜0則為卸載。加卸載響應(yīng)比可以進(jìn)一步定義為加載階段能量釋放和卸載階段能量釋放的之比。為了避免地震數(shù)目太少造成加卸載響應(yīng)比時(shí)間序列的強(qiáng)烈波動(dòng)，計(jì)算時(shí)間窗內(nèi)通常包含了多個(gè)加、卸載循環(huán)過程。

本文所采用的響應(yīng)量不同于傳統(tǒng)的加卸載響應(yīng)比方法，而是直接采GPS觀測(cè)的地表形變作為響應(yīng)量。由于GPS觀測(cè)時(shí)間序列只能按日給出較高精度的形變數(shù)據(jù)，難以滿足加卸載響應(yīng)比方法所需的實(shí)時(shí)形變資料（如用以計(jì)算潮汐應(yīng)力的加卸載過程），因此本文采用的計(jì)算方法延用了加卸載響應(yīng)比的概念，但是實(shí)際操作又有所不同。

假定GPS時(shí)間序列觀測(cè)的形變總量Di可簡(jiǎn)單看作為潮汐力等觸發(fā)因素引起的加卸載形變以及長(zhǎng)期構(gòu)造加載產(chǎn)生的形變構(gòu)成，即

其中：Ai和Bi分別表示每天發(fā)生在潮汐應(yīng)力引起的加載和卸載階段的形變總量；ΔC表示長(zhǎng)期構(gòu)造應(yīng)力引起的形變。這樣一定時(shí)間窗T（T＞1天）內(nèi)的形變總量可以表示為

按照巖石材料的本構(gòu)關(guān)系（圖1），顯然，當(dāng)?shù)貧そ橘|(zhì)處于穩(wěn)定階段時(shí)加載階段等同于卸載階段的形變量，即Ai＝Bi；這樣，由式（4）進(jìn)一步得到穩(wěn)定階段不同時(shí)間窗內(nèi)的形變總量可表示為

據(jù)此，我們可以定義一個(gè)反映地殼介質(zhì)處于穩(wěn)定狀態(tài)的新參量

很明顯當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定階段時(shí)，由式（4）和（5）可知Yi＝1，由于長(zhǎng)期構(gòu)造加載引起的形變較為穩(wěn)定，這里假定各階段∑TΔC保持相對(duì)恒定。而當(dāng)?shù)貧そ橘|(zhì)接近失穩(wěn)破壞時(shí)，Ai＞Bi，必然有∑T（Ai－Bi＋ΔC）＞∑TΔC，因而Yi＞1。這樣可以結(jié)合GPS觀測(cè)資料，根據(jù)時(shí)間序列Yi的變化對(duì)地殼介質(zhì)的穩(wěn)定狀況進(jìn)行分析，并對(duì)未來地震的發(fā)生趨勢(shì)作出判斷。

3 震例分析

為了研究算法的有效性，我們以美國(guó)南加州Parkfield地區(qū)2004年9月28日發(fā)生的M6.0地震為例，對(duì)震前的加卸載響應(yīng)比時(shí)間序列Yi進(jìn)行研究。震中位置如圖2所示。我們收集了震中附近的12個(gè)GPS臺(tái)站進(jìn)行分析（cand，carh，mnmc，masw，tblp，hunt，pomm，rnch，hogs，mida，lows，land（見圖2）），相關(guān)臺(tái)站的GPS時(shí)間序列由SOPAC網(wǎng)站下載得到。將各臺(tái)站水平位移分量都沿著地震斷層破裂方向投影（走向321°，傾角72°，滑動(dòng)方向－178°，由Harvard CMT得到），取合成為響應(yīng)量計(jì)算加卸載響應(yīng)比。如圖3所示，我們計(jì)算得到了這些臺(tái)站的加卸載響應(yīng)比時(shí)間序列Yi，計(jì)算時(shí)間窗T＝20天，穩(wěn)定階段形變總量ΔD按照各臺(tái)站在穩(wěn)定階段1年內(nèi)的平均形變值計(jì)算。

圖2 Parkfield地震震中位置及附近的臺(tái)網(wǎng)分布Fig.2 The epicenter location of Parkfield earthquake and nearby GPS stations.

總體來看，采用本算法得到的不同臺(tái)站的加卸載響應(yīng)比時(shí)間序列Yi在地震發(fā)生之前都發(fā)生了較為明顯地異常變化。加卸載響應(yīng)比值持續(xù)幾年都保持在1.0附近波動(dòng)（0～2之間），在地震前數(shù)月達(dá)到峰值，而在臨近地震時(shí)出現(xiàn)回落。這與加卸載響應(yīng)比方法定義的演化模式相吻合［29－30］。

4 討論與結(jié)論

加卸載響應(yīng)比是依據(jù)潮汐力對(duì)地殼的觸發(fā)作用計(jì)算的。潮汐力遠(yuǎn)小于構(gòu)造應(yīng)力，因此潮汐力只能觸發(fā)地震，而不能直接導(dǎo)致地震的發(fā)生。當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力較低時(shí)，潮汐力很難觸發(fā)地震，因此加卸載響應(yīng)比值較?。s為1）；當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力較高時(shí)，震源區(qū)介質(zhì)對(duì)任何微小的擾動(dòng)都非常敏感，地震就很容易被觸發(fā)，相應(yīng)的加卸載響應(yīng)比值會(huì)出現(xiàn)明顯的增大。因此加卸載響應(yīng)比可以看作是反映震源區(qū)地殼介質(zhì)應(yīng)力狀態(tài)的重要標(biāo)志。按照這一理論，震前的應(yīng)力場(chǎng)分布，特別是斷層周圍的應(yīng)力較高區(qū)域?qū)有遁d響應(yīng)時(shí)間序列的演化勢(shì)必有著更強(qiáng)的調(diào)制作用，其原因在于地震更容易在這些區(qū)域被潮汐力所觸發(fā)，加卸載響應(yīng)比值的異常變化會(huì)更為明顯。對(duì)一個(gè)地震斷層而言，如果其周圍區(qū)域具有較高的應(yīng)力積累，地震就更容易在這些區(qū)域內(nèi)發(fā)生。正因?yàn)榇?，震前震源區(qū)地殼介質(zhì)的應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)及應(yīng)力場(chǎng)分布與加卸載響應(yīng)比的臨界敏感性直接相關(guān)。

圖3 Parkfield地震震中附近臺(tái)站得到的加卸載響應(yīng)比時(shí)間序列Fig.3 LURR time series derived from the nearby GPS stations before Parkfield earthquake.

從我們的研究結(jié)果來看，很明顯在Parkfield地震發(fā)生前其附近GPS臺(tái)站得到的加卸載響應(yīng)比時(shí)間序列都發(fā)生了異常明顯的變化。為了進(jìn)行對(duì)比，我們對(duì)距離震中位置較遠(yuǎn)的一些GPS臺(tái)站也進(jìn)行了研究（圖4）。采用同樣的算法和參數(shù)，我們得到了這些臺(tái)站的加卸載響應(yīng)比時(shí)間序列（圖5）?？梢钥闯鲈诘卣鸢l(fā)生之前這些臺(tái)站并沒有出現(xiàn)類似于前述近場(chǎng)臺(tái)站的異常變化。這一結(jié)果表明Prakfield周圍臺(tái)站觀測(cè)到的加卸載響應(yīng)比異常變化帶有明顯的局部化特征，這一局部化特征勢(shì)必與隨后的地震發(fā)生密切相關(guān)。這樣震前出現(xiàn)加卸載響應(yīng)比值明顯異常變化的GPS臺(tái)站分布可能為地震預(yù)測(cè)劃定了一個(gè)天然的臨界區(qū)域，地震的震級(jí)越高，分布的范圍越大。算法的這一獨(dú)特性質(zhì)使我們有可能使用這一方法針對(duì)未來地震進(jìn)行預(yù)測(cè)研究。

圖4 部分遠(yuǎn)場(chǎng)的GPS臺(tái)站分布Fig.4 Location of some far GPS stations from the epicenter.

本文作為一種將GPS觀測(cè)應(yīng)用于中短期地震預(yù)測(cè)的簡(jiǎn)單嘗試，雖然算法的可行性和有效性還有待各種數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)，但是其研究為使用地殼形變資料進(jìn)行地震預(yù)測(cè)研究提供了新的參考。算法借鑒了加卸載響應(yīng)比理論的基本概念，延用了輸出信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)方法，達(dá)到了解地殼介質(zhì)性態(tài)的目的。不同之處就在于響應(yīng)量的選擇：傳統(tǒng)加卸載響應(yīng)比計(jì)算的數(shù)據(jù)來源是地震目錄，加載和卸載過程根據(jù)日月潮汐力引起的庫侖破壞應(yīng)力在地震破裂面上的變化進(jìn)行判斷；而我們采用的響應(yīng)量是GPS地殼形變觀測(cè)。這一改進(jìn)雖然減少了地下未知因素對(duì)加卸載響應(yīng)比計(jì)算結(jié)果的影響，但是對(duì)GPS的觀測(cè)精度以及臺(tái)網(wǎng)的分布密度提出了更高要求。我們選擇美國(guó)南加州的Parkfield地震進(jìn)行研究，其原因就在于這些區(qū)域具有較高的GPS觀測(cè)精度和臺(tái)網(wǎng)分布密度。事實(shí)上，算法本身具有良好普適性，隨著國(guó)內(nèi)外地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，將會(huì)出現(xiàn)更多的震例。

圖5 遠(yuǎn)場(chǎng)臺(tái)站得到的加卸載響應(yīng)比時(shí)間序列Fig.5 LURR time series derived from the far GPS stations from the epicenter.

本文研究發(fā)現(xiàn)在美國(guó)南加州的Parkfield地震發(fā)生前，其近場(chǎng)GPS臺(tái)站的加卸載響應(yīng)比時(shí)間序列都發(fā)生了明顯異常變化，這一事實(shí)表明通過適當(dāng)?shù)姆椒軌驅(qū)PS觀測(cè)應(yīng)用于地震的中短期預(yù)測(cè)研究，極有可能為地震預(yù)報(bào)提供一條物理預(yù)報(bào)的新途徑。

如果已知發(fā)生異常變化的臺(tái)站分布以及加卸載響應(yīng)比的異常程度等，本文提供的算法可以為系統(tǒng)地預(yù)測(cè)目標(biāo)地震的震中位置以及發(fā)震的強(qiáng)度提供重要的依據(jù)。即使在GPS網(wǎng)絡(luò)分布較為稀疏的地區(qū)也能通過局部臺(tái)站時(shí)間序列變化，對(duì)各地區(qū)地殼介質(zhì)的穩(wěn)定狀況進(jìn)行分析，為未來地震的發(fā)生趨勢(shì)提供參考。

目前算法雖然已經(jīng)有了一些成功的震例研究，然而由于地殼運(yùn)動(dòng)GPS觀測(cè)的密度和精度限制，還難以應(yīng)用到地震預(yù)測(cè)研究實(shí)踐，算法本身的發(fā)展也有待未來大量數(shù)據(jù)檢驗(yàn)和證實(shí)。

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A Simple Attempt to Apply GPS Observation to Short－intermediate－term Earthquake Prediction

YU Huai－zhong，CHENG Jia

（China Earthquake Network Center，Beijing 100045，China）

P315.725

A

1000－0844（2011）01－0009－06

2009－12－14

科技部國(guó)際科技合作項(xiàng)目“華北地區(qū)地震構(gòu)造與地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)新方法合作研究”（2010DFB20190）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：40704007）；中國(guó)地震局地質(zhì)研究所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)（批準(zhǔn)號(hào)：DF－IGCEA－0607－1－16）

余懷忠（1975－），男（漢族），安徽合肥人，主要從事地震預(yù)測(cè)理論與前兆方法研究.