沈正康

北京大學地球與空間科學學院，北京 100871

0 引言

科學發(fā)展史上經(jīng)常有這樣的故事，某種全新的觀測手段的發(fā)明帶來全新的觀測結果，引發(fā)相關科學領域的一場革命.這樣的例子有光柵的發(fā)明催生了波動光學，而顯微鏡的發(fā)明使人們認識全新的微生物世界.這種觀測手段引發(fā)革命的事例在科學發(fā)展的今天仍時有發(fā)生，每一次都會對學科的發(fā)展產(chǎn)生巨大推動.20世紀晚期開始發(fā)展的衛(wèi)星大地測量就是這樣一種發(fā)明，它的發(fā)展和完善催生了地學研究領域的一場革命.

衛(wèi)星大地測量技術主要包括二類，其一是全球導航服務系統(tǒng)(GNSS)，另一類是合成孔徑雷達(SAR).由GNSS技術進一步發(fā)展出精密衛(wèi)星定位，如全球定位系統(tǒng)(GPS)，在20世紀80年代開始用于地殼形變場監(jiān)測；由SAR技術進一步發(fā)展起來的合成孔徑雷達干涉測量技術(InSAR)在20世紀90年代開始用于地殼形變場觀測.GPS可以實現(xiàn)測站三維精確定位，精度達到毫米級；一經(jīng)應用就在不同時空尺度的構造形變場監(jiān)測中發(fā)揮重要作用：從長期監(jiān)測的全球板塊運動，區(qū)域構造變形和斷裂帶震間形變，到覆蓋不同頻段的地震破裂過程監(jiān)測; 從地震波記錄，同震形變場，到震后形變過程(Segall and Davis, 1997).而InSAR可以在沒有地面觀測設備的情況下，實現(xiàn)二維空間在一定空間格網(wǎng)內(米級尺度)沿雷達視線向(LOS)的形變量測，精度可達到厘米級(Bürgmann et al., 2000), 觀測時間間隔從早期的35天(ERS與Envisat衛(wèi)星)到如今的6～12天，甚至更短(如Sentinel-1系列衛(wèi)星).隨著SAR衛(wèi)星高精度觀測數(shù)據(jù)的不斷累積，InSAR形變場監(jiān)測從早期的以同震變形測量為主，逐漸擴展到如今包括震間形變和震后形變等地震周期中的多個階段.

王仁先生從20世紀70年代起開創(chuàng)了地震構造學和地球動力學研究的新方向(王仁，1977)，嘗試通過嚴格的力學分析對一系列地球動力學和地震學問題給出答案.但是受觀測資料所限，許多問題在當時難以得到廣泛驗證.而運用衛(wèi)星大地測量方法對地殼形變場進行精密時空觀測，可以為地震學與地球動力學研究提供至關重要的觀測資料，促進學科發(fā)展到一個新的時代.對于東亞地區(qū)來說，由于印度與歐亞板塊的碰撞造成青藏高原的隆升和周邊地區(qū)的大范圍變形，其奇特的構造地貌與強烈的變形使得東亞大陸成為地學界廣泛關注的大陸動力學研究的重要實驗場與研究焦點，強烈的地震活動也使得該地區(qū)成為地震學與構造物理學研究的前沿，研究成果具有強烈的社會意義.本文謹以我所經(jīng)歷的GPS與InSAR方法用于東亞大陸地震學與地球動力學研究的歷史作一個簡略的回顧.

1 板塊運動學研究

板塊運動學說是地學領域的一場革命.引領這一場革命的實現(xiàn)是來自海底地貌、古地磁和俯沖帶地震的觀測結果.由此獲得的板塊運動模型給出了全球各大板塊在地質時間尺度(百萬-千萬年)的平均運動速率(NUVEL-1模型，DeMets et al., 1990，1994).但是這一模型的精度不足以揭示其在不同時空尺度上的廣泛適用性，如：地質時間尺度得到的模型是否仍然適用于描述現(xiàn)今地殼運動？此外，這一模型無法解釋大陸內部的形變場，而這種形變場在部分大陸內部廣泛存在，特別是東亞大陸.所以另一個需要回答的問題是：大陸內部不同尺度的次級塊體是怎樣運動的，與此相關的形變場是如何分布的？

針對歐亞板塊的運動學問題，Shen等(2000,2001)分析了20世紀90年代在東亞至歐洲大陸的GPS流動與連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，得到的結果表明：1)歐亞大陸北部構成穩(wěn)定的剛性塊體，覆蓋從北歐到西伯利亞數(shù)千公里范圍，其內部應變率在1 nano-strain/a左右或更低.2)印度板塊相對歐亞板塊運動速率～36 mm·a-1，這一結果比全球板塊運動模型NUVEL-1的預測值要低～6 mm·a-1(Shen et al., 2001)，也被其后的GPS資料分析結果證實(如Sella et al., 2002).這一結果促使NUVEL-1模型的提出者對模型作進一步檢驗，發(fā)現(xiàn)原模型對于東非裂谷的運動估計存在誤差，修正之后預期印度板塊運動的結果與GPS結果相當一致(DeMets et al., 2010).這也說明在從東部非洲到西伯利亞數(shù)千公里尺度的板塊運動中，地質與大地測量得到的結果相當一致.而進一步的GPS全球板塊運動研究也表明，雖然存在一些例外，多數(shù)全球板塊的運動在大的空間尺度上具有極高的穩(wěn)定性(Sella et al., 2002).

從20世紀70年代起人們就認識到受到印度板塊北向推擠，東亞大陸內部形變劇烈(Molnar and Tapponnier, 1975).但是形變究竟是如何分布的一直存在爭議，特別是中國東部地區(qū)受到何種影響并不清楚，這也使得相應的動力學機制爭論不斷持續(xù).Shen等(2001)借助區(qū)域GPS觀測結果，首次發(fā)現(xiàn)：印度板塊推擠造成中國大陸大范圍的物質東向逃逸，在華南地區(qū)(以上海、武漢臺站為代表)速率達到～8 mm·a-1，而進一步的研究表明中國大陸東部可以劃分為東北、華北、華南三個活動地塊，其東向逃逸速率由北向南逐步增加，從～2 mm·a-1,～5 mm·a-1, 到～8 mm·a-1，并同時伴有逆時針旋轉(Calais et al., 2006; Wang and Shen, 2020).這樣的運動是東亞大陸與相鄰印度、太平洋和菲律賓板塊相互作用的結果，也為相應的動力學機制的研究提供重要約束.

青藏高原形變模式一直是人們爭論的重要內容.Wang等(2001)、Zhang等(2004)、Gan等(2007)等發(fā)現(xiàn)：形變在高原內部高度連續(xù)，在高原南部形成東向流動場，在東端形成繞東喜馬拉雅構造結的大尺度順時針旋轉(Chen et al., 2000; Shen et al., 2005).而印度板塊對青藏高原的推擠不僅造成高原物質的東向逃逸，在玉樹斷裂與嘉黎斷裂之間達到峰值～20 mm·a-1；也造成物質的西向逃逸，在興都—庫什—帕米爾高原達到峰值～6 mm·a-1(Wang and Shen, 2020).這些結果揭示高原內部巖石圈介質極強的流變學特征，在印度板塊的橫向推擠和高原重力勢作用下地殼物質產(chǎn)生的流滑響應.

2 斷裂帶活動性研究

在GPS被用于斷裂帶活動性研究以前，相關研究主要采用地質與傳統(tǒng)大地測量方法.傳統(tǒng)大地測量的觀測精度有限，并且誤差隨著觀測距離增加而增大.由于孕震斷層的閉鎖效應，觀測斷層錯動需要跨越幾十公里的斷層彈性形變區(qū)，使得高精度的斷裂帶形變監(jiān)測很難實現(xiàn).GPS方法的應用使得斷裂帶活動性監(jiān)測現(xiàn)狀得以改觀，并且?guī)硪幌盗兄袊箨憛^(qū)域構造運動的全新認識.主要有：

1)阿爾金斷裂帶走滑運動.作為青藏高原北緣的大型走滑斷裂，阿爾金斷裂的滑動速率一直受到強烈關注，并且被認為是判斷青藏高原形變模式的關鍵證據(jù)之一：高滑移率被認為支持塊體運動模式，而低滑移率符合連續(xù)形變模式.GPS和InSAR觀測獲得的斷裂帶中段～9 mm·a-1的錯動率(Bendick et al., 2000; Shen et al., 2001; Elliott et al., 2008)，可以認為是對青藏高原有限大型塊體運動模型的否定.

2)張家口—渤海地震帶(張渤帶)現(xiàn)今構造變形.在應用GPS方法研究華北地區(qū)構造形變場之前，人們的一般認識是該地區(qū)構造活動由一系列走向北北東的走滑斷裂所支配，如郯廬斷裂、唐山—河間—磁縣斷裂等，一系列歷史地震也發(fā)生在這些斷裂帶上.走向北西西的張渤帶雖然中小地震密集，但一般不認為它是一個主要構造邊界.而Shen等(2000)分析華北地區(qū)的GPS觀測資料，沒有發(fā)現(xiàn)北北東走向斷層的明顯活動，但發(fā)現(xiàn)跨張渤帶存在～2 mm·a-1的左旋走滑.這一結果表明張渤帶是中國東部地區(qū)活動性最強的塊體邊界，構成了東北(阿穆爾)塊體與華北塊體的邊界，而不是傳統(tǒng)活動地塊模型認為的燕山北緣山前斷裂作為兩個塊體的邊界.這一結果對于認知華北—東北地區(qū)的活動構造模型和形變模式以及相關的地震危險分析都有重大修正(張培震等，2003；Zhang et al., 2018; Wang and Shen, 2020).

3)龍日壩斷裂活動的發(fā)現(xiàn).在GPS方法用于青藏高原地殼形變場研究之前，人們知道青藏高原物質存在東向逃逸，但對于逃逸的方式、量級以及相關的結構并不清楚.Shen等(2005)報告了一個新發(fā)現(xiàn)，在青藏高原東緣甘孜—玉樹地塊內存在一個走向北東的右旋剪切帶，錯動率～5 mm·a-1.其后的地質學研究證實這一剪切形變來源于龍日壩斷裂帶，并且找到其全新世活動痕跡(Xu et al., 2008).區(qū)域構造運動分析表明青藏高原的東向逃逸分為南、北兩部分；以甘孜—玉樹斷層為界，南部物質以鮮水河—小江斷裂為外邊界作順時針旋轉，最終融入印支北部高原；而北部物質沿龍日壩斷裂向北東方向運動，驅動著高原東北緣向北東方向擴展及該區(qū)域一系列逆沖推覆構造的現(xiàn)今活動.所以龍日壩斷裂帶構造活動的發(fā)現(xiàn)對于認識高原現(xiàn)今變形模式及機理有著十分關鍵的作用.

4)青藏東南緣回轉塊體的發(fā)現(xiàn).在GPS方法用于青藏高原地殼形變場研究之前，普遍認為高原東南緣地區(qū)存在一個“川滇菱形塊體”，構造運動圍繞這個塊體的周邊發(fā)生.塊體的北邊界和東邊界是左旋走滑運動的鮮水河—安寧河—則木河—小江斷裂帶，塊體的西南邊界是右旋走滑運動的紅河斷裂帶.GPS觀測給出了同傳統(tǒng)認知很不一樣的結果.Shen等(2005)發(fā)現(xiàn)青藏高原東南緣物質相對華南地塊作順時針大回轉，其回轉外邊界即是鮮水河—小江斷裂系.與傳統(tǒng)認知不同的是，紅河斷裂活動性不強，其右旋走滑運動強度可能還不如其北面的南華—建水斷裂和南面的無量山斷裂.而塊體的回轉運動造成紅河斷裂南向彎曲，其外邊界由小江斷裂穿過紅河斷裂向西南方向偏轉，形成包括奠邊府斷裂在內一系列左旋走滑斷裂的形變帶(王閆昭等，2008).Wang和Shen(2020)則進一步發(fā)現(xiàn)這一回轉地塊的內邊界，包括嘉黎斷裂、瀾滄江斷裂、怒江斷裂、大盈江斷裂、龍陵斷裂等在內的右旋走滑運動邊界.這些結果有助于認識該地區(qū)構造運動的動力學機制，也有助于修正長期以來基于地質學研究獲得的構造運動模型，區(qū)分歷史構造運動與現(xiàn)今構造運動的區(qū)別；而這一點對于認識地震危險性，減輕地震災害尤其重要.

5)中國大陸現(xiàn)今活動塊體的運動.根據(jù)GPS資料分析獲得了現(xiàn)今中國大陸塊體運動的定量結果(如：王敏等，2003；Wang and Shen, 2020).根據(jù)塊體內部運動一致性與塊體間運動差異性分析，可以認為青藏高原與天山以外的中國大陸可以分為東北、華北、華南、鄂爾多斯、塔里木和準噶爾6個活動地塊.這些地塊內部相對穩(wěn)定，形變主要發(fā)生在塊體邊界.中國東部地塊內部應變率一般在～1 nano-strain/a范圍；而華北地塊具有其特殊性，由于獨特的地理位置與邊界作用，內部剪切形變較為強烈，應變率達到～2 nano-strain/a，引發(fā)斷層和地震活動.

3 地震構造與物理機制研究

過去30年來GPS(包括高頻GPS)和InSAR方法已經(jīng)成為地震研究的有力武器.通過觀測地震發(fā)生過程中地表位移場的演化，人們可以反演同震破裂分布、震后的余滑過程與介質的弛豫形變，由此推斷斷裂帶結構、介質力學性質、構造應力場的時空演化、地震的孕育與發(fā)生過程等，并對區(qū)域未來地震危險性做出評估.這方面的典型研究案例如2008年的汶川地震.由GPS和InSAR觀測提供約束，Shen等(2009)、Wang等(2011)、Fielding等(2013)和Wan等(2017)等反演了地震破裂斷層的幾何形態(tài)和破裂空間分布；結果顯示斷層存在明顯的分段，各段之間存在空間錯位，地震的發(fā)生表現(xiàn)為各段的梯次破裂，即克服斷層段之間幾何障礙體的級聯(lián)破裂.這一結果揭示了大陸內部類似龍門山斷裂、兼具走滑分量的大型逆沖斷裂發(fā)生大地震可能具有的特征：這類斷裂構造一般具有分段性，各段之間形成幾何障礙體，而大地震的發(fā)生需要突破這些障礙體，形成級聯(lián)破裂.所以障礙體的研究是研究大陸逆沖型大震發(fā)生方式和機制的重要內容，而現(xiàn)今空間大地測量學(如GPS和InSAR)為此提供了充分的數(shù)據(jù)約束.

4 地震震后形變與構造運動動力學機制研究

青藏高原地殼形變動力學機制一直是一個爭論的話題，爭議的焦點之一是下地殼與上地幔的形變方式以及它們與上地殼形變的耦合程度，例如是否存在下地殼流并且驅動著地殼形變.這些問題的回答與下地殼上地幔介質流變學性質直接相關，而這些力學性質平時很難被觀測到.大地震的發(fā)生造成巖石圈內應力場的突然改變，由此激發(fā)下地殼與上地幔介質的弛豫形變.這樣的形變會造成地表位移，可以通過大地測量的方法觀測到，并用來反演下地殼與上地幔的流變學性質.21世紀初在青藏高原及邊緣發(fā)生的兩個大震即為我們研究高原巖石圈流變學性質及構造運動動力學介質提供了機會.

2001年在青藏高原北部東昆侖斷裂發(fā)生了MW7.8可可西里地震.地震后人們通過GPS和InSAR進行了多年的震后形變觀測，并用來反演巖石圈流變學結構(如Ryder et al., 2011; Wen et al., 2012; 賀鵬超等，2018).賀鵬超等(2018)結果表明斷裂帶兩側下地殼與上地幔介質黏滯系數(shù)有明顯差異，北側的柴達木盆地為1.5×1020Pa·s而南側的巴顏喀拉—羌塘地區(qū)為1.5×1019Pa·s，意味著巴顏喀拉—羌塘地區(qū)下地殼可能存在部分熔融，其地殼形變模式更趨近于塑性連續(xù)形變；而柴達木盆地形變場則包含更多彈性形變成分.即便如此，研究區(qū)南部的巴顏喀拉—羌塘地區(qū)其下地殼介質長期黏滯系數(shù)比下地殼流模型所主張的黏滯系數(shù)高二三個數(shù)量級，表明下地殼流在本地區(qū)可能不存在.

類似的研究也在2008年汶川地震之后展開(如Huang et al., 2014; Diao et al., 2018).Wang 等(2021)通過分析GPS觀測得到震后形變場并用來約束巖石圈弛豫形變模型，結果表明青藏高原東緣的松潘—甘孜地區(qū)下地殼介質長期黏滯系數(shù)為～5×1018Pa·s，上地幔介質黏滯系數(shù)為～2×1019Pa·s，證實該地區(qū)介質力學性質符合“三明治”模型.但下地殼介質流變學系數(shù)比下地殼流模型所主張的高一二個數(shù)量級，表明下地殼流在本地區(qū)可能不存在.而形變模式表現(xiàn)為上地殼一系列共軛斷裂的剪切形變和下地殼的連續(xù)塑性形變，共同吸收青藏高原東緣的東西向消減和南北向擴張.

5 構造應力場演化、強震遷移與地震危險性研究

20世紀70年代王仁先生開創(chuàng)了用數(shù)值方法模擬華北地區(qū)過去700年構造應力場演化與強震遷移的研究，為地震危險性分析開辟了新的途徑(王仁等，1980).從那以后相關領域的研究有了很大進展，其中衛(wèi)星大地測量的觀測也做出很大貢獻，包括提供強震破裂分布、地震矩精確測量和長期構造加載的量化約束.這方面早期的工作有用力學方法模擬東昆侖斷裂帶上地震發(fā)生與構造應力場時空演化的關系及其地震危險性分析(沈正康等，2003)，汶川地震造成的區(qū)域應力場變化及地震危險性分析(如Parsons et al., 2008; Wan and Shen, 2010)等.更為深入的分析有：

1)華北地區(qū)構造應力場演化與強震活動研究(沈正康等，2004).這一研究是二十多年后對于王仁等(1980)工作的更新.相較1970年代，計算硬件軟件都有了極大的發(fā)展，通過GPS觀測得到的地殼形變場也為更為精確的長期構造加載約束提供了可能.該研究采用黏彈性力學分層模型模擬構造應力場時空演化，用重新標定的歷史地震地震矩與破裂量計算應力場的改變，考慮同震、震后與長期構造加載造成斷裂帶上庫侖應力的變化.結果表明庫侖應力的增加與后續(xù)地震的發(fā)生有很高的相關性(～80%)，在此基礎上對于未來地震危險性增加的地區(qū)做出判斷.

2)川滇地區(qū)構造應力場演化與地震危險性研究(Wang et al., 2015).區(qū)域地震危險性可以借助多種觀測資料與分析方法進行分析，包括：a)與歷史地震目錄的空間相關性；b)與大地測量得到的地區(qū)應變率場的空間相關性；c)與斷裂帶上累積地震矩大小的相關性.該研究根據(jù)這三種方法，借助地震、地質和GPS觀測資料和斷層震間形變演化模型對川滇地區(qū)地震危險性進行評估.其中用到的應變率方法在美國南加州的地震預測實驗中獲得相當好的結果(Shen et al., 2007; Zechar et al., 2013)，期待在川滇地區(qū)的應用在未來獲得進一步的檢驗.

3)紫坪鋪水庫蓄水對汶川地震觸發(fā)作用研究(Tao et al., 2015).2008年汶川地震造成重大災難，而建在發(fā)震斷層附近的紫坪鋪水庫于震前2.7年開始蓄水，其與本次地震的關系引起世人關注.基于完全耦合孔隙彈性理論，利用三維有限元模型模擬水庫蓄水造成的區(qū)域孔隙壓力場和應力場的演化，結果顯示紫坪鋪水庫蓄水形成孔隙壓力梯度源并向周邊地殼傳播，造成龍門山斷裂帶上庫侖應力增加且范圍逐步擴大.影響由淺入深擴散到整條斷層，尤其對淺層范圍的加載作用明顯，達數(shù)十千帕，等效～60—450年的斷層構造應力加載.綜合分析認為汶川地震的發(fā)生有可能源于起始點的小震破裂，觸發(fā)已接近破裂邊緣的淺層斷裂帶大規(guī)模破裂，汶川地震可能與紫坪鋪水庫蓄水造成的間接觸發(fā)作用有關.

6 結語

以上的回顧僅為衛(wèi)星大地測量方法應用于東亞大陸地學研究中的一些成果，多與本人研究有關，有一定主觀成分，并不全面.但是從中可以反映出地球動力學與地震學在該地區(qū)過去30年來取得的重大進展，謹以此作為對王仁先生的紀念.

致謝感謝紀念王仁先生百年誕辰組委會的邀請，感謝多位合作者特別是王敏、張培震、孫建寶、萬永革、王閆昭、陶瑋等的學術貢獻，感謝編輯與四位匿名評審的細致審閱、認真批改及建議，使得文章得到很大完善與提高.