福建省地震地形變學科發展研究報告

福建省地震學會

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福建省地震地形變學科發展研究報告

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該文詳細介紹了近40年來，福建省地震地形變學科發展的概況。福建省地形變觀測網是由全省GPS連續觀測網、重力、水準、地磁流動觀測網以及重力、傾斜與應變觀測臺站組成。經過“十五”、“十一五”、“十二五”的發展，福建省地殼形變臺網建設得到了進一步加強，從而推動了我省地殼形變的地震預測與研究工作的快速發展，在推進全國地殼形變學科發展中也起到了積極的作用。

地震 地形變 發展研究 福建省

0 引言

我國地殼形變的地震預測與研究工作已開展40多年，并形成了具有中國特色的相當規模的地殼形變預報地震觀測和研究體系，在推進地殼形變學科發展中起到了積極的作用。

地殼形變是地殼介質在內生的構造應力和外生的天體引力以及地表荷載力作用下發生的一種表現形式。與地震有關的地殼形變則是在孕震過程中，隨著構造應力的不斷積累，直到巖石發生破裂前后的一種最直接的伴隨現象，這種構造應力積累直到巖石快速破裂，一般需要數十年甚至更長的時間，因此與其伴生的地殼形變呈現出長、中、短、臨的時空變化圖像。

對上述具有不同周期的地殼形變，要采用具有不同頻率響應的觀測儀器進行觀測。對于由地震激發的高頻地殼運動，可采用地震儀進行觀測，這種儀器的最佳頻率范圍通常從十分之一秒到幾分鐘，而監測非常緩慢的地殼形變則可采用常規的大地測量手段，至于監測介于這兩者之間的頻率范圍的地殼運動，可通過在特別感興趣的地區內增加大地測量的觀測次數，布設全球性的長周期和超長周期地震儀臺網以及發展地球物理和大地測量新技術來達到。在發展地球物理和大地測量儀器方面，近20年來，我國地殼形變觀測技術有了長足的發展，特別是隨著數字化觀測儀器（重力、傾斜和應變儀）和空間大地測量技術（如GPS）的發展，使我們可以對高至地震頻率、低至零頻這樣一個非常寬闊的頻率范圍內的地殼運動進行監測，使我國的地殼形變觀測研究進入了一個新的發展階段。這些新進展主要表現在兩方面：一是在空間尺度上把地殼形變觀測的各個手段聯成一個整體的觀測系統，從而有可能獲得真實的地殼運動圖像；二是幾何觀測與物理（重力）觀測相結合，使地殼形變研究工作由幾何學向運動學、動力學方向發展，使人們有可能定量化地研究地殼形變動力學過程，從而可以對地殼形變進行一定的預測，推動地震預報及地震災害的預測研究工作。觀測系統的長足進展日臻完善，為采用地形變預測預報地震提供了堅實而可靠的基礎。

地殼形變觀測對地震理論認識的最大貢獻是在1906年美國舊金山地震前后進行的三角測量，從而導致了美國大地測量學家里德系統地闡述彈性回跳理論。現在關于震源的很多知識是來自震前和震后大地測量資料的比較。比較的價值取決于震前與震后測量的精度。同時，大地測量精度的改進使對較小地震的震源機制研究成為可能，并有可能揭示地震的前兆。

實驗和理論研究表明，在應變積累過程中由于地殼介質的不均勻性，會在破裂（地震）之前出現明顯的在時間上分階段的不同周期的地殼形變，這就是目前采用大面積形變測量、跨斷層形變測量和固體潮汐形變測量方法進行地震預報的理論基礎。

1 地殼形變預報地震的科學思路

地震大都發生在活動板塊的邊界和活動斷裂帶上，在這些條帶上發生突發性位移（地震）之前，地面位移、應力場會相繼發生長、中、短、臨變化，而這些變化又是與孕震過程的階段性有關，且前兆反映一般以群體形式顯示。總之，根據地形變在時空上的這些變化特征，并結合當地的地質構造背景，可以對大震前地殼應力—應變狀態進行跟蹤，以便圈定地殼形變較顯著的地區作為今后要發生地震的可能地點。因此，研究判定與地震相關的地形變前兆，可采用以下物理判據與方法：

1.1 大面積地形變與地質構造的一致性

短臨前兆出現之前的大面積地形變分布主要反映了地殼大范圍運動的概貌。正常的大面積地殼運動具有速度緩慢，變化形態與地殼淺部構造分布一致，與大區域應力場在方向和強度上相適應的特點。因此構造形變都是沿活動斷裂帶分布的，當局部地區的構造單元運動速率明顯改變，在其邊緣出現垂直形變高梯度帶和重力梯度帶，當它們的分布與地質構造一致時，則反映了這些構造單元相對運動，從而反映現今構造應力場的作用方式。構造單元的邊緣往往容易出現應變、垂直形變和重力等值線形態的轉折和密集，形成高梯度帶。因此，短臨前兆出現之前的大面積地殼形變及其形成的梯度帶是判定地形變短臨前兆的物理判據之一。

1.2 地形變異常的階段性

地震是地殼以突然破裂的形式表現出來的一種地殼變形。在主破裂（地震）前后，地殼演變過程具有長期緩慢變化、快速變化、震前突變和震后調整四個階段特征，這是與地殼的非均勻性分不開的。因此，在短臨前兆出現之前是否會出現長期和中期地殼形變是判定短臨前兆的物理判據之一。因為根據地殼介質的非均勻性，在震前，地殼介質會經歷非線性—線性—非線性變形三個階段。就破裂過程而言，會經歷張性微破裂—剪切破裂—主破裂三個基本過程。這兩者從不同角度反映了受破裂過程控制的地殼形變大致分為長期、中期和短臨三個階段。

1.3 不同地區地形變異常的差異性和復雜性

在大震發生前，不同地區的地形變異常有很大的差異，也表現出復雜性。這與不同地區大地構造單元的分布及其特點，地殼介質的性質，主斷裂帶的分布、產狀與活動水平有關。一般來說，對正斷層而言，垂直形變較顯著；對走滑斷層而言，水平位移較顯著；在兩條或多條斷層交匯或轉折處，垂直形變和水平位移都較顯著。大震之前地殼形變的這種差異性和復雜性正是不同地區存在不相同構造背景的一種表現形式。

1.4 地形變短臨前兆特征

震前地形變短臨前兆種類上呈現出群體性，空間上表現出集中性，時間上出現有序性。地形變前兆群體性是指在震前會陸續出現種種類型的地形變，不過各次地震前有所不同，因為從整體大地測量的角度看來，任何一種形變都可表示為地點、時間和重力位的函數，這種地形變前兆的群體性體現了各種地形變量、重力與應力之間的物理上的相關性。在震前，不但地形變前兆表現出群體性，而且其它手段（如地下水位、水化學萬分、地電、地磁）亦會出現異常，這正是各種物理量和水化學組分對震源過程的不同響應。地形變前兆在時間上的有序性是指在應變積累的過程中，由于地殼介質的不均勻性，會在破裂（地震）之前出現明顯的不同階段，會出現周期不同的地形變，越接近破裂，響應就越明顯。地形變前兆在空間上的集中性是指孕震過程發展到某一特定階段后，各種地形變異常會逐漸轉移到未來震中附近的一個較小范圍內。

2 地殼形變監測地震的基本方法

地殼形變可理解為可變形地塊的起始狀態（未變形）和終止狀態（已變形）之間的地塊位形的變化，這種位形變化包括地塊質點的位置變化，質點之間的距離及方向變化，后者即為塊體的變形。地殼形變是由于地殼質點的位移所引起的，位移為質點的位置向量在兩個不同時刻之差，單位時間的位移即為該質點的地殼運動速率。根據彈性力學理論，任何變形都是由平移、旋轉和應變三部分組成。地殼形變從空間分布來分，可分為全球性的、區域性的和局部性的；從時間尺度來分，可分為長期性的、周期性和間歇性的；從對作用力的響應來分，可分為彈性形變和粘滯性形變；從地形變的方向來分，可分為垂直形變和水平形變，對這兩個分量進行矢量合成，最終可確定地殼形變的方向和大小；從形變的成因來分，又可分為構造形變、地球潮汐形變和地殼載荷形變和突發性形變，前者與板塊運動和斷層活動有關，中者與天體起潮力有關，次者與海潮和水庫蓄水有關，后者與火山和地震有關。

不管是垂直形變觀測還是水平形變觀測，地面上的一切觀測都是在地球重力場中進行的。因此在進行高精度的地形變觀測時，配合進行高精度的重力測量，不但可以對測量結果進行固體潮改正，而且可以把幾何與物理測量結合起來對地殼形變的動力學過程進行研究。

震前地形變類型決定了監測震前地形變應采用的觀測手段。要監測地面的垂直位移，需采用水準儀；對水平位移，可采用基線、激光測距和GPS等手段；對于旋轉，可采用經緯儀進行方向觀測以確定方向改變量，或者通過應變觀測經解算確定；要確定一個區域內的應變場狀態，可根據該區域內諸點的位移改變量通過解算而獲得，對于某一點的應變狀態，可采用應變儀對三個以上方向進行觀測得到；對于震前因地殼介質密度變化以及點位高程變化所引起的重力變化，可采用重力儀進行觀測。有了好的觀測手段，又有考慮縝密周到的多層次的觀測臺網，才能根據所監測到的地形變資料作長、中、短、臨地震預測預報。目前我國是通過以下方法與途徑來進行預測的：

①監測大面積重力場、位移場和應變場的中長期趨勢變化。主要觀測手段為精密水準測量、水平形變測量、流動高精度重力測量和空間大地測量。現有的水準網大部分是在原國家一、二等水準網的基礎上改造、擴建而成，按一等水準要求進行復測，復測和聯測精度為10-6，達到國際同類觀測水平。水平形變監測網是由GPS站所構成，分為連續觀測和定期復測兩種，GPS觀測的精度可達到毫米級。

②監測斷層中、短期運動學和動力學特征。斷層形變觀測方法有短水準測量和連續自記動態測量兩種方法，精度可達10-6~10-7。

③監測固體潮短臨前兆變化特征。固體潮是指固體地球對天體起潮力的3種不同響應方式，分別為重力、傾斜和應變固體潮。天體起潮力對地震發生可起到一種觸發作用，在地震發生之前，這3種固體潮會發生畸變，潮汐因子會隨之變化。為了監測這些變化，我國已建立了固體潮監測臺網，該臺網是由重力、傾斜和應變固體潮觀測臺站組成，重力儀的精度可達1微伽（10-8m/秒2），傾斜儀的精度可達到1ms (0.001角秒)，應變儀精度可達10-8~10-10。

在我國，從20世紀90年代起，已初步建立了一個較完整的地殼形變監測系統，該系統是由中國大陸地殼形變監測、區域地殼形變監測、斷層形變監測和固體潮監測網等4個子系統組成。中國大陸形變網主要采用VLBi、SLR、GPS、精密水準測量、高精度重力測量以監測中國大陸地殼運動全貌、次板塊相對運動，其作用是提供基礎背景資料，參與全球地球動力學研究。區域形變網主要采用GPS、精密水準和流動重力測量，對該區域的地震危險區地殼形變圖像及其進程進行監測，其作用是提供長、中期地震前兆信息。斷層形變監測網主要采用短水準、測邊小網、重力測量、連續自記動態觀測，以監測主要斷層的活動狀態，提供中、短、臨地震信息。固體潮形變監測網所采用的主要觀測方法為地傾斜、地應變與重力，其監測的內容為固體潮波形畸變，潮汐因子的變化以及地殼介質的物性變化，以期提供震前中、短、臨信息。

3 國內外地震地形變學科發展現狀

3.1 國外地震地形變學科發展現狀

大震發生后，人們常可看到道路錯開，鐵軌扭曲，地面開裂、沉陷或隆起，冒沙噴水等一派觸目驚心的地殼變動景象。人們不禁要問，震后地面會發生如此有目共睹的地殼形變，地震前地殼亦會發生形變嗎？回答是肯定的。不過，一般說來，這種形變不是肉眼所能察覺出來的，它是一種緩慢的形變過程，要用精密的觀測手段才能檢測出來。也許美國人里德是世界上最早企圖用測量地殼運動的方法研究震前地殼形變理論的一位學者，他根據1851年~1855年間的三角測量結果和震后立即進行的測量結果分析了1906年美國舊金山8.3級大地震，根據這些分析結果提出了彈性回跳理論。這個理論認為，由于圣安德列斯斷層的相對運動導致了地殼中彈性應變能的積累，當應變達到臨界點時，斷層回跳產生地震波。根據他的計算，震前50年間斷層相對位移大約3.2m，震時最大滑動量達6.5m，據此計算舊金山地震的復發周期為100年。上世紀80年代對圣安德列斯斷層的開挖調查結果，認為該區大地震的平均復發時間為150年或200年。里德所采用的長期地震預報方法基本上與現在一樣，亦是以預測地殼應變程度來進行預報。

從物理學觀點看，斷層彈性回跳理論對發生地震的本質給出了較為完善的解釋，從而被各國地震學家所接受。后來，由簡單的彈性回跳模型發展到斷層位錯理論，繼又轉向對震源物理過程的研究，使我們對孕震過程中產生地形變的機制及其演化過程了解得更為清楚。既然地殼形變是由斷層的位錯所引起的，當然就可以根據斷層的幾何參數（走向、傾向、傾角、長度、寬度、走向滑動錯距、傾向滑動錯距、斷層上下邊界距地殼的距離、斷層埋深）來計算斷層錯動在地表面的位移，反之，亦可根據大地測量資料反演斷層的震源參數。

在日本，今村明恒在第二次世界大戰前就曾試圖用測量的方法進行地震預報，他認為地震是由地塊傾斜引起的。應他的要求，日本陸地測量局在第二次世界大戰前對很多水準路線進行了復測，其中最有意義的是1944年東南海地震臨震前在靜風岡縣御前崎附近進行的測量，測量結果發現震前有異常的地面傾斜。

1980年，美國地殼運動測量專業委員會在其所提出的題名為《地殼形變監測戰略》的一份研究報告（下簡稱報告）中指出，從地震資料得到關于斷層活動細節的信息是非常困難的。在地震信號的記錄中，大部分能量局限于0.1～10秒的范圍內，盡管少量長周期地震儀可測到1000秒的地震動，較長周期的斷層運動是不能用地震方法監測的，但實際上它可改變應力分布。非彈性效應和余震發生率有很大關系。因此，這非常類似于緩慢的非彈性過程，此過程可改變應力分布而不釋放地震能量，而大地測量方法的主要貢獻在于此種方法能監測到地震頻帶寬度以外的準靜態位移。如果經典的大地測量技術能達到所要求的精度，則它們完全適用于此目的。美國地殼運動測量專業委員會的這份報告對全球范圍測量、活動板塊邊界附近測量、板內形變和其它新構造運動的測量，測量構造形變的儀器設備以及有關監測構造形變的大地測量戰略作了詳細深刻的闡述。特別是對地面觀測技術中的應變儀、傾斜儀、重力儀、激光測距裝置、氣泡水準測量的原理、精度及其布設方案作了較詳細的介紹，在空間觀測技術方面，對人造衛星激光測距（SLR）、甚長基線無線電干涉儀（VLBi）、全球定位系統（GPS）以及測量位置的其他空間技術的原理、精度、運用也作了全面的介紹。在這里，要特別指出，隨著GPS精度及采樣率的提高，今天GPS成了用來監測地殼地形變的一種多時空尺度、高分辨率的實時動態觀測系統，且可全天候、不要求通視、費用低廉的高技術手段。上述的空間測量技術與地面觀測技術已成為上世紀80年代以來美國監測地震帶內地殼各種運動的主要手段，其主要的任務分別為在地震帶內和地震帶周圍，監測其長期應變積累圖像及速率，監測可能的中期應變的變化，監測大震前可能出現的短期前兆。

美國從上世紀80年代開始，除了研制地面和空間測量技術以外，還對如何制定一個切實可行的觀測方案進行了規劃，例如在研究美國西部地殼運動時，建議對所采取的三邊和其它大地測量方案作如下實質性擴充：增大觀測頻度、大量加密觀測點、臺網的布設要擴大到離主要斷層更遠的地方、盡量把主要斷裂帶都包括進去；對一個大的地震帶，該報告認為地殼形變測量的主要目標應進一步提高精度，擴大監測范圍，它應包括盡可能以最高的精度對擴充的地形變網進行半年或一年一次的復測工作，對沿主要斷層布設點距為10公里或20公里的兩點之間的距離進行定期的復測工作（約2周復測一次），在小范圍內，采用定點監視儀器進行幾乎連續的觀測，以便檢測大震之前的任何短期前兆；要用空間技術把形變監測網擴大到美國之外的西半球和西太平洋的一些主要地震帶上去，并和這些國家進行協作；應該發展海底測量所必須的觀測儀器；應該改進覘標安裝和評價其穩定性工作，這些建議被許多國家所借鑒。

在如何利用地形變觀測資料進行研究方面，美國學者如普雷斯提出了利用位錯理論根據震前震后大地測量資料反演斷層震源參數，保加利亞學者維尼迪柯夫提出了利用固體潮觀測資料計算潮汐因子與相位滯后的數字濾波方法，潮汐因子反映震前地殼物性的變化可作為短臨前兆，如何剔除固體潮觀測資料中有問題的觀測數據，日本學者Nakaii提出了Nakaii方法，日后被普遍采用。

在地震成因研究方面，從地殼形變的角度來看，除早期根據大地形變測量資料提出彈性回跳模型外，美國學者于上世紀80年代根據巖石實驗和實測資料進一步發展提出了包括蠕變—粘滑現象的斷層模型，繼后美國學者肖爾茨又提出了膨脹擴容模式，無論哪一種模式均表明在地震的孕育、發生和發展過程中，由于地殼構造的復雜性和介質的不均勻性，會在某些特殊部位，例如活動斷裂帶出現劇烈的變化。

前蘇聯的梅謝里柯夫、美國的肖爾茨、日本的藤井陽一郎等學者根據大量震例總結出形變前兆的階段性特征，即穩定變化段α，加速變化段β，失穩段β2及震前突變段γ。圖1為巖石應力—應變本構關系示意圖，圖2是藤井陽一郎根據30個震例歸納的應變積累階段特征圖，圖2中的α段對應于圖1中的AB段，AB段表示地殼出現線彈性形變；β階段對應于BC段，表示地殼的非彈性變形明顯，非彈性體積應變使巖石出現膨脹現象，隨著應力增加，應變速率增大亦加快，C點表示巖石在一定條件下所能隨的最大載荷；γ階段可對應于CD段，此段與地震發生有著非常密切的關系，越過C點以后，地殼承載能力下降，應變加速，仿佛巖石隨應力增加而變軟；δ階段對應于DE段，表示地殼破裂已完成了，斷裂面已經形成。

圖1 巖石應力-應變本構關系示意圖

圖2 震前地形變前兆的階段性特征

隨著地形變觀測資料的增多，發現在同一個地點的震前地形變圖像呈現復雜性，沒有確定的前兆模式可言，為了解釋前兆的復雜性，西方學者分別從耗散結構理論、分形理論以及非線性理論角度對這種復雜性進行了研究，發現當外部傳遞給變形體系統的能量轉變為巖石內部應變能，當應變能積累到一定程度時，巖石開始軟化，將巖石內的應變能轉變為熱能和震時的彈性能，即將利用率較高的能量變為利用率較低的能量，這個過程就是巖石能量的耗散過程，在此過程中，地殼形變圖像呈現無序和有序同在，自組織和混沌并存局面，使對地形變分析推進到一個新局面。

鑒于地面觀測系統（例如傾斜儀、應變儀）易受到外界干擾，許多學者轉而致力于深井地球特理綜合觀測，尤其是在科技發達的國家得到了迅速的發展，建立了大量深井觀測站或長期觀測實驗點。在“地震之國”日本，深井觀測站的深度達1000～3800m，其中取得成功經驗的深井觀測研究項目有伊豆半島地震群、神岡礦山活斷層以及南非金礦的觀測與研究等。在2003年，東京大學、東濃地震研究所、名古屋大學等在日本本洲中部岐阜縣屏風山活斷層附近1020m的深井中，設置了世界上最先進的長期綜合地球物理深井觀測儀器，并進行了初期應力測量，結果表明，與地面觀測相比較，深井觀測能提高觀測精度1~2個數量級，如地應變能觀測到10-10的極微弱應變變化。美國從1992年底在著名的圣安德列斯斷層開展了深部長期觀測研究項目，又稱“地球透鏡計劃”，其中一個重要的組成部分為“板塊邊界觀測（PBO）計劃”，使用了大量的鉆孔應變儀，目前約有80個Gladwin 三分量鉆孔應變觀測點。德國亦已實施德國大陸超深鉆井計劃，簡稱KTP項目，該項目是德國地球科學領域規模最大，耗資最多的一個科學項目。

3.2 國內地震地形變學科發展現狀

3.2.1臺網建設與觀測技術

我國地殼形變監測系統按現有的觀測（臺）網綜合分類，它是由固體潮汐形變監測、斷層形變監測、區域地殼形變監測和中國大陸地殼形變監測四部分組成。區域地殼形變測量和中國大陸地殼形變測量，習慣上稱為大面積形變測量，主要觀測手段為精密水準測量、水平形變測量、流動高精度重力測量和空間大地測量。精密水準測量采用德國蔡司廠的Ni002精密水準儀施測，高精度重力測量采用拉柯斯特—隆貝格重力儀、德國的GS重力儀和國產的DZW型重力儀，觀測精度達1微伽，空間大地測量采用GPS。上世紀90年代起普遍推行了數字化觀測，水準測量采用數字水準儀，數字水準儀有德國蔡司廠的DiNi系列、瑞士徠卡廠的NA3003和日本拓普康生產的DL101等。我國在“九五”期間，選定了DiNi系列水準儀作為地震系統斷層形變定點臺站水準測量的監測儀器，DiNi系列中的DiNi11數字水準儀每公里往返測觀測中誤差為±0.30mm，測高最小讀數單位為0.01mm，測距最小讀數單位為1mm，單個測量時間為4s，而空間大地測量采用的GPS接收機則為美國AHTECH CGRS GPS接收機，該款GPS接收機為美國AHTECH公司出品的連續大地參考站觀測系統，是高精度科學研究、陸地測量、地理信息系統和工程應用永久性GPS基準站廣泛采用的設備之一，該接收機系統誤差（GPS衛星間），偽距（全波段）<1.00cm，載波相位（全波段）<0.01cm。在國家計委、科技部支撐的國家重大科學工程“中國地殼運動觀測網絡”項目中，除上述的AshtechZ-X11外，還引進了如Trimble4000SSI、Rouge8100等GPS接收機。

中國地震局牽頭的“中國地殼運動工程網絡”由VIBI.SLR、連續與超導重力站與GPS二期基準站、一期區域站、二期區域站與二期基本站組成，見圖3。

圖3 中國地殼運動工程網絡臺站分布圖

固體潮汐形變監測系統是由地傾斜、地應變和重力固體潮等3個子系統構成。這樣一個系統經歷了3個階段的發展，在第一個階段，以裝備低靈敏度、目視觀測儀器（第一代）為主，第二個階段以裝備高靈敏度（10-8~10-9）、能清晰自動連續記錄潮汐形變的儀器（第二代）為主，第三階段則是以模擬記錄為特征的第二代儀器向數字化儀器轉換為主，在實現數字化觀測后，固體潮汐監測系統就可通過不同時間的采樣，在一個非常寬闊的頻帶范圍內對地殼動力學現象進行觀測，以監測地殼運動的方向、速度及其巖石特性的變化，從而填補了測震學和大地測量學之間頻率范圍的空白，有利于監測短期前兆向臨震前兆的過渡和發展，并有利于監測震后的地殼調整過程（蠕變或松弛過程）。

地傾斜固體潮監測子系統目前所采用的數字觀測技術有DSQ型水管傾斜儀和VS垂直擺傾斜儀，前者的靈敏度為1ms（0.001"），日漂移量0.005",標定精度優于1%，全自動標定；后者的靈敏度為0.1ms，日漂移小于0.005"。

2010年全國傾斜觀測臺網正式運行并納入學科管理的臺站共161個。運行儀器包括水管傾斜儀、垂直擺傾斜儀、水平擺傾斜儀、鉆孔井下傾斜儀等類型，共計有252套儀器，主測項513個分量，觀測方式有數字化觀測與模擬觀測兩種。2010年度傾斜儀分布圖見圖4。

地應變固體潮監測子系統目前所用的數字化儀器有SS-Y型伸縮儀、TJ型體積式鉆孔應變儀、YRY-4型4分量鉆孔應變儀和RZW型4分量鉆孔應變儀。SS-Y型伸縮儀的觀測精度優于10-9，日漂移<1×10-8；TJ型體積應變儀的精度≤1×10-9，且自身穩定性≈1×10-7/a；YRY-4型鉆孔應變儀精度為10-9；RZB型精度為10-8。

2010年度應變觀測臺網正式運行并納入學科管理的洞體應變臺站96個、觀測儀器96套。在運行儀器包括伸縮儀、體應變儀、分量應變儀等類型，共計有227套儀器，主測項496個分量，觀測方式分數字化觀測與模擬觀測兩種。2009年度應變儀分布圖見圖5。

圖4 全國地傾斜臺站分布圖

圖5 全國洞體應變臺站分布圖

重力固體潮監測子系統所采用的數字化觀測儀器有DZW型重力儀和GS型重力儀。DZW型重力儀的讀數靈敏度為0.1Mgal，GS數字化重力儀是在對從德國ASKANIA公司引進的GS重力儀改造而成，改造后的精度為1×10-8ms-2。我國現有重力臺網包括39臺（套）重力儀，分布在14個省份，3個直轄市、5個自治區內。重力臺站分布見圖6。

圖6 全國重力臺站分布圖

上述SS-Y型伸縮儀、DSQ型水管傾斜儀、VS垂直擺傾斜儀以及DZW型重力儀分別為中國地震局地震研究所呂寵吾、聶磊、胡國慶研究員研制，對GS重力儀改造也是該所進行的，YRY-4型鉆孔應變儀由河南省鶴壁市地震局池順良教授研制，DZW型鉆孔應變儀由中國地震局應力研究所歐陽祖熙教授研制，TJ型體應變儀由應力所蘇愷之研究員研制。上述地形變儀器的性能與精度均已達到國際同類儀器的先進水平。有些儀器例如中國地震局地震研究所蔡惟鑫研究員等研制的石英伸縮儀曾于上世紀80年代~90年代遠赴歐洲比利時、西班牙、盧森堡進行地球動力學觀測，獲得好評，并獲得盧森堡大公國勛章。

3.2.2天體起潮力位展開及固體潮理論研究

起潮力為天體（月亮）對地球表面某一點的萬有引力與月亮對地心的萬有引力的矢量差，在地心起潮力為零。月亮在該點的起潮力位等于月亮在該點的引力位與該點繞月、地公共質心作圓周運動的向心力位之差。1922年，杜森（Doodson）將起潮力位按照幅角數對潮汐波進行了自然分類，把起潮力位表示成振幅為常數的386個分諧波之和，每個諧波的振幅都大于0.00001D，其中D稱為杜森常數，1967年前D=26206cm2/s2，1967年后D=26277 m2/s2。起潮力位是推導重力、傾斜與應變固體潮理論值的基礎，起潮力位展開的諧波個數越多，則固體潮理論值的精度越高，對于高精度固體潮觀測，對其觀測資料作調和分析，則要求具有更高精度的起潮力位展開式，即要求組成該展開式的諧波數要遠遠大于杜森展開式的386個諧波。在1922年那個年代，沒有電子計算機，杜森僅靠手算完成了如此復雜費時的諧波展開，確非易事。到了上世紀80~90年代，重力固體潮觀測的精度已達到微伽級，傾斜觀測的墨水記錄已達到1ms/mm，應變觀測已達到10-9~10-10，此時就要求有諧波展開個數大于杜森展開個數更多的起潮力位展開式。

中國地震局分析預報中心郗欽文研究員從上世紀80年代開始，利用早已發展的計算機演繹方法，在國家自然科學基金（批準號：49574217）的資助下，自行發展計算機公式演繹推導程序，成功地解決了起潮位調和展開，最后得到一個包括日、月、行星以及地球形狀影響的行星地球潮汐模型，其中日月潮波3070項。郗欽文教授得到的起潮位展開的新成果已被國際會議推薦用于高精度潮汐數據分析，國際上稱為“Xi(郗)引潮位展開”。經國外多位學者檢驗、比較，作為完全調和展開，無論在時間域還是頻率域上都具有最高的精度，已被德、比、法、美、加等國學者使用。國際固體潮中心梅爾基奧爾（Melchior）教授曾經應用該研究成果處理他們的超導重力儀資料，發現了地核中的慣性重力波。朱盛源和格羅頓（Zhu & Groteu）利用“Xi(郗)引潮位展開”系數導出了新的天文章動系數。

郗欽文教授的行星地球潮汐模型——“Xi(郗)引潮位展開”這項研究成果獲得1999年國家自然科學二等獎。

為了能從清晰記錄到固體潮的觀測中提取震前潮汐波畸變信息，必須推導出重力、傾斜和應變固體潮理論值。為了進行維尼柯夫調和分析，還必須給出二階位與三階位的日波、半日波與1/3日波的大地系數及其相位改正。1982年，郗欽文在《地球物理學報》第25卷增刊上發表了《固體潮理論值計算》，1986年，劉序儼等在《地球物理學報》第29卷第5期上發表了《應變固體潮理論值計算及調和分析》，給出了大地系數與相位滯后，并給出了湖北省黃石地震臺伸縮儀觀測資料的調和分析結果。當時比利時皇家天文臺國際固體潮中心正與中國地震局地震研究所進行協作，劉序儼應比利時皇家天文臺臺長P.梅爾基奧爾教授邀請，赴天文臺進行學術訪問。1987年，張先華與張勇分別在《地殼形變與地震》刊物上發表了《計算應變固體潮理論值的旋轉橢球模型》和《地殼潮汐應變理論值的計算》。

重力、傾斜與應變固體潮是由月亮、太陽起潮力位所引起的三種同源異象現象，它們之間的內在聯系可用來表征地球彈性力學性質的三個勒夫數（h、l、k）。劉序儼1994年對固體潮觀測資料的維尼迪柯夫調和分析結果的地球物理含義進行了分析，指出調和分析結果為一復數R(w)ejΨ(w),該復數等于固體地球的傳遞函數與地球模型的傳遞函數之比，該比值的實數R(w)即為潮汐因子，Ψ(w)為潮汐相位滯后。若地球模型所采用的勒夫數越接近于固體地球的實際勒夫數，則R(w)越接近于1，Ψ(w)越接近于零。從這一點出發，可以說潮汐因子反映了地球模型對固體地球的擬合程度，間接反映了地球的物性變化，并推導出了根據應變固體潮觀測值按最小二乘原理反演勒夫數h和l的方法。

3.2.3中國地殼形變圖像及其分析方法

上世紀80年代末，中國地震局開始在全國布設GPS網，對全國地殼形變進行監測。到上世紀末，利用已積累的GPS觀測資料對中國大陸及鄰區現今地殼運動和形變進行了分析。1999年，吳云等人在《地震學報》發表了《用GPS觀測結果對中國大陸及鄰區現今地殼運動和形變的初步探討》一文，該文利用1994年到1996年的全國GPS網21個測點的復測數據，推算了測點的運動速度，采用轉動函數冪級數展開法，計算了水平速度和應變率場，初步探討了中國現今地殼運動和形變的態勢與特征。結果表明：印度、太平洋和菲律賓海板塊聯合控制著中國大陸的現今地殼運動與形變。在三大板塊中，印度板塊起著主導作用，南北地震帶在中國大陸現今地殼運動和形變過程中起著重要的主導作用。到2000年，經1992年、1994年及1996年3次GPS會戰，我國用以測量與監測中國地殼運動的GPS網業已建好，其測量地殼運動精度已優于5mm/a。這些GPS復測結果是聯合重力測量、水準測量、地震和地形變觀測手段取得的，足夠建立關于大尺度變形的定量化模型。以中國科學院上海天文臺朱文耀為第一作者，包括中國地震局、中國科學院、國家測繪局、總參等部委等15人在2000年英文版《中國科學（D）》發表了“Crustal motion of Chinese mainland monitored by GPS ”一文，分別給出了GPS與NNR-NUVELIA的中國GPS站的水平速度，兩者的水平速度大多數測點上都大致相同。2001年，王琪等10人在《中國科學（D輯）》上發表《中國大陸現今地殼運動和構造》一文，該文認為，全球定位系統揭示的中國大陸現今運動場清晰地表明了以活動地塊為單元的分塊運動特征，不同的活動地塊具有不同的運動和變形方式，中國大陸以活動地塊為單元的現今構造變形可能與大陸巖石圈的結構和性質有關。2003年，王琪在《地震學報》（Vol.16,No.5）發表了《中國大陸現今地殼運動》一文，該文著重闡述了對東亞和中亞的構造形變的定量化研究在全球板塊運動和巖石圈動力學研究中的重要意義。2003年，江在森等在《地球物理學報》（Vol.46,No.3）發表《GPS初動結果揭示的中國大陸水平應變場與構造變形》一文，該文分析了中國大陸水平運動、應變場空間分布特征及其與強震的關系。2007年，李延興在《地球物理學報》（Vol.50,No.2）上發表了《由空間大地測量得到的太平洋板塊現今構造運動與板內形變場》一文，在該文中，根據太平洋板塊的空間大地測量觀測結果，建立了太平洋板塊的彈性運動模型。結果表明，該模型與板塊實際運動狀態的符合程度明顯地優于剛體運動模型。在太平洋板塊的西北部，主壓應變軸為NW—SW方向，主壓應變率大于主張應變率；在板塊的東南部，主壓應變軸為NE—SW方向，主張應變率大于主壓應變率；板塊的東南邊界為擴張邊界，主張應變軸基本上與洋中脊的擴張方向一致；板塊的西北邊界為俯沖邊界，主壓應變軸基本上與太平洋板塊的俯沖方向一致。2008年，李延興等人在《地球物理學報》上發表了《汶川Ms8.0地震孕育發生的機制與動力學》一文。在該文中，作者根據GPS的多期觀測成果，分析了震前震中及周圍地區速度場和應變場的變化，對汶川大震孕育發生的機制和動力學問題進行了探討。根據中國大陸GPS網2004年和2007年GPS觀測資料處理，獲得巴顏喀拉塊體和四川盆地的應變場，發現震前震中區的主壓與主張應變率分別為-30.840×10-9/a與13.95610-9/a，主壓應變軸方向為N105.4°E，與震源機制解得到的主壓應力軸的方向N103°E一致。由GPS數據得到的發震斷層龍門山斷裂的斷層滑動方向和走向與地表破裂調查的震源機制解的結果一致。

對地應變分析方法，武艷強等于2009年在《地球物理學報》上發表了《利用最小二乘配置在球面上整體解算GPS應變場的方法及應用》一文，由于應變計算方法的不同，致使不同的處理者即使利用相同的數據也很難得到完全相同的結果，究竟如何評價方法是否有效顯得尤為重要。作者在對最小二乘配置平面解算方法進行深入研究的基礎上，對最小二乘配置在球面上求解應變場的方法進行討論，并且在對模擬數據進行計算的基礎上討論了該方法的有效性，最后對實際數據進行了處理。

3.2.4非線性理論在地殼形變異常分析中的應用

根據巖石破裂實驗，地殼線性變形、非線性變形直至變形局部化現象是與巖石破裂過程的階段性相對應的。地形變變化出現的這種階段性是巖石破裂過程在地殼的一種力學過程的刻劃。當然，地殼變形發生的地點和形式隨每次地震而有所不同，這正是孕震系統具有非線性行為的一種客觀體現，并由斷層模擬研究所證實，用滑塊模型對斷層位移進行模擬研究后發現，隨著滑塊模型參數的大小或取值不同，斷層位移會出現復雜的圖像。劉式達、劉式適（1994）在所著的《孤波與湍波》一書中認為，雖然滑塊的微分方程是確定性的，但隨著參數的變化，微分方程會出現多解。換句話說，在孕震過程中，由于巖石參數或初始條件稍微發生變化，都有可能使斷層位移出現不同的變化。雖然微分方程本身是確定性的，但由于該微分方程含有非線性項，隨著巖石介質發生變化，由該方程表征的斷層位移在其演化過程中會發生分岔，經自組織奔向最后的歸宿吸引子，并不存在一種固定不變的歸宿（中心點）。這正是耗散系統有別于保守系統的一種顯著特點。而孕震過程就是這樣一個具有耗散結構的系統。周碩愚在其所著的《系統科學導引》一書中對自組織、耗散結構等非線性理論作了較詳細的闡述，在周碩愚此后的一系列論文中，采用非線性理論對強震前后地殼形變場動力學圖像及其參量特征進行了研究，認為在斷層即將破裂奔向一個新平穩態之前，地殼形變圖像會出現減熵、降維或有序演進趨向，同時由于系統的整體行為，源和場之間的相干與反饋，使近場與遠場地形變圖像在時空中發現一種有序結構和協同演進方式，為判別大震前長、中、短、臨前兆提供依據。

4 福建省地震地形變學科發展現狀

4.1 福建省地形變觀測臺網

福建省地形變觀測臺網由固定臺站和流動觀測組成，前者在地震臺站進行連續觀測，后者不為連續觀測，而是定期觀測。福建省地形變觀測網是由全省GPS連續觀測網、重力、水準、地磁流動觀測網以及重力、傾斜與應變觀測臺站組成。

網點的布設是根據福建省主要構造斷裂而定的，以便這些網點可以監測北東向分布的長樂—詔安斷裂帶、政和—海豐斷裂帶與邵武—河源斷裂帶以及北西向分布的閩江斷裂帶、沙縣—南日島斷裂帶、永安—晉江斷裂帶、九龍江下游斷裂帶、上杭—云霄斷裂帶的構造活動，在這些斷裂以及北東與北西斷裂交匯部位往往是地震發生的地點。

4.1.1 GPS網

從上世紀70年代初，在福建沿海進行了大面積水準測量、跨斷裂測量，激光測距和重力測量，取得了大量的地殼形變測量數據，對研究局部地區的地殼形變發揮了重要作用。但由于上述測量手段是常規的，監測范圍分散、邊長短、觀測要求通視、耗時費用高，不可能對福建的大尺度地殼水平運動同時進行高精度的觀測。尤其要想跨過海峽對臺灣島相對于大陸的相對運動進行觀測研究，常規大地測量方法更是無能為力、只能望洋興嘆。通過多年的論證，認識到采用GPS是克服上述常規測量方法缺陷最佳的技術手段。從1993年下半年起，福建省地震局成立了GPS課題組進行調研論證。于1995年1月向福建省計委有關部門呈交《臺灣海峽GPS聯測與臺灣海峽地球動力學特征研究》項目。同年7月，省計委組織有關專家對項目進行了開題論證。專家論證后，一致同意該項目的開題報告，建議省計委給予資助，并建議將課題名稱改為《利用GPS技術開展福建沿海地球動學特征應用研究》。翌年2月，該項目正式立項，簽訂了專題合同書。該項目由劉序儼、林繼華等負責實施。1995年進行了GPS網優化設計、選點埋石建立了沿海GPS監測網。同年12月進行了第一期GPS聯測，參加聯測測點的福州、水口、古田、南平、湄州、泉州、德化、廈門、永安、東山、尤溪；1997年12月進行了第二期GPS聯測；1999年12月進行了第3期聯測。

臺灣海峽兩岸的GPS網在福建一側有12個GPS測點，與臺灣地球科學研究所商定以臺北、臺中、臺南、恒春、臺東、花蓮作為聯測點，以研究臺灣相對于大陸的碰撞過程，雖然在GPS聯測期間，兩岸皆進行同步觀測，但由于眾所周知的原因，雙方均不可能擁有兩岸的聯測數據，因此無法取得臺灣海峽地殼水平運動的信息。

在“十五”、“十一五”、“十二五”期間，分別在“福建省地殼形變觀測臺網建設”、“防震減災二期工程建設GPS連續觀測臺網建設”以及“福建省地震監測預警與社會服務系統之地殼形變觀測臺網建設”帶動下，福建省地殼形變臺網建設得到了進一步加強。到目前為止，GPS連續觀測臺站已達到11個。圖7為福建省GPS連續觀測臺站分布圖。到“十二五”結束，福建省連續GPS觀測站將共有61個。

圖7 福建省GPS連續觀測臺站分布圖

4.1.2流動GPS觀測網

為了獲取福建省現今水平形變場時空變化特征，福建省地震局廈門地震勘探研究中心建立了一個基本覆蓋全省的GPS基本網，該網共有16個GPS基本觀測點，見圖8。

圖8 福建省流動GPS觀測網

4.1.3流動重力觀測網

為了觀測福建省全省的重力背景場動態變化及加密跟蹤監測重點區域斷裂構造活動區的重力場的短期變化時空演化特征，我省布設了覆蓋全省的流動重力監測網（見圖9）。該網共有流動重力測點200個，從2008年起每年復測2期，采用CG5重力儀觀測。

圖9 福建省流動重力觀測網

4.1.4流動地磁觀測網

為監測福建省地磁背景場動態變化特征，我省布設了基本覆蓋全省的流動地磁監測網。該網共布設有95對流動地磁測點，分為3個磁測區：東南部沿海區、中西部測區和東北部測區。流動地磁每年復測2～3次，采用G856磁力儀。流動地磁觀測網布設見圖10。

圖10 福建省流動地磁觀測網

4.1.5大面積水準觀測網

為了獲取福建省垂直形變場時空演化特征，2002年布設了全省垂直形變網，水準路線布設在北緯23.6°~26.2°、東經117.0°~119.4°范圍，覆蓋福州、莆田、石獅、廈門、漳州、龍巖等城市，構成3個水準閉合環，共13條水準路線（其中支線1條），一等水準1529.7公里，385個測段，水準點454個，見圖11。

圖11 福建省垂直形變觀測網

廈門地區進行加密觀測，共13條測線，分島內8條和島外5條兩個部分，共245公里，見圖12。

圖12 廈門垂直形變觀測網

4.1.6流動跨斷層短水準觀測

為了監測福建主要斷裂垂直運動，在全省主要斷裂重點部位布設了17處跨斷層短水準觀測場地（見圖13）。觀測周期每年3期。采用德國蔡司廠的Ni004精密水準儀施測。

圖13 福建省跨斷層短水準觀測場地分布圖

4.1.7跨斷層綜合觀測

為了綜合監視長詔斷裂帶北段與中段的斷裂運動特征，分別在福清、泉州各布設了一個跨斷層綜合場地，集GPS、水準、重力等觀測手段進行綜合觀測。福清綜合場地觀測路線總長度為69.5 公里，共20個水準點，10個GPS點、10個重力點。該場地跨過長詔帶的東張—詔安斷裂、長樂—東山斷裂和平潭—東山澳角斷裂。泉州場地觀測路線總長度為69.8公里，共20個水準點、10個重力點。跨過長詔帶的東張—詔安斷裂、長樂—東山斷裂。從2008年起兩個場地每年復測1期一等水準、流動GPS、流動重力。一等水準采用Ni002精密水準儀施測，流動GPS采用雙頻大地型GPS接收觀測，流動重力采用CG5流動重力儀觀測。

4.1.8數字化形變觀測臺站

福建省數字化形變臺站分布見圖14，各臺站觀測項目和儀器見表1，可以看出，福建省數字化形變觀測項目比較齊全，但臺站分布不均，主要分布在福建中部和沿海，而北部僅有南平臺。

圖14 福建省數字化形變觀測臺站分布圖

表1 福建省形變臺站基礎信息表

4.2 福建省地震地形變科學研究

4.2.1福建沿海地球動力學特征探討

根據福建省上述地殼形變觀測分析結果，發現福建沿海的地球動力學有以下特征：

1）福建地區隨同中國大陸較均勻地向東南方向運動，方向為NW（NWW）~SE（SEE），年速度約為數毫米，由GPS測定的現時福建沿海的應變場與震源機制解給出的區域應力場以及地質學推測的構造應場三者基本相符，方向皆為NW（NWW）~SE（SEE）。福建沿海與中國大陸地殼運動的這種相似性，說明了它們有同一個力源，即印度板塊、歐亞板塊、太平洋板塊和菲律賓板塊之間的相互作用為這種大尺度的地殼運動提供了力源。

2）由GPS和常規大地測量給出的福建沿海的地殼形變圖像是南強北弱，東強西弱。由GPS給出的福建沿海的面應變剪應變都是由北西方向向南西方向呈壓縮狀態，表明福建沿海的閩南地區地形變程度較強，這與福建沿海的斷裂活動有關。因為福建沿海有北東走向的長樂—詔安斷裂帶，該斷裂帶活動比西部的政和—海豐、邵武—河源斷裂帶較活躍，而在閩南沿北西走向的永定—東山、九龍江和永安—晉江斷裂又比閩北的閩江斷裂帶活躍，因此福建沿海的構造形變呈現出南強北弱、東強西弱的特征。

3）福建沿海的地殼形變南強北弱、東強西弱的特征與該地區的地震活動特征吻合，說明斷裂活動是造成構造形變的主要原因。因此，采用GPS技術可以迅速而精確地監測到地震孕育過程中地殼變形演化過程，從而可以為地震的中長期趨勢提供科學依據。

4）根據重力和人工地震資料分析表明，福建沿海地區的地殼結構具有由陸殼向洋殼過渡的特征。

5）造成福建沿海地殼運動和臺灣海峽、臺灣及東部海域大震的動力來源于我國西部受到來自烏茲別克斯坦、帕米爾以及青藏高原向東的推動力以及東亞大陸與臺灣島東部同時受到太平洋板塊和菲律賓海板塊向西的推動力聯合作用的結果。

福建沿海地球動力學特征這一科研初步成果是1996年省計委列為全省重點項目《利用GPS技術開展福建沿海地球動力學特征應用研究》中的主要成果，該項目獲2001年福建省科學技術進步三等獎。

圍繞福建沿海地球動力學特征這一項目，福建省地形變科技人員共撰寫了20篇論文，有的在《地殼形變與地震》上發表，有的在有關國際學術會議上宣讀，有的在海峽兩岸測繪學術研究會上宣讀。例如劉序儼、林繼華等撰寫的《福建沿海地球動力學特征淺析》、梁全強等《利用GPS技術研究福建省孕震構造網絡活動特征》、林繼華等《福建沿海平面變化及其影響》、劉序儼等《福建省現代地殼垂直運動與斷裂活動》等論文發表在1999年《地殼形變與地震》增刊Ⅱ，陳園田等《臺灣海峽兩岸新生代地殼運動的對比》發表在《臺灣海峽》1999年第16卷第3期上，林繼華等《利用GPS技術開展福建沿海與臺灣海峽地球動力學特征研究》一文在由臺灣成功大學主辦的第二屆測繪學術研究會暨第十七屆測量學術及應用研討會（1998年）上宣讀，劉序儼、郭逢英、林繼華撰寫的《The Approach of Geodynamic Features and Research Methods in Fujian Coast of South China and Taiwan Strait》一文在1997年在中國武漢市召開的“東亞與東南亞現今地殼運動和減災國際學術會議”上宣讀。

4.2.2地形變基礎理論的譯著

自福建省地震局成立以來，除福建省建立起一個能覆蓋全省地殼形變的臺網以外，從事地形變的科技人員在做好日常的數據處理工作以外，還追蹤了國內外地形變動態，及時掌握前沿知識，努力做到博采眾長、為我所用、有所創新。上世紀80年代初起，美國開始應用空間技術與地面技術致力于構造形變之研究，以探明震前的長、中、短、臨地形變異常。1983年劉序儼等翻譯了美國地殼運動測量委員會撰寫的一份有關美國在上世紀80年代10年間的現代地殼運動尤其是地震活動帶的監測工作提出的戰略和規劃，書的譯名為《構造形變》，該書于1983年由地震出版社出版。1993年，劉序儼與徐菊生等人翻譯了德國重力學家Wolfgaug Torge 所著的《Gravimetry》一書，書的譯名為《重力測量學》，該書由地震出版社出版。該書包括了重力測量學的基礎概念、基礎理論、應用研究、重力觀測方法和資料處理及其發展簡史。該書還特別安排了專門的章節對現今重力測量學研究領域的重點課題“重力隨時間變化的測量與解釋”，進行了精辟地闡述。1997年，劉序儼等編寫了《地殼形變分析預報方法》一書，該書系統總結和全面闡述了有關地形變預報地震的科學原理、預報思路，各類地形變數據處理及其預報方法，匯集了國家地震局“七五”和“八五”期間地形變攻關成果中的精華，以及當時國際上在這一研究領域的前沿性最新研究成果，并集中反映了該書作者的一些科學見解。該書作為當時國家地震局地震預報系列教材之一，于1998年由地震出版社出版。1991年，劉序儼參加了國家地震局科技監測司委托中國地震學會地殼形變測量專業委員會會同科技監測司聯合編著的《地殼形變監測整體規劃》的有關編寫工作，該《規劃》重點提出了在這一領域中當前國際上一些突出的前沿課題。

4.2.3地形變基礎理論研究

福建省地震局從事地震地形變工作的科技人員對地形變基礎理論作了較深入的研究，從1989年至今發表了50余篇論文，其中主要有：劉序儼等在2002年第4期《大地測量與地球動力學》上發表的《平動及其在起潮力中的作用》一文，重新對天體起潮力作了新定義。經過嚴密的數理推導，給出了新定義：“地球上某一點的天體起潮力為天體對該點的萬有引力與天體對地心的萬有引力之矢量差”。該定義比原定義“地球上某一點的天體起潮力為天體對該點的萬有引力與該點隨同地心繞地球與天體的公共質心作圓周運動的慣性離心力的矢量和”顯得更簡潔，并摒棄了慣性離心力之提法，更揭示了起潮力之本質。在固體潮整體研究方面，劉序儼等發表在《地殼形變與地震》（1997年）上的《固體潮整體綜合分析方法研究》一文給出了如何利用重力、傾斜與應變固體潮觀測數據進行綜合分析的方法。在2003年第2期《大地測量與地球動力學》上發表的《論潮汐波與地震波》一文對潮汐波與地震波的異同及兩者的特征進行了較全面深入的闡述。劉序儼等在2005年第1期《大地測量與地球動力學》上發表了《地面傾斜的形變特征及計算方法》一文，該文從理論上論證地面傾斜是一種偽矢量，給出了根據任何2個方向的地傾斜分量計算地面傾斜的普適表達式，并給出了描述地傾斜面的數學表達式，同時指出地傾斜面僅是一個相對平面，并不是唯一的。在該刊2007年第4期上發表了《潮汐傾斜的幾何物理含義及其剪應變屬性》一文，該文給出了潮汐傾斜的幾何物理含義，并對為什么剪應變可作為其屬性進行了闡述。在《地震學報》2007年第3期的中英文刊物上發表了《旋轉橢球面上的應變與轉動張量表達》一文，該文推導出了在大地坐標系中的應變與轉動張量表達式，可供GPS觀測數據在全球大地參考系（WGS84）中作應變與轉動張量分析之用。在目前的彈性力學有關的文獻中僅給出了在直角坐標系、柱坐標系、球坐標系下的應變與轉動張量表達式，缺失橢球坐標下的表達式，該文給出的橢球面上的表達式則可填補這方面的缺失。翌年2月在《大地測量與地球動力學》上發表了《正交曲線坐標系的應變張量轉換》一文，給出了在直角坐標系、柱坐標系、球坐標系、旋轉橢球坐標系以及旋轉拋物線等坐標系相互之間的應變張量轉換表達式。同年4月，又在同一刊物上發表了《正交曲線坐標系應變張量的普適表達》一文，經嚴格推導，給出了在任何一種正交曲線坐標系下的應變與轉動張量普適表達式，這是在考慮到任何一種正交曲線坐標系下的一點的單位標架為正交標架的前提下，以已知的直角坐標系的應變與轉動張量矩陣為平臺的基礎上推導出來的，推導簡潔明了。2010年、2011年，劉序儼等先后在《大地測量與地球動力學》上發表了《地形變旋轉張量探討》與《地形變應變張量矩陣的不變量分析》兩篇論文，分別對旋轉與應變張量矩陣的幾何物理特征及其所蘊藏的幾何物理不變量進行了較深入的闡述。李華等在2008年第2期《大地測量與地球動力學》上發表了《漳州臺地傾斜矢量圖的潮汐導納分析》一文，該文利用地傾斜觀測與理論矢量圖，對兩者在同一時刻的矢量圖的矢經與方位角進行了數值對比計算，從而取得了潮汐因子與相位滯后值，發現它們與觀測值的維尼迪柯夫調和分析結果較一致。季穎峰等在2010年第2期《華南地震》上發表了《大地地坐標系應變張量表達及其與地心直角坐標系的相互轉換》一文，給出了WGS84坐標系與地心直角坐標系的具體應變張量矩陣轉換式。在2011年的《大地測量與地球動力學》增刊上發表了黃聲明的《坐標系的物理基礎及其空間結構》一文，對坐標系的物理基礎及其空間結構作了深刻的闡述。

眾所周知，地形變測量可以給出地殼是如何變形的，但想要知道地殼變形的力源是什么，還要從地球物理與地質學角度進行探討，福建省地震局李祖寧高級工程師在這方面進行了探討。在2002年第45卷第4期的《地球物理學報》上發表了《剝蝕及地幔作用下青藏高原隆升過程的數值模擬》一文，在該文中，作者修改了England和Mckenzie 的黏性薄層流變模型中控制大陸形變的連續性方程，將剝蝕作用對高原隆升演化的影響直接引入該方程，并考慮下伏地幔小尺度對流對增厚巖石層的搬離作用對高原隆升演化后期的影響，用有限差分法直接模擬青藏高原隆升過程。數值模擬結果所顯示的高原隆升演化過程與實際觀測資料吻合較好，揭示了高原隆升過程的非平穩和多階段的特性，同時還表明上地幔小尺度對流對巖石層底部的搬離作用可能是最近8Ma 以來高原快速隆升的主導機制。李祖寧等在同年《地震學報》上發表了《多種驅動力作用下東亞大陸形變及應力場演化》一文，該文認為控制東亞大陸西部形變和應力場基本格局的主要驅動力來源于印度板塊對歐亞板塊的碰撞、擠壓，而對東部地區還應當考慮其與太平洋板塊和菲律賓海板塊的相互作用。2005年，李祖寧在《地震地質》上發表了題名為《利用數字地震臺網資料聯合反演福建地區Q值、場地響應和震源參數》一文，該文利用福建省數字地震臺網1998年建網以來記錄到的2.5級以上地震的波形資料，采用Atkinson 等提出的方法計算了福建地區地震波非彈性衰減系數、幾何擴散系數和臺站場地響應，對震源譜的低頻水平和拐角頻率進行了聯合反演，并取得了有關地震的地震矩、應力降和破裂半徑，并取得了福建地區地殼平均Q值與頻率的關系式，而場地響應表現為與頻率相關并基本上在1附近波動，這與福建數字地震臺站基本上建立在基巖之上的實際情況相符合，震源參數的計算結果表明，地震矩與震級以及震源譜拐角頻率的相關性較好。

4.2.4地形變數據處理及提取地震前兆信息研究

在取得了大量地形變觀測資料后，如何進行數據處理、排除干擾、去偽存真，從中提取地殼構造形變信息，是擺在科技人員面前的重大課題，為此，福建省科技人員作了不懈的努力和探討。

在用地殼形變觀測資料對福建地殼形變的時空變化特征研究方面，郭逢英等撰寫了《GPS測量揭示的福建沿海地區的現今地形變》（發表在2003年第3期《大地測量與地球動力學》），丁學仁等撰寫的《福建地區地塊運動的時空變化特征研究》（發表在2006年第2期《大地測量與地球動力學》），梁全強等撰寫的《臺灣海峽西岸重力場變化梯度場圖像分析》（發表在2006年第1期《大地測量與地球動力學》），陳光等撰寫的《福建地區地殼形變特征研究》（發表在2009年第3期《高原地震》），鐘繼茂撰寫的《福建近岸海域濱海斷裂的應力分析》（發表在2009年第5期《地震地磁觀測與研究》），陳光等的《福建地殼運動與地震關系初探》（發表在2010年第1期《華北地震科學》），上述這些論文，從不同時期的地形變觀測資料對福建地區的現今形變進行了分析，除不同年份的地殼形變速率稍有變化外，總的福建內陸運動狀態仍為南強北弱，東強西弱，因為地殼運動狀態基本上為活動斷裂帶所制約。

除對福建內陸地殼形變的時空演變狀態進行分析以外，利用地形變資料對福建水口的應力分布與地震活動性進行了探討，鐘繼茂發表在2009年第3期《華南地震》的《福建水口庫區次級斷裂的應力分析和活動特征研究》一文，除選用庫區15個P波初動清晰可靠的地震震源機制解推算了庫區構造應力場的主軸方向外，還根據庫區布設的6個跨斷層短水準場地觀測資料，通過線性擬合發現西瓜洲斷裂為正斷活動，其余為逆斷活動；陳光等撰寫的《水口水庫區地震活動特性分析》（發表在2010年《大地測量與地球動力學》增刊），該文根據庫區的短水準地形變資料與震源機制解結果進行了分析，分析結果表明，水口庫區的地震活動前期主要為水的誘發作用，后期與構造應力場作用加強有關。

在對地形變觀測資料提取前兆信息方面，也作了很多探討。例如在利用小波分析方法對地形變觀測資料中所隱藏的豐富信息進行多層次分析方面，劉序儼、鐘繼茂、陳光分別采用不同的地形變資料進行了分析，劉序儼等撰寫的《定點形變數字觀測中高頻信號特征及提取方法》（發表在2006年第6期《大地測量與地球動力學》）一文根據廈門臺傾斜與伸縮儀的分鐘值進行從周期為2分鐘到超低頻這樣一個寬廣的頻域內對信息進行了多層分析，分析結果表明，在大震前會有高頻信息出現；鐘繼茂撰寫的《基于小波分析的閩臺地區地震形變異常研究》（發表在2011年第1期《華北地震科學》）一文，采用小波分析，發現在強震前2~3年出現周期2年左右的異常信號，在中強地震前2~5個月出現周期1個月左右的異常信號，在震前幾天到十幾天則出現周期半小時到1小時的異常信號；陳光等在利用福建GPS網2004年3月~2008年10月的連續觀測資料所得到的位移時間序列后，利用小波分析方法提取時間序列的時頻特征，從而得到了非線性變化信息。

除了采用小波分析方法提取前兆信息外，還探討了利用地震震源解、潮汐應變場前兆圖像法、主應變提取前兆方法。例如鐘繼茂的《由多個地震震源機制解求川滇地區平均應力方向》論文（發表在《地震學報》2006年第4期），劉序儼等撰寫的《天馬和謝坊形變試驗場地殼形變特性分析》（發表在1993年第1期《地殼形變與地震》上），以及發表在1994年《地球物理學報》增刊Ⅱ的《應變固體潮主應變的計算》，鐘繼茂的《區域地震狀態的損傷張量分析》（《中國地震》，2005年第21卷第3期）。

長期在臺站從事的科技人員，除搞好儀器維護以外，還開展了科研工作，發表了不少論文。例如廈門臺的熊先保高級工程師先后在《大地測量與地球動力學》刊物上發表了多篇論文，例如《廈門臺地傾斜觀測資料中海潮干擾的綜合特征》、《海潮對廈門臺地傾斜干擾的可能機制》、《廈門臺數字化潮汐資料背景變化及其主要干擾因素》，以及分別發表在《華南地震》、《地震研究》、《地震地磁觀測與研究》上的《廈門臺地形變觀測資料中的“海潮”效應》、《從三次地震來討論廈門臺地形變儀器的監測能力》、《固體潮觀測數據預處理中的一些常用方法及計算機實踐》。廈門臺的黃曉華高級工程師對臺站的地傾斜與應變觀測資料的異常進行了深入的分析，先后在《大地測量與地球動力學》與《華南地震》刊物上發表了4篇論文，分別是《廈門臺地震前兆異常分析》、《廈門地震臺數字化水管傾斜儀觀測資料分析》、《數字化形變觀測典型曲線畸變分類與說明》、《臺灣海峽地震定點形變的異常分析》。廈門臺的楊婕工程師從2008年至今分別在《防災科技學院學報》、《國際地震動態》、《地震地磁觀測與研究》、《華南地震》、《華北地震科學》、《大地測量與地球動力學》等刊物上發表了10篇論文，論文集中討論了地形變儀器性能、故障分析與處理、強降雨干擾以及靜電干擾影響及預防、同震響應與異常圖像分析處理等問題，對如何保證地形變儀器正常運轉具有參考價質。劉其壽在龍巖地震臺從事地傾斜管理工作，他除了維護儀器正常運轉以外，同時還從事觀測數據的處理與軟件編程工作，先后在多家刊物上發表了許多論文，例如在《華南地震》上發表了《測震臺址勘選數據處理輔助程序設計與應用》（2010年第2期）、在《大地測量與地球動力學》（2010年第6期）上發表《龍巖地震臺中強地震前地傾斜異常分析》等論文。

李祖寧等利用1995年~2003年福建GPS測站與臺北和桃園核心基準站資料，計算了福建GPS各測站和桃園之間的邊長及其相對變化，計算了臺北和桃園測站的主應變和方位角。計算結果表明，在1995年~1997年和2001年~2003年間臺海兩岸的地殼相對運動都處于拉張狀態，但兩期拉張的主應變大小和方向有較大變化，這種變化可能反映了1999年臺灣集集7.6級地震前后應變積累與釋放過程，此研究成果發表在2007年第5期《大地測量與地球動力學》刊物上，其論文名為《臺灣海峽兩岸地殼相對運動分析》。該論文曾獲得福建省科協優秀論文三等獎。

4.2.5綜合研究

除地形變觀測以外，與地形變有關的觀測系統還有井水位與測震儀。從本質上講，地形變與地震皆為地殼質點的一種振動。地震發生后，井水位能記錄到所謂的水震波，體應變儀與伸縮儀也能記錄到由地震所激勵的體應變，同樣，地震儀能記錄到由震源發出的地震波傳播到觀測地點的瑞雷波。體應變儀、伸縮儀、地震儀與井水位記錄到的同震響應之間到底有什么關系？又如何進行綜合分析呢？對此，劉序儼等進行了研究。劉序儼、鄭小菁等認證了承壓井水位記錄到的所謂“水震波”實際上為體應變波。該種波可由井水位觀測值乘以其格值而得到。井水位的格值可由井水位觀測資料的維尼迪柯夫調和分析結果的振幅比（潮汐因子）取得。他們推導了承壓井水位觀測系統對體應變的響應機制，給出了井水位與體應變關系的表達式，該研究成果發表在2009年第12期的《地球物理學報》上，論文名為《承壓井水位觀測系統對體應變響應機制分析》。由地震儀記錄到的瑞雷波也可計算出體應變，因為體應變等于瑞雷波的位移與哈密爾頓微分矢量算子的矢量積。劉序儼等根據福建5口井水位的觀測數據與5臺地震儀的瑞雷波記錄計算了福建地塊對汶川大震的體應變響應，并進行了對比分析，其研究成果發表在2009年《大地測量與地球動力學》，論文名為《福建井水位對汶川大震體應變響應》。由伸縮儀觀測也可求出體應變，因為相互正交方向上伸縮儀的觀測值之和的2/3即為體應變。在劉序儼指導下，陳瑩根據井水位、體應變、伸縮儀與地震波觀測資料對福建地塊對汶川大震的體應變響應進行了計算分析，撰寫了兩篇論文，分別為《福建省井水位、體應變與伸縮儀對汶川大震的響應》（2010年《大地測量與地球動力學》）、《汶川大震對福建四種觀測系統的體應變響應分析》（發表在2009年《華南地震》）。

此外，劉序儼還對地形變、數字觀測原理以及觀測系統的逼真度問題進行了探討，先后撰寫了兩篇論文，分別為《地形變數字觀測基礎》（發表在2002年第2期《大地測量與地球動力學》）、《觀測系統的逼真度特性分析》（《大地測量與地球動力學》2010年增刊）。并先后參與了中國地震局2001年頒布的《地殼形變數字觀測技術規范》、國標GBT19531.3-2004地震臺站觀測環境技術要求（地殼形變）、中國地震局科技司編寫的《地震地形變觀測技術》與2003年編寫的《地殼形變數字觀測技術》兩書的審核與有關內容的編寫工作。

5 福建省地震地形變學科發展存在的問題

5.1 觀測環境保護

隨著國民經濟的高速發展，各地修建高速公路、高鐵、住宅以及水利工程，都有可能對GPS、水準、重力測點以及臺站的觀測儀器產生干擾甚至損壞，保護好地形變觀測環境是一個值得重視的問題。

5.2 外界干擾

地形變觀測儀器精度高，對外界各種干擾（例如人工爆破、氣溫、氣壓、降水等）極其靈敏，如何消除或降低干擾是提取與識別前兆信息的一個非常重要的環節。

5.3 儀器老化

臺站和用以流動觀測的儀器，有的老化現象嚴重，對取得連續可靠的觀測數據造成嚴重影響。

5.4 人員培訓

由于上世紀70～80年代開始從事地形變工作的老科技人員陸續退離工作崗位，新上崗的年輕科技人員業務、技能、對《觀測規范》的了解熟悉不夠，對各種地形變儀器的原理、維修、管理以及數據處理較生疏，對這些年輕科技人員加強培訓工作應擺在議事日程上。

5.5 地震預報要知難而進

雖然目前還未找到根治癌癥的良方，但醫生仍需懸壺濟世、救治病人，地震宛如是地球的“癌癥”，雖然目前地震預報遠未過關，地形變用以捕捉地震前兆的理論還處于探索階段，地震地形變學科任重道遠，但地震預報仍要知難而進。

6 福建省地震地形變學科未來發展重點

針對上述存在問題，前四個是一些較具體的技術性問題。通過具體措施并與臺站所在地有關部門協作可較好解決環境保護和外界干擾問題；對于儀器老化問題，省局有關部門正著手對儀器維修、標定與更新作出規劃；對人員培訓，省局人事處、監測處與科技處正聯手制訂人員的培訓計劃，對新招聘的科技人員，對博士與碩士優先錄用且要進行嚴格的面試，采取這一系列的措施，有望提高在職科技人員的業務素質與水平。在解決處理好這四個問題的基礎上，重點是如何解決好地震地形變學科知難而進的問題。地震預報是個世界性難題，不是短期內能解決的，必須要有長期的戰略性眼光。根據目前福建省地震局地震地形變學科的現狀，在今后幾年內應加強以下幾方面的分析研究工作：

6.1 加強地形變預報地震機理的研究

6.1.1地形變異常產生的機理。目前已有不少地形變異常機理，實質上大都屬于某種科學假設。為此，仍然需要深入研究地形變的前兆異常機理問題，提出能夠解釋實際觀測到的異常變化的新理論，力求理論與實際相結合。

6.1.2地形變時空變化與地殼構造活動的關系。地殼現今構造形變具有多種形式，一方面要研究在震源過程中地形變的演變形式，另一方面要研究在地震孕育、發展以至發生的各階段地形變的時空變化特征及其指標。

6.1.3地殼應力應變關系。地殼形變是個力學問題，應力與應變是個因果關系，但又不是一個線性關系，地形變是在孕震過程中應力積累直至斷層發生破裂的一種表現形式，因此要研究孕震過程中地殼應力的演變圖像，以及伴隨應力所產生的應變圖像，著重要探討如何根據地形變數據反演地殼應力。

6.2 開展多測項和多學科的綜合研究。地形變的各種測項以及其他學科的多種測項的前兆異常都是對震源應力場、區域應力場的不同響應，他們都是同源異常現象，在成因上都有內在聯系，研究不同學科的各測項的內在成因關系，找出表征這種內在成因關系的定量指標有利于提高預報的可信度，有利于識別異常，因此除了要開展地形變不同測項的綜合研究外，還要開展地形變與地下流體、地震波、地應力、重力等前兆異常成因關系的研究。

6.3 開展福建沿海及海峽地殼運動模型與變形分析。在多期GPS觀測成果的基礎上，采用連續體變形理論建立經緯格網的福建沿海與臺灣海峽的地殼運動模型，以便根據有限個GPS測點的地殼運動速率來計算未設測點的其他區域的地殼運動速率，給出經緯格網的線應變、最大剪應變、面應變與轉動速率的等值線圖以及主應變等值線圖。

6.4 福建沿海地殼垂直形變及其特征分析。地殼垂直運動差異性顯著地區往往為構造塊體相互作用的交接帶，找出這些垂直運動差異性顯著地帶，對判斷地形變前兆具有參考價值。

6.5 福建沿海地球動力學特征探討。根據地殼形變觀測數據探討產生形變的力源，以達到了解構造應力分布及積累情況，促進對地震中、長、短、臨變化的認識。

6.6 臺灣海峽兩岸地殼相對運動速率及方向研究。根據《國務院關于支持福建省加快建設海峽西岸經濟區的若干意見》精神，福建省地震局將加大和臺灣地震研究部門的合作力度，有望在不久的將來共同就兩岸GPS聯測進行深度合作和交流，屆時將根據兩岸的GPS同步觀測資料對兩岸的相對地殼運動速率及其方向進行研究。可以預料的是，這塊由于眾所周知原因尚未開墾的地學處女地，屆時將成為國內外進行地球動力學研究的熱點地區，不但可以推進和加深兩岸GPS聯測與合作研究，而且有利于進一步提升兩岸地震地形變科技水平。

[1] [美]地殼運動測量委員會. 劉序儼,鄒其嘉, 譯.構造形變測量[M]. 北京: 地震出版社,1984.

[2] 國家地震局科技監測司. 地震地形變觀測技術[M]. 北京: 地殼出版社, 1995.

[3] 中國地震局監測預報司. 地殼形變數字觀測技術[M]. 北京: 地震出版社, 2003.

[4] 福建省地震局分析預報中心GPS課題組.利用GPS技術開展福建沿海地球動力學特征應用研究,1992.

[5] 張寶紅.美國板塊邊界觀測(PBO)中的鉆孔應變觀測設備[J]. 大地測量與地球動力學,2010, 30(ZⅡ):81-85.

[6] 周碩愚,施順英,吳云,等.強震前后地殼形變場動力學圖像及參量特征研究[J]. 地震學報, 1998, 20(1):41-47.

[7] 江在森,馬宗晉,張希,等.GPS初步結果揭示的中國大陸水平應變場與構造變形[J]. 地球物理學報,2003, 46(3):352-358.

[8] WangQi. Current Crustal Movement in Chinese Mainland[J]. ACTA SEISMOLOGICA SINICA, 2003, 16(5).

[9] Morgan T. Page. Susana Custodio , Ralph J. Archuleta and J.M.Carlson, Constraining earthquake Source inversions with GPS date ,Journal of Geophysical Research, 2009,114.

[10] 劉序儼,鄭小菁,王林,季穎鋒. 承壓井水位觀測系統對體應變響應機制分析[J]. 地球物理學報, 2009, 52(12):3147-3157.

[11] 李祖寧,劉序儼,吳紹祖,陳光. 臺灣海峽兩岸地殼相對運動分析[J]. 大地測量與地球動力學,2007,27(5):18-21.

[12] 劉序儼,楊軍. 地殼形變分析預報方法[M]. 北京: 地震出版社,1998.

課題組成員：

1、劉序儼，福建省地震局研究員；

2、鄭小菁，福建省地震局，高工；

3、王 林，福建省地震局工程師；

4、李祖寧，福建省地震局，高工；

5、梁全強，福建省地震局，總工、高工。