地殼形變觀測(cè)

于克達(dá)

【摘要】地殼內(nèi)一定的能量積累成核時(shí)，在其接近破裂之前會(huì)在某些特殊部位發(fā)生形變的劇烈變化，這就是說(shuō)地殼形變與地震是地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，它們之間存在這密切的關(guān)系。本文通過(guò)地震現(xiàn)象的研究，對(duì)地殼形變觀測(cè)的發(fā)展做了簡(jiǎn)單的介紹，并闡述了地殼形變觀測(cè)在科學(xué)研究中的作用，為發(fā)展新的觀測(cè)手段，以增強(qiáng)地殼形變?yōu)暮Φ谋O(jiān)測(cè)預(yù)警能力提供理論基礎(chǔ)。

低應(yīng)變、地傾斜斜等定點(diǎn)形變測(cè)量指標(biāo)能直接反映地殼介質(zhì)的微動(dòng)態(tài)變化，捕捉到地殼介質(zhì)破裂前的力學(xué)變化信息，出現(xiàn)明顯的地殼形變，必然要在較大范圍內(nèi)引起地殼內(nèi)部物理與化學(xué)性質(zhì)的變化，特別是地殼應(yīng)力狀態(tài)的變化，并可能最終導(dǎo)致局部地殼巖體破壞，發(fā)生地震。我們?nèi)祟愘囈陨娴牡厍颍粫r(shí)地發(fā)生地震現(xiàn)象，了解地震的本質(zhì)，也是科學(xué)地認(rèn)識(shí)地球構(gòu)造和地殼形變的一種重要知識(shí)來(lái)源。我國(guó)是世界上震害最重的國(guó)家之一，提高地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)水平是國(guó)家和社會(huì)公眾的迫切需求，近年來(lái)，研究表明臨近地震前在近震源區(qū)地殼形變可能觀測(cè)到個(gè)別的異常，在遠(yuǎn)離震源的區(qū)域上可觀測(cè)到更多，更顯著的地殼異常變化。地震必然伴隨著地殼形變現(xiàn)象，但地殼與地震之間的相關(guān)性判別直接影響著研究結(jié)果的科學(xué)性，通過(guò)我國(guó)和其他國(guó)家的觀測(cè)和地震工作者多年的探索，已有了較為深入的研究。

一、地殼形變觀測(cè)的發(fā)展

地球內(nèi)部的力量使巖石逐漸發(fā)生不引人注目的形變，便是俗稱意義上的地殼形變，這種變化通過(guò)儀器測(cè)量觀察到，如用激光測(cè)量地表標(biāo)志之間的距離變化，也可用水準(zhǔn)儀測(cè)量地面固定點(diǎn)之間的高差變化等。在構(gòu)造活動(dòng)區(qū)內(nèi)，通過(guò)對(duì)地震活動(dòng)斷層的形變測(cè)量，可以為預(yù)測(cè)地震提供重要依據(jù)。

日本是研究地殼形變與地震關(guān)系最早的國(guó)家，從1883-1906年對(duì)覆蓋日本列島的一等三角測(cè)量網(wǎng)進(jìn)行第一期地殼水平形變觀測(cè)，后進(jìn)行了一系列地殼形變的觀測(cè)，包括地殼垂直形變觀測(cè)，且建立了地殼形變的連續(xù)觀測(cè)方法。美國(guó)費(fèi)城重視地殼形變與地震之間的聯(lián)系，自1851-1860年，便開(kāi)始觀測(cè)斷層的水平運(yùn)動(dòng)，1906年開(kāi)始對(duì)基線進(jìn)行了復(fù)測(cè)，證實(shí)斷層兩次相對(duì)位移增大很快，1907年的復(fù)測(cè)將原基線錯(cuò)開(kāi)約6m。我國(guó)地殼形變的觀察開(kāi)始與1962年，為研究和檢測(cè)庫(kù)區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)，建立了一個(gè)高精度的檢測(cè)網(wǎng)，1910年2001年，許才軍等利用了地震資料和GPS聯(lián)合反演了中國(guó)大陸地殼應(yīng)變等，并結(jié)合了地殼形變狀態(tài)及構(gòu)造背景，進(jìn)行了地震危險(xiǎn)區(qū)域的分析。后進(jìn)一步對(duì)地殼形變觀測(cè)的影響因素進(jìn)行了研究，大氣壓強(qiáng)波動(dòng)引起氣體通過(guò)地表上下運(yùn)移，宏觀上造成地面負(fù)荷的增減變化，微觀上造成巖體孔隙壓力的變化，從而影響地殼形變觀測(cè)值，來(lái)自大氣層結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定或外來(lái)振蕩的激發(fā)而造成的聲重力波浮力振蕩也可引起觀測(cè)值的改變，此外，與許多外界條件和初始條件有關(guān)，包括土層的膨脹和變形以及降雨量的大小和持續(xù)時(shí)間，還與地形地貌、地下徑流、滲透率、孔隙率以及初始含水量有密切的關(guān)系。隨著研究的深入，我國(guó)在觀測(cè)條件、觀測(cè)數(shù)據(jù)處理方面取得了重大成就，使我國(guó)在地殼形變觀測(cè)領(lǐng)域進(jìn)入了國(guó)際先進(jìn)水平的行列。

二、地殼形變觀測(cè)在科學(xué)研究中的作用

由全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）發(fā)展而來(lái)的地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)技術(shù)，已成功地用于中國(guó)大陸幾個(gè)地震區(qū)的檢測(cè)之中，據(jù)此可以獲得大陸地塊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速率，并獲得大范圍的地殼形變運(yùn)動(dòng)圖像。此外還有大面積水準(zhǔn)、斷層形變和地傾斜、重力、洞體應(yīng)變與鉆孔應(yīng)變等觀測(cè)，深入研究地震機(jī)制、震源物理，對(duì)充分掌握地殼形變規(guī)律的規(guī)律和特征有著重要的意義。

1.用地殼形變連續(xù)觀測(cè)的方法以補(bǔ)充傳統(tǒng)大地測(cè)量方法的觀測(cè)精度和復(fù)測(cè)周期等方面的不足，從而讓獲得了高精度的地殼傾斜、應(yīng)變的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，此外連續(xù)的測(cè)量方法進(jìn)行的重復(fù)觀測(cè)，為中、長(zhǎng)期地震預(yù)測(cè)提供依據(jù)。通過(guò)長(zhǎng)期的觀測(cè)和研究，逐步建立了方法、理論、特點(diǎn)和相關(guān)的儀器，采用改進(jìn)的有序聚類分析法圖時(shí)間序列的趨勢(shì)轉(zhuǎn)折點(diǎn)具有明確的統(tǒng)計(jì)意義，可減少人為判斷的主觀和任意性。

2.應(yīng)用地殼形變連續(xù)觀測(cè)方法觀測(cè)地震前后地殼形變的特征，為研究震源機(jī)制建立理論模型等提供了外部約束，此外，觀測(cè)到了地殼的短期變化，通過(guò)斷中所揭示的破裂擴(kuò)展過(guò)程或成核過(guò)程，其引起的應(yīng)補(bǔ)償變化主要分布在裂紋在地表的投影機(jī)沿拓展方向在地表的投影區(qū)域附件，通過(guò)檢測(cè)地震成核過(guò)程，得到的固體潮、地脈動(dòng)、地傾斜現(xiàn)象和應(yīng)變階躍，為其他學(xué)科服務(wù)。

3.地震發(fā)生后，我們通常尋找震源附件地震前幾年的異常變化，建立臺(tái)站型的連續(xù)觀測(cè)方法，以監(jiān)測(cè)幾天至幾秒為周期的地震地殼形變的前兆，從地球物理場(chǎng)的角度觀測(cè)震源狀態(tài)，探索孕震區(qū)物理的地質(zhì)特性，以及地殼彈性和塑性的性質(zhì)和模量的改變，從而使地殼形變研究與地球物理研究結(jié)合起來(lái)。前兆現(xiàn)象與地震之間越具有更大相關(guān)性的假定，事實(shí)上，這種假定具有一定的普遍性，這種思想一直延續(xù)至今，為突破臨期地震預(yù)測(cè)相關(guān)方面提供依據(jù)。

4.在地殼形變觀測(cè)的發(fā)展中，建立了井下測(cè)量系統(tǒng)，由于傳感測(cè)量單位安裝在深井底部，顯著減弱了地表巖石風(fēng)化與地形的影響，有利于高精度的測(cè)量結(jié)果，獲得了高質(zhì)量的地殼應(yīng)力場(chǎng)動(dòng)態(tài)變化觀測(cè)數(shù)據(jù)的主要方法，對(duì)觀測(cè)地震發(fā)生的具體過(guò)程進(jìn)行科學(xué)的闡述提供了科學(xué)的借鑒，成為了地殼形變寬頻帶綜合觀測(cè)技術(shù)解決大、中型城市“地震監(jiān)測(cè)盲區(qū)”問(wèn)題的有效措施之一。

5.地殼形變觀測(cè)結(jié)果提供了具有明確物理意義的地殼運(yùn)動(dòng)的直接證據(jù)和定量特征，以評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性和地震可能性等所進(jìn)行的測(cè)量工作，此外，若采用時(shí)窗滑動(dòng)法，通過(guò)跳幀窗長(zhǎng)和步長(zhǎng)的大小，提取不同領(lǐng)域、不同時(shí)段的多個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，增加其靈活性，拓展其應(yīng)用范圍，實(shí)時(shí)追蹤趨勢(shì)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的演化。

三、結(jié)束語(yǔ)

地殼形變觀測(cè)在防震減災(zāi)工作中是一項(xiàng)不可或缺的重要手段，這種地殼形變是多種因素綜合作用的結(jié)果，在地殼發(fā)生異常形變時(shí)，所需要觀測(cè)到轉(zhuǎn)折時(shí)間的精確定位，需要數(shù)學(xué)上的、定量的方法。長(zhǎng)期以來(lái)，我們將地殼形變觀測(cè)通常理解為構(gòu)造變形觀測(cè)，實(shí)際上這將導(dǎo)致許多觀測(cè)結(jié)果之間出現(xiàn)矛盾，及前兆現(xiàn)象與地震之間關(guān)系的復(fù)雜性，根據(jù)此為契機(jī)，隨著空間科學(xué)和光電科學(xué)的迅速發(fā)展，現(xiàn)代地殼形變所建立起來(lái)的觀測(cè)技術(shù)，已從總體上區(qū)分為空間觀測(cè)技術(shù)體系好地面觀測(cè)技術(shù)體系。地殼形變的觀測(cè)，不論是在研究地球動(dòng)力學(xué)，地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地殼穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，以及研究地殼形變?cè)诘卣鹦纬蛇^(guò)程中所起的作用，都具有重要意義。