GPS在我國地震監測中的應用現狀與發展展望

王坦 李瑜 張銳 師宏波 王閱兵

摘要：回顧了GPS技術應用于我國地震監測中的發展歷程，重點從GPS數據處理與時間序列、中國大陸構造變形速度場與應變率場、中國大陸活動地塊運動定量化和地震研究等方面，介紹了GPS在我國地震監測中的應用現狀，并針對當前面臨的問題與挑戰，進行了討論，從地震預測研究、基礎研究、GPS臺網監測布局和GPS解算精度與時效4個方面，對GPS在我國地震監測中的發展進行了展望。

關鍵詞：GPS;地震監測;陸態網絡;應用現狀;發展展望

中圖分類號：P315.725?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1000-0666（2021）02-0192-16

0 引言

地殼運動與地震有著密切的關系，因此，對地殼運動的監測一直是地震預測預報研究的重要依據和手段。但受限于觀測技術和精度，1966年邢臺地震后至1998年，我國主要是采用傳統大地測量方法開展大地形變測量（王琪等，2020），包括水準測量、激光測距和三角測量等。傳統大地測量效率低，觀測周期長，長期以來只能在某些點和小范圍進行監測，難以對大范圍、特別是斷層帶的形變場實施動態監測。雖然也曾有研究人員通過大規模人工觀測獲取中國大陸垂直形變圖像（張祖勝等，1989;薄萬舉等，2007），但在時空分辨率和精度上并不能滿足構造變形研究和地震預測的需要，嚴重制約了地震監測預報的發展。

20世紀90年代初出現的GPS對地觀測技術為大地測量和地殼運動監測帶來了一場革命。GPS高精度、大范圍和準實時的地殼運動觀測結果，使得多種空間尺度、多種時間分辨率和寬頻率域的現今地殼運動觀測成為可能（賴錫安等，2004）。隨著人們對導航定位性能要求的不斷提升，以及航天、通信及衛星導航技術本身的發展，原始GPS在性能上的局限性已越來越明顯，新一代GNSS，如現代化的GPS、不斷改造的GLONASS以及新建的歐盟Galileo、我國的北斗衛星導航系統（BDS），都有了新的改進，處于迅速發展之中。現今的導航定位技術無論在空間與時間的覆蓋性上還是在精度上，都取得了革命性的進步，應用領域得到了極大拓寬，這些給我們帶來前所未有的機遇的同時，也向我們提出了新的挑戰。本文主要對GPS技術應用于我國地震監測的30年歷史和取得的成就進行了回顧和評述，并在此基礎上，結合國外的最新研究進展，對當前面臨的困境進行總結，并提出了未來的發展方向。

1 GPS觀測臺網

1.1 早期觀測

我國最早的GPS地殼運動觀測網是中國地震局1988年建設的滇西地震預報實驗場GPS觀測網（王琪，Seeber，1998）。在20世紀90年代初，我國地震部門陸續在川滇、河西走廊（黃立人，馬青，2003）、青藏高原（游新兆，王啟梁，1994;蔡宏翔等，1997;陳俊勇等，2001;張培震等，2002a）、新疆天山（王琪等，2003）、華北（李延興，趙承坤，1998）、福建東南沿海（劉序儼等，1999）等地區零星地開展了小范圍、定期觀測的GPS地殼運動監測研究工作（1988—1997年）。同一時期，中國科學院上海天文臺建設的國家攀登計劃項目“現今地殼運動與動力學”建成了覆蓋中國大陸22個點位的GPS觀測網，該網分別于1992、1994和1996年進行了3期聯測，大部分測點的速度精度都優于3 mm/a（朱文耀等，1998;李延興等，2000;孟國杰，2001）。國家測繪局完成了國家A、B級網共800多個點位的布設和觀測，東部較密，西部稀疏，主要服務于國民經濟建設。總參測繪局完成了國家GPS一、二級網500多個點位的布設和觀測，均勻地分布于全國各地。

以上這些早期觀測通常都采用流動觀測模式進行（王小亞等，2002），每次觀測時長在1到數天，主要關注于一些局部區域的形變特征，難以提供全國尺度連續的地殼運動特征。

1.2 中國地殼運動觀測網絡

1998年，“九五”期間，由中國地震局牽頭啟動實施了國家重大科學工程“中國地殼運動觀測網絡工程項目”（簡稱“網絡工程”）。整個工程由基準網、基本網、區域網和數據傳輸與分析處理系統4大部分組成。基準網是網絡工程的基本框架，由25個GPS連續觀測站構成;基本網由56個定期復測的GPS站組成;區域網由1 000個不定期復測的GPS站組成;數據系統由1個數據中心和3個數據共享子系統構成。網絡工程在中國大陸建立了由25個連續GPS基準站，56個基本站和1 000個流動GPS區域站組成的GPS監測網絡。（張祖勝，2001;牛之俊等，2002;陳俊勇，1997）。基準站相鄰站間距離平均約為700 km，主要功能是監測中國大陸一級塊體。基準站相鄰站間GPS基線長度年變化率測定的精度優于2 mm/a（王琪等，2003;游新兆等，2001）。基本站作為基準站的補充，主要用于一級塊體本身及塊體間的地殼變動的監測。它與基準站一起均勻布設，平均站距約為350 km，相鄰站間GPS基線每期測定精度：水平分量優于5 mm，垂直分量優于15 mm。區域站中約700個站集中分布在主要構造帶和地震帶上，用于監測其活動狀況，為地震預測預報服務;約300個站均勻分布在全國，作為基準站和基本站的補充，相鄰站間GPS基線每期測定精度：水平分量優于5 mm，垂直分量優于15 mm。網絡工程以監測地殼運動服務于地震預報為主要目標，并兼顧大地測量和國防建設的需要，以GPS技術為主，輔之以VLBI、SLR、重力和水準觀測，其規模、觀測密度和精度等方面都將中國大陸GPS地殼運動觀測水平推向了一個新高度。

1.3 中國大陸構造環境監測網絡

作為網絡工程的延伸，“十五”期間建成的中國大陸構造環境監測網絡（簡稱“陸態網絡”）（甘衛軍等，2007，2012;游新兆，馬海建，2012），使得我國大陸連續運行的GPS基準站由網絡工程的25個擴展到260個，區域流動GPS觀測站點由1 000個擴充至2 000個。一期工程的基本站在二期工程中將不再單獨存在，其原有的55個定期觀測的GPS基本站，除部分被升級改造為連續觀測基準站外，其余站點歸入2 000個區域站之中。

基準站布設方面，在中國大陸的20個主要活動塊體上各布設3個基準站，共計60站;在我國總長約32 000 km的活動斷層上平均每200 km（大致為一個8級地震的斷裂破裂長度）布設1個基準站，共計160站;為實現對活動強烈的主要斷裂的有效監測，在地震活動最為強烈的中國大陸西部地區布設垂直于斷裂的密集線狀觀測臺陣和以監測慢地震為目標的斷裂兩側的成對臺陣，共計32站;在中國大陸周邊海域的島礁上布設相應臺站，共計4站;在監測塊體涉及的中國大陸周邊國家布設相應臺站，共計4站。基準站站間距縮小至160～350 km，水平分量測定精度優于2 mm/a。

區域站在網絡工程的基礎上新增1 000個，采用按需要不定期復測的方法以補充基準站的不足。新建的區域站中，有400個區域站組成50個跨越主要活動斷裂帶的密集線狀觀測點陣，用于研究斷層結構和形變特征;300個用于25個地震危險區的加密，點間距30～70 km;另300個在全國均勻分布。全國的大部分地區區域站的平均間距縮小至100 km左右，有可能監測到5級地震產生的變形。區域站坐標變化量測定精度：水平分量優于5 mm，垂直分量優于10 mm。

陸態網絡與美國PBO和日本GEONET地球觀測網絡一同成為世界上性能指標最先進的三大地殼運動觀測網絡，成為國際地球科學研究與發展的基礎平臺（甘衛軍等，2012）。陸態網絡在建站技術、觀測技術、集成技術及其綜合應用方面，實現了與世界先進水平同步發展。在布網設計上，采取基準站與區域站有機結合的方式，形成自成特色的站網體系，臺站的空間分布達到與國外同類網絡相同的水平，時間分辨率在重點地區接近世界先進水平。陸態網絡所采取的整體規劃、統一布局、重點布設、統一標準的建設模式，在充分發揮整體性優勢的同時，更具針對性和實用性，并保證了高質量數據的產出，提高了國家投資效益。陸態網絡的建成實現了對中國大陸主要活動塊體和活動斷層的覆蓋，為獲取中國大陸地殼運動細部特征提供基礎，使我國綜合利用空間對地觀測技術，監測大陸巖石圈、大氣圈動態變化，特別是與地震有關的變形監測的水平達到國際先進（甘衛軍等，2012）。與此同時，中國地震局自2009年開始，針對地震重點危險區和重點監視區，先后實施了華北強震強化跟蹤監測項目、綜合地球物理場觀測計劃（青藏高原東緣地區和鄂爾多斯地塊周緣地區）和大華北地區項目等，不斷完善GPS觀測。

1.4 GPS數據資源共享與發展

中國地震局自2014年開始以陸態網絡為紐帶，逐步開展了同氣象、測繪和國土等部門的全國GPS數據資源共享工作。截至2020年，已形成含陸態網絡260個共計超過2 000個連續GPS觀測站的全國共享GPS觀測網，進一步擴大了監測范圍，提升了監測能力，提高了資源利用率。東部GPS流動觀測逐步以共享站代替，重點加強西部地區GPS流動觀測，實現了GPS觀測網絡的大發展。至此，中國大陸GPS觀測實現了從全國大范圍空間覆蓋以流動觀測為主向固定連續站發展的進步。連續觀測不僅實現了高時間分辨信息的獲取，同時由于GPS包含的非構造不規則的周期信息，連續觀測還實現了震間長期高精度地殼運動速率的獲取。

這些日益豐富的GPS觀測與研究，開拓了中國大陸現今地殼運動-變形和動力學研究新領域，直接支持了大陸動力學、地震科學、地震大地測量學（周碩愚等，2017）和地震預測的創新，同時也為中國大陸的地殼運動和地球動力學研究提供了十分重要的基礎資料和約束條件。

2 GPS在我國地震監測中的應用現狀

2.1 GPS數據處理與時間序列

2.1.1 GPS數據處理軟件

目前，用于地殼運動研究的GPS數據處理主要采用的是精密單點定位軟件（如GIPSY軟件、Panda軟件）、雙差定位軟件（如GAMIT軟件）和同時具備這兩種功能的軟件（如Bernese軟件）（顧國華等，2001，2005，2007）。

精密單點定位（PPP，Precise Point Positioning）技術由美國噴氣推進實驗室（JPL）的Zumberge等（1997）提出。它是通過外部高精度衛星軌道數據和鐘差產品，對單個測站的非差導航衛星觀測偽距值及載波相位觀測值進行處理，獲得分米級、厘米級甚至毫米級定位結果的一種導航數據處理技術。Zumberge等（1997）還基于平方根濾波方法研制出精密單點定位解算軟件GIPSY并進行相關實驗，單天解的精度為：水平方向1 cm，高程方向2 cm。經過20多年的快速發展，國內外學者研發出了許多成熟的PPP軟件。瑞士伯爾尼大學天文研究所在其研制的BERNESE5.0中添加了PPP.PCF模塊，可進行GPS/GLONASS PPP 解算（Dach et al，2007）。武漢大學劉經南等基于信息平方根濾波法（SRIF）研制出PPP解算軟件 PANDA（Liu，Ge，2003;趙齊樂等，2005）。

雙差定位即在兩測站之間以及兩顆衛星之間分別做差，是較早出現的、成熟的高精度定位方法，廣泛應用于高精度GPS測量數據處理軟件。因為要做差，就需要選擇基準站和流動站，選擇參考衛星和非參考衛星。雙差定位有松組合模型（LCM，Loosely Combined Model）和緊組合模型（TCM，Tightly Combined Model）兩種。現在主流的方法是松組合模型，在每個衛星導航系統內分別獨立選擇各自的參考衛星，只在系統內組建雙差觀測方程，再聯合不同系統的雙差方程進行組合定位解算。緊組合模型，即在多系統組合定位時，不同的GNSS系統在組雙差觀測方程時，只選取某一顆衛星作為參考衛星，其它衛星均與其做差，這樣可以形成系統內和系統間的雙差觀測值（張小紅等，2016）。在松組合模型中，各個系統的觀測值相互獨立，實現簡單，己被廣泛采用。但是，松組合模型沒有考慮不同GNSS之間的相關性，沒有充分利用多系統觀測數據，不能真正意義上實現GNSS高精度相對定位中GNSS系統間的兼容和互操作性。相比之下，緊組合模型充分考慮了不同GNSS系統間的融合處理，減少了參考衛星的個數，增加了觀測值的個數，提高了定位模型強度以及相對定位的精度、可靠性和可用性。

2.1.2 GPS坐標時間序列

GPS在地震監測研究中的基礎應用主要是通過高精度、自動化、快速甚至實時的GPS觀測數據處理，得到地殼形變的時間序列和空間分布信息。通過長時間的GPS坐標時間序列處理，進行數據補缺、粗差剔除、噪聲分析、功率譜分析、共模誤差分析、階躍修復和震后馳豫形變等手段，可獲取前兆信息，進而研究地殼運動機理或模型。

為了對GPS坐標時間序列進行分析，需要建立相應的時間序列模型。Davis等（2012）提出的對數模型目前被廣泛應用于GPS坐標時間序列分析領域，其數學模型如下（Blewitt，Lavallée，2002;Langbein，2008;Montillet，Yu，2015;黃立人，2006;賀小星，2013;侯曉偉，2018;許家琪，2019）：

y（ti）=a+bti+csin（2πti）+dcos（2πti）+esin（4πti）+fcos（4πti）+∑njj=1giH（ti-Thj）+∑nhj=1hjH（ti-Thj）ti+vi（1）

式中：a為截距;b為線性速率;csin（2πti）+dcos（2πti）+esin（4πti）+fcos（4πti）為周年半周年變化; ∑njj=1giH（ti-Thj）為同震階躍; ∑nhj=1hjH（ti-Thj）ti為非同震階躍（儀器變更）;vi為觀測噪聲。該公式包括了測站的線性速率b（該值即為后面比較的速度場的值）、周年變化半周年變化、同震階躍和非同震階躍。

基于上述對GPS時間序列的分析，扣除粗差，并對GPS時間序列中的階躍（地震同震、儀器更換等原因造成的）進行探測和剔除，最終得到相對“干凈”的GPS站點位置時間序列（圖1）。

2.1.3 GPS基線時間序列

GPS站點數據解算還可獲得基線時間序列（圖2）。由于GPS基線時間序列能在一定程度上削弱系統誤差和共模噪聲的影響，可以明顯提高形變場觀測精度，因此比單個測站坐標時間序列能更靈敏地反映周圍構造環境的變化，連續觀測點日誤差僅為約1 mm，在斷層兩側成對設立GPS可以用來有效監測斷層內、特別是脆韌轉換帶內的細微形變變化，捕捉斷裂帶上與構造運動相關的精確時空信息（王敏等，2008;張風霜等，2011）。王敏等（2008）利用跨鮮水河斷裂的兩對GPS連續觀測點資料，獲得了跨鮮水河斷裂高精度形變場（誤差約1 mm）的動態演化軌跡。該軌跡清晰地反映了鮮水河斷裂乾寧段和道孚段形變場的明顯不同，揭示當前斷裂南段轉換層強度可能高于北段，對應于更長的發震周期。

2.2 中國大陸構造變形速度場與應變率場

自1988年中德合作滇西地震預報實驗場開展GPS地殼形變監測以來，獲取中國大陸構造變形的完整圖像始終是研究人員們最基礎、最重要的科學目標。中國大陸地殼運動與變形監測經歷了監測區域由小到大、站點由稀疏到相對密集的一個發展過程，與之相對應的是地殼運動速度場的不斷完善和精化（王敏，沈正康，2020）。

2.2.1 水平速度場

早期的GPS測站十分稀疏，區域控制范圍極其有限，人們對中國大陸整體的構造形變特征認知不夠。在前人工作基礎上，王琪等（2001，2002，2006）和Wang（2001a）首次利用國內及周邊國家地區的229個GPS觀測站資料進行統一解算，獲得了更為精細的中國大陸地區地殼運動水平速度場，在國際上產生重要影響。馬宗晉等（2001）利用1998—2001年基準站和基本站觀測約束了中國大陸一級構造塊體的運動特征。王敏等（2003）通過分析中國地殼運動觀測網絡GPS數據特別是1999年與2001年區域網數據，初步得到了中國大陸地殼運動速度場，并用統計分析的方法從高密度臺站速度場中區分出9個獨立活動塊體和2個廣泛形變帶，求出活動塊體剛體運動歐拉極和相鄰塊體間相互運動速率。牛之俊等（2005）利用3期及其他一些區域流動觀測結果共1 199個觀測站點，通過GAMIT軟件得到中國大陸現今地殼運動速度場。該速度場清晰地揭示了不同地塊的變形方式差異，最明顯的特征是，青藏高原和川滇地區繞東喜馬拉雅構造結順時針旋轉，GPS觀測的速度矢量在西藏東部向北運動，到川西一帶轉為向SEE向，到云南地區逐漸轉為向SSE、SW方向運動。此外中國西部速度矢量由南向北逐漸遞減，表明其青藏高原的地殼縮短吸收了絕大部分印度和歐亞板塊之間的相對運動，剩余部分則被天山及以北的地殼縮短所吸收。Gan等（2007）用青藏高原及周邊726個GPS站，對青藏高原現今地殼運動給出了精準的描述和推斷，認為整個青藏高原的剛性旋轉可以被描述為相對歐亞框架下的（24.38±0.42）°N、（102.37± 0.42）°E，（0.7096± 0.0206）°/Ma歐拉矢量，剛性旋轉組件吸收了至少50%的來自印度板塊向東北的推力，并主導了北部的向東擠壓。

由于2008年陸態網絡的實施，GPS站點密度得到極大提升，我國的GNSS觀測資料日趨豐富，中國大陸構造變形圖像由最初的幾十個點發展至目前的幾千個點。李強等（2012a，b）以網絡工程1 056個區域站1998—2007年觀測資料及陸態網絡2 056個區域站2009和2011年兩期觀測資料為基礎，剔除其中位移異常站，實際選取總計1 979個測站，利用GAMIT、GIPSY、Bernese、Panda獨立計算等權合并，盡可能增強觀測結果的可靠性，繪制出了空間分辨率高，構造變形特征更為豐富、翔實的中國大陸地區地殼運動水平速度場。Zheng等（2017）利用1991—2015年2 574個GPS速度場測量數據，給出了印度—歐亞大陸最完整、準確和最新的速度場。Xu和Stamps（2019）等利用1996—2017年陸態網絡GPS數據，產出了可靠的速度場，并據此估計了中國大陸的地震活動率。Wang等（2020）對近25年超過4 000個GPS觀測點的數據資料進行了嚴格處理，得到了當前最新、最精細的中國大陸地殼運動速度場，更進一步地印證了印度與歐亞板塊相對運動被青藏高原變形所吸收，變形發生在整個青藏高原，而不僅在少數斷裂帶上，呈現近南北向縮短，東西向拉長，繞喜馬拉雅東構造結和秦嶺構造結發生明顯的順時針旋轉特征。

2.2.2 垂向速度場

在垂向速度場方面，甘衛軍課題組利用青藏高原及其周邊十多年的流動和連續GPS資料，對青藏高原現今地殼運動，尤其是垂向地殼運動進行研究，并分析探討青藏高原現今隆升狀況與長期地形的相關性及其所反映的地球動力學含義，揭示了青藏高原相對其北部穩定塊體的整體隆升趨勢（Liang et al，2013;梁詩明，2015）。Hao等（2016）通過對青藏高原東南部連續GPS站和GRACE數據聯合分析，確定了青藏高原東南部的垂直地殼運動速率，揭示了青藏高原東南部正在經歷隆升，而川南—云南南部相對于北部地區正在下沉的現象，這也是地殼均勻伸展假設所不能解釋的。Zhan等（2017）利用2010—2016年235個GPS連續站的數據分析了大空間尺度的中國大陸地殼垂向運動，又以云南和天津兩個典型地區為重點研究區域進行了重點分析，對中國大陸垂向運動以及周期性特征和區域性差異給出了定量描述。

隨著網絡工程、陸態網絡的建設，我國的GPS觀測資料日趨豐富，中國大陸構造變形圖像由最初的幾十個點發展至目前的幾千個點，為定量、精細研究塊體運動、斷層活動提供了數據基礎，GPS觀測資料已全面、系統、精確地展示出中國大陸地區地殼構造變形的方式及幅度。

2.2.3 應變率場

GPS速度場反映的是構造活動的運動學特征，應變率場給出的是變形樣式和強度，在一定程度上反映了構造應力場特征。在GPS點位分布不均勻的地區，利用GPS速度場計算的應變率場能更好地描述構造變形特征（王敏，沈正康，2020）。另外，不同的應變矢量，可以反映不同方向的變形分布（武艷強等，2020）。應變率場研究對于地震危險性評估具有重要意義，利用GPS資料獲取地殼運動與應變積累一直是國內外重視的地震中長期預測的技術途徑（王靜，2019）。計算應變率場的方法有很多（Shen et al，1996;李延興等，2001;楊少敏等，2012;石耀霖等，2006;沈正康等，2003;黃立人，王敏，2003;江在森等，2003，2010;武艷強等，2009，2011），使用相同或類似的GPS資料求應變，不同研究者給出的結果會有顯著差別（石耀霖，朱守彪，2006）。不同應變率計算方法有其各自的特點，在具體使用中，需要根據區域大小、地質資料、GPS站點數量及空間分布選擇合適的方法。

根據動態的應變率場圖像再計算即可得到主應變、面膨脹和剪應變，這對研究區域應變積累過程具有重要意義。通過剪應變可以比較直觀、清楚地顯示出，中國大陸內部不同構造單元對周邊板塊和板內深部構造動力共同作用的變形響應。中國大陸地區最大剪應變率以南北地震帶為界，呈西強東弱態勢，中國大陸內部剪應變率最大的三個區域依次是喜馬拉雅、昆侖山斷裂帶、阿爾金斷裂帶，藏南、羌塘地塊中西部部分地區、昆侖山中部至鮮水河—安寧河—小金斷裂帶一帶、東天山等屬最大剪應變率高值區（李延興等，2003;江在森等，2001，2003;沈正康等，2003;王敏，沈正康，2020）。另外，安寧河、小江斷裂帶、鄂爾多斯東北角、祁連山和天山的剪應變值也相對較高。

通過GPS推算的現今地殼應變場的空間變化與大陸強震具有較好的對應關系（張培震等，2003）。1995年以來發生的MS≥6地震的震中一般都分布在剪應變高值區，尤其是2001年昆侖山口西MS8.1地震，正好發生在面膨脹應變率和最大剪應變率高值區邊緣的梯度帶上（Lin et al，2002）。隨著觀測精度的進一步提高和站點密度的增加，GPS必將在地殼構造變形和地球動力學研究以及地震預測中發揮越來越大的作用。

2.3 中國大陸活動地塊運動定量化

中國大陸巖石圈新生代和現代構造變形的最顯著特征是巨大的晚第四紀活動斷裂十分發育，將中國大陸切割成為不同級別的活動塊體（鄧起東等，2002）。活動地塊邊界構造活動強烈，內部相對穩定，絕大多數強烈地震都發生在地塊邊界的活動構造帶上。根據晚第四紀構造變形、地震活動和地球物理場的差異，可以將中國大陸分成若干活動地塊，GPS所揭示的中國大陸現今地殼運動場清晰地表現出了分塊特征，不同的活動地塊具有不同的水平運動和變形方式（黃立人，王敏，2003）。

丁國瑜和盧演儔（1986）根據地震資料、活動構造資料首次定量研究了我國大陸內部各個塊體的相對運動和總的變形情況，獲得了百余個觀測段上斷層滑動平均速率矢量的水平投影值，從地質學角度揭示了斷層的長期滑動速率。張培震等（2002b，2003）結合測震、活動構造及GPS資料，將中國大陸及其鄰區劃分為22個活動地塊，并定量描述了每個地塊運動的速率大小和方位。李延興等（2003）利用1 598個GPS觀測站資料，從地殼運動與應變的角度，定量計算了各地塊的運動參數和應變參數。

隨著GPS觀測資料的不斷積累，尤其是號稱“世界屋脊”的青藏高原地區GPS觀測資料的增多，為研究其構造變形模式提供了有力的數據支持。

國外學者應用已發表的GPS速度場數據，從塊體運動的角度進一步量化了青藏高原以及周邊滑動斷裂帶的運動速率。基于Zhang等（2004）發表的青藏高原地區GPS速度場數據，Meade（2007）將其與地質觀測數據整合到內部一致的三維區域尺度模型中，對彈性上地殼的彈性行為進行解釋，繪制出了青藏高原及周邊地區地殼運動各地塊邊界滑動速率圖;Thatcher（2007）同樣選取了其中349個GPS站的速度，利用準剛性塊模型，將青藏高原及其周圍地區劃分成11個塊體。

GPS的出現與發展，為定量化研究現代板塊內部活動構造提供了前所未有的機遇，其與地震地質資料的結合發展，豐富和完善了現代板塊內部活動構造理論，為定量研究地震危險性分析提供了依據（Shen et al，2005;王閻昭等，2008;楊少敏等，2008;Zhao et al，2017a;Wang et al，2017;Zheng et al，2017）。

2.4 地震研究

GPS可以準確測定地震引起的永久的靜態同震形變場，為研究地震的同震破裂分布、斷層幾何結構提供重要約束，彌補遠場地震波形對發震斷層幾何結構不敏感的缺點。此外，高精度、高頻率的GPS監測擴充了強地面運動觀測的頻帶范圍，不存在振幅飽和、曲線漂移等缺點，已成為地震儀的有效補充。GPS觀測也被廣泛用于震后形變監測和震后機理研究等方面，而以震后形變為約束，可以探討斷層的余滑性質、下地殼/上地幔的流變性，為斷層的運動學研究和區域地球動力學研究提供依據，是對巖石力學實驗、冰后回彈等手段探測結果的檢驗和補充（刁法啟，2011;劉剛等，2020;趙斌等，2020）。

2.4.1 同震形變場

中國境內的GPS臺網已經成功觀測到中國大陸及其周邊地區多次地震的同震形變場，如2004年印尼蘇門答臘發生MW9.3地震（王敏等，2006）、2008年汶川MS8.0地震（Wang，2011;伍吉倉等，2020）（圖3）、2011年日本MW9.0宮城地震（王敏等，2011）、2015年尼泊爾MS8.1地震（李瑜等，2015;趙斌等，2015）等大地震，以及2010年青海玉樹MS7.1地震（Meng et al，2013）、2013年四川蘆山MS7.0地震（Jiang et al，2014）、2014年新疆于田MS7.3地震（梁洪寶等，2018）、2014年云南魯甸MS6.5地震（魏文薪等，2018）、2015年新疆皮山MW6.4地震（He et al，2016）、2016年新疆阿克陶MW6.6地震（Li et al，2019）、2017年四川九寨溝MS7.0地震（Zhao et al，2018;王閱兵等，2018;Liu et al，2019）等。值得一提的是GPS在汶川地震同震三維形變場的測定、同震滑動分布模型的反演中發揮了至關重要的作用，大大促進了對汶川地震發震機理的認識（Wang，2011b;顧國華，王武星，2011;殷海濤等，2010;趙靜等，2018）。

2.4.2 高頻GPS應用

GPS與強震儀同址觀測，可利用加速度和位移的關系，來彌補兩種觀測手段的不足，即通過高頻GPS來矯正強震記錄，以強震記錄來提高高頻GPS的采樣率和精度，達到聯合反演地震波的影響過程，這在近年應用較為廣泛。Larson等（2003）最早成功利用1 Hz GPS觀測數據進行研究，復原了2002年德納利（Denali）MW7.9地震的遠場地震波，并與強震儀記錄比較，認為1 Hz GPS觀測資料可以聯合地震觀測資料反演研究地震破裂過程。此后，外國學者Ji等（2004）、Bock等（2004）、Miyazaki等（2004）、Emore等（2007）、Bilich等（2008）、Davis和Smalley（2009）和國內學者殷海濤等（2010）、Shi等（2010）、方榮新（2010）、張小紅等（2016）、申文豪等（2019）也先后利用高頻GPS數據進行了相關研究，推動了高頻GPS在地震研究中的廣泛應用。Geng等 （2019，2020）將并置的高頻GNSS、加速度計和陀螺儀3種儀器進行融合，以期發揮每種儀器的優勢。融合3種觀測數據的地震大地測量學方法，在保證觀測穩定性的條件下，將觀測近場形變精度提高至毫米量級，這對于大地震震源機制的研究，乃至地震預警與烈度速報工程都具有重要意義。

2.4.3 GPS震后形變監測

隨著GPS觀測臺網的建設和發展，國內也積累了非常豐富的震后形變觀測資料，為震后形變監測和震后機理研究提供了豐富的數據基礎，可模擬震后應變應力時空發展過程，為地震預測提供參考。2001年昆侖山口西MW7.8地震是網絡工程建成后發生的首次大地震（趙斌等，2020）。通過網絡工程GPS測站和震后加密觀測，國內學者首次使用GPS技術大面積高密度監測地震同震位移和震后斷層蠕動（任金衛，王敏，2005），觀測到了昆侖山斷裂帶南、北兩側震后形變的不均一性（Ryder et al，2010;賀鵬超等，2018;Liu et al，2019）。2008年汶川MS8.0地震后，GPS觀測站的數量較之前有很大的提升，觀測到明顯的地震后變形，垂直于斷層方向的形變在2013年后衰減到幾乎為零，直到2013年5月的觀測中，明顯的右旋運動并沒有明顯衰減（Xu et al，2014）。2015年尼泊爾MS8.1地震后，Zhao等（2017b）利用GPS觀測資料，首次提出藏南地區幔黏彈性松弛在震后早期也在起作用，并分析得到印度—藏南黏滯系數存在明顯的橫向差異，與青藏高原東緣具有相似性（Huang et al，2014;趙斌等，2020）。

2.5 廣泛的影響

GPS觀測技術從20世紀90年代初發展至今，其應用在中國大地上已遍地開花，不論是在軍事測繪保障、交通運輸導航、災害天氣預報方面，還是在地學科學研究、地震預測預報等領域，都發揮了巨大的作用，并產生了廣泛而深刻的影響（姜衛平，2017;陳增強等，2000;王小亞，2002;尹繼堯等，2007;魏明耀等，2010;徐韶光等，2011）。

GPS的出現，在時空尺度上極大地提升了大地測量監測地球表層運動與變形的能力。全國尺度的GPS觀測網絡（網絡工程、陸態網絡等）的建成并投入使用，實現了對板塊及其邊界帶運動的監測，建立了空間大地測量板塊運動模型;區域性和板內重要斷裂帶運動的監測和研究，提高了對板緣地震和板內地震構造環境的認識，推動了大陸動力學研究的進展。時空監測能力的提高，大大增強了動力學研究的高精度地殼運動觀測約束，使位錯反演時所依據的地球模型更接近真實的地球，斷層模型更加復雜多樣，適應了不同時空尺度大地測量反演的需要，推動了位錯理論的發展與應用，使我國在相關領域的研究躍入國際先進行列。

3 面臨的問題

3.1 地震監測預報難題尚未解決

GPS觀測因建立了全球統一參考基準而保證了大空間尺度觀測結果具有可比性及高精度特性，對地震同震形變、震后形變以及震間形變等各個方面的研究起到非常重要的作用（周碩愚等，2006，2007，2015;吳云等，2003;顧國華等，2003，2012;薄萬舉，2013;張曉亮等，2006;冒愛泉等，2008）。然而，地震監測預報遇到的困難遠遠超出人們的預期，是世界性的科學難題，目前尚處于初期的科學探索階段（陳運泰，2009）。相比于傳統大地測量技術，GPS能夠獲得多尺度地殼運動和形變動態信息，但與地震預測對孕育過程信息的需求相比仍存在較大的差距（江在森等，2020）。從國內到國外，GPS在地震預測方面的應用都面臨相似的困境。在地震預測研究方面，國內外的研究實例均表明基于震間期GPS資料反演的閉鎖程度/滑動虧損分布與大地震發生地點具有對應關系，當GPS觀測資料的空間分辨率滿足要求時，此類工作對于強震地點和震級預測具有指示意義。這些回溯性研究為GPS應用于中長期地震預測指明了方向。

3.2 基礎研究缺乏突破

地震工作者基于震前GPS資料針對強震孕育晚期的研判一直在進行著有益的探索（武艷強等，2020）：如基于強震前GPS形變場空間分布與強震發生地點關系的探索（剪切變形分布與走滑型強震的關系、正應變分布與傾滑型強震的關系等）;大地震同震及震后影響的顯著弱響應區與后續強震的關系探索;強震前地殼變形模式與同震應變釋放模式的非對稱特征探索等。但目前此類研究多為現象總結和定性機理分析，尚缺乏有效的數理模型支持（周碩愚等，2006）。

基于GPS時序資料進行震源異常的探索一直被廣大地震工作者所關注，多位學者研究認為基于GPS時序結果，在2011年日本“3·11”地震前觀測到了幾年尺度的偏離原有趨勢的異常現象（回溯性研究）（Ozawa et al，2012;Yokota，Koketso，2015）。另外，基于GPS時序資料的強震短臨異常探索也在積極探索中，比如GPS方向角指數方法、變形參數時序變化與強震關系等。目前此類研究多為零散的現象總結，尚缺乏合理有效的定性或定量數理模型支持。

綜合而言，基于GPS資料的強震地點預測取得了一些進展（江在森，武艷強，2012），具有一定的理論模型支撐，亟需加大科研投入，發展適合于中國的板內地震孕育模型、復雜斷層系統強震孕育模型、多活動地塊組合的強震孕育模型。另一方面，基于GPS資料對于強震孕育晚期判斷及短臨預測方面，積累了一些觀測現象，除了繼續積累震例外，亟需加大科研支撐，盡快發展起有效的解析或數值模型。

3.3 站點密度有待提高

現今活動斷層滑動速率和閉鎖深度的判定是進行地震危險性地點預測的基礎。在我國西部大多數活動斷裂及其附近，GPS站點的間距在80～150 km，而斷層滑動引起的地表位移變化大的地方一般在斷層兩邊100 km的范圍內。因此，以現有的GPS站點密度無法可靠地反演斷層參數，判斷斷層活動的性質，因此也無法對地震危險性做出可靠的判斷。在幾次大地震之前，連續GPS站由于距離震中較遠沒有發現異常，而區域站發現了明顯的異常。目前，國際上應用于地震監測的最具代表性的地殼形變站網是美國（南加州地區）和日本的GPS觀測網。其中美國（南加州地區）采用“重點地區密集觀測”策略，觀測站沿重點斷裂帶周邊布設，間距達2～5 km;日本采用“全域網格式均勻分布”策略，在陸地范圍內，觀測站平均間距約為17 km，同美國、日本的GPS觀測網相比，國內在站間距方面還有很大差距。

3.4 GPS解算精度和時效有待提高

GPS觀測極大地提高了地殼運動水平方向監測能力，但受限于GPS系統設計與當前數據解算水平，垂向運動精度、數據解算時效和非構造因素剔除等諸方面仍相當薄弱。

4 發展方向

4.1 強化地震預測研究目標導向

（1）強化中長期地震預測，完善GPS在發震地點和震級預測的方法和應用。目前，GPS在地震中長期預測中的應用都獲得廣泛的認同（江在森等，2020）。研究人員一致認為，GPS的觀測與彈性位錯理論吻合很好，成功地解釋了地震的孕育和破裂過程。GPS研究獲得的斷裂滑動速率、閉鎖程度、地震矩積累程度等可應用于地震的中長期預測，能較好地確定中長期地震的震級和地點。

（2）加強GPS用于短臨預測的實踐探索與研究。GPS在地震中長期預測中的應用已經基本獲得大部分認可，但是在地震短臨預測中的應用還存在較大的分歧。地震前兆是有的，問題在于是否能觀測、記錄到，即使觀測到了，又是否能識別（馬瑾，2016）。有些專家認為GPS由于時空分布不足以及精度的問題，開展短臨預測還存在困難，但有些專家對此呈樂觀態度。GPS應用于地震短臨預報缺乏具有信服力的證據，但值得大力探索。目前，GPS短臨預測研究還相對較少（Chen et al，2014;馮蔚，2016;Feng et al，2016;Bedford et al，2020），需要加強。短臨預測主要依靠GPS連續觀測資料，這對GPS連續觀測數據的處理和應用方法提出了新的挑戰，需要探索、發展GPS在短臨預測跟蹤中的數據處理方法和應用方法的研究。

（3）強化斷層滑動行為的精細化研究，分析地震危險性。基于密集的GPS觀測資料（包括速度場、基線或應變率），以震間GPS運動速度場為約束，研究主要活動斷裂滑動速率、應變和地震能量積累，并根據地震目錄統計斷裂帶的地震矩釋放情況，從而分析評估區域地震危險性。重點加強與地震地質（古地震考察）、地震精定位等相關研究的交叉融合。

（4）提高斷層滑動瞬態變化過程的監測能力。基于密集的連續GPS觀測站，構建跨斷層基線及觀測網，識別并提取出斷層滑動行為隨時間的變化特征，進而研究斷層瞬態變形過程與地震活動的關系。

（5）GPS分析研究要從地表到地下，從運動學到動力學轉換。GPS觀測到的是地表的運動，要分析預測地下的地震活動，需要加強深部應變、應力變化分析，甚至要從運動學研究轉換到動力學研究。

（6）加強GPS與InSAR、地震波等多元數據、多學科融合應用。各學科的數據都有自己的優勢和劣勢，GPS可以觀測大尺度的長期構造變形以及近場形變數據，InSAR可獲取近場形變的面場變化，并對高程變化敏感（Gong et al，2019），加強GPS與InSAR資料的融合、提高垂向位移信號的信噪比應該是未來努力的方向，而統計地震資料獲得的地震平靜期和空區信息對預測很有幫助。綜上認為，將GPS與InSAR、地震波等多元數據融合應用，可以降低地震分析預測的不確定性。

4.2 加強基礎研究和基礎性工作

要從明確定位、重點工作領域、規劃布局和推進舉措等方面加強GPS用于地震監測預報的基礎研究工作。一是明確基礎研究工作定位。要以支撐地震監測預報為導向，開展應用目標明確的基礎研究工作。二是明確基礎性工作重點領域。圍繞地震成因理論、地震觀測技術和強震潛在危險性等關鍵科學問題，注重長、中、短臨和不同空間尺度相結合，強調地質學、地球物理學和大地測量等多學科的綜合，持續推進GPS地震學基礎性工作，為基礎研究和技術創新夯實工作基礎。三是加強謀劃布局。開展GPS地震應用工作研討，梳理凝練未來基礎研究和基礎性工作的重點領域方向和科學選題，研究提出未來項目、平臺、設施布局建議。四是明確推進舉措。出臺進一步加強GPS地震學科研基礎工作的指導意見，探索建立跨學科、面向基礎研究的指導機構，強化基礎性工作人才隊伍、實驗室建設和項目支持，推進科技數據資源共享、共用。

4.3 統籌數據資源，優化GPS監測布局

（1）充分利用連續站資源，適當減少東部地區的流動觀測。近幾年GPS流動監測得到顯著加強，主要構造帶和重點地震監測區域基本實現了每年一期的復測。但從目前數據處理情況看，對于東部地區地殼運動與變形較小的地區，以當前實際3 mm左右的GPS流動觀測精度來看，這樣密集的重復觀測意義不大，特別是華北、東北、華南地區采用大量的土層觀測墩，其穩定性存在顯著的沉降與傾斜，難以真實反映地殼構造運動的實際狀態。在全國GPS資源共享基礎上，進行共享連續站點數據質量篩查，挑選出能夠用于地殼運動監測的站點，可代替部分流動觀測。部分區域如華北和華南的連續站點密度比陸態網絡流動站點密度還要大，因此，充分利用連續站觀測資料，適當減少這些區域流動觀測，不僅省時省力，而且可獲取連續觀測數據，能較好地分析該區域形變。應對歷史上發生過強震的重大斷裂（如郯廬斷裂）加強數據分析，必要時增補流動觀測。

（2）加強西部地區觀測密度。現有的GPS觀測網在布局上存在東西部布網觀測的不均衡性，東部相對密集，而地殼構造運動強烈的廣大西部地區相對稀疏。現有100～300 km的基準站密度，80～150 km流動站的密度，要實現對地震發生的塊體邊界帶和主要斷層的密集連續監測，尤其是西部地區還遠不夠，有必要持續加大西部流動GPS觀測或連續觀測站的密度。建議進一步統籌、優化現有資源配置，通過加密建站在短期內實現站點間距50～80 km，遠期內（5～10年）西部地區站點間距達到30～50 km，針對重大斷裂帶最好達到10 km間距。若空間分布密度在短時間內不能實現，可以在西部地區適當增加觀測頻次，至少每年觀測一期，重點危險區可一年進行2～3次復測。

（3）構建活動塊體邊界帶的綜合觀測體系。大陸強震主要發生在活動塊體邊界帶上，單純依靠GPS技術不可能捕捉到全部地震孕育釋放的信息，應建立GPS、InSAR、定點形變、重力、測震、流體、地磁等綜合觀測體系，甚至進行多學科同址觀測，以期發揮多種技術優勢，增加約束信息，進行相互比對驗證。定點形變儀、地震儀、重力儀的觀測資料的應用，還可以拓寬GPS監測的時間尺度，獲取三維動態形變場，提高地殼形變分辨能力，對開展斷層構造運動、地震能量積累、地震破裂、震后形變、斷層蠕滑等典型動力學過程跟蹤研究具有重要意義。

（4）加強地震重點危險區細部觀測，獲取精細變形特征。根據中國大陸地震重點危險區的研判結果，地震危險信度和緊迫程度高或相對較高的危險區，連續GPS站間距可適當加密至25 km左右。對西部十年尺度危險區，要獲取斷層閉鎖特征、應變積累速率，可以采用流動站加密觀測為主，輔以新建臨時固定觀測站。喜馬拉雅東構造結，由于臨近南北地震帶，其動態作用與川滇地區強震的孕育、發生密切相關，需要重點強化觀測。喜馬拉雅西段存在M9強震風險，會對整個青藏高原及中國大陸的動力學環境產生重大影響，也需要強化對該區的連續監測能力。

（5）在“十四五”期間，推進GPS臺站加密建設。利用“一帶一路”和“川滇國家地震科學實驗場”等重大項目的推進實施，實現全國和主要是重點區域GPS連續臺站觀測密度的顯著提升。

4.4 重視基礎工作，加強GPS解算精度和時效

首先，要開發自主產權的GPS數據處理軟件。目前的GPS數據處理主要依賴于國外的GAMIT、Bernese、GIPSY等軟件。從長遠發展看，我國需要自主研發一套能夠進行GPS數據處理的軟件，以提升國內GPS數據處理分析的水平;同時，通過數據處理軟件的研發，培養一批GPS數據處理分析的專業技術人才，探索提高GPS數據解算精度、時效和剔除非構造影響因素的方法。

其次，加強對全國垂直形變場研究。加強對GPS垂向形變分量數據的研究，結合區域水準復測資料，分析GPS應用于地殼垂向運動監測的可行性;同時還要分析不同區域地殼垂向活動與地震活動之間的關系。

此外，還要加強GPS從業人員的素質培養。GPS觀測資料解算過程相對復雜，需要從業人員具備較扎實的專業背景、長期的技術儲備和穩定的工作團隊。為此，需要建立相對穩定的GPS數據處理、分析預報的從業人員隊伍，制定教育培訓計劃，定期開展GPS相關業務的培訓，同時加強從業隊伍的工作團隊建設，在實際工作中通過團隊合作提高人員素質。

5 結語

GPS對地觀測技術為大地測量和地殼運動監測帶來了一場革命。全國尺度上短時間獲取地殼運動的定量結果，不僅對地球幾何形變的定量研究、地震動態形變過程監測、地球動力學和斷裂帶微小地殼形變觀測研究等方面有著重要的推動作用，同時為地震危險區的預測、地震前兆的觀測和長、中、短、臨的地震預測提供了更好的方法和手段，使地震預報從經驗預報向物理預報推進成為可能。

雖然當前GPS在地震預報上的應用主要還是提供中長期預報信息，但也在一些地震的預測和研判中發揮了巨大的作用，如2016年新疆阿克陶6.7級地震（39.27°N，74.04°E，震源深度10 km）和新疆呼圖壁6.2級地震（43.83°N，86.40°E，震源深度6 km）。相信隨著全國GPS數據資源的共享、十四五規劃、川滇試驗場等國內一系列GPS項目的推進，GPS多手段的聯合，數據處理技術、基礎研究和針對地震預測基礎研究的突破（顧國華，2008），地震短臨預測水平將會得到大幅度提高。

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GPS in Earthquake Monitoring in China：Current Situation and Prospect

WANG Tan1，2，LI Yu2，ZHANG Rui2，SHI Hongbo2，WANG Yuebing2

（1.Capital Normal University，Beijing 100048，China）

（2.China Earthquake Networks Center，Beijing 100045，China）

Abstract

In this paper we firstly review the development of application of GPS technology to earthquake monitoring in China，and then describe mainly GPS application to the following aspects：data processing，time series，velocity field and strain-rate field of the tectonic deformation of the Chinese mainland，quantification of the movement of active blocks in the Chinese mainland，and seismological research.Finally，we discuss the problems and challenges we are currently facing in GPS in earthquake monitoring in China，and put forward prospects from four aspects：earthquake prediction research，basic research，GPS network monitoring layout，and GPS solution accuracy and timeliness.

Keywords：GPS;earthquake monitoring;CMONOC;current situation of GPS application;development prospect

收稿日期：2021-02-08.

基金項目：中國大陸構造環境監測網絡運維資助.

第一作者簡介：王坦（1991-），工程師，主要從事地殼形變觀測技術研究和地震站網運管信息化工作.E-mail：twang@seis.ac.cn