GNSS測得的大地震前兆水平形變

顧國華

中國地震局地震預測研究所, 北京 100036

0 引言

目前,地震預報仍是一大科學難題,實現地震預報關鍵在于尋找地震前兆。地震前兆應與地震的發生有因果關系,同一現象在不同震級地震前會重現,應有定量的數理模型或定性的模型解釋。

地殼運動或形變被普遍認為是地震的成因,因而其是國內外地震預測最主要的觀測項目之一。全球導航衛星系統GNSS(Global Navigation Satellite System,包括北斗和全球定位系統GPS(Global Positioning System)等)是地殼形變的最佳觀測技術,全球主要震區已有不少多年觀測的GNSS連續觀測站。21世紀初以來,全球大地震活動極為活躍,從2004年12月印度洋9.3級巨大地震,到2008年汶川8.0級大地震,再到2023年2月土耳其7.8級雙震,已造成多次巨大災難。然而全球地震活躍期,地震預報一再失敗,GNSS觀測是否獲得過大地震或至少獲得過巨大地震的前兆形變,直接關系地震預測探索實踐工作,理應認真研究總結。

GNSS是目前唯一可在不同震級大地震前后連續、實時監測地殼形變的技術手段,可用高(精度高、采樣率高、長期穩定性高)、大(大范圍直至全球、觀測值幅度大)、近(可于近震中觀測)、快(快速、甚至實時處理)、低(低成本觀測)五個字概括其技術優勢(顧國華,2012;Gu et al,2013)。然而其不足是無法覆蓋海洋,陸上觀測站密度有限。定位根本上是數學問題,是多解的,由此得到的位移也是多解的。為獲取前兆形變,特別是前兆位移,應從多解的GNSS觀測中獲取有物理或構造運動意義的地殼運動觀測結果,須采用區域參考框架數據處理結果,作位移分析等(顧國華,2012;Gu et al,2013;Blewitt et al,2013)。

同震位移和地震波一樣,也是地震特有的現象,是地震斷層瞬間破裂時在其周圍產生并殘留的突變,可用位錯模型作數值模擬(黃立人等,1982;Wang et al,2014;Kreemer et al,2006),是確鑿的地殼形變。震級越大,形變范圍越廣,離震中越近,位移越大。至今只有GNSS連續觀測可及時準確獲得同震位移,是研究地震成因和震源機制的觀測依據。同震位移是瞬間現象,當核心站遠離震中時,同震位移結果不受參考框架影響。內華達大地測量實驗室(NGL)網站[注]http://geodesy.unr.edu(以下簡稱G網站)不僅給出全球參考框架的坐標時間序列,還可得到與序列中的同震位移突變相應時間發生的大地震和震中距等信息。

同震水平位移是利用GNSS觀測得到的區域參考框架位移時間序列,分析大地震前兆地殼運動的關鍵現象。觀測結果表明,GNSS觀測到的震前地面水平位移與同震水平位移為因果關系,表明震前GNSS觀測得到的地面形變即地殼形變,且是前兆地殼形變(顧國華等,2020)。

十多年來,筆者分析了全球60多次有GNSS觀測的大震震例,觀測時間最長達30多年,震級從5.8級至9.3級,幾乎包括21世紀全部有GNSS觀測資料的8級及以上大地震,涉及中國大陸、日本、智利、印尼蘇門答臘近海、美國阿拉斯加州、夏威夷和加州、墨西哥、新西蘭和土耳其等主要震區(顧國華等,2009a、2009b、2011、2015、2017、2019、2022,2023;Gu et al,2011a、2011b; 顧國華,2023a、2023b)。其中,地震類型多,且受巨大地震影響的觀測站數量多,觀測站最遠距震中數千千米,最近距震中不到一千米,得到了地震發生前后關鍵時期和地震震中及其附近關鍵區域的地殼形變觀測結果,證明GNSS確實觀測到了多種前兆(地殼)水平形變。此外,通過GNSS可觀測短臨電離層電子總含量(TEC)變化(Li et al,2009)。

本文僅選取21世紀初以來各具特色且最典型或最具代表性的6次大地震,尤其是巨大地震前后GNSS觀測得到的地殼形變,探尋前兆形變,探索地震預測預報。6次大地震為:2008年汶川8.0級、2010年智利8.8級、2011年東日本9.0級、2015年尼泊爾8.1級、2016年日本九州島7.3級地震及2023年土耳其7.8級雙震。

1 汶川8.0級大地震——多種前兆形變

2008年5月12日(GPS周1479,周一)我國南北地震帶上發生四川汶川8.0級大地震(31.0°N,103.4°E,震源深度14km)。

汶川大地震前就發現中國大陸西部GPS連續觀測站DLHA、DXIN、XNIN和XIAA(Gu et al,2011a)水平位移SN分量有明顯同步異常,同震水平位移與震前積累的水平位移反向,為確切的因果關系,證明有前兆形變。多個GPS連續觀測站出現汶川大地震短臨形變異常(顧國華等,2011)。GPS觀測還獲得此次大地震前大范圍電離層TEC短臨異常(Li et al,2009)。

中國地殼運動觀測網絡(一期)區域網1000個GPS觀測站于1999年、2001年(2001年11月14日昆侖山口西8.1級地震前完成觀測)、2004年及2007年進行了4期GPS觀測,自2009年起繼續多期觀測。汶川大地震震中周圍區域網GPS觀測站相當密集。自全球開展GPS觀測以來,首次在GPS網內觀測到8級地震前后的地殼運動(顧國華等,2009a、2009b;Gu et al,2011a)。GPS觀測得到的1999—2007年水平位移(Gu et al,2011a; 顧國華,2023c)表明,汶川地震前中國大陸西部不斷向震中水平擠壓; 最遲從2008年初起,震前震中附近一些GPS連續觀測站未顯現有明顯的水平位移,即處于閉鎖狀態; 震前震中區附近出現中國大陸唯一的大范圍第一剪應變異常區(顧國華等,2009a),異常于2004年開始顯現,此后范圍逐漸擴大,至2007年第一剪應變異常區面積達近百萬平方千米,涉及300多個GPS觀測站,幅度逐漸增大,異常最大達-9 ×10-7。區域網的水平位移和應變觀測出現汶川大地震最為顯著的前兆形變異常,第一剪應變的原始散點圖顯示結果的可靠性,而趨勢面圖突出異常的顯著性。水平應變結果與參考框架無關,更利于分辨震前異常。2008年汶川8.0級和2011年東日本9.0級地震同震水平位移大于1mm的范圍半徑d可由統計式(Herring et al,2016)計算得到,即d=2.5×1.0-3×5M(單位:km)。兩次地震前兆水平形變異常均在同震水平位移影響統計范圍內或略超出計算范圍。

2 智利8.8級與東日本9.0級巨大地震前兆形變——不同板塊邊界,相同峰值型前兆水平位移

環太平洋板塊地震帶東西兩側的智利和日本先后發生震級相近的2次巨大地震:2010年2月27日(GPS周1572,周六)智利8.8級巨大地震(72.72°W,35.85°S,震源深度35km)和2011年3月11日(GPS周1626,周五)東日本9.0級巨大地震(38.1°N,142.6°E,震源深度20km)。

智利較早就有GPS連續觀測,但站點密度較低; 日本有1200多個GPS連續觀測站。東日本大地震是全球開展GPS觀測以來,地震前后GPS連續觀測站數量最多、同震位移范圍最廣、近震中同震位移幅度最大的地震。

G網站有南美洲GPS連續觀測站南美板塊參考框架(SA)的坐標或位移分量時間序列數據,可直接用于研究智利地震前后的地殼運動(顧國華等,2022)。采用位于中國大陸的GPS連續觀測站作為核心站的區域參考框架,分析日本近海大地震前后的地殼運動(顧國華等,2020)。

利用智利8.8級大地震周圍39個GPS連續觀測站和日本9.0級大地震1597個GPS連續觀測站的觀測結果,獲得了2次地震的同震水平位移(顧國華等,2015、2022),2次地震同震水平位移方向均指向太平洋內部。比較中國大陸區域網1999—2004年水平位移(Gu et al,2011a)、1999—2009年水平位移(顧國華,2023c)和GPS連續觀測站的水平位移(顧國華等,2015)表明,日本、韓國和中國大陸東部,特別是東北部,9.0級地震前水平位移向西的趨勢未變。日本9.0級大地震同震水平位移(顧國華等,2015)與1999—2009年水平位移(顧國華,2023c)和GPS連續觀測站的水平位移(顧國華等,2015)對比顯示,日本、韓國和中國大陸東部,特別是東北部的同震水平位移是震前水平位移的反向突變,是彈性回跳或回跳。東日本大地震同震垂直位移明顯小于水平位移,且范圍也小得多(顧國華,2023c),下述J550站即為一例。

圖1為智利8.8級和東日本9.0級大地震各2個GPS連續觀測站的水平位移向量時間序列。水平位移向量時間序列圖直觀顯示觀測站水平位移曲線平面軌跡,用GPS周色碼表示水平位移向量各點的日期。GPS還采用連續計數的周數表示日期,也便于繪圖中用色碼表示位移點對應的日期。圖1中紅色箭頭為同震水平位移,標有震級的點為地震日期,此日期前的點為震前位移,箭頭后的點為震后位移。

注: 各圖右側為用GPS周N表示水平位移向量日期的色碼。

CONS站距智利8.8級地震64km,是距此地震最近的站點,其同震水平位移最大,達4713mm,是GPS觀測到的全球第二大同震水平位移; SANT站距智利8.8級地震353km,同震水平位移283.0mm。J550站距東日本9.0級大地震最近,震中距為98km,同震水平位移最大,達5623.9mm,是GPS觀測到的全球第一大同震水平位移,垂直位移達-1093.4mm;USUD站距東日本9.0級大地震震中435km,同震水平位移221.6mm,同震垂直位移僅-17.0mm。顯然,4個站的同震水平位移與各站震前累積水平位移的方向相反。CONS站與J550站距震中較近,觀測結果相似,同震水平位移顯著大于震前觀測到的累積水平位移量,是震前累積的水平位移的回跳。SANT站與USUD站距震中較遠,觀測結果也相似,同震水平位移是震前累積的水平位移的彈性回跳。2次地震前,震中附近水平位移達到峰值,稱之為峰值型前兆水平位移。

圖2(a)為距東日本地震較遠的5個站點的水平位移東西分量時間序列,由圖可見同震水平位移是震前積累的水平位移的反向突變,為彈性回跳。其中YANC站距震中達3043km,在9.0級地震同震水平位移影響范圍內,也在3年前汶川8.0級地震同震水平位移影響的邊界。震前已發現YANC等站的異常,東日本大地震的前兆形變范圍大是觀測事實。

圖2 東日本9.0級地震遠場水平位移東西分量E(a)和近場垂直位移U(b)時間序列

圖2(b)為區域參考框架下東日本大地震震前GPS連續觀測獲得的近場垂直位移時間序列。東日本大地震前GPS觀測獲得的近場垂直位移無明顯積累,這是此次地震震前地殼形變最突出的特點之一。因東日本9.0級地震的震后松弛位移,2016年11月22日本州東岸近海7.2級強余震前的垂直位移比9.0級主震震前要顯著得多,更突出主震前震中及其附近無垂直位移積累。其他大地震前震中及其附近的GPS觀測站也無明顯的垂直位移積累,同震垂直位移也就無所謂回跳或彈性回跳,而僅是突變。還需指出,由于區域和全球參考框架垂直位移差別小,即使是全球參考框架中的結果也如此。

智利與東日本2次大地震前震中周圍的水平位移顯示太平洋海底擴張。2次巨大地震震中附近,震后地殼運動十分顯著且持續時間長,水平位移平面曲線有多種形態,與震前水平位移區別顯著(顧國華等,2022)。

3 尼泊爾8.1級大地震前后水平位移時間序列圖像

2015年4月25日(GPS周1841,周六)尼泊爾發生8.1級逆沖斷層地震(28.2°N,84.7°E,震源深度20km)。尼泊爾的GPS連續觀測站CHLM距震中最近,在震中東60km,觀測數據連續性好,同震水平位移達1409.0mm(圖3(b)藍色箭頭),同震垂直位移為下沉-586.9mm。CHLM站的同震水平位移與震前積累的水平位移方向完全相反,且幾乎重合于同一直線,完美地顯示了逆沖斷層地震同震水平位移為震前水平位移積累的回跳(顧國華等,2020)。此外,震中東南72km的KKN4站水平位移時間序列與CHLM站結果相似。震前近震中的GPS連續觀測站未觀測到明顯的垂直位移積累。

注: 圖右側為用GPS周N表示水平位移向量日期的色碼。

4 2016年日本九州島7.3級地震——震中前兆水平位移閉鎖

2016年4月16日(GPS周1892,周六)日本九州島發生7.3級大地震(32.75°N,130.80°E),距2011年東日本9.0級大地震有5年多的時間,2次地震震中相距1200km,在時空上九州島大地震與東日本大地震關系已弱。九州島地震震中周圍有相當密集的GPS連續觀測站,其中G071站震中距僅6.6km,J701站震中距為23km。2012年4月—2016年4月震前區域參考框架下震中及其附近的水平位移變化小,處于閉鎖狀態(Gu et al,2017),震中西側比較穩定。在震中200km范圍內水平構造運動總體向東增大(圖4(a)),或者說靠近震中位移虧量增大,但在200km外出現轉折。同震水平位移則相反,遠場同震位移使震中以東地區的地殼水平運動趨于均勻(圖4(b))。近場同震水平位移變化依然特殊,水平位移大,而垂直位移明顯小于水平位移(Gu et al,2017)。近震中的G071和J701站同震水平位移幅度大且方向相反(Gu et al,2017),有非常典型的走滑型地震的特征,但震前這2個站點無相反方向的水平位移積累,與里德彈性回跳假說不一致。

注: 藍色圓點為東西分量E,紅色圓色點為南北分量N,綠色圓點為垂直分量U,棕色圓色點為水平位移向量D。

九州島大地震的GPS觀測資料說明,同震水平位移使得觀測站恢復到周圍其他站震前的水平構造運動水平(Gu et al,2017),表現為空間上彈性回跳。

5 土耳其7.8級雙震——2種前兆水平位移同現

2023年2月6日(GPS周2248,周一)土耳其雙震(37.15°N,36.95°E,震源深度20km;38.00°N,37.15°E,震源深度20km)有如下特點:地震發生在構造復雜的阿納托利亞板塊、阿拉伯板塊和非洲板塊交界處; 2次地震相隔約9h,相距96km,只有GPS可分別觀測到這2次地震的同震位移及其綜合同震位移; 地震斷層均為近直立走滑斷層; 2次地震震中附近分別出現上述震例所顯現的水平位移峰值和閉鎖2種不同方式的前兆水平位移(顧國華,2023b)。

土耳其有部分GPS觀測站于2015年10月后觀測中斷或未觀測,2022年9月初部分站點開始了連續觀測。其中,EKZ1站距第2次地震震中僅4km(或7km),是目前全球距如此大地震震中最近的GPS連續觀測站,其同震水平位移量達4.4m,次于上述智利8.8級和東日本9.0級地震的同震水平位移。

2次地震的同震垂直位移均顯著小于同震水平位移,震后垂直位移幅度小,突顯近直立斷層走滑型地震的特征。部分站點2次地震的同震垂直位移量值相近,而方向相反,同震垂直位移較大的站點此現象更顯著,表明2次地震的地殼垂直運動有一定的相互影響。

圖5為2個GPS連續觀測站歐亞參考框架下的每日解位移時間序列,該圖僅顯示2次地震同震位移的綜合影響。其中,ANTP站和EKZ1站分別為距第一次和第二次地震震中最近的GPS連續觀測站,ANTP站距第一次地震最近,僅為39km。

注: (a)、(c)為水平位移東西E、南北N與垂直U分量時間序列,圖中標出了有明顯同震位移的地震震級; (b)、(d)為水平位移向量時間序列, 圖右側為用GPS周N表示水平位移向量日期的色碼。

由圖可見,ANTP站的水平位移分量和向量的時間序列與不少站大地震前后的變化一致,即震前幾乎沿直線水平位移,達到最大值后出現大幅度同震水平位移,且至少有一個分量的方向與震前相反,前兆水平位移也是峰值型。此站東西向反向明顯,在位移時間序列中為顯著的回跳現象(顧國華,2023b)。與其他具有走滑運動的地震一樣,近震中同震水平位移一般與震前水平位移不重合于一條直線上或在同一方向。ANTP站附近的其他站點均有類似現象,且距震中稍遠,同震水平位移為彈性回跳。

盡管震前觀測時間短,但EKZ1站震前水平位移的特征仍非常明顯,即水平位移幾乎不變,或水平位移閉鎖,且東西分量E最為突出。2013年四川蘆山7.0級地震(顧國華等,2020)和上述2016年日本九州島7.3級地震等震前震中附近出現水平位移閉鎖,這些地震的同震水平位移顯現為空間上(近震中)回跳或(遠離震中)彈性回跳。EKZ1站的同震水平位移使該站恢復到與臨近站構造運動相同方向,極大地彌補了該站震前水平構造運動量的虧缺。越近震中的站,震前水平位移虧缺量越大。

GPS首次觀測到雙震前震中附近水平位移出現峰值或閉鎖這2種不同且極端的前兆現象。震前2種前兆區域同震水平位移是震前水平位移在時間或空間上的(彈性)回跳。因此,土耳其雙震前是有前兆形變的,但因觀測時空分布的不足,震前判別異常比其他區域難度更大。

MLY1等站2次地震同震水平位移均相當明顯,同一站位移量與方向相近,南北分量N同震水平位移與震前水平位移方向相反,表明2次地震的孕育區不僅在這些站重合,且對2次地震影響相近,均受到非洲板塊和阿拉伯板塊向北擠壓的共同影響。

2次地震前震中附近的GPS站均無明顯的垂直位移積累,同震垂直位移僅是突跳,而不是(彈性)回跳。

2次地震發生在東安納托利斷層帶的兩側。GPS觀測表明,2次地震的孕震模式差別明顯,東安納托利斷層帶南側的站震前強烈水平運動持續,但在東北側,運動受阻,水平位移閉鎖,板塊間強烈的水平碰撞最終導致2次地震的發生。

6 結論與討論

21世紀60多次大或巨大地震的GPS觀測結果表明,大地震的發生是板塊運動的結果。導致預報失敗的主要原因是缺乏對震前特殊地殼運動方式的認識,因而未能發揮GNSS在地震預測中的作用。多次震例表明大地震前后地殼運動的特點主要為:

(1)同震位移是地震特有且確鑿的地殼形變,同震水平位移是震前水平位移積累或閉鎖在時空上的(彈性)回跳,震前水平位移積累或閉鎖及同震水平位移與地震為因果關系,因此,同震水平位移是認識地震前兆水平形變的關鍵現象,大地震是有前兆地殼水平形變的。

(2)除某些震區的特殊部位(如2016年夏威夷6.9級地震火山口附近等(顧國華等,2019))外,大地震前震中及其附近沒有與同震垂直位移相反方向明顯的垂直位移積累,這與全球垂直位移速率普遍較低是相對應的; 走滑地震前也沒有與同震走滑水平位移方向相反的水平位移積累,特別是在近地震斷層兩側的觀測站震前無相反方向的水平位移積累?？梢?盡管同震位移各分量均為地震斷層破裂產生的突跳或突變,但同震位移(彈性)回跳僅發生在產生擠壓的水平位移積累方向。震前震中及其附近的介質已處于非彈性狀態。

(3)巖石破裂實驗表明,巖石破裂是受壓產生的剪切破裂。根據GPS觀測得到的這些現象和巖石破裂實驗結果,“壓-剪”(彈性回跳)模型符合GNSS觀測結果(顧國華等,2017)。此模型說明,震前震中及其附近的形變主要為水平位移積累而呈現的水平擠壓(也許還包括拉張,但未見震例),地震是水平擠壓造成的剪切破裂,由此產生的(彈性)回跳主要發生在震前的水平擠壓方向。同震形變以剪切形變為主,但震中及其附近,震前既無垂直位移積累,也無水平剪切位移積累。大量GNSS觀測結果充分說明,不管何種類型的大地震前震中及其附近無里德彈性回跳假說所預言的剪切位移。

(4)前兆形變范圍、幅度和持續時間與震級有關,震級越大,前兆形變范圍越大,持續時間也越長,而近震中的水平形變幅度越大或近為0,且與外圍區域正常構造運動差別越大。利用同震水平位移的影響范圍,可估計前兆形變范圍。

(5)前兆形變幅度分布或形態(如震前震中水平位移閉鎖或達峰值等)與地震發生的區域有關,也與震中距有關。越遠離震中,形變越接近彈性,越臨近地震的發生,越靠近震中,形變越偏離彈性。

(6)大地震的短臨前兆是突破地震短臨預報關鍵一環。在有與震級相應的密集GNSS觀測站時,震前可發現中短期前兆形變異常,但至今僅觀測到少數大地震的短臨前兆形變。震前的斷層預滑、預位移和應變異常區剪應變積累最大值,或有助于短臨預測。震前地震斷層破裂臨界狀態是突破短臨預報的研究難點,需多學科綜合觀測研究,探尋地震短臨前兆。

(7)GPS觀測表明,有些地區時空相近的大地震前后地殼運動有復雜的相互影響,由此也增加地震預測的難度。

(8)位錯模型雖已成功應用于研究同震位移,但若用于震前觀測數據反演,作地震預測,須研究震前水平擠壓是如何轉變到震時剪切破裂,以及震中介質的非彈性特征等; 對于多個地震前后地殼運動有相互影響時,同震位移的模擬比以往采用的模型更復雜。

(9)大地震后震中及其附近會出現因軟流圈粘彈性介質流變特性產生的指數衰減松弛現象,震級越大此種震后形變持續時間越長、影響范圍也越大,可用粘彈性位錯模型模擬; 巨大地震后水平位移平面曲線有多種形態,比震前水平位移積累復雜。

GNSS觀測不斷獲得與地震發生有關的地殼運動新信息,不但證明GNSS是地震預測的利器,也證明GNSS是地震監測利器,是地球科學特別是地震學的基礎觀測設施。盡管已經獲得了大地震的(某些)前兆地殼運動信息,但開展地震預測還必須有符合要求的觀測網。預測7級以上的大地震,GNSS連續觀測站必須有相當高的密度。

致謝：本文采用Geoffrey Blewitt教授用GIPSY軟件處理的大量GPS連續觀測站坐標時間序列(Blewitt et al,2018),并使用GMT軟件繪圖(Wessel et al,1995),在此一并感謝。