一種將GPS觀測應用于地震中短期預測的簡單嘗試①

余懷忠，程 佳

（中國地震臺網中心，北京 100045）

一種將GPS觀測應用于地震中短期預測的簡單嘗試①

余懷忠，程 佳

（中國地震臺網中心，北京 100045）

本文嘗試采用一種類似于加卸載響應比的簡單算法將GPS觀測應用于地震中短期預測。算法根據孕震區域在不同階段的加卸載響應比變化判斷未來地震的發生趨勢：當地殼處于穩定狀態時，得到的時間序列在1.0附近波動；而在臨近地震之前會出現明顯的異常高值。以2004年美國南加州的Parkfield地震為例對方法的有效性進行了研究，發現在地震發生前半年左右震中附近GPS臺站得到加卸載響應比時間序列都發生了比較明顯的異常變化；而一些距離震中較遠臺站卻沒有觀察到類似的異常變化。這可能反映了孕震區地殼介質穩定性的變化，表明通過處理GPS觀測資料可能獲得新的地震前兆異常。

GPS；加卸載響應比；Parkfield地震；地震預測

Abstract：In this paper we attempt to develop a simple algorithm to apply GPS observations to the short－intermediate－term earthquake prediction practices.By using the Load Unload Response Ratio（LURR）values at different stages，the earthquake potentiality in a seismogenic region is evaluated.The LURR time series fluctuats around 1.0when the source media is in a steady state，and becomes quite high just before a large earthquake.To show the validity of the approach，the 2004Parkfield earthquake in southern California is chosen as the example.We find that about half a year before the earthquake the LURR time series derived from the nearby GPS stations increased obviously；while from some far GPS stations，we can not observe similar anomaly.Therefore，the anomaly may be resulted from the regional crust stability change.The fact suggests that we can get new precursory anomaly to predict large earthquake by properly disposing GPS measurement data.

Key words：GPS；Load unload response ratio；Parkfield earthquake；Earthquake prediction

0 引言

空間測地觀測技術的出現從根本上突破了傳統大地測量的局限性，為現今地殼運動的監測開辟了嶄新的途徑［1－10］。其中GPS技術以其大范圍、高精度、全天候等優點為監測全球和區域地殼運動帶來了革命性的變化，日益成為三維地殼運動觀測的重要技術手段［11－12］。GPS觀測網絡實現了觀測向連續化、數據處理實時化、技術手段多元化發展，使觀測結果既可把握構造運動的整體變化，又可勾畫出構造運動的精細圖象。與傳統方法相比，不僅觀測效率提高了數十倍，而且精度也提高了近3個數量級，使上千公里長的基線觀測精度達亞厘米量級，這樣的精度足以監測大范圍地殼運動的微小變化。尤其重要的是，與傳統大地測量方法相比，GPS在不同區域或不同時期的觀測均可納入全球統一的參考框架，從而使我們能夠定量確定任何相鄰或非相鄰構造區域之間的相互運動，從而為各種規模尺度的地球動力學的研究提供至關重要的約束［13－16］。

在我國，自1988年中德合作在滇西試驗場建立我國第一個GPS地殼形變監測網以來，已經建成了以GPS站點為主的“中國地殼運動觀測網絡”，該網絡包括連續觀測的25個基準站，定期復測的56個基本站和分布于我國多震區的不定期復測的1 000個區域站，初步形成了對我國大陸內部較大構造塊體運動的整體性觀測和對華北、川滇及青藏塊體東北緣等多震區的區域性較高空間分辨率的觀測能力［17，4］。建成以來所產出的大量的高精度觀測數據，為認知中國大陸地殼運動特征及其動力學機制提供了至關重要的基礎資料和定量約束［17－20］。目前我國正在實施中國地殼運動觀測網絡的二期工程——“中國大陸構造環境監測網絡”，將建成大范圍、高密度覆蓋中國大陸的地殼形變觀測網絡，為研究我國大陸現今地殼運動與形變、地球動力學和地震前兆現象以及探索大陸地震孕育和發生規律提供重要基礎。

隨著GPS觀測網絡的發展，如何利用地殼形變資料研究地震的孕育過程和規律，并進而進行地震預報研究越來越受到普遍的關注。地震是地殼介質在構造力的長期作用下，應變能不斷積累，并在一些薄弱部位突然釋放的結果［21－28］。在地震孕育、發生過程中，孕震體介質必然產生形變，如能采用適當的技術手段從GPS地殼形變觀測信息中發現在不同孕震階段的有特征性的形變信息，無疑可能成為地震預測的有利判據。本文嘗試將GPS觀測資料與加卸載響應比方法［29－30］相結合，研究地震發生的前兆現象。為了檢驗方法的有效性，以2004年美國南加州發生的Parkfield地震為例進行了分析。

1 加卸載響應比理論

加卸載響應比理論是基于非均勻脆性介質損傷演化特征提出的一種中短期地震預測方法［29－30］，研究系統對輸入信號的響應，達到了解該系統的目的。按照定義加卸載響應比可以表示為

其中，“＋”表示加載過程，“－”表示卸載過程，X為響應率。

假定P和R分別代表一個非線性系統的載荷和響應，響應率X則可以表示為

ΔR為載荷P發生微小增量ΔP時響應R的變化。

當系統處于穩定狀態時，X＋≈X－，Y≈1；當系統接近失穩破壞時，X＋＞X－，Y＞1（圖1）。圖1顯示當系統處于穩定狀態時，加載和卸載響應呈線性，當系統接近破壞時，響應偏離了線性狀態。因此加卸載響應比的演化反映了非線性系統穩定狀態的變化。

圖1 典型的巖石本構曲線（P和R分別表示載荷和響應）Fig.1 Schematic view of the constitutive law of a brittle mechanic system（Pand Rcorrespond to the load and response of the mechanic system）.

2 GPS觀測中的加卸載響應比計算方法

在以往的加卸載響應比實踐時，通常將一定時間窗和空間窗內釋放的地震能量被作為響應量。加、卸載過程根據日月潮汐力引起的庫侖破壞應力在地震破裂面上的變化ΔCFS進行判斷［31－32］，ΔCFS＞0為加載，ΔCFS＜0則為卸載。加卸載響應比可以進一步定義為加載階段能量釋放和卸載階段能量釋放的之比。為了避免地震數目太少造成加卸載響應比時間序列的強烈波動，計算時間窗內通常包含了多個加、卸載循環過程。

本文所采用的響應量不同于傳統的加卸載響應比方法，而是直接采GPS觀測的地表形變作為響應量。由于GPS觀測時間序列只能按日給出較高精度的形變數據，難以滿足加卸載響應比方法所需的實時形變資料（如用以計算潮汐應力的加卸載過程），因此本文采用的計算方法延用了加卸載響應比的概念，但是實際操作又有所不同。

假定GPS時間序列觀測的形變總量Di可簡單看作為潮汐力等觸發因素引起的加卸載形變以及長期構造加載產生的形變構成，即

其中：Ai和Bi分別表示每天發生在潮汐應力引起的加載和卸載階段的形變總量；ΔC表示長期構造應力引起的形變。這樣一定時間窗T（T＞1天）內的形變總量可以表示為

按照巖石材料的本構關系（圖1），顯然，當地殼介質處于穩定階段時加載階段等同于卸載階段的形變量，即Ai＝Bi；這樣，由式（4）進一步得到穩定階段不同時間窗內的形變總量可表示為

據此，我們可以定義一個反映地殼介質處于穩定狀態的新參量

很明顯當系統處于穩定階段時，由式（4）和（5）可知Yi＝1，由于長期構造加載引起的形變較為穩定，這里假定各階段∑TΔC保持相對恒定。而當地殼介質接近失穩破壞時，Ai＞Bi，必然有∑T（Ai－Bi＋ΔC）＞∑TΔC，因而Yi＞1。這樣可以結合GPS觀測資料，根據時間序列Yi的變化對地殼介質的穩定狀況進行分析，并對未來地震的發生趨勢作出判斷。

3 震例分析

為了研究算法的有效性，我們以美國南加州Parkfield地區2004年9月28日發生的M6.0地震為例，對震前的加卸載響應比時間序列Yi進行研究。震中位置如圖2所示。我們收集了震中附近的12個GPS臺站進行分析（cand，carh，mnmc，masw，tblp，hunt，pomm，rnch，hogs，mida，lows，land（見圖2）），相關臺站的GPS時間序列由SOPAC網站下載得到。將各臺站水平位移分量都沿著地震斷層破裂方向投影（走向321°，傾角72°，滑動方向－178°，由Harvard CMT得到），取合成為響應量計算加卸載響應比。如圖3所示，我們計算得到了這些臺站的加卸載響應比時間序列Yi，計算時間窗T＝20天，穩定階段形變總量ΔD按照各臺站在穩定階段1年內的平均形變值計算。

圖2 Parkfield地震震中位置及附近的臺網分布Fig.2 The epicenter location of Parkfield earthquake and nearby GPS stations.

總體來看，采用本算法得到的不同臺站的加卸載響應比時間序列Yi在地震發生之前都發生了較為明顯地異常變化。加卸載響應比值持續幾年都保持在1.0附近波動（0～2之間），在地震前數月達到峰值，而在臨近地震時出現回落。這與加卸載響應比方法定義的演化模式相吻合［29－30］。

4 討論與結論

加卸載響應比是依據潮汐力對地殼的觸發作用計算的。潮汐力遠小于構造應力，因此潮汐力只能觸發地震，而不能直接導致地震的發生。當構造應力較低時，潮汐力很難觸發地震，因此加卸載響應比值較小（約為1）；當構造應力較高時，震源區介質對任何微小的擾動都非常敏感，地震就很容易被觸發，相應的加卸載響應比值會出現明顯的增大。因此加卸載響應比可以看作是反映震源區地殼介質應力狀態的重要標志。按照這一理論，震前的應力場分布，特別是斷層周圍的應力較高區域對加卸載響應時間序列的演化勢必有著更強的調制作用，其原因在于地震更容易在這些區域被潮汐力所觸發，加卸載響應比值的異常變化會更為明顯。對一個地震斷層而言，如果其周圍區域具有較高的應力積累，地震就更容易在這些區域內發生。正因為此，震前震源區地殼介質的應力場狀態及應力場分布與加卸載響應比的臨界敏感性直接相關。

圖3 Parkfield地震震中附近臺站得到的加卸載響應比時間序列Fig.3 LURR time series derived from the nearby GPS stations before Parkfield earthquake.

從我們的研究結果來看，很明顯在Parkfield地震發生前其附近GPS臺站得到的加卸載響應比時間序列都發生了異常明顯的變化。為了進行對比，我們對距離震中位置較遠的一些GPS臺站也進行了研究（圖4）。采用同樣的算法和參數，我們得到了這些臺站的加卸載響應比時間序列（圖5）。可以看出在地震發生之前這些臺站并沒有出現類似于前述近場臺站的異常變化。這一結果表明Prakfield周圍臺站觀測到的加卸載響應比異常變化帶有明顯的局部化特征，這一局部化特征勢必與隨后的地震發生密切相關。這樣震前出現加卸載響應比值明顯異常變化的GPS臺站分布可能為地震預測劃定了一個天然的臨界區域，地震的震級越高，分布的范圍越大。算法的這一獨特性質使我們有可能使用這一方法針對未來地震進行預測研究。

圖4 部分遠場的GPS臺站分布Fig.4 Location of some far GPS stations from the epicenter.

本文作為一種將GPS觀測應用于中短期地震預測的簡單嘗試，雖然算法的可行性和有效性還有待各種數據的檢驗，但是其研究為使用地殼形變資料進行地震預測研究提供了新的參考。算法借鑒了加卸載響應比理論的基本概念，延用了輸出信號對輸入信號的響應方法，達到了解地殼介質性態的目的。不同之處就在于響應量的選擇：傳統加卸載響應比計算的數據來源是地震目錄，加載和卸載過程根據日月潮汐力引起的庫侖破壞應力在地震破裂面上的變化進行判斷；而我們采用的響應量是GPS地殼形變觀測。這一改進雖然減少了地下未知因素對加卸載響應比計算結果的影響，但是對GPS的觀測精度以及臺網的分布密度提出了更高要求。我們選擇美國南加州的Parkfield地震進行研究，其原因就在于這些區域具有較高的GPS觀測精度和臺網分布密度。事實上，算法本身具有良好普適性，隨著國內外地殼運動觀測網絡的發展，將會出現更多的震例。

圖5 遠場臺站得到的加卸載響應比時間序列Fig.5 LURR time series derived from the far GPS stations from the epicenter.

本文研究發現在美國南加州的Parkfield地震發生前，其近場GPS臺站的加卸載響應比時間序列都發生了明顯異常變化，這一事實表明通過適當的方法能夠將GPS觀測應用于地震的中短期預測研究，極有可能為地震預報提供一條物理預報的新途徑。

如果已知發生異常變化的臺站分布以及加卸載響應比的異常程度等，本文提供的算法可以為系統地預測目標地震的震中位置以及發震的強度提供重要的依據。即使在GPS網絡分布較為稀疏的地區也能通過局部臺站時間序列變化，對各地區地殼介質的穩定狀況進行分析，為未來地震的發生趨勢提供參考。

目前算法雖然已經有了一些成功的震例研究，然而由于地殼運動GPS觀測的密度和精度限制，還難以應用到地震預測研究實踐，算法本身的發展也有待未來大量數據檢驗和證實。

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A Simple Attempt to Apply GPS Observation to Short－intermediate－term Earthquake Prediction

YU Huai－zhong，CHENG Jia

（China Earthquake Network Center，Beijing 100045，China）

P315.725

A

1000－0844（2011）01－0009－06

2009－12－14

科技部國際科技合作項目“華北地區地震構造與地震監測預測新方法合作研究”（2010DFB20190）；國家自然科學基金項目（批準號：40704007）；中國地震局地質研究所基本科研業務專項（批準號：DF－IGCEA－0607－1－16）

余懷忠（1975－），男（漢族），安徽合肥人，主要從事地震預測理論與前兆方法研究.