大地震監測預報現“曙光”

謝酬 邵蕓

中國是世界上地震災害較多的國家之一。千百年來，人類一直想要攻克大地震監測預報的難題。

目前，國際上監測地震前后地殼形變最先進的技術，就是星載干涉雷達技術。此技術能精確俘獲地震、火山、地面沉降、山體滑坡等災難前后的地表形變信息，為監測和預報提供技術支撐。

星載干涉雷達技術能及時俘獲震前形變場的前兆信息，使科學家能據此預測地震，因此它有望成為未來地震監測預報的“曙光”。

地表形變監測“新星”

2015年尼泊爾發生了8.1級大地震。震后各國科學家紛紛對地震造成的地殼變形等情況進行了細致科學的研究。科學家們清楚，研究這些地震前后地殼形變的信息，對今后的大地震監測和預報非常重要。

早在20世紀90年代，星載干涉雷達技術就已開始用于地震形變的監測。近年，全球大地震都是采用此技術監測地表變形，這對災情分析的作用顯著。

科學家們發現，星載干涉雷達技術能用于地震、火山運動、地面沉降、山體滑坡、冰川運動等地表形變的監測，為此類災害預報提供及時準確的數據服務，其未來在地質、自然災害領域應用前景廣闊。

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星載干涉雷達技術 英文名稱D-InSAR（Differential Intereferometric Synthetic Aperture Radar），即“星載合成孔徑雷達差分干涉測量技術”。它能全天時、全天候地透過地表植被獲取地殼表面信息，是目前最先進的監測地表形變的技術。它利用兩次獲取的覆蓋同一區域的合成孔徑雷達回波圖像，根據兩次成像時傳感器、地面目標點的空間幾何關系，能獲取地表形變的信息。

D-InSAR的“閃光點”

在大的自然災害預測面前，時間往往就是生命。星載干涉雷達技術的“閃光點”，無疑是能為災害監測預報贏得更多的避險時間。

D-InSAR是全天候、全天時的，能瞬時獲取數萬平方千米高分辨率的地面形變圖，具有空間連續覆蓋的巨大優勢。它具有高程的變化敏感度高、觀測穩定性好、動態性強、精度高、無需建立地面觀測站等特點。

近年來，科學家在差分干涉測量技術的基礎上，還發展了永久散射體技術。它的出現標志著空間遙感成像已從三維信息獲取進入四維（空間三維+時間維）信息獲取的新階段。

震災分析是“重頭戲”

1992年美國加州蘭德斯（Landers）發生了里氏7.3級地震，迪·馬森耐特（Didier Massonnet）等人首次用星載干涉雷達技術獲取了地震的同震形變場。此后，該技術便在地震形變研究中廣泛應用。

星載干涉雷達技術，目前重點用于分析中強以上地震的同震形變場。如2008年的汶川地震、2010年的玉樹地震、2012年的蘆山地震以及2015年的尼泊爾地震等，國內外的地質學家利用星載干涉雷達技術都對地震的成因以及地震造成的地表破壞等進行了深入研究。

其中，2008年5月12日汶川8.1級地震是繼1976年唐山大地震后發生在人口稠密地區的一次重大地震事件，對四川災區造成了難以彌補的損失。震后全球科學家動用各種手段對其進行了分析。

科學家利用星載干涉雷達技術，分析了汶川地震的破壞范圍和地面破壞程度。分析顯示，斷裂帶沿東北走向，長約250千米，斷裂帶兩側地面形變超過1.2米的區域非常大。斷裂帶兩側形變的方向不一致，東南側以抬升為主，西北側以沉降為主，這些都與地質調查的結果吻合。

此外，例如美國加州大學的Eric Lindsey利用獲取于2015年2月22日與2015年5月3日的星載雷達成像數據，分析了此次尼泊爾地震的破壞范圍和地面破壞程度。

結果表明，此次地面形變超過0.2米的區域非常大，東西向長約150千米，南北向長約100千米。在斷裂帶兩側形變的方向不一致，南側以抬升為主，北側以沉降為主。最大的地面抬升發生在加德滿都東北方向20千米處，在加德滿都的形變抬升量超過了1米，同時還有0.3米的朝西運動。這些分析結果都與后期的實地勘測結果基本吻合。

其實，2015年的尼泊爾地震、2012年的蘆山地震、2009年的玉樹地震、2008年的汶川地震都是印度板塊和歐亞板塊碰撞擠壓的結果。因此，板塊運動過程中的相互作用，是引起這些地震的重要原因。

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SAR（Synthetic Aperture Radar） 即合成孔徑雷達。它是一種高分辨率成像雷達，能在能見度極低的氣象條件下，得到類似光學照相的高分辨雷達圖像。

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火山會“呼吸” 科學家利用永久散射性技術對意大利埃特納火山（Enta）進行監測，獲取了該火山區域長時間序列的形變圖像，當這些數據被做成動畫時，科學家驚奇地發現，火山由于地球引力以及熔漿擠壓的作用，它在交替的膨脹或緊縮，就像人的“呼吸”運動。

雷達衛星兩次對意大利埃特納火山（Enta）成像，由于地球引力以及熔漿擠壓會造成火山表面的抬升或者沉降，通過干涉處理能夠得到火山區域的干涉條紋圖，“紅-綠-藍”的顏色交替變化對應于火山形變量的變化。

玉樹地震“顯身手”

2010年4月14日青海玉樹發生7.1級地震后。我們利用震前和震后獲取的日本ALOS衛星的遙感數據，開展了地震同震形變分析。

據此，我們做出了“玉樹地震解譯結果圖”。從圖中可見，震中與結古鎮有一條被噪聲覆蓋的條帶，該條帶對應于玉樹地震中地表破壞最為嚴重的區域。結古鎮在條帶內說明它的城區破壞程度相當劇烈。

此外，分析顯示距離“甘孜-玉樹”斷裂帶越近，形變量越大，斷裂帶東北側地表形變較大，而西南側的地表形變量較小。玉樹地震南側向西運動，而北側向東運動，星載干涉雷達監測的最大形變發生在斷裂帶上北緯33°04’，東經96°49’處（接近于結古鎮所在位置），監測到的雷達視向上的最大形變量達到35厘米。

后期發現，這一干涉測量結果與震后野外調查隆起形變的結論相符，且與地面調查的最大形變中心基本一致。

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同震形變監測 地表形變是發生地震最直接的表觀現象。大地震通常會造成嚴重的地表破裂、變形和位移。因此利用震前、震后SAR數據，根據差分干涉技術可以獲取連續覆蓋的地表變形空間信息，有助于地質學家確定發震斷層模型及其參數。

地震預報的“曙光”

地震的孕育和發生是地應力長期積累，巖層突然失穩而迅速釋放能量的結果。雖然目前的科技水平尚無法預測地震，未來很長一段時間內地震也是無法預測的，但預測的“曙光”定會因科技進步而降臨。

許多震例表明，在地震發生前1～3年，孕震區形變場有加速變形的過程，形變量級可達每年幾十毫米。

利用星載干涉雷達技術，完全可以獲取震前干涉形變場演化的特征。通過分析地震前地表形變場的變化特征，能為地震監測預報提供一定的科學基礎。因此，此項技術有望成為大地震預測的“曙光”。

1997年11月8日西藏自治區那曲地區瑪尼鄉北約150千米處（35.2°N，87.3°E）發生了里氏7.9級強烈地震。該地震發生在瑪爾蓋茶卡斷層附近，該區域已屢次發生6級以上強震。科學家選用瑪尼地震前后不同時段的多景歐空局ERS-1/2 SAR的圖像，利用星載干涉雷達技術獲取了該區域的震前干涉變形場圖像。

科學家們發現，在震前10個月孕震區地表形變場中，就開始出現了與發震斷層性質一致的變化趨勢。震前兩個半月，斷層北側形變加大，且干涉條紋開始平行于發震斷層。這種干涉條紋分布特征顯示出短期形變場前兆異常信息，此發現為我們認識地震前兆形變場奠定了基礎。

后續，科學家在對汶川地震的發震斷層形變研究中，發現震前的垂直變形可能是其主要變形特征。這種震前垂直形變場的發現，可能為未來的地震監測預報提供科學依據。

因此，對地震地質、地震活動性、地震前兆環境因素異常的研究以及對地震前兆信息的監測，將成為未來地震預報的重要依據。

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地震前兆 地震發生前出現的異常現象。巖體在地應力作用下，在應力應變逐漸積累、加強的過程中，會引起震源及附近物質發生如地震活動、地表明顯變化及地磁、地電、重力等地球物理異常，還會引起地下水位、水化學、動物的異常行為等。

中國幅員遼闊、自然條件復雜，地面形變臺的覆蓋范圍和觀測能力非常有限，而星載干涉雷達測量技術將不受這些因素的限制。

目前通過對瑪尼地震、汶川地震等案例的研究。科學家認識到利用星載干涉雷達技術，可以俘獲到震前形變場的前兆信息。這表明該項新技術在強震監測、預報方面將有巨大的應用潛力。