地殼形變觀測

于克達

【摘要】地殼內一定的能量積累成核時，在其接近破裂之前會在某些特殊部位發生形變的劇烈變化，這就是說地殼形變與地震是地殼構造運動的結果，它們之間存在這密切的關系。本文通過地震現象的研究，對地殼形變觀測的發展做了簡單的介紹，并闡述了地殼形變觀測在科學研究中的作用，為發展新的觀測手段，以增強地殼形變災害的監測預警能力提供理論基礎。

低應變、地傾斜斜等定點形變測量指標能直接反映地殼介質的微動態變化，捕捉到地殼介質破裂前的力學變化信息，出現明顯的地殼形變，必然要在較大范圍內引起地殼內部物理與化學性質的變化，特別是地殼應力狀態的變化，并可能最終導致局部地殼巖體破壞，發生地震。我們人類賴以生存的地球，不時地發生地震現象，了解地震的本質，也是科學地認識地球構造和地殼形變的一種重要知識來源。我國是世界上震害最重的國家之一，提高地震預測預報水平是國家和社會公眾的迫切需求，近年來，研究表明臨近地震前在近震源區地殼形變可能觀測到個別的異常，在遠離震源的區域上可觀測到更多，更顯著的地殼異常變化。地震必然伴隨著地殼形變現象，但地殼與地震之間的相關性判別直接影響著研究結果的科學性，通過我國和其他國家的觀測和地震工作者多年的探索，已有了較為深入的研究。

一、地殼形變觀測的發展

地球內部的力量使巖石逐漸發生不引人注目的形變，便是俗稱意義上的地殼形變，這種變化通過儀器測量觀察到，如用激光測量地表標志之間的距離變化，也可用水準儀測量地面固定點之間的高差變化等。在構造活動區內，通過對地震活動斷層的形變測量，可以為預測地震提供重要依據。

日本是研究地殼形變與地震關系最早的國家，從1883-1906年對覆蓋日本列島的一等三角測量網進行第一期地殼水平形變觀測，后進行了一系列地殼形變的觀測，包括地殼垂直形變觀測，且建立了地殼形變的連續觀測方法。美國費城重視地殼形變與地震之間的聯系，自1851-1860年，便開始觀測斷層的水平運動，1906年開始對基線進行了復測，證實斷層兩次相對位移增大很快，1907年的復測將原基線錯開約6m。我國地殼形變的觀察開始與1962年，為研究和檢測庫區地殼運動，建立了一個高精度的檢測網，1910年2001年，許才軍等利用了地震資料和GPS聯合反演了中國大陸地殼應變等，并結合了地殼形變狀態及構造背景，進行了地震危險區域的分析。后進一步對地殼形變觀測的影響因素進行了研究，大氣壓強波動引起氣體通過地表上下運移，宏觀上造成地面負荷的增減變化，微觀上造成巖體孔隙壓力的變化，從而影響地殼形變觀測值，來自大氣層結構不穩定或外來振蕩的激發而造成的聲重力波浮力振蕩也可引起觀測值的改變，此外，與許多外界條件和初始條件有關，包括土層的膨脹和變形以及降雨量的大小和持續時間，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系。隨著研究的深入，我國在觀測條件、觀測數據處理方面取得了重大成就，使我國在地殼形變觀測領域進入了國際先進水平的行列。

二、地殼形變觀測在科學研究中的作用

由全球衛星定位系統（GPS）發展而來的地殼運動觀測技術，已成功地用于中國大陸幾個地震區的檢測之中，據此可以獲得大陸地塊的相對運動速率，并獲得大范圍的地殼形變運動圖像。此外還有大面積水準、斷層形變和地傾斜、重力、洞體應變與鉆孔應變等觀測，深入研究地震機制、震源物理，對充分掌握地殼形變規律的規律和特征有著重要的意義。

1.用地殼形變連續觀測的方法以補充傳統大地測量方法的觀測精度和復測周期等方面的不足，從而讓獲得了高精度的地殼傾斜、應變的連續觀測數據，此外連續的測量方法進行的重復觀測，為中、長期地震預測提供依據。通過長期的觀測和研究，逐步建立了方法、理論、特點和相關的儀器，采用改進的有序聚類分析法圖時間序列的趨勢轉折點具有明確的統計意義，可減少人為判斷的主觀和任意性。

2.應用地殼形變連續觀測方法觀測地震前后地殼形變的特征，為研究震源機制建立理論模型等提供了外部約束，此外，觀測到了地殼的短期變化，通過斷中所揭示的破裂擴展過程或成核過程，其引起的應補償變化主要分布在裂紋在地表的投影機沿拓展方向在地表的投影區域附件，通過檢測地震成核過程，得到的固體潮、地脈動、地傾斜現象和應變階躍，為其他學科服務。

3.地震發生后，我們通常尋找震源附件地震前幾年的異常變化，建立臺站型的連續觀測方法，以監測幾天至幾秒為周期的地震地殼形變的前兆，從地球物理場的角度觀測震源狀態，探索孕震區物理的地質特性，以及地殼彈性和塑性的性質和模量的改變，從而使地殼形變研究與地球物理研究結合起來。前兆現象與地震之間越具有更大相關性的假定，事實上，這種假定具有一定的普遍性，這種思想一直延續至今，為突破臨期地震預測相關方面提供依據。

4.在地殼形變觀測的發展中，建立了井下測量系統，由于傳感測量單位安裝在深井底部，顯著減弱了地表巖石風化與地形的影響，有利于高精度的測量結果，獲得了高質量的地殼應力場動態變化觀測數據的主要方法，對觀測地震發生的具體過程進行科學的闡述提供了科學的借鑒，成為了地殼形變寬頻帶綜合觀測技術解決大、中型城市“地震監測盲區”問題的有效措施之一。

5.地殼形變觀測結果提供了具有明確物理意義的地殼運動的直接證據和定量特征，以評價、預測區域構造穩定性和地震可能性等所進行的測量工作，此外，若采用時窗滑動法，通過跳幀窗長和步長的大小，提取不同領域、不同時段的多個轉折點，增加其靈活性，拓展其應用范圍，實時追蹤趨勢轉折點的演化。

三、結束語

地殼形變觀測在防震減災工作中是一項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果，在地殼發生異常形變時，所需要觀測到轉折時間的精確定位，需要數學上的、定量的方法。長期以來，我們將地殼形變觀測通常理解為構造變形觀測，實際上這將導致許多觀測結果之間出現矛盾，及前兆現象與地震之間關系的復雜性，根據此為契機，隨著空間科學和光電科學的迅速發展，現代地殼形變所建立起來的觀測技術，已從總體上區分為空間觀測技術體系好地面觀測技術體系。地殼形變的觀測，不論是在研究地球動力學，地殼構造運動和地殼穩定性評價，以及研究地殼形變在地震形成過程中所起的作用，都具有重要意義。