一种将GPS观测应用于地震中短期预测的简单尝试①

余怀忠，程 佳

（中国地震台网中心，北京 100045）

一种将GPS观测应用于地震中短期预测的简单尝试①

余怀忠，程 佳

（中国地震台网中心，北京 100045）

本文尝试采用一种类似于加卸载响应比的简单算法将GPS观测应用于地震中短期预测。算法根据孕震区域在不同阶段的加卸载响应比变化判断未来地震的发生趋势：当地壳处于稳定状态时，得到的时间序列在1.0附近波动；而在临近地震之前会出现明显的异常高值。以2004年美国南加州的Parkfield地震为例对方法的有效性进行了研究，发现在地震发生前半年左右震中附近GPS台站得到加卸载响应比时间序列都发生了比较明显的异常变化；而一些距离震中较远台站却没有观察到类似的异常变化。这可能反映了孕震区地壳介质稳定性的变化，表明通过处理GPS观测资料可能获得新的地震前兆异常。

GPS；加卸载响应比；Parkfield地震；地震预测

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

空间测地观测技术的出现从根本上突破了传统大地测量的局限性，为现今地壳运动的监测开辟了崭新的途径［1－10］。其中GPS技术以其大范围、高精度、全天候等优点为监测全球和区域地壳运动带来了革命性的变化，日益成为三维地壳运动观测的重要技术手段［11－12］。GPS观测网络实现了观测向连续化、数据处理实时化、技术手段多元化发展，使观测结果既可把握构造运动的整体变化，又可勾画出构造运动的精细图象。与传统方法相比，不仅观测效率提高了数十倍，而且精度也提高了近3个数量级，使上千公里长的基线观测精度达亚厘米量级，这样的精度足以监测大范围地壳运动的微小变化。尤其重要的是，与传统大地测量方法相比，GPS在不同区域或不同时期的观测均可纳入全球统一的参考框架，从而使我们能够定量确定任何相邻或非相邻构造区域之间的相互运动，从而为各种规模尺度的地球动力学的研究提供至关重要的约束［13－16］。

在我国，自1988年中德合作在滇西试验场建立我国第一个GPS地壳形变监测网以来，已经建成了以GPS站点为主的“中国地壳运动观测网络”，该网络包括连续观测的25个基准站，定期复测的56个基本站和分布于我国多震区的不定期复测的1 000个区域站，初步形成了对我国大陆内部较大构造块体运动的整体性观测和对华北、川滇及青藏块体东北缘等多震区的区域性较高空间分辨率的观测能力［17，4］。建成以来所产出的大量的高精度观测数据，为认知中国大陆地壳运动特征及其动力学机制提供了至关重要的基础资料和定量约束［17－20］。目前我国正在实施中国地壳运动观测网络的二期工程——“中国大陆构造环境监测网络”，将建成大范围、高密度覆盖中国大陆的地壳形变观测网络，为研究我国大陆现今地壳运动与形变、地球动力学和地震前兆现象以及探索大陆地震孕育和发生规律提供重要基础。

随着GPS观测网络的发展，如何利用地壳形变资料研究地震的孕育过程和规律，并进而进行地震预报研究越来越受到普遍的关注。地震是地壳介质在构造力的长期作用下，应变能不断积累，并在一些薄弱部位突然释放的结果［21－28］。在地震孕育、发生过程中，孕震体介质必然产生形变，如能采用适当的技术手段从GPS地壳形变观测信息中发现在不同孕震阶段的有特征性的形变信息，无疑可能成为地震预测的有利判据。本文尝试将GPS观测资料与加卸载响应比方法［29－30］相结合，研究地震发生的前兆现象。为了检验方法的有效性，以2004年美国南加州发生的Parkfield地震为例进行了分析。

1 加卸载响应比理论

加卸载响应比理论是基于非均匀脆性介质损伤演化特征提出的一种中短期地震预测方法［29－30］，研究系统对输入信号的响应，达到了解该系统的目的。按照定义加卸载响应比可以表示为

其中，“＋”表示加载过程，“－”表示卸载过程，X为响应率。

假定P和R分别代表一个非线性系统的载荷和响应，响应率X则可以表示为

ΔR为载荷P发生微小增量ΔP时响应R的变化。

当系统处于稳定状态时，X＋≈X－，Y≈1；当系统接近失稳破坏时，X＋＞X－，Y＞1（图1）。图1显示当系统处于稳定状态时，加载和卸载响应呈线性，当系统接近破坏时，响应偏离了线性状态。因此加卸载响应比的演化反映了非线性系统稳定状态的变化。

图1 典型的岩石本构曲线（P和R分别表示载荷和响应）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观测中的加卸载响应比计算方法

在以往的加卸载响应比实践时，通常将一定时间窗和空间窗内释放的地震能量被作为响应量。加、卸载过程根据日月潮汐力引起的库仑破坏应力在地震破裂面上的变化ΔCFS进行判断［31－32］，ΔCFS＞0为加载，ΔCFS＜0则为卸载。加卸载响应比可以进一步定义为加载阶段能量释放和卸载阶段能量释放的之比。为了避免地震数目太少造成加卸载响应比时间序列的强烈波动，计算时间窗内通常包含了多个加、卸载循环过程。

本文所采用的响应量不同于传统的加卸载响应比方法，而是直接采GPS观测的地表形变作为响应量。由于GPS观测时间序列只能按日给出较高精度的形变数据，难以满足加卸载响应比方法所需的实时形变资料（如用以计算潮汐应力的加卸载过程），因此本文采用的计算方法延用了加卸载响应比的概念，但是实际操作又有所不同。

假定GPS时间序列观测的形变总量Di可简单看作为潮汐力等触发因素引起的加卸载形变以及长期构造加载产生的形变构成，即

其中：Ai和Bi分别表示每天发生在潮汐应力引起的加载和卸载阶段的形变总量；ΔC表示长期构造应力引起的形变。这样一定时间窗T（T＞1天）内的形变总量可以表示为

按照岩石材料的本构关系（图1），显然，当地壳介质处于稳定阶段时加载阶段等同于卸载阶段的形变量，即Ai＝Bi；这样，由式（4）进一步得到稳定阶段不同时间窗内的形变总量可表示为

据此，我们可以定义一个反映地壳介质处于稳定状态的新参量

很明显当系统处于稳定阶段时，由式（4）和（5）可知Yi＝1，由于长期构造加载引起的形变较为稳定，这里假定各阶段∑TΔC保持相对恒定。而当地壳介质接近失稳破坏时，Ai＞Bi，必然有∑T（Ai－Bi＋ΔC）＞∑TΔC，因而Yi＞1。这样可以结合GPS观测资料，根据时间序列Yi的变化对地壳介质的稳定状况进行分析，并对未来地震的发生趋势作出判断。

3 震例分析

为了研究算法的有效性，我们以美国南加州Parkfield地区2004年9月28日发生的M6.0地震为例，对震前的加卸载响应比时间序列Yi进行研究。震中位置如图2所示。我们收集了震中附近的12个GPS台站进行分析（cand，carh，mnmc，masw，tblp，hunt，pomm，rnch，hogs，mida，lows，land（见图2）），相关台站的GPS时间序列由SOPAC网站下载得到。将各台站水平位移分量都沿着地震断层破裂方向投影（走向321°，倾角72°，滑动方向－178°，由Harvard CMT得到），取合成为响应量计算加卸载响应比。如图3所示，我们计算得到了这些台站的加卸载响应比时间序列Yi，计算时间窗T＝20天，稳定阶段形变总量ΔD按照各台站在稳定阶段1年内的平均形变值计算。

图2 Parkfield地震震中位置及附近的台网分布Fig.2 The epicenter location of Parkfield earthquake and nearby GPS stations.

总体来看，采用本算法得到的不同台站的加卸载响应比时间序列Yi在地震发生之前都发生了较为明显地异常变化。加卸载响应比值持续几年都保持在1.0附近波动（0～2之间），在地震前数月达到峰值，而在临近地震时出现回落。这与加卸载响应比方法定义的演化模式相吻合［29－30］。

4 讨论与结论

加卸载响应比是依据潮汐力对地壳的触发作用计算的。潮汐力远小于构造应力，因此潮汐力只能触发地震，而不能直接导致地震的发生。当构造应力较低时，潮汐力很难触发地震，因此加卸载响应比值较小（约为1）；当构造应力较高时，震源区介质对任何微小的扰动都非常敏感，地震就很容易被触发，相应的加卸载响应比值会出现明显的增大。因此加卸载响应比可以看作是反映震源区地壳介质应力状态的重要标志。按照这一理论，震前的应力场分布，特别是断层周围的应力较高区域对加卸载响应时间序列的演化势必有着更强的调制作用，其原因在于地震更容易在这些区域被潮汐力所触发，加卸载响应比值的异常变化会更为明显。对一个地震断层而言，如果其周围区域具有较高的应力积累，地震就更容易在这些区域内发生。正因为此，震前震源区地壳介质的应力场状态及应力场分布与加卸载响应比的临界敏感性直接相关。

图3 Parkfield地震震中附近台站得到的加卸载响应比时间序列Fig.3 LURR time series derived from the nearby GPS stations before Parkfield earthquake.

从我们的研究结果来看，很明显在Parkfield地震发生前其附近GPS台站得到的加卸载响应比时间序列都发生了异常明显的变化。为了进行对比，我们对距离震中位置较远的一些GPS台站也进行了研究（图4）。采用同样的算法和参数，我们得到了这些台站的加卸载响应比时间序列（图5）。可以看出在地震发生之前这些台站并没有出现类似于前述近场台站的异常变化。这一结果表明Prakfield周围台站观测到的加卸载响应比异常变化带有明显的局部化特征，这一局部化特征势必与随后的地震发生密切相关。这样震前出现加卸载响应比值明显异常变化的GPS台站分布可能为地震预测划定了一个天然的临界区域，地震的震级越高，分布的范围越大。算法的这一独特性质使我们有可能使用这一方法针对未来地震进行预测研究。

图4 部分远场的GPS台站分布Fig.4 Location of some far GPS stations from the epicenter.

本文作为一种将GPS观测应用于中短期地震预测的简单尝试，虽然算法的可行性和有效性还有待各种数据的检验，但是其研究为使用地壳形变资料进行地震预测研究提供了新的参考。算法借鉴了加卸载响应比理论的基本概念，延用了输出信号对输入信号的响应方法，达到了解地壳介质性态的目的。不同之处就在于响应量的选择：传统加卸载响应比计算的数据来源是地震目录，加载和卸载过程根据日月潮汐力引起的库仑破坏应力在地震破裂面上的变化进行判断；而我们采用的响应量是GPS地壳形变观测。这一改进虽然减少了地下未知因素对加卸载响应比计算结果的影响，但是对GPS的观测精度以及台网的分布密度提出了更高要求。我们选择美国南加州的Parkfield地震进行研究，其原因就在于这些区域具有较高的GPS观测精度和台网分布密度。事实上，算法本身具有良好普适性，随着国内外地壳运动观测网络的发展，将会出现更多的震例。

图5 远场台站得到的加卸载响应比时间序列Fig.5 LURR time series derived from the far GPS stations from the epicenter.

本文研究发现在美国南加州的Parkfield地震发生前，其近场GPS台站的加卸载响应比时间序列都发生了明显异常变化，这一事实表明通过适当的方法能够将GPS观测应用于地震的中短期预测研究，极有可能为地震预报提供一条物理预报的新途径。

如果已知发生异常变化的台站分布以及加卸载响应比的异常程度等，本文提供的算法可以为系统地预测目标地震的震中位置以及发震的强度提供重要的依据。即使在GPS网络分布较为稀疏的地区也能通过局部台站时间序列变化，对各地区地壳介质的稳定状况进行分析，为未来地震的发生趋势提供参考。

目前算法虽然已经有了一些成功的震例研究，然而由于地壳运动GPS观测的密度和精度限制，还难以应用到地震预测研究实践，算法本身的发展也有待未来大量数据检验和证实。

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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

科技部国际科技合作项目“华北地区地震构造与地震监测预测新方法合作研究”（2010DFB20190）；国家自然科学基金项目（批准号：40704007）；中国地震局地质研究所基本科研业务专项（批准号：DF－IGCEA－0607－1－16）

余怀忠（1975－），男（汉族），安徽合肥人，主要从事地震预测理论与前兆方法研究.