福建省地震地形变学科发展研究报告

福建省地震学会



福建省地震地形变学科发展研究报告

福建省地震学会

该文详细介绍了近40年来，福建省地震地形变学科发展的概况。福建省地形变观测网是由全省GPS连续观测网、重力、水准、地磁流动观测网以及重力、倾斜与应变观测台站组成。经过“十五”、“十一五”、“十二五”的发展，福建省地壳形变台网建设得到了进一步加强，从而推动了我省地壳形变的地震预测与研究工作的快速发展，在推进全国地壳形变学科发展中也起到了积极的作用。

地震 地形变 发展研究 福建省

0 引言

我国地壳形变的地震预测与研究工作已开展40多年，并形成了具有中国特色的相当规模的地壳形变预报地震观测和研究体系，在推进地壳形变学科发展中起到了积极的作用。

地壳形变是地壳介质在内生的构造应力和外生的天体引力以及地表荷载力作用下发生的一种表现形式。与地震有关的地壳形变则是在孕震过程中，随着构造应力的不断积累，直到岩石发生破裂前后的一种最直接的伴随现象，这种构造应力积累直到岩石快速破裂，一般需要数十年甚至更长的时间，因此与其伴生的地壳形变呈现出长、中、短、临的时空变化图像。

对上述具有不同周期的地壳形变，要采用具有不同频率响应的观测仪器进行观测。对于由地震激发的高频地壳运动，可采用地震仪进行观测，这种仪器的最佳频率范围通常从十分之一秒到几分钟，而监测非常缓慢的地壳形变则可采用常规的大地测量手段，至于监测介于这两者之间的频率范围的地壳运动，可通过在特别感兴趣的地区内增加大地测量的观测次数，布设全球性的长周期和超长周期地震仪台网以及发展地球物理和大地测量新技术来达到。在发展地球物理和大地测量仪器方面，近20年来，我国地壳形变观测技术有了长足的发展，特别是随着数字化观测仪器（重力、倾斜和应变仪）和空间大地测量技术（如GPS）的发展，使我们可以对高至地震频率、低至零频这样一个非常宽阔的频率范围内的地壳运动进行监测，使我国的地壳形变观测研究进入了一个新的发展阶段。这些新进展主要表现在两方面：一是在空间尺度上把地壳形变观测的各个手段联成一个整体的观测系统，从而有可能获得真实的地壳运动图像；二是几何观测与物理（重力）观测相结合，使地壳形变研究工作由几何学向运动学、动力学方向发展，使人们有可能定量化地研究地壳形变动力学过程，从而可以对地壳形变进行一定的预测，推动地震预报及地震灾害的预测研究工作。观测系统的长足进展日臻完善，为采用地形变预测预报地震提供了坚实而可靠的基础。

地壳形变观测对地震理论认识的最大贡献是在1906年美国旧金山地震前后进行的三角测量，从而导致了美国大地测量学家里德系统地阐述弹性回跳理论。现在关于震源的很多知识是来自震前和震后大地测量资料的比较。比较的价值取决于震前与震后测量的精度。同时，大地测量精度的改进使对较小地震的震源机制研究成为可能，并有可能揭示地震的前兆。

实验和理论研究表明，在应变积累过程中由于地壳介质的不均匀性，会在破裂（地震）之前出现明显的在时间上分阶段的不同周期的地壳形变，这就是目前采用大面积形变测量、跨断层形变测量和固体潮汐形变测量方法进行地震预报的理论基础。

1 地壳形变预报地震的科学思路

地震大都发生在活动板块的边界和活动断裂带上，在这些条带上发生突发性位移（地震）之前，地面位移、应力场会相继发生长、中、短、临变化，而这些变化又是与孕震过程的阶段性有关，且前兆反映一般以群体形式显示。总之，根据地形变在时空上的这些变化特征，并结合当地的地质构造背景，可以对大震前地壳应力—应变状态进行跟踪，以便圈定地壳形变较显著的地区作为今后要发生地震的可能地点。因此，研究判定与地震相关的地形变前兆，可采用以下物理判据与方法：

1.1 大面积地形变与地质构造的一致性

短临前兆出现之前的大面积地形变分布主要反映了地壳大范围运动的概貌。正常的大面积地壳运动具有速度缓慢，变化形态与地壳浅部构造分布一致，与大区域应力场在方向和强度上相适应的特点。因此构造形变都是沿活动断裂带分布的，当局部地区的构造单元运动速率明显改变，在其边缘出现垂直形变高梯度带和重力梯度带，当它们的分布与地质构造一致时，则反映了这些构造单元相对运动，从而反映现今构造应力场的作用方式。构造单元的边缘往往容易出现应变、垂直形变和重力等值线形态的转折和密集，形成高梯度带。因此，短临前兆出现之前的大面积地壳形变及其形成的梯度带是判定地形变短临前兆的物理判据之一。

1.2 地形变异常的阶段性

地震是地壳以突然破裂的形式表现出来的一种地壳变形。在主破裂（地震）前后，地壳演变过程具有长期缓慢变化、快速变化、震前突变和震后调整四个阶段特征，这是与地壳的非均匀性分不开的。因此，在短临前兆出现之前是否会出现长期和中期地壳形变是判定短临前兆的物理判据之一。因为根据地壳介质的非均匀性，在震前，地壳介质会经历非线性—线性—非线性变形三个阶段。就破裂过程而言，会经历张性微破裂—剪切破裂—主破裂三个基本过程。这两者从不同角度反映了受破裂过程控制的地壳形变大致分为长期、中期和短临三个阶段。

1.3 不同地区地形变异常的差异性和复杂性

在大震发生前，不同地区的地形变异常有很大的差异，也表现出复杂性。这与不同地区大地构造单元的分布及其特点，地壳介质的性质，主断裂带的分布、产状与活动水平有关。一般来说，对正断层而言，垂直形变较显著；对走滑断层而言，水平位移较显著；在两条或多条断层交汇或转折处，垂直形变和水平位移都较显著。大震之前地壳形变的这种差异性和复杂性正是不同地区存在不相同构造背景的一种表现形式。

1.4 地形变短临前兆特征

震前地形变短临前兆种类上呈现出群体性，空间上表现出集中性，时间上出现有序性。地形变前兆群体性是指在震前会陆续出现种种类型的地形变，不过各次地震前有所不同，因为从整体大地测量的角度看来，任何一种形变都可表示为地点、时间和重力位的函数，这种地形变前兆的群体性体现了各种地形变量、重力与应力之间的物理上的相关性。在震前，不但地形变前兆表现出群体性，而且其它手段（如地下水位、水化学万分、地电、地磁）亦会出现异常，这正是各种物理量和水化学组分对震源过程的不同响应。地形变前兆在时间上的有序性是指在应变积累的过程中，由于地壳介质的不均匀性，会在破裂（地震）之前出现明显的不同阶段，会出现周期不同的地形变，越接近破裂，响应就越明显。地形变前兆在空间上的集中性是指孕震过程发展到某一特定阶段后，各种地形变异常会逐渐转移到未来震中附近的一个较小范围内。

2 地壳形变监测地震的基本方法

地壳形变可理解为可变形地块的起始状态（未变形）和终止状态（已变形）之间的地块位形的变化，这种位形变化包括地块质点的位置变化，质点之间的距离及方向变化，后者即为块体的变形。地壳形变是由于地壳质点的位移所引起的，位移为质点的位置向量在两个不同时刻之差，单位时间的位移即为该质点的地壳运动速率。根据弹性力学理论，任何变形都是由平移、旋转和应变三部分组成。地壳形变从空间分布来分，可分为全球性的、区域性的和局部性的；从时间尺度来分，可分为长期性的、周期性和间歇性的；从对作用力的响应来分，可分为弹性形变和粘滞性形变；从地形变的方向来分，可分为垂直形变和水平形变，对这两个分量进行矢量合成，最终可确定地壳形变的方向和大小；从形变的成因来分，又可分为构造形变、地球潮汐形变和地壳载荷形变和突发性形变，前者与板块运动和断层活动有关，中者与天体起潮力有关，次者与海潮和水库蓄水有关，后者与火山和地震有关。

不管是垂直形变观测还是水平形变观测，地面上的一切观测都是在地球重力场中进行的。因此在进行高精度的地形变观测时，配合进行高精度的重力测量，不但可以对测量结果进行固体潮改正，而且可以把几何与物理测量结合起来对地壳形变的动力学过程进行研究。

震前地形变类型决定了监测震前地形变应采用的观测手段。要监测地面的垂直位移，需采用水准仪；对水平位移，可采用基线、激光测距和GPS等手段；对于旋转，可采用经纬仪进行方向观测以确定方向改变量，或者通过应变观测经解算确定；要确定一个区域内的应变场状态，可根据该区域内诸点的位移改变量通过解算而获得，对于某一点的应变状态，可采用应变仪对三个以上方向进行观测得到；对于震前因地壳介质密度变化以及点位高程变化所引起的重力变化，可采用重力仪进行观测。有了好的观测手段，又有考虑缜密周到的多层次的观测台网，才能根据所监测到的地形变资料作长、中、短、临地震预测预报。目前我国是通过以下方法与途径来进行预测的：

①监测大面积重力场、位移场和应变场的中长期趋势变化。主要观测手段为精密水准测量、水平形变测量、流动高精度重力测量和空间大地测量。现有的水准网大部分是在原国家一、二等水准网的基础上改造、扩建而成，按一等水准要求进行复测，复测和联测精度为10-6，达到国际同类观测水平。水平形变监测网是由GPS站所构成，分为连续观测和定期复测两种，GPS观测的精度可达到毫米级。

②监测断层中、短期运动学和动力学特征。断层形变观测方法有短水准测量和连续自记动态测量两种方法，精度可达10-6~10-7。

③监测固体潮短临前兆变化特征。固体潮是指固体地球对天体起潮力的3种不同响应方式，分别为重力、倾斜和应变固体潮。天体起潮力对地震发生可起到一种触发作用，在地震发生之前，这3种固体潮会发生畸变，潮汐因子会随之变化。为了监测这些变化，我国已建立了固体潮监测台网，该台网是由重力、倾斜和应变固体潮观测台站组成，重力仪的精度可达1微伽（10-8m/秒2），倾斜仪的精度可达到1ms (0.001角秒)，应变仪精度可达10-8~10-10。

在我国，从20世纪90年代起，已初步建立了一个较完整的地壳形变监测系统，该系统是由中国大陆地壳形变监测、区域地壳形变监测、断层形变监测和固体潮监测网等4个子系统组成。中国大陆形变网主要采用VLBi、SLR、GPS、精密水准测量、高精度重力测量以监测中国大陆地壳运动全貌、次板块相对运动，其作用是提供基础背景资料，参与全球地球动力学研究。区域形变网主要采用GPS、精密水准和流动重力测量，对该区域的地震危险区地壳形变图像及其进程进行监测，其作用是提供长、中期地震前兆信息。断层形变监测网主要采用短水准、测边小网、重力测量、连续自记动态观测，以监测主要断层的活动状态，提供中、短、临地震信息。固体潮形变监测网所采用的主要观测方法为地倾斜、地应变与重力，其监测的内容为固体潮波形畸变，潮汐因子的变化以及地壳介质的物性变化，以期提供震前中、短、临信息。

3 国内外地震地形变学科发展现状

3.1 国外地震地形变学科发展现状

大震发生后，人们常可看到道路错开，铁轨扭曲，地面开裂、沉陷或隆起，冒沙喷水等一派触目惊心的地壳变动景象。人们不禁要问，震后地面会发生如此有目共睹的地壳形变，地震前地壳亦会发生形变吗？回答是肯定的。不过，一般说来，这种形变不是肉眼所能察觉出来的，它是一种缓慢的形变过程，要用精密的观测手段才能检测出来。也许美国人里德是世界上最早企图用测量地壳运动的方法研究震前地壳形变理论的一位学者，他根据1851年~1855年间的三角测量结果和震后立即进行的测量结果分析了1906年美国旧金山8.3级大地震，根据这些分析结果提出了弹性回跳理论。这个理论认为，由于圣安德列斯断层的相对运动导致了地壳中弹性应变能的积累，当应变达到临界点时，断层回跳产生地震波。根据他的计算，震前50年间断层相对位移大约3.2m，震时最大滑动量达6.5m，据此计算旧金山地震的复发周期为100年。上世纪80年代对圣安德列斯断层的开挖调查结果，认为该区大地震的平均复发时间为150年或200年。里德所采用的长期地震预报方法基本上与现在一样，亦是以预测地壳应变程度来进行预报。

从物理学观点看，断层弹性回跳理论对发生地震的本质给出了较为完善的解释，从而被各国地震学家所接受。后来，由简单的弹性回跳模型发展到断层位错理论，继又转向对震源物理过程的研究，使我们对孕震过程中产生地形变的机制及其演化过程了解得更为清楚。既然地壳形变是由断层的位错所引起的，当然就可以根据断层的几何参数（走向、倾向、倾角、长度、宽度、走向滑动错距、倾向滑动错距、断层上下边界距地壳的距离、断层埋深）来计算断层错动在地表面的位移，反之，亦可根据大地测量资料反演断层的震源参数。

在日本，今村明恒在第二次世界大战前就曾试图用测量的方法进行地震预报，他认为地震是由地块倾斜引起的。应他的要求，日本陆地测量局在第二次世界大战前对很多水准路线进行了复测，其中最有意义的是1944年东南海地震临震前在静风冈县御前崎附近进行的测量，测量结果发现震前有异常的地面倾斜。

1980年，美国地壳运动测量专业委员会在其所提出的题名为《地壳形变监测战略》的一份研究报告（下简称报告）中指出，从地震资料得到关于断层活动细节的信息是非常困难的。在地震信号的记录中，大部分能量局限于0.1～10秒的范围内，尽管少量长周期地震仪可测到1000秒的地震动，较长周期的断层运动是不能用地震方法监测的，但实际上它可改变应力分布。非弹性效应和余震发生率有很大关系。因此，这非常类似于缓慢的非弹性过程，此过程可改变应力分布而不释放地震能量，而大地测量方法的主要贡献在于此种方法能监测到地震频带宽度以外的准静态位移。如果经典的大地测量技术能达到所要求的精度，则它们完全适用于此目的。美国地壳运动测量专业委员会的这份报告对全球范围测量、活动板块边界附近测量、板内形变和其它新构造运动的测量，测量构造形变的仪器设备以及有关监测构造形变的大地测量战略作了详细深刻的阐述。特别是对地面观测技术中的应变仪、倾斜仪、重力仪、激光测距装置、气泡水准测量的原理、精度及其布设方案作了较详细的介绍，在空间观测技术方面，对人造卫星激光测距（SLR）、甚长基线无线电干涉仪（VLBi）、全球定位系统（GPS）以及测量位置的其他空间技术的原理、精度、运用也作了全面的介绍。在这里，要特别指出，随着GPS精度及采样率的提高，今天GPS成了用来监测地壳地形变的一种多时空尺度、高分辨率的实时动态观测系统，且可全天候、不要求通视、费用低廉的高技术手段。上述的空间测量技术与地面观测技术已成为上世纪80年代以来美国监测地震带内地壳各种运动的主要手段，其主要的任务分别为在地震带内和地震带周围，监测其长期应变积累图像及速率，监测可能的中期应变的变化，监测大震前可能出现的短期前兆。

美国从上世纪80年代开始，除了研制地面和空间测量技术以外，还对如何制定一个切实可行的观测方案进行了规划，例如在研究美国西部地壳运动时，建议对所采取的三边和其它大地测量方案作如下实质性扩充：增大观测频度、大量加密观测点、台网的布设要扩大到离主要断层更远的地方、尽量把主要断裂带都包括进去；对一个大的地震带，该报告认为地壳形变测量的主要目标应进一步提高精度，扩大监测范围，它应包括尽可能以最高的精度对扩充的地形变网进行半年或一年一次的复测工作，对沿主要断层布设点距为10公里或20公里的两点之间的距离进行定期的复测工作（约2周复测一次），在小范围内，采用定点监视仪器进行几乎连续的观测，以便检测大震之前的任何短期前兆；要用空间技术把形变监测网扩大到美国之外的西半球和西太平洋的一些主要地震带上去，并和这些国家进行协作；应该发展海底测量所必须的观测仪器；应该改进觇标安装和评价其稳定性工作，这些建议被许多国家所借鉴。

在如何利用地形变观测资料进行研究方面，美国学者如普雷斯提出了利用位错理论根据震前震后大地测量资料反演断层震源参数，保加利亚学者维尼迪柯夫提出了利用固体潮观测资料计算潮汐因子与相位滞后的数字滤波方法，潮汐因子反映震前地壳物性的变化可作为短临前兆，如何剔除固体潮观测资料中有问题的观测数据，日本学者Nakaii提出了Nakaii方法，日后被普遍采用。

在地震成因研究方面，从地壳形变的角度来看，除早期根据大地形变测量资料提出弹性回跳模型外，美国学者于上世纪80年代根据岩石实验和实测资料进一步发展提出了包括蠕变—粘滑现象的断层模型，继后美国学者肖尔茨又提出了膨胀扩容模式，无论哪一种模式均表明在地震的孕育、发生和发展过程中，由于地壳构造的复杂性和介质的不均匀性，会在某些特殊部位，例如活动断裂带出现剧烈的变化。

前苏联的梅谢里柯夫、美国的肖尔茨、日本的藤井阳一郎等学者根据大量震例总结出形变前兆的阶段性特征，即稳定变化段α，加速变化段β，失稳段β2及震前突变段γ。图1为岩石应力—应变本构关系示意图，图2是藤井阳一郎根据30个震例归纳的应变积累阶段特征图，图2中的α段对应于图1中的AB段，AB段表示地壳出现线弹性形变；β阶段对应于BC段，表示地壳的非弹性变形明显，非弹性体积应变使岩石出现膨胀现象，随着应力增加，应变速率增大亦加快，C点表示岩石在一定条件下所能随的最大载荷；γ阶段可对应于CD段，此段与地震发生有着非常密切的关系，越过C点以后，地壳承载能力下降，应变加速，仿佛岩石随应力增加而变软；δ阶段对应于DE段，表示地壳破裂已完成了，断裂面已经形成。

图1 岩石应力-应变本构关系示意图

图2 震前地形变前兆的阶段性特征

随着地形变观测资料的增多，发现在同一个地点的震前地形变图像呈现复杂性，没有确定的前兆模式可言，为了解释前兆的复杂性，西方学者分别从耗散结构理论、分形理论以及非线性理论角度对这种复杂性进行了研究，发现当外部传递给变形体系统的能量转变为岩石内部应变能，当应变能积累到一定程度时，岩石开始软化，将岩石内的应变能转变为热能和震时的弹性能，即将利用率较高的能量变为利用率较低的能量，这个过程就是岩石能量的耗散过程，在此过程中，地壳形变图像呈现无序和有序同在，自组织和混沌并存局面，使对地形变分析推进到一个新局面。

鉴于地面观测系统（例如倾斜仪、应变仪）易受到外界干扰，许多学者转而致力于深井地球特理综合观测，尤其是在科技发达的国家得到了迅速的发展，建立了大量深井观测站或长期观测实验点。在“地震之国”日本，深井观测站的深度达1000～3800m，其中取得成功经验的深井观测研究项目有伊豆半岛地震群、神冈矿山活断层以及南非金矿的观测与研究等。在2003年，东京大学、东浓地震研究所、名古屋大学等在日本本洲中部岐阜县屏风山活断层附近1020m的深井中，设置了世界上最先进的长期综合地球物理深井观测仪器，并进行了初期应力测量，结果表明，与地面观测相比较，深井观测能提高观测精度1~2个数量级，如地应变能观测到10-10的极微弱应变变化。美国从1992年底在著名的圣安德列斯断层开展了深部长期观测研究项目，又称“地球透镜计划”，其中一个重要的组成部分为“板块边界观测（PBO）计划”，使用了大量的钻孔应变仪，目前约有80个Gladwin 三分量钻孔应变观测点。德国亦已实施德国大陆超深钻井计划，简称KTP项目，该项目是德国地球科学领域规模最大，耗资最多的一个科学项目。

3.2 国内地震地形变学科发展现状

3.2.1台网建设与观测技术

我国地壳形变监测系统按现有的观测（台）网综合分类，它是由固体潮汐形变监测、断层形变监测、区域地壳形变监测和中国大陆地壳形变监测四部分组成。区域地壳形变测量和中国大陆地壳形变测量，习惯上称为大面积形变测量，主要观测手段为精密水准测量、水平形变测量、流动高精度重力测量和空间大地测量。精密水准测量采用德国蔡司厂的Ni002精密水准仪施测，高精度重力测量采用拉柯斯特—隆贝格重力仪、德国的GS重力仪和国产的DZW型重力仪，观测精度达1微伽，空间大地测量采用GPS。上世纪90年代起普遍推行了数字化观测，水准测量采用数字水准仪，数字水准仪有德国蔡司厂的DiNi系列、瑞士徕卡厂的NA3003和日本拓普康生产的DL101等。我国在“九五”期间，选定了DiNi系列水准仪作为地震系统断层形变定点台站水准测量的监测仪器，DiNi系列中的DiNi11数字水准仪每公里往返测观测中误差为±0.30mm，测高最小读数单位为0.01mm，测距最小读数单位为1mm，单个测量时间为4s，而空间大地测量采用的GPS接收机则为美国AHTECH CGRS GPS接收机，该款GPS接收机为美国AHTECH公司出品的连续大地参考站观测系统，是高精度科学研究、陆地测量、地理信息系统和工程应用永久性GPS基准站广泛采用的设备之一，该接收机系统误差（GPS卫星间），伪距（全波段）<1.00cm，载波相位（全波段）<0.01cm。在国家计委、科技部支撑的国家重大科学工程“中国地壳运动观测网络”项目中，除上述的AshtechZ-X11外，还引进了如Trimble4000SSI、Rouge8100等GPS接收机。

中国地震局牵头的“中国地壳运动工程网络”由VIBI.SLR、连续与超导重力站与GPS二期基准站、一期区域站、二期区域站与二期基本站组成，见图3。

图3 中国地壳运动工程网络台站分布图

固体潮汐形变监测系统是由地倾斜、地应变和重力固体潮等3个子系统构成。这样一个系统经历了3个阶段的发展，在第一个阶段，以装备低灵敏度、目视观测仪器（第一代）为主，第二个阶段以装备高灵敏度（10-8~10-9）、能清晰自动连续记录潮汐形变的仪器（第二代）为主，第三阶段则是以模拟记录为特征的第二代仪器向数字化仪器转换为主，在实现数字化观测后，固体潮汐监测系统就可通过不同时间的采样，在一个非常宽阔的频带范围内对地壳动力学现象进行观测，以监测地壳运动的方向、速度及其岩石特性的变化，从而填补了测震学和大地测量学之间频率范围的空白，有利于监测短期前兆向临震前兆的过渡和发展，并有利于监测震后的地壳调整过程（蠕变或松弛过程）。

地倾斜固体潮监测子系统目前所采用的数字观测技术有DSQ型水管倾斜仪和VS垂直摆倾斜仪，前者的灵敏度为1ms（0.001"），日漂移量0.005",标定精度优于1%，全自动标定；后者的灵敏度为0.1ms，日漂移小于0.005"。

2010年全国倾斜观测台网正式运行并纳入学科管理的台站共161个。运行仪器包括水管倾斜仪、垂直摆倾斜仪、水平摆倾斜仪、钻孔井下倾斜仪等类型，共计有252套仪器，主测项513个分量，观测方式有数字化观测与模拟观测两种。2010年度倾斜仪分布图见图4。

地应变固体潮监测子系统目前所用的数字化仪器有SS-Y型伸缩仪、TJ型体积式钻孔应变仪、YRY-4型4分量钻孔应变仪和RZW型4分量钻孔应变仪。SS-Y型伸缩仪的观测精度优于10-9，日漂移<1×10-8；TJ型体积应变仪的精度≤1×10-9，且自身稳定性≈1×10-7/a；YRY-4型钻孔应变仪精度为10-9；RZB型精度为10-8。

2010年度应变观测台网正式运行并纳入学科管理的洞体应变台站96个、观测仪器96套。在运行仪器包括伸缩仪、体应变仪、分量应变仪等类型，共计有227套仪器，主测项496个分量，观测方式分数字化观测与模拟观测两种。2009年度应变仪分布图见图5。

图4 全国地倾斜台站分布图

图5 全国洞体应变台站分布图

重力固体潮监测子系统所采用的数字化观测仪器有DZW型重力仪和GS型重力仪。DZW型重力仪的读数灵敏度为0.1Mgal，GS数字化重力仪是在对从德国ASKANIA公司引进的GS重力仪改造而成，改造后的精度为1×10-8ms-2。我国现有重力台网包括39台（套）重力仪，分布在14个省份，3个直辖市、5个自治区内。重力台站分布见图6。

图6 全国重力台站分布图

上述SS-Y型伸缩仪、DSQ型水管倾斜仪、VS垂直摆倾斜仪以及DZW型重力仪分别为中国地震局地震研究所吕宠吾、聂磊、胡国庆研究员研制，对GS重力仪改造也是该所进行的，YRY-4型钻孔应变仪由河南省鹤壁市地震局池顺良教授研制，DZW型钻孔应变仪由中国地震局应力研究所欧阳祖熙教授研制，TJ型体应变仪由应力所苏恺之研究员研制。上述地形变仪器的性能与精度均已达到国际同类仪器的先进水平。有些仪器例如中国地震局地震研究所蔡惟鑫研究员等研制的石英伸缩仪曾于上世纪80年代~90年代远赴欧洲比利时、西班牙、卢森堡进行地球动力学观测，获得好评，并获得卢森堡大公国勋章。

3.2.2天体起潮力位展开及固体潮理论研究

起潮力为天体（月亮）对地球表面某一点的万有引力与月亮对地心的万有引力的矢量差，在地心起潮力为零。月亮在该点的起潮力位等于月亮在该点的引力位与该点绕月、地公共质心作圆周运动的向心力位之差。1922年，杜森（Doodson）将起潮力位按照幅角数对潮汐波进行了自然分类，把起潮力位表示成振幅为常数的386个分谐波之和，每个谐波的振幅都大于0.00001D，其中D称为杜森常数，1967年前D=26206cm2/s2，1967年后D=26277 m2/s2。起潮力位是推导重力、倾斜与应变固体潮理论值的基础，起潮力位展开的谐波个数越多，则固体潮理论值的精度越高，对于高精度固体潮观测，对其观测资料作调和分析，则要求具有更高精度的起潮力位展开式，即要求组成该展开式的谐波数要远远大于杜森展开式的386个谐波。在1922年那个年代，没有电子计算机，杜森仅靠手算完成了如此复杂费时的谐波展开，确非易事。到了上世纪80~90年代，重力固体潮观测的精度已达到微伽级，倾斜观测的墨水记录已达到1ms/mm，应变观测已达到10-9~10-10，此时就要求有谐波展开个数大于杜森展开个数更多的起潮力位展开式。

中国地震局分析预报中心郗钦文研究员从上世纪80年代开始，利用早已发展的计算机演绎方法，在国家自然科学基金（批准号：49574217）的资助下，自行发展计算机公式演绎推导程序，成功地解决了起潮位调和展开，最后得到一个包括日、月、行星以及地球形状影响的行星地球潮汐模型，其中日月潮波3070项。郗钦文教授得到的起潮位展开的新成果已被国际会议推荐用于高精度潮汐数据分析，国际上称为“Xi(郗)引潮位展开”。经国外多位学者检验、比较，作为完全调和展开，无论在时间域还是频率域上都具有最高的精度，已被德、比、法、美、加等国学者使用。国际固体潮中心梅尔基奥尔（Melchior）教授曾经应用该研究成果处理他们的超导重力仪资料，发现了地核中的惯性重力波。朱盛源和格罗顿（Zhu & Groteu）利用“Xi(郗)引潮位展开”系数导出了新的天文章动系数。

郗钦文教授的行星地球潮汐模型——“Xi(郗)引潮位展开”这项研究成果获得1999年国家自然科学二等奖。

为了能从清晰记录到固体潮的观测中提取震前潮汐波畸变信息，必须推导出重力、倾斜和应变固体潮理论值。为了进行维尼柯夫调和分析，还必须给出二阶位与三阶位的日波、半日波与1/3日波的大地系数及其相位改正。1982年，郗钦文在《地球物理学报》第25卷增刊上发表了《固体潮理论值计算》，1986年，刘序俨等在《地球物理学报》第29卷第5期上发表了《应变固体潮理论值计算及调和分析》，给出了大地系数与相位滞后，并给出了湖北省黄石地震台伸缩仪观测资料的调和分析结果。当时比利时皇家天文台国际固体潮中心正与中国地震局地震研究所进行协作，刘序俨应比利时皇家天文台台长P.梅尔基奥尔教授邀请，赴天文台进行学术访问。1987年，张先华与张勇分别在《地壳形变与地震》刊物上发表了《计算应变固体潮理论值的旋转椭球模型》和《地壳潮汐应变理论值的计算》。

重力、倾斜与应变固体潮是由月亮、太阳起潮力位所引起的三种同源异象现象，它们之间的内在联系可用来表征地球弹性力学性质的三个勒夫数（h、l、k）。刘序俨1994年对固体潮观测资料的维尼迪柯夫调和分析结果的地球物理含义进行了分析，指出调和分析结果为一复数R(w)ejΨ(w),该复数等于固体地球的传递函数与地球模型的传递函数之比，该比值的实数R(w)即为潮汐因子，Ψ(w)为潮汐相位滞后。若地球模型所采用的勒夫数越接近于固体地球的实际勒夫数，则R(w)越接近于1，Ψ(w)越接近于零。从这一点出发，可以说潮汐因子反映了地球模型对固体地球的拟合程度，间接反映了地球的物性变化，并推导出了根据应变固体潮观测值按最小二乘原理反演勒夫数h和l的方法。

3.2.3中国地壳形变图像及其分析方法

上世纪80年代末，中国地震局开始在全国布设GPS网，对全国地壳形变进行监测。到上世纪末，利用已积累的GPS观测资料对中国大陆及邻区现今地壳运动和形变进行了分析。1999年，吴云等人在《地震学报》发表了《用GPS观测结果对中国大陆及邻区现今地壳运动和形变的初步探讨》一文，该文利用1994年到1996年的全国GPS网21个测点的复测数据，推算了测点的运动速度，采用转动函数幂级数展开法，计算了水平速度和应变率场，初步探讨了中国现今地壳运动和形变的态势与特征。结果表明：印度、太平洋和菲律宾海板块联合控制着中国大陆的现今地壳运动与形变。在三大板块中，印度板块起着主导作用，南北地震带在中国大陆现今地壳运动和形变过程中起着重要的主导作用。到2000年，经1992年、1994年及1996年3次GPS会战，我国用以测量与监测中国地壳运动的GPS网业已建好，其测量地壳运动精度已优于5mm/a。这些GPS复测结果是联合重力测量、水准测量、地震和地形变观测手段取得的，足够建立关于大尺度变形的定量化模型。以中国科学院上海天文台朱文耀为第一作者，包括中国地震局、中国科学院、国家测绘局、总参等部委等15人在2000年英文版《中国科学（D）》发表了“Crustal motion of Chinese mainland monitored by GPS ”一文，分别给出了GPS与NNR-NUVELIA的中国GPS站的水平速度，两者的水平速度大多数测点上都大致相同。2001年，王琪等10人在《中国科学（D辑）》上发表《中国大陆现今地壳运动和构造》一文，该文认为，全球定位系统揭示的中国大陆现今运动场清晰地表明了以活动地块为单元的分块运动特征，不同的活动地块具有不同的运动和变形方式，中国大陆以活动地块为单元的现今构造变形可能与大陆岩石圈的结构和性质有关。2003年，王琪在《地震学报》（Vol.16,No.5）发表了《中国大陆现今地壳运动》一文，该文着重阐述了对东亚和中亚的构造形变的定量化研究在全球板块运动和岩石圈动力学研究中的重要意义。2003年，江在森等在《地球物理学报》（Vol.46,No.3）发表《GPS初动结果揭示的中国大陆水平应变场与构造变形》一文，该文分析了中国大陆水平运动、应变场空间分布特征及其与强震的关系。2007年，李延兴在《地球物理学报》（Vol.50,No.2）上发表了《由空间大地测量得到的太平洋板块现今构造运动与板内形变场》一文，在该文中，根据太平洋板块的空间大地测量观测结果，建立了太平洋板块的弹性运动模型。结果表明，该模型与板块实际运动状态的符合程度明显地优于刚体运动模型。在太平洋板块的西北部，主压应变轴为NW—SW方向，主压应变率大于主张应变率；在板块的东南部，主压应变轴为NE—SW方向，主张应变率大于主压应变率；板块的东南边界为扩张边界，主张应变轴基本上与洋中脊的扩张方向一致；板块的西北边界为俯冲边界，主压应变轴基本上与太平洋板块的俯冲方向一致。2008年，李延兴等人在《地球物理学报》上发表了《汶川Ms8.0地震孕育发生的机制与动力学》一文。在该文中，作者根据GPS的多期观测成果，分析了震前震中及周围地区速度场和应变场的变化，对汶川大震孕育发生的机制和动力学问题进行了探讨。根据中国大陆GPS网2004年和2007年GPS观测资料处理，获得巴颜喀拉块体和四川盆地的应变场，发现震前震中区的主压与主张应变率分别为-30.840×10-9/a与13.95610-9/a，主压应变轴方向为N105.4°E，与震源机制解得到的主压应力轴的方向N103°E一致。由GPS数据得到的发震断层龙门山断裂的断层滑动方向和走向与地表破裂调查的震源机制解的结果一致。

对地应变分析方法，武艳强等于2009年在《地球物理学报》上发表了《利用最小二乘配置在球面上整体解算GPS应变场的方法及应用》一文，由于应变计算方法的不同，致使不同的处理者即使利用相同的数据也很难得到完全相同的结果，究竟如何评价方法是否有效显得尤为重要。作者在对最小二乘配置平面解算方法进行深入研究的基础上，对最小二乘配置在球面上求解应变场的方法进行讨论，并且在对模拟数据进行计算的基础上讨论了该方法的有效性，最后对实际数据进行了处理。

3.2.4非线性理论在地壳形变异常分析中的应用

根据岩石破裂实验，地壳线性变形、非线性变形直至变形局部化现象是与岩石破裂过程的阶段性相对应的。地形变变化出现的这种阶段性是岩石破裂过程在地壳的一种力学过程的刻划。当然，地壳变形发生的地点和形式随每次地震而有所不同，这正是孕震系统具有非线性行为的一种客观体现，并由断层模拟研究所证实，用滑块模型对断层位移进行模拟研究后发现，随着滑块模型参数的大小或取值不同，断层位移会出现复杂的图像。刘式达、刘式适（1994）在所著的《孤波与湍波》一书中认为，虽然滑块的微分方程是确定性的，但随着参数的变化，微分方程会出现多解。换句话说，在孕震过程中，由于岩石参数或初始条件稍微发生变化，都有可能使断层位移出现不同的变化。虽然微分方程本身是确定性的，但由于该微分方程含有非线性项，随着岩石介质发生变化，由该方程表征的断层位移在其演化过程中会发生分岔，经自组织奔向最后的归宿吸引子，并不存在一种固定不变的归宿（中心点）。这正是耗散系统有别于保守系统的一种显著特点。而孕震过程就是这样一个具有耗散结构的系统。周硕愚在其所著的《系统科学导引》一书中对自组织、耗散结构等非线性理论作了较详细的阐述，在周硕愚此后的一系列论文中，采用非线性理论对强震前后地壳形变场动力学图像及其参量特征进行了研究，认为在断层即将破裂奔向一个新平稳态之前，地壳形变图像会出现减熵、降维或有序演进趋向，同时由于系统的整体行为，源和场之间的相干与反馈，使近场与远场地形变图像在时空中发现一种有序结构和协同演进方式，为判别大震前长、中、短、临前兆提供依据。

4 福建省地震地形变学科发展现状

4.1 福建省地形变观测台网

福建省地形变观测台网由固定台站和流动观测组成，前者在地震台站进行连续观测，后者不为连续观测，而是定期观测。福建省地形变观测网是由全省GPS连续观测网、重力、水准、地磁流动观测网以及重力、倾斜与应变观测台站组成。

网点的布设是根据福建省主要构造断裂而定的，以便这些网点可以监测北东向分布的长乐—诏安断裂带、政和—海丰断裂带与邵武—河源断裂带以及北西向分布的闽江断裂带、沙县—南日岛断裂带、永安—晋江断裂带、九龙江下游断裂带、上杭—云霄断裂带的构造活动，在这些断裂以及北东与北西断裂交汇部位往往是地震发生的地点。

4.1.1 GPS网

从上世纪70年代初，在福建沿海进行了大面积水准测量、跨断裂测量，激光测距和重力测量，取得了大量的地壳形变测量数据，对研究局部地区的地壳形变发挥了重要作用。但由于上述测量手段是常规的，监测范围分散、边长短、观测要求通视、耗时费用高，不可能对福建的大尺度地壳水平运动同时进行高精度的观测。尤其要想跨过海峡对台湾岛相对于大陆的相对运动进行观测研究，常规大地测量方法更是无能为力、只能望洋兴叹。通过多年的论证，认识到采用GPS是克服上述常规测量方法缺陷最佳的技术手段。从1993年下半年起，福建省地震局成立了GPS课题组进行调研论证。于1995年1月向福建省计委有关部门呈交《台湾海峡GPS联测与台湾海峡地球动力学特征研究》项目。同年7月，省计委组织有关专家对项目进行了开题论证。专家论证后，一致同意该项目的开题报告，建议省计委给予资助，并建议将课题名称改为《利用GPS技术开展福建沿海地球动学特征应用研究》。翌年2月，该项目正式立项，签订了专题合同书。该项目由刘序俨、林继华等负责实施。1995年进行了GPS网优化设计、选点埋石建立了沿海GPS监测网。同年12月进行了第一期GPS联测，参加联测测点的福州、水口、古田、南平、湄州、泉州、德化、厦门、永安、东山、尤溪；1997年12月进行了第二期GPS联测；1999年12月进行了第3期联测。

台湾海峡两岸的GPS网在福建一侧有12个GPS测点，与台湾地球科学研究所商定以台北、台中、台南、恒春、台东、花莲作为联测点，以研究台湾相对于大陆的碰撞过程，虽然在GPS联测期间，两岸皆进行同步观测，但由于众所周知的原因，双方均不可能拥有两岸的联测数据，因此无法取得台湾海峡地壳水平运动的信息。

在“十五”、“十一五”、“十二五”期间，分别在“福建省地壳形变观测台网建设”、“防震减灾二期工程建设GPS连续观测台网建设”以及“福建省地震监测预警与社会服务系统之地壳形变观测台网建设”带动下，福建省地壳形变台网建设得到了进一步加强。到目前为止，GPS连续观测台站已达到11个。图7为福建省GPS连续观测台站分布图。到“十二五”结束，福建省连续GPS观测站将共有61个。

图7 福建省GPS连续观测台站分布图

4.1.2流动GPS观测网

为了获取福建省现今水平形变场时空变化特征，福建省地震局厦门地震勘探研究中心建立了一个基本覆盖全省的GPS基本网，该网共有16个GPS基本观测点，见图8。

图8 福建省流动GPS观测网

4.1.3流动重力观测网

为了观测福建省全省的重力背景场动态变化及加密跟踪监测重点区域断裂构造活动区的重力场的短期变化时空演化特征，我省布设了覆盖全省的流动重力监测网（见图9）。该网共有流动重力测点200个，从2008年起每年复测2期，采用CG5重力仪观测。

图9 福建省流动重力观测网

4.1.4流动地磁观测网

为监测福建省地磁背景场动态变化特征，我省布设了基本覆盖全省的流动地磁监测网。该网共布设有95对流动地磁测点，分为3个磁测区：东南部沿海区、中西部测区和东北部测区。流动地磁每年复测2～3次，采用G856磁力仪。流动地磁观测网布设见图10。

图10 福建省流动地磁观测网

4.1.5大面积水准观测网

为了获取福建省垂直形变场时空演化特征，2002年布设了全省垂直形变网，水准路线布设在北纬23.6°~26.2°、东经117.0°~119.4°范围，覆盖福州、莆田、石狮、厦门、漳州、龙岩等城市，构成3个水准闭合环，共13条水准路线（其中支线1条），一等水准1529.7公里，385个测段，水准点454个，见图11。

图11 福建省垂直形变观测网

厦门地区进行加密观测，共13条测线，分岛内8条和岛外5条两个部分，共245公里，见图12。

图12 厦门垂直形变观测网

4.1.6流动跨断层短水准观测

为了监测福建主要断裂垂直运动，在全省主要断裂重点部位布设了17处跨断层短水准观测场地（见图13）。观测周期每年3期。采用德国蔡司厂的Ni004精密水准仪施测。

图13 福建省跨断层短水准观测场地分布图

4.1.7跨断层综合观测

为了综合监视长诏断裂带北段与中段的断裂运动特征，分别在福清、泉州各布设了一个跨断层综合场地，集GPS、水准、重力等观测手段进行综合观测。福清综合场地观测路线总长度为69.5 公里，共20个水准点，10个GPS点、10个重力点。该场地跨过长诏带的东张—诏安断裂、长乐—东山断裂和平潭—东山澳角断裂。泉州场地观测路线总长度为69.8公里，共20个水准点、10个重力点。跨过长诏带的东张—诏安断裂、长乐—东山断裂。从2008年起两个场地每年复测1期一等水准、流动GPS、流动重力。一等水准采用Ni002精密水准仪施测，流动GPS采用双频大地型GPS接收观测，流动重力采用CG5流动重力仪观测。

4.1.8数字化形变观测台站

福建省数字化形变台站分布见图14，各台站观测项目和仪器见表1，可以看出，福建省数字化形变观测项目比较齐全，但台站分布不均，主要分布在福建中部和沿海，而北部仅有南平台。

图14 福建省数字化形变观测台站分布图

表1 福建省形变台站基础信息表

4.2 福建省地震地形变科学研究

4.2.1福建沿海地球动力学特征探讨

根据福建省上述地壳形变观测分析结果，发现福建沿海的地球动力学有以下特征：

1）福建地区随同中国大陆较均匀地向东南方向运动，方向为NW（NWW）~SE（SEE），年速度约为数毫米，由GPS测定的现时福建沿海的应变场与震源机制解给出的区域应力场以及地质学推测的构造应场三者基本相符，方向皆为NW（NWW）~SE（SEE）。福建沿海与中国大陆地壳运动的这种相似性，说明了它们有同一个力源，即印度板块、欧亚板块、太平洋板块和菲律宾板块之间的相互作用为这种大尺度的地壳运动提供了力源。

2）由GPS和常规大地测量给出的福建沿海的地壳形变图像是南强北弱，东强西弱。由GPS给出的福建沿海的面应变剪应变都是由北西方向向南西方向呈压缩状态，表明福建沿海的闽南地区地形变程度较强，这与福建沿海的断裂活动有关。因为福建沿海有北东走向的长乐—诏安断裂带，该断裂带活动比西部的政和—海丰、邵武—河源断裂带较活跃，而在闽南沿北西走向的永定—东山、九龙江和永安—晋江断裂又比闽北的闽江断裂带活跃，因此福建沿海的构造形变呈现出南强北弱、东强西弱的特征。

3）福建沿海的地壳形变南强北弱、东强西弱的特征与该地区的地震活动特征吻合，说明断裂活动是造成构造形变的主要原因。因此，采用GPS技术可以迅速而精确地监测到地震孕育过程中地壳变形演化过程，从而可以为地震的中长期趋势提供科学依据。

4）根据重力和人工地震资料分析表明，福建沿海地区的地壳结构具有由陆壳向洋壳过渡的特征。

5）造成福建沿海地壳运动和台湾海峡、台湾及东部海域大震的动力来源于我国西部受到来自乌兹别克斯坦、帕米尔以及青藏高原向东的推动力以及东亚大陆与台湾岛东部同时受到太平洋板块和菲律宾海板块向西的推动力联合作用的结果。

福建沿海地球动力学特征这一科研初步成果是1996年省计委列为全省重点项目《利用GPS技术开展福建沿海地球动力学特征应用研究》中的主要成果，该项目获2001年福建省科学技术进步三等奖。

围绕福建沿海地球动力学特征这一项目，福建省地形变科技人员共撰写了20篇论文，有的在《地壳形变与地震》上发表，有的在有关国际学术会议上宣读，有的在海峡两岸测绘学术研究会上宣读。例如刘序俨、林继华等撰写的《福建沿海地球动力学特征浅析》、梁全强等《利用GPS技术研究福建省孕震构造网络活动特征》、林继华等《福建沿海平面变化及其影响》、刘序俨等《福建省现代地壳垂直运动与断裂活动》等论文发表在1999年《地壳形变与地震》增刊Ⅱ，陈园田等《台湾海峡两岸新生代地壳运动的对比》发表在《台湾海峡》1999年第16卷第3期上，林继华等《利用GPS技术开展福建沿海与台湾海峡地球动力学特征研究》一文在由台湾成功大学主办的第二届测绘学术研究会暨第十七届测量学术及应用研讨会（1998年）上宣读，刘序俨、郭逢英、林继华撰写的《The Approach of Geodynamic Features and Research Methods in Fujian Coast of South China and Taiwan Strait》一文在1997年在中国武汉市召开的“东亚与东南亚现今地壳运动和减灾国际学术会议”上宣读。

4.2.2地形变基础理论的译著

自福建省地震局成立以来，除福建省建立起一个能覆盖全省地壳形变的台网以外，从事地形变的科技人员在做好日常的数据处理工作以外，还追踪了国内外地形变动态，及时掌握前沿知识，努力做到博采众长、为我所用、有所创新。上世纪80年代初起，美国开始应用空间技术与地面技术致力于构造形变之研究，以探明震前的长、中、短、临地形变异常。1983年刘序俨等翻译了美国地壳运动测量委员会撰写的一份有关美国在上世纪80年代10年间的现代地壳运动尤其是地震活动带的监测工作提出的战略和规划，书的译名为《构造形变》，该书于1983年由地震出版社出版。1993年，刘序俨与徐菊生等人翻译了德国重力学家Wolfgaug Torge 所著的《Gravimetry》一书，书的译名为《重力测量学》，该书由地震出版社出版。该书包括了重力测量学的基础概念、基础理论、应用研究、重力观测方法和资料处理及其发展简史。该书还特别安排了专门的章节对现今重力测量学研究领域的重点课题“重力随时间变化的测量与解释”，进行了精辟地阐述。1997年，刘序俨等编写了《地壳形变分析预报方法》一书，该书系统总结和全面阐述了有关地形变预报地震的科学原理、预报思路，各类地形变数据处理及其预报方法，汇集了国家地震局“七五”和“八五”期间地形变攻关成果中的精华，以及当时国际上在这一研究领域的前沿性最新研究成果，并集中反映了该书作者的一些科学见解。该书作为当时国家地震局地震预报系列教材之一，于1998年由地震出版社出版。1991年，刘序俨参加了国家地震局科技监测司委托中国地震学会地壳形变测量专业委员会会同科技监测司联合编著的《地壳形变监测整体规划》的有关编写工作，该《规划》重点提出了在这一领域中当前国际上一些突出的前沿课题。

4.2.3地形变基础理论研究

福建省地震局从事地震地形变工作的科技人员对地形变基础理论作了较深入的研究，从1989年至今发表了50余篇论文，其中主要有：刘序俨等在2002年第4期《大地测量与地球动力学》上发表的《平动及其在起潮力中的作用》一文，重新对天体起潮力作了新定义。经过严密的数理推导，给出了新定义：“地球上某一点的天体起潮力为天体对该点的万有引力与天体对地心的万有引力之矢量差”。该定义比原定义“地球上某一点的天体起潮力为天体对该点的万有引力与该点随同地心绕地球与天体的公共质心作圆周运动的惯性离心力的矢量和”显得更简洁，并摒弃了惯性离心力之提法，更揭示了起潮力之本质。在固体潮整体研究方面，刘序俨等发表在《地壳形变与地震》（1997年）上的《固体潮整体综合分析方法研究》一文给出了如何利用重力、倾斜与应变固体潮观测数据进行综合分析的方法。在2003年第2期《大地测量与地球动力学》上发表的《论潮汐波与地震波》一文对潮汐波与地震波的异同及两者的特征进行了较全面深入的阐述。刘序俨等在2005年第1期《大地测量与地球动力学》上发表了《地面倾斜的形变特征及计算方法》一文，该文从理论上论证地面倾斜是一种伪矢量，给出了根据任何2个方向的地倾斜分量计算地面倾斜的普适表达式，并给出了描述地倾斜面的数学表达式，同时指出地倾斜面仅是一个相对平面，并不是唯一的。在该刊2007年第4期上发表了《潮汐倾斜的几何物理含义及其剪应变属性》一文，该文给出了潮汐倾斜的几何物理含义，并对为什么剪应变可作为其属性进行了阐述。在《地震学报》2007年第3期的中英文刊物上发表了《旋转椭球面上的应变与转动张量表达》一文，该文推导出了在大地坐标系中的应变与转动张量表达式，可供GPS观测数据在全球大地参考系（WGS84）中作应变与转动张量分析之用。在目前的弹性力学有关的文献中仅给出了在直角坐标系、柱坐标系、球坐标系下的应变与转动张量表达式，缺失椭球坐标下的表达式，该文给出的椭球面上的表达式则可填补这方面的缺失。翌年2月在《大地测量与地球动力学》上发表了《正交曲线坐标系的应变张量转换》一文，给出了在直角坐标系、柱坐标系、球坐标系、旋转椭球坐标系以及旋转抛物线等坐标系相互之间的应变张量转换表达式。同年4月，又在同一刊物上发表了《正交曲线坐标系应变张量的普适表达》一文，经严格推导，给出了在任何一种正交曲线坐标系下的应变与转动张量普适表达式，这是在考虑到任何一种正交曲线坐标系下的一点的单位标架为正交标架的前提下，以已知的直角坐标系的应变与转动张量矩阵为平台的基础上推导出来的，推导简洁明了。2010年、2011年，刘序俨等先后在《大地测量与地球动力学》上发表了《地形变旋转张量探讨》与《地形变应变张量矩阵的不变量分析》两篇论文，分别对旋转与应变张量矩阵的几何物理特征及其所蕴藏的几何物理不变量进行了较深入的阐述。李华等在2008年第2期《大地测量与地球动力学》上发表了《漳州台地倾斜矢量图的潮汐导纳分析》一文，该文利用地倾斜观测与理论矢量图，对两者在同一时刻的矢量图的矢经与方位角进行了数值对比计算，从而取得了潮汐因子与相位滞后值，发现它们与观测值的维尼迪柯夫调和分析结果较一致。季颖峰等在2010年第2期《华南地震》上发表了《大地地坐标系应变张量表达及其与地心直角坐标系的相互转换》一文，给出了WGS84坐标系与地心直角坐标系的具体应变张量矩阵转换式。在2011年的《大地测量与地球动力学》增刊上发表了黄声明的《坐标系的物理基础及其空间结构》一文，对坐标系的物理基础及其空间结构作了深刻的阐述。

众所周知，地形变测量可以给出地壳是如何变形的，但想要知道地壳变形的力源是什么，还要从地球物理与地质学角度进行探讨，福建省地震局李祖宁高级工程师在这方面进行了探讨。在2002年第45卷第4期的《地球物理学报》上发表了《剥蚀及地幔作用下青藏高原隆升过程的数值模拟》一文，在该文中，作者修改了England和Mckenzie 的黏性薄层流变模型中控制大陆形变的连续性方程，将剥蚀作用对高原隆升演化的影响直接引入该方程，并考虑下伏地幔小尺度对流对增厚岩石层的搬离作用对高原隆升演化后期的影响，用有限差分法直接模拟青藏高原隆升过程。数值模拟结果所显示的高原隆升演化过程与实际观测资料吻合较好，揭示了高原隆升过程的非平稳和多阶段的特性，同时还表明上地幔小尺度对流对岩石层底部的搬离作用可能是最近8Ma 以来高原快速隆升的主导机制。李祖宁等在同年《地震学报》上发表了《多种驱动力作用下东亚大陆形变及应力场演化》一文，该文认为控制东亚大陆西部形变和应力场基本格局的主要驱动力来源于印度板块对欧亚板块的碰撞、挤压，而对东部地区还应当考虑其与太平洋板块和菲律宾海板块的相互作用。2005年，李祖宁在《地震地质》上发表了题名为《利用数字地震台网资料联合反演福建地区Q值、场地响应和震源参数》一文，该文利用福建省数字地震台网1998年建网以来记录到的2.5级以上地震的波形资料，采用Atkinson 等提出的方法计算了福建地区地震波非弹性衰减系数、几何扩散系数和台站场地响应，对震源谱的低频水平和拐角频率进行了联合反演，并取得了有关地震的地震矩、应力降和破裂半径，并取得了福建地区地壳平均Q值与频率的关系式，而场地响应表现为与频率相关并基本上在1附近波动，这与福建数字地震台站基本上建立在基岩之上的实际情况相符合，震源参数的计算结果表明，地震矩与震级以及震源谱拐角频率的相关性较好。

4.2.4地形变数据处理及提取地震前兆信息研究

在取得了大量地形变观测资料后，如何进行数据处理、排除干扰、去伪存真，从中提取地壳构造形变信息，是摆在科技人员面前的重大课题，为此，福建省科技人员作了不懈的努力和探讨。

在用地壳形变观测资料对福建地壳形变的时空变化特征研究方面，郭逢英等撰写了《GPS测量揭示的福建沿海地区的现今地形变》（发表在2003年第3期《大地测量与地球动力学》），丁学仁等撰写的《福建地区地块运动的时空变化特征研究》（发表在2006年第2期《大地测量与地球动力学》），梁全强等撰写的《台湾海峡西岸重力场变化梯度场图像分析》（发表在2006年第1期《大地测量与地球动力学》），陈光等撰写的《福建地区地壳形变特征研究》（发表在2009年第3期《高原地震》），钟继茂撰写的《福建近岸海域滨海断裂的应力分析》（发表在2009年第5期《地震地磁观测与研究》），陈光等的《福建地壳运动与地震关系初探》（发表在2010年第1期《华北地震科学》），上述这些论文，从不同时期的地形变观测资料对福建地区的现今形变进行了分析，除不同年份的地壳形变速率稍有变化外，总的福建内陆运动状态仍为南强北弱，东强西弱，因为地壳运动状态基本上为活动断裂带所制约。

除对福建内陆地壳形变的时空演变状态进行分析以外，利用地形变资料对福建水口的应力分布与地震活动性进行了探讨，钟继茂发表在2009年第3期《华南地震》的《福建水口库区次级断裂的应力分析和活动特征研究》一文，除选用库区15个P波初动清晰可靠的地震震源机制解推算了库区构造应力场的主轴方向外，还根据库区布设的6个跨断层短水准场地观测资料，通过线性拟合发现西瓜洲断裂为正断活动，其余为逆断活动；陈光等撰写的《水口水库区地震活动特性分析》（发表在2010年《大地测量与地球动力学》增刊），该文根据库区的短水准地形变资料与震源机制解结果进行了分析，分析结果表明，水口库区的地震活动前期主要为水的诱发作用，后期与构造应力场作用加强有关。

在对地形变观测资料提取前兆信息方面，也作了很多探讨。例如在利用小波分析方法对地形变观测资料中所隐藏的丰富信息进行多层次分析方面，刘序俨、钟继茂、陈光分别采用不同的地形变资料进行了分析，刘序俨等撰写的《定点形变数字观测中高频信号特征及提取方法》（发表在2006年第6期《大地测量与地球动力学》）一文根据厦门台倾斜与伸缩仪的分钟值进行从周期为2分钟到超低频这样一个宽广的频域内对信息进行了多层分析，分析结果表明，在大震前会有高频信息出现；钟继茂撰写的《基于小波分析的闽台地区地震形变异常研究》（发表在2011年第1期《华北地震科学》）一文，采用小波分析，发现在强震前2~3年出现周期2年左右的异常信号，在中强地震前2~5个月出现周期1个月左右的异常信号，在震前几天到十几天则出现周期半小时到1小时的异常信号；陈光等在利用福建GPS网2004年3月~2008年10月的连续观测资料所得到的位移时间序列后，利用小波分析方法提取时间序列的时频特征，从而得到了非线性变化信息。

除了采用小波分析方法提取前兆信息外，还探讨了利用地震震源解、潮汐应变场前兆图像法、主应变提取前兆方法。例如钟继茂的《由多个地震震源机制解求川滇地区平均应力方向》论文（发表在《地震学报》2006年第4期），刘序俨等撰写的《天马和谢坊形变试验场地壳形变特性分析》（发表在1993年第1期《地壳形变与地震》上），以及发表在1994年《地球物理学报》增刊Ⅱ的《应变固体潮主应变的计算》，钟继茂的《区域地震状态的损伤张量分析》（《中国地震》，2005年第21卷第3期）。

长期在台站从事的科技人员，除搞好仪器维护以外，还开展了科研工作，发表了不少论文。例如厦门台的熊先保高级工程师先后在《大地测量与地球动力学》刊物上发表了多篇论文，例如《厦门台地倾斜观测资料中海潮干扰的综合特征》、《海潮对厦门台地倾斜干扰的可能机制》、《厦门台数字化潮汐资料背景变化及其主要干扰因素》，以及分别发表在《华南地震》、《地震研究》、《地震地磁观测与研究》上的《厦门台地形变观测资料中的“海潮”效应》、《从三次地震来讨论厦门台地形变仪器的监测能力》、《固体潮观测数据预处理中的一些常用方法及计算机实践》。厦门台的黄晓华高级工程师对台站的地倾斜与应变观测资料的异常进行了深入的分析，先后在《大地测量与地球动力学》与《华南地震》刊物上发表了4篇论文，分别是《厦门台地震前兆异常分析》、《厦门地震台数字化水管倾斜仪观测资料分析》、《数字化形变观测典型曲线畸变分类与说明》、《台湾海峡地震定点形变的异常分析》。厦门台的杨婕工程师从2008年至今分别在《防灾科技学院学报》、《国际地震动态》、《地震地磁观测与研究》、《华南地震》、《华北地震科学》、《大地测量与地球动力学》等刊物上发表了10篇论文，论文集中讨论了地形变仪器性能、故障分析与处理、强降雨干扰以及静电干扰影响及预防、同震响应与异常图像分析处理等问题，对如何保证地形变仪器正常运转具有参考价质。刘其寿在龙岩地震台从事地倾斜管理工作，他除了维护仪器正常运转以外，同时还从事观测数据的处理与软件编程工作，先后在多家刊物上发表了许多论文，例如在《华南地震》上发表了《测震台址勘选数据处理辅助程序设计与应用》（2010年第2期）、在《大地测量与地球动力学》（2010年第6期）上发表《龙岩地震台中强地震前地倾斜异常分析》等论文。

李祖宁等利用1995年~2003年福建GPS测站与台北和桃园核心基准站资料，计算了福建GPS各测站和桃园之间的边长及其相对变化，计算了台北和桃园测站的主应变和方位角。计算结果表明，在1995年~1997年和2001年~2003年间台海两岸的地壳相对运动都处于拉张状态，但两期拉张的主应变大小和方向有较大变化，这种变化可能反映了1999年台湾集集7.6级地震前后应变积累与释放过程，此研究成果发表在2007年第5期《大地测量与地球动力学》刊物上，其论文名为《台湾海峡两岸地壳相对运动分析》。该论文曾获得福建省科协优秀论文三等奖。

4.2.5综合研究

除地形变观测以外，与地形变有关的观测系统还有井水位与测震仪。从本质上讲，地形变与地震皆为地壳质点的一种振动。地震发生后，井水位能记录到所谓的水震波，体应变仪与伸缩仪也能记录到由地震所激励的体应变，同样，地震仪能记录到由震源发出的地震波传播到观测地点的瑞雷波。体应变仪、伸缩仪、地震仪与井水位记录到的同震响应之间到底有什么关系？又如何进行综合分析呢？对此，刘序俨等进行了研究。刘序俨、郑小菁等认证了承压井水位记录到的所谓“水震波”实际上为体应变波。该种波可由井水位观测值乘以其格值而得到。井水位的格值可由井水位观测资料的维尼迪柯夫调和分析结果的振幅比（潮汐因子）取得。他们推导了承压井水位观测系统对体应变的响应机制，给出了井水位与体应变关系的表达式，该研究成果发表在2009年第12期的《地球物理学报》上，论文名为《承压井水位观测系统对体应变响应机制分析》。由地震仪记录到的瑞雷波也可计算出体应变，因为体应变等于瑞雷波的位移与哈密尔顿微分矢量算子的矢量积。刘序俨等根据福建5口井水位的观测数据与5台地震仪的瑞雷波记录计算了福建地块对汶川大震的体应变响应，并进行了对比分析，其研究成果发表在2009年《大地测量与地球动力学》，论文名为《福建井水位对汶川大震体应变响应》。由伸缩仪观测也可求出体应变，因为相互正交方向上伸缩仪的观测值之和的2/3即为体应变。在刘序俨指导下，陈莹根据井水位、体应变、伸缩仪与地震波观测资料对福建地块对汶川大震的体应变响应进行了计算分析，撰写了两篇论文，分别为《福建省井水位、体应变与伸缩仪对汶川大震的响应》（2010年《大地测量与地球动力学》）、《汶川大震对福建四种观测系统的体应变响应分析》（发表在2009年《华南地震》）。

此外，刘序俨还对地形变、数字观测原理以及观测系统的逼真度问题进行了探讨，先后撰写了两篇论文，分别为《地形变数字观测基础》（发表在2002年第2期《大地测量与地球动力学》）、《观测系统的逼真度特性分析》（《大地测量与地球动力学》2010年增刊）。并先后参与了中国地震局2001年颁布的《地壳形变数字观测技术规范》、国标GBT19531.3-2004地震台站观测环境技术要求（地壳形变）、中国地震局科技司编写的《地震地形变观测技术》与2003年编写的《地壳形变数字观测技术》两书的审核与有关内容的编写工作。

5 福建省地震地形变学科发展存在的问题

5.1 观测环境保护

随着国民经济的高速发展，各地修建高速公路、高铁、住宅以及水利工程，都有可能对GPS、水准、重力测点以及台站的观测仪器产生干扰甚至损坏，保护好地形变观测环境是一个值得重视的问题。

5.2 外界干扰

地形变观测仪器精度高，对外界各种干扰（例如人工爆破、气温、气压、降水等）极其灵敏，如何消除或降低干扰是提取与识别前兆信息的一个非常重要的环节。

5.3 仪器老化

台站和用以流动观测的仪器，有的老化现象严重，对取得连续可靠的观测数据造成严重影响。

5.4 人员培训

由于上世纪70～80年代开始从事地形变工作的老科技人员陆续退离工作岗位，新上岗的年轻科技人员业务、技能、对《观测规范》的了解熟悉不够，对各种地形变仪器的原理、维修、管理以及数据处理较生疏，对这些年轻科技人员加强培训工作应摆在议事日程上。

5.5 地震预报要知难而进

虽然目前还未找到根治癌症的良方，但医生仍需悬壶济世、救治病人，地震宛如是地球的“癌症”，虽然目前地震预报远未过关，地形变用以捕捉地震前兆的理论还处于探索阶段，地震地形变学科任重道远，但地震预报仍要知难而进。

6 福建省地震地形变学科未来发展重点

针对上述存在问题，前四个是一些较具体的技术性问题。通过具体措施并与台站所在地有关部门协作可较好解决环境保护和外界干扰问题；对于仪器老化问题，省局有关部门正着手对仪器维修、标定与更新作出规划；对人员培训，省局人事处、监测处与科技处正联手制订人员的培训计划，对新招聘的科技人员，对博士与硕士优先录用且要进行严格的面试，采取这一系列的措施，有望提高在职科技人员的业务素质与水平。在解决处理好这四个问题的基础上，重点是如何解决好地震地形变学科知难而进的问题。地震预报是个世界性难题，不是短期内能解决的，必须要有长期的战略性眼光。根据目前福建省地震局地震地形变学科的现状，在今后几年内应加强以下几方面的分析研究工作：

6.1 加强地形变预报地震机理的研究

6.1.1地形变异常产生的机理。目前已有不少地形变异常机理，实质上大都属于某种科学假设。为此，仍然需要深入研究地形变的前兆异常机理问题，提出能够解释实际观测到的异常变化的新理论，力求理论与实际相结合。

6.1.2地形变时空变化与地壳构造活动的关系。地壳现今构造形变具有多种形式，一方面要研究在震源过程中地形变的演变形式，另一方面要研究在地震孕育、发展以至发生的各阶段地形变的时空变化特征及其指标。

6.1.3地壳应力应变关系。地壳形变是个力学问题，应力与应变是个因果关系，但又不是一个线性关系，地形变是在孕震过程中应力积累直至断层发生破裂的一种表现形式，因此要研究孕震过程中地壳应力的演变图像，以及伴随应力所产生的应变图像，着重要探讨如何根据地形变数据反演地壳应力。

6.2 开展多测项和多学科的综合研究。地形变的各种测项以及其他学科的多种测项的前兆异常都是对震源应力场、区域应力场的不同响应，他们都是同源异常现象，在成因上都有内在联系，研究不同学科的各测项的内在成因关系，找出表征这种内在成因关系的定量指标有利于提高预报的可信度，有利于识别异常，因此除了要开展地形变不同测项的综合研究外，还要开展地形变与地下流体、地震波、地应力、重力等前兆异常成因关系的研究。

6.3 开展福建沿海及海峡地壳运动模型与变形分析。在多期GPS观测成果的基础上，采用连续体变形理论建立经纬格网的福建沿海与台湾海峡的地壳运动模型，以便根据有限个GPS测点的地壳运动速率来计算未设测点的其他区域的地壳运动速率，给出经纬格网的线应变、最大剪应变、面应变与转动速率的等值线图以及主应变等值线图。

6.4 福建沿海地壳垂直形变及其特征分析。地壳垂直运动差异性显著地区往往为构造块体相互作用的交接带，找出这些垂直运动差异性显著地带，对判断地形变前兆具有参考价值。

6.5 福建沿海地球动力学特征探讨。根据地壳形变观测数据探讨产生形变的力源，以达到了解构造应力分布及积累情况，促进对地震中、长、短、临变化的认识。

6.6 台湾海峡两岸地壳相对运动速率及方向研究。根据《国务院关于支持福建省加快建设海峡西岸经济区的若干意见》精神，福建省地震局将加大和台湾地震研究部门的合作力度，有望在不久的将来共同就两岸GPS联测进行深度合作和交流，届时将根据两岸的GPS同步观测资料对两岸的相对地壳运动速率及其方向进行研究。可以预料的是，这块由于众所周知原因尚未开垦的地学处女地，届时将成为国内外进行地球动力学研究的热点地区，不但可以推进和加深两岸GPS联测与合作研究，而且有利于进一步提升两岸地震地形变科技水平。

[1] [美]地壳运动测量委员会. 刘序俨,邹其嘉, 译.构造形变测量[M]. 北京: 地震出版社,1984.

[2] 国家地震局科技监测司. 地震地形变观测技术[M]. 北京: 地壳出版社, 1995.

[3] 中国地震局监测预报司. 地壳形变数字观测技术[M]. 北京: 地震出版社, 2003.

[4] 福建省地震局分析预报中心GPS课题组.利用GPS技术开展福建沿海地球动力学特征应用研究,1992.

[5] 张宝红.美国板块边界观测(PBO)中的钻孔应变观测设备[J]. 大地测量与地球动力学,2010, 30(ZⅡ):81-85.

[6] 周硕愚,施顺英,吴云,等.强震前后地壳形变场动力学图像及参量特征研究[J]. 地震学报, 1998, 20(1):41-47.

[7] 江在森,马宗晋,张希,等.GPS初步结果揭示的中国大陆水平应变场与构造变形[J]. 地球物理学报,2003, 46(3):352-358.

[8] WangQi. Current Crustal Movement in Chinese Mainland[J]. ACTA SEISMOLOGICA SINICA, 2003, 16(5).

[9] Morgan T. Page. Susana Custodio , Ralph J. Archuleta and J.M.Carlson, Constraining earthquake Source inversions with GPS date ,Journal of Geophysical Research, 2009,114.

[10] 刘序俨,郑小菁,王林,季颖锋. 承压井水位观测系统对体应变响应机制分析[J]. 地球物理学报, 2009, 52(12):3147-3157.

[11] 李祖宁,刘序俨,吴绍祖,陈光. 台湾海峡两岸地壳相对运动分析[J]. 大地测量与地球动力学,2007,27(5):18-21.

[12] 刘序俨,杨军. 地壳形变分析预报方法[M]. 北京: 地震出版社,1998.

课题组成员：

1、刘序俨，福建省地震局研究员；

2、郑小菁，福建省地震局，高工；

3、王 林，福建省地震局工程师；

4、李祖宁，福建省地震局，高工；

5、梁全强，福建省地震局，总工、高工。