华北地区地壳形变监测的重要性和应采取的策略

酒正纲 张林广 郁 雯

（河北建筑工程学院，河北张家口075000）

1 概 述

我国是世界上地震灾害最为严重的国家之一，自1900年以来，世界6级以上陆地地震总数的三分之一都发生在我国，我国的地震分布在全国是不均匀的，总体来讲，可分为5个主要区域，分别是西南地区、华北地区、西北地区、东南沿海地区和台湾地区，其他区域也有地震发生但较少，在这五个区域中，西南地区地震的发生频率和强度位居第一，而华北地区位居第二；华北地区包括河北、河南、内蒙古、山东、陕西、山西、江苏、宁夏、安徽等省的全部或部分地区，统计数据表明，自有记录以来华北地区发生过5次8级及以上地震，而7－7.9级地震共发生18次.由于我国的首都在华北地区，而且华北地区又是我国的政治、经济和文化中心，华北地区的地震监测一直是我国地震监测的重中之重.

统计数据表明，1900年以来，华北地区5.5级以上地震平均2年左右发生1次，6.0级以上地震平均3－4年发生1次，7.0级以上地震平均15－20年发生1次［1］.自1998年张北6.2级地震以来，华北地区已经有16年没有发生6.0级以上地震，未来华北地区发生强震的可能性很大，华北地区的安全性非常值得关注.

2 地壳形变监测的发展概况

通俗地讲，地壳形变监测就是对通过测量数据对地壳上点的坐标和高程变化进行监测，目前地壳形变监测主要用于地震预报，而地壳形变监测用于地震预报是我国和一些发达国家一直采用的方法，下面我们将详细进行论述.

（1）美国的地壳形变监测发展概述.

美国是最早应用GPS技术的国家之一，早在1985年，美国开始采用GPS技术进行地壳形变监测，首先在加利福尼亚湾布设了有由3个点构成的GPS地壳形变监测网，其中2个点布设在太平洋板块上，另外1个点布设在北美板块上，他们之间距离较长，分别是610KM、450KM和350KM，经过连续4年的观测，经过成果计算，计算出了上述两个板块四年内的年平均相对运动速度，将此成果计算精度和甚长基线干涉测量VLBI（Very Long Baseline Interferometry，用VLBI表示）精度相比较，结果显示两者的精度是一致的；这样就可以在某种程度上取代VLBI而采用GPS技术监测地壳形变.美国南加州是地震重点监控地区，美国先后在南加州建立了200多个GPS监测站点，长期监测该地区的地壳形变，通过对1992年加州兰德斯地震前后的地壳形变进行了数据比对，发现震前和震后地壳形变的速率差别是3－5mrn／a，这充分说明应用GPS技术可以应用于地壳形变监测并且其精度是符合要求的.

（2）日本的地壳形变监测发展概述.

日本也是一个地震多发国家，历史上日本曾多次发生强烈地震，日本早在1883－1906年就对覆盖日本列岛的一等三角测量网进行第一期地壳水平形变观测，并在东京湾布设一等水准网来进行地壳垂直形变监测，到1930年，又系统地建立了地壳形变的连续不间断观测方法，在1990到1992年的两年期间，日本举全国的力量集中了许多大学和科研所进行了GPS会战式的联合测量，联合测量的结果证明GPS用于监测地壳形变是精度精度可以达到mm级，是符合地壳形变监测精度要求的；并且在观测期间成功地预报了一些火山地震，使得火山地震所造成的灾害减少到了最小.

（3）我国的地壳形变监测发展概述.

国家测绘局、总参测绘局级以及中国地震局等多个部门，从20世纪90年代开始就建立不同等级的GPS观测网用于监测地壳形变，为地震预报提供数据依据，这些GPS控制网包括高精度GPS A级和B级网、全国GPS一、二级网和全国GPS地壳运动监测网三个全国性的GPS网，这些控制网的建立极大地提高了我国地壳形变监测的技术水平；另外，我国“九五”期间国家投巨资建设的中国地壳运动观测网络（Crustal Movement Observation Network of China，CMONOC）已经投入使用，该观测网络由基本网，基准网和区域网等1000多个GPS观测站点构成，该网络工程的建立主要应用于地壳形变监测，为地震预报提供依据.CMONOC经过了几期观测，积累了大量的观测数据，CMONOC工程的建成极大地提高了我国对大地震的预报能力.

3 地壳形变与强震发生的相互关系

目前，采用GPS技术监测地壳形变平面精度已经达到毫米甚至是亚毫米的精度，采用精密水准测量对高程变化精度观测早已达到亚毫米的精度，已经基本满足地壳形变监测的精度要求，目前地壳形变监测仍存在观测点少和观测经费投入不足的问题，另外就是数据处理结果和强震发生的相关性问题，关于这方面的问题国内学者发表的研究很多，本文将从已下几个方面进行论述：

（1）强震的发生和GPS基线长度变化的时间序列的关系.

在GPS地壳形变监测中，我们常常根据GPS基线长度时间序列来描述该基线所在区域地壳形变的数值，一般来说，GPS点位发生变化，GPS基线长度也会发生变化，基线长度增长表明基线所在区域是伸张的，基线长度缩短表明基线所在区域是压缩的，而基线长度的压缩表明该区域存在应力的集中，目前地震学家认为应力的集中是地震发生的前提条件.

我们研究汶川8.0级地震震前GPS基线时间序列的变化，汶川8.0级地震震中附近及周边地区GPS连续观测站较多，各个GPS观测站点之间可组成大量的GPS基线；我们为了说明问题，选择了4条基线时间序列进行分析震前一段时间内基线长度的时间序列，这些GPS基线中，GPS基线YAAN—QIME（雅安—七美）、GPS基线YAAN—XNIN（雅安—西宁）和GPS基线MYAN—QIME（绵阳—七美）穿过龙门山断裂带，GPS基线YAAN—MYAN（雅安—绵阳）位于龙门山断裂带的右侧，图1为2008年1月8日—5月11日汶川震中附近GPS基线序列，通过详细分析四条基线时间序列的特征我们有这样的发现：四条基线在震前均表现为缩短的趋势，其中MYAN—QIME、YAAN—QIME这两条基线缩短的速度较基线YAAN—MYAN和YAAN－XNIN为快，并且每条基线的时间间隔不同，其具体的缩短数值不同，比如，基线MYAN—QIME在1月20日至25日和3月25日至30日以及4月25日到30日有三次明显的缩短异常变化，基线YAAN—QIME在2月28日至3月6日和4月21日至5月4日在出现了两次明显的异常变化；4月21日至5月4日变化很大；另外我们发现，基线YAAN—XNIN也呈现缩短趋势变化，但异常特征不是很明显.

综上所述，四条基线在汶川8.0级地震前出现明显波动变化，基本趋势是向下波动变化，反映的是基线长度有不断压缩的趋势.

（2）强震的发生和地面隆起的相互关系.

我们从日本1964年的新潟7.5级地震来分析震前地表隆起与地震的关系；日本新潟地区从1898年开始首次水准测量，日本新潟1964年7.5级地震震前及震后水准测量的成果比较详细，精密水准的成果时间跨度也很长，前后有60多年，对地震与地面隆起的数据关系研究非常有意义.

图1 汶川震中附近GPS站基线变化图

日本沿着这条布设在海岸线并经新潟地区的水准路线，前后经过多次测量，从1954年以来一直是以极短的间隔进行水准测量.从图2可以看出，从1900年以来，地面异常隆起一直在缓慢变化着，大约从1954年前后改变了速率，异常的隆起在1959年达到了最大值，这一状态一直持续了几年，以后在1964年地震便接踵而至.

大量的研究表明，发生强烈地震的区域震前地面表现为隆起的形态；1976年7月28日唐山7.8级强震震前几年震中区域也有隆起的形态出现，文章篇幅原因这里不再叙述.

图2 日本新潟地区垂直形变速率图

4 地壳形变监测数据处理中应采取的策略

（1）我们经过大量的震例研究发现：那些曾经发生强烈地震所在的区域，在震前都会有地面隆起的地形变发生，这种地形变的发生都有一个漫长的发生过程，在临震这种地形变会发生突变，强烈地震随之就会发生，我们应采取的策略是可以通过中国地壳运动观测网络站点的高程变化来在华北地区找到这样的区域.

（2）我们经过大量的研究还发现：那些强烈地震发生的区域大多是震前基线处于压缩状态的区域，根据这个发现，我们应采取的策略是可以通过数据的计算在华北地区找到这些处于压缩状态的区域；可以通过计算中国地壳运动观测网络的华北地区众多GPS站点的基线长度变化找到这样的基线.

（3）如果我们经过计算发现华北地区某个区域既是隆起区域又是GPS基线压缩区域，那么该区域即是可能要发生强烈地震的区域.

5 结 论

本文论述了我国是世界上发生陆地强震最多的国家之一，而华北地区是我国地震预测的重点关注地区，地壳形变监测是我国和一些发达国家地震预测的重要方法，文章论述了强震发生前GPS基线时间序列逐步缩短的规律，以及通过精密水准资料论述了强烈地震发生前震中区域常有地面隆起的形态出现，同时本文提出在华北地区GPS地壳形变监测数据处理中应采取的策略是寻找GPS基线长度缩短的区域同时又是地面隆起的区域，这些区域可能是以后将要发生强烈地震的区域.

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