GPS观测到的智利及其邻区多次大地震前后地壳运动＊

顾国华 王武星

（中国地震局地震预测研究所，北京 100036）

引言

智利位于大洋板块纳兹卡与南美板块边界。纳兹卡板块朝东向南美板块下方俯冲，沿板块边界构造运动强烈，大地震频发，其中包括地震仪器观测以来发生的震级最大的1960年9.5级巨震。2001年以来，沿板块边界的智利近海及其邻近区域相继发生了3次7.1—7.7级和4次8级以上大地震，且震中附近有GPS（或GNSS）连续观测站（图1）。表1中包括2001年秘鲁南部近海8.4级大地震和2021年发生在板块以东内陆的阿根廷6.4级地震。这些大地震沿板块边界狭窄条带分布（图1），清楚地表明地震的发生受此区单一构造运动的控制。尽管这些地震大多数发生在近海，虽然南美GPS连续观测站的密度远不如日、美等国，但临近地震东侧就是大片陆地，观测站较多，且相对较密集。其中的8.8、8.3、8.2和7.7级大地震各有数个离地震震中很近的GPS连续观测站，十分有利于了解各次地震前后较大范围内的地壳运动及其相互影响，为地震前兆地壳运动研究提供了更多信息丰富的震例[1]。有个别观测站从1994年就开始连续观测，遗憾的是，有的站观测有中断。

图1 智利近海及其邻近区域的大地震（大蓝点），附近的GPS连续观测站（小的彩色点）。图右侧是表示GPS观测站大地高程的色码。黑色站名是本文位移时间序列所显示的12个GPS连续观测站Fig. 1 Large earthquakes （big blue dot） and GPS stations of continuous observations （small color dot） in Chile and its neighborhood near the events. On the right side is the color bar for the geodetic heights at the GPS stations. 12 GPS stations of continuous observations with displacement time series shown in this paper are marked with station code in black color

1 GPS数据及其处理与分析

利用从http://geodesy.unr.edu网站（以下称G网站）下载得到的 Geoffrey Blewitt教授用美国JPL（喷气推进实验室）研制的GIPSY软件处理得到的南美70多个GPS连续观测站南美参考框架（SA）坐标（或位移）时间序列，获得这些大地震前后和同震水平和垂直位移。在获取GPS观测结果的同时，连接美国地质调查局（USGS）网站，同时得到表1中地震的震源参数，还可获得各次地震的构造和构造运动信息。

表1 2001年至今智利近海多次大地震统计Table1 Statistics of earthquakes occurred in Chile and its neighborhood since 2001

位移参考框架及其核心站（或称为参考基准）是合理分析区域位移的关键[2-4]。为此，近年来G网站推出了多个区域或板块参考框架，给出了GPS观测站所在板块的板块参考框架位移速率和水平与垂直位移时间序列。至今仅北美区域参考框架（NA）有明确的定义[4]，作者曾直接利用此参考框架的数据研究地震的前兆形变和地震后的地壳运动[1,5]。其他各板块的参考框架也可从水平位移速率图了解其含义。G网站发布有南美洲GPS观测站南美板块（SA）参考框架的坐标或位移分量时间序列数据和图表。而从水平位移速率图可知，南美板块参考框架的核心站应位于南美大陆的东部。尽管发生了多次大震，但至今在8.8级地震以北智利沿海仍以3—4 cm/a的速率向北东方向水平位移。

2 智利近海及其邻近区域多次大地震同震位移

GPS连续观测的一大优势是可快速并准确获得大地震大范围的同震位移，特别是近震中大幅度同震位移。同震位移，特别是近震中的同震位移，是短时间产生的显著突变，通常即使根据全球参考框架的坐标或位移时间序列中的突变，也可找到相应时间发生的大地震。表1中的绝大多数大地震就是这样找到的。显然，突出的同震位移是划分震前和震后地壳运动明确的关键分界。在震后的震例研究中，利用同震位移可证明大地震存在前兆形变或地壳运动，并研究其变化特征，以期利于日后的地震预测。同震位移也有助于了解GPS观测精度。

当地震震级不太大时，同一地震不同参考框架得到的同震位移有可能一致或非常接近，这些参考框架都可当作位错参考框架[6]。本文采用南美板块参考框架的同震位移。对8.8级地震而言，此参考框架同震位移与位错参考框架同震位移差别不大；对其他震级的地震，南美板块参考框架就可作为位错参考框架。将不同地震南美板块参考框架的同震位移绘于同一幅图中，有利于对比分析所有地震的同震位移及其影响。图2为智利近海及其邻近区域多次大地震同震水平与垂直位移。恰当参考框架的同震位移可用位错模型作数值模拟。

尽管智利各次地震周围的GPS站密度不同，但图2清楚显示同震水平位移随震级的明显变化，震级小，同震位移范围和位移量也小，总体符合同震位移随震级而变的一般规律。

图2和图3中，CONS站离8.8级地震震中64 km，也是离此次地震最近的站，该站同震水平位移最大，达4713 mm；离8.8级地震震中114 km的CONT站同震垂直位移最大，为上升790 mm。然而，该地震也有同震位移特殊的站。8.3级大地震是在8.8级地震5年半后发生的，2次地震相距约480 km，但图3中8.3级地震震中北侧椭圆中8.8级地震9个站的同震水平位移仅约10 mm，不仅位移量比8.3级地震震中南侧的站小很多，而且几乎一致向北位移，同震垂直位移量也偏小。这9个站为CMBA（506 km，77 km）、CNBA（507 km，28 km，离8.3级地震最近的站）、EMAT（530 km，47 km）、PFRJ（582 km，100 km）、PEDR（586 km，124 km）、OVLL（598 km，116 km）、BT01（629 km，146 km）、TOLO（654 km，176 km）和LSCH（672 km，189 km）（括号中的数字分别为观测站到8.8级和8.3级地震的震中距）。这9个站8.3级地震同震位移无异常。很明显，这些站8.8级地震的同震水平位移应是8.3级地震前的异常地壳运动，据此可判断在8.8级地震发生前，8.3级大地震就已在孕育，并因此显著减小了这些站8.8级地震的同震位移。5年半内发生两次相距相当近的8级以上大震，是少有的，而GPS观测到这种同震水平位移异常，至今罕见。在水平位移时间序列中，有几个站，例如图4中所示的LSCH，在8.3级地震前出现不同于其他站的反常变化就不足为奇了。

图2 智利近海及其邻近区域多次大地震同震水平 （左图） 与垂直 （右图） 位移。各图左下角为位移向量比例尺Fig.2 Coseismic horizontal displacements （left figure） and vertical displacements （right figure） of the large earthquakes in Chile and its neighborhood. The displacement vector scale is shown at the bottom left of each figure

图3 智利2010年8.8级大地震的同震水平位移。左下角为水平位移向量比例尺Fig.3 Coseismic horizontal displacements of the 2010 earthquake of M8.8 in Chile. The displacement vector scale is shown at the bottom left of the figure

3 智利近海及其邻近区域多次大地震附近GPS连续观测站位移时间序列

GNSS可做不同范围，直至全球，各种采样率的高精度连续观测，获得有明确物理或构造运动意义的区域参考框架位移时间序列和空间分布等结果，得到大地震前后快慢不等的地壳运动时空演变过程和地震波，有助于研究地震成因和地震机制，有助于探索地震（预）警报，尤其有利于研究是否存在前兆地壳形变，探索地震预测。近大地震震中及其附近的GNSS连续观测可获得地震波和同震位移，是地震仪不可替代的地震波观测手段，成为必不可少的多功能地震监测技术，并构成全球地球科学基础观测网的主干。

图4给出表1中智利及其邻区11次大地震附近12个GPS连续观测站的位移时间序列，试图利用尽可能少的站，反映离震中不同范围典型的地壳运动，特别是前兆与震后地壳运动。12个GPS连续观测站包括，震级最大和离震中最近且震后位移非常显著的站，显示近震中地震前后的位移特点；离震级较大地震距离较远的站，显示大地震的影响范围，特别是前兆形变范围；从1994年开始观测时间最长的SANT与AREQ站，显示尽可能长时间的观测结果，特别是震前尽可能长时间的观测结果；其中还包括上述8.8级地震同震位移异常的站。此12观测站站名在图1中用黑色标记。

顺便说明一下，图4中SANT与AREQ等站水平位移向量时间序列彩色条带宽度随时间推移逐渐变窄，表明早期GPS观测精度较低，观测结果离散度较大，而随着观测与数据处理技术的不断改进，观测精度逐步提高。向量时间序列的彩色条带是因水平位移时间点密集而形成的。近些年GNSS观测精度已趋于稳定，水平位移分量精度为2 mm，垂直位移分量精度为6 mm。为便于与图对照，表2给出此12个GPS连续观测站得到的不同地震的同震水平位移。

表2 12个GPS连续观测站得到的不同地震同震水平位移Table2 Coseismic horizontal displacements observed at 12 stations of continuous GPS observations for earthquakes of different magnitudes

图4 智利近海等多次大地震附近南美洲12个GPS连续观测站3个位移分量和水平位移向量时间序列，位移单位均为mm。左图为3个分量，即水平位移东西（E，棕色）和南北（N，红色）分量与垂直（U，蓝色）位移时间序列，图上方标出了有明显同震位移的地震震级和相应的以km为单位的震中距。右图为水平位移向量时间序列，图右侧为用GPS周表示日期的色码Fig.4 Time series of 3 displacement components（left figure）and horizontal displacement vectors （right figure） in mm at 12 stations of continuous GPS observations in South America near the large earthquakes in Chile and its neighborhood. The 3 displacement components are the east horizontal component E in brown，north horizontal component N in red and vertical component U in blue. At the top of the figures of 3 displacement components，the magnitudes of the earthquakes and the epicentral distances of the stations in km are shown. On the right side of each vector figure the color bar shows the date in GPS week for time series of the horizontal displacement vectors

为使画面简洁，图4未作较多的标注，在此稍加说明。图4中的同日的箭头为一次地震的同震位移，接在箭头尾之前的数据为该次地震震前观测结果，接在箭头之后的数据为该次地震震后观测结果。需说明的是，图4中各站位移分量时间序列图与G网站的图是一样的，但作者给出了水平位移向量时间序列图，更直观显示各站水平位移平面曲线图像。CONS站观测到了3次地震的影响，为便于清晰显示后2次地震的结果，增加了2011年后的位移时间序列图。LLCH站的水平位移向量时间序列图仅突出显示6.8级地震前后一段时间的结果。

除了阿根廷6.4级地震，其他10次大地震均很靠近板块边界。同先前得到的板块边界大地震前后的位移观测结果一样[1]，这些大地震显著的同震水平位移均为震前积累的水平位移的（非弹性）回跳（近震中处）或弹性回跳（远离震中处），且在水平挤压的位移方向有回跳或弹性回跳。各站震前均无明显垂直积累，因此，同震垂直位移不是震前垂直位移的（弹性）回跳。图4中离震中较远的SANT等站的水平位移向量时间序列清楚显示，8.8级大地震的同震水平位移是震前水平位移积累的弹性回跳，同震水平位移与震前水平位移积累几乎在同一直线上，是典型的逆冲型地震，与该地区的板块运动是一致的。水平挤压是这些地震的成因。遗憾的是，2016年12月25日智利南部7.6级地震前TPYU站的观测资料时间太短，仅10个月，且仅此一站，未能清晰显示回跳或弹性回跳特征。

由于远场同震水平位移是震前积累的水平位移的弹性回跳，据此可分析前兆水平位移的范围。至今仅GPS观测可给出不同震级地震的前兆水平位移的确切范围。在GPS位移观测精度范围内，8.8级地震的前兆水平位移范围可达1 000 mm（图3）；6.7级地震在离震中70 km时，前兆水平位移可达10 mm等（图4，CONS站）。图3中离8.8级地震震中672 km的LSCH站，该地震同震水平位移小且有异常，前兆水平位移仍达6 mm多（图4，LSCH站N分量），但与震前水平位移方向相同，即同震水平位移方向也与其他站不同。

CONS站离智利2012年3月25日的7.1级地震仅17 km。此次地震是8.8级地震后强烈地壳运动过程中发生的强余震（见USGS网站的相关报道），离主震仅80 km，时间相隔2年。此余震与东日本2016年11月22日本州东岸近海7.2级强余震[7]有相似的主震后显著地壳运动背景，临震前E分量速率也变得缓慢（水平位移向量图明显些），但毕竟附近观测站太少，仅有此站观测结果是很难作预测的。值得关注的一个问题是，在何种站点密度和位移时空变化的情况下，多大震级的强余震是可预测的。

表1中震级最小的阿根廷6.4级地震，在离震中50 km的CSLO站有明显的8.8级和8.3级大地震后地壳运动影响，同震水平位移为20 mm，但此站震前无与同震水平位移相反方向的水平位移积累，也无资料证明震前震中水平位移处于闭锁状态。因仅此一站，无法了解震前位移的空间变化，如震中附近水平位移是否闭锁等异常现象[8]。

近震中大地震的震后地壳运动是地壳粘弹性松弛现象。一些巨大地震后数年的GPS连续观测清楚显示，位移分量曲线呈指数逐渐衰减，据此可作粘弹性位错模型拟合。巨大地震的震后地壳运动观测结果表明，GPS观测不仅精度高、连续性好，且观测结果长期稳定。

尽管不少大地震后位移分量曲线都呈指数逐渐衰减（参见图4中多个站的分量图），但水平位移向量时间序列显示，其平面曲线形态是多样的。与东日本大地震类似，智利大地震的震后松弛水平位移曲线大致有4种形态（图4）： ① 在震前水平位移前进方向，震后向右侧U拐（弯），如SANT和CSLO等站； ② 在震前水平位移前进方向，震后向左侧U拐（弯），如AREQ和PTRE等站； ③ 震后一直保持震前的直线水平位移方向，如ANTC和MAUL等站； ④ 震后基本保持震前水平位移方向，但逐渐弯曲，如LSCH等站。相比大地震前的水平位移直线积累过程，震后的水平位移平面曲线则要复杂得多。这也许表明，震前长期水平位移积累过程的分析可能要简单些。

4 结论与讨论

前兆震例的积累与研究是突破地震预测的必然过程。21世纪以来，智利及其邻区发生数次大地震，且附近有较多GPS连续观测站，同样是利用GPS观测研究前兆形变难得的机遇。与作者利用GPS观测得到的其他大地震前兆形变震例研究相比，虽然GPS数据的获取与处理滞后，对智利及其邻区大地震前兆形变的研究延后，但所得结果更集中，更有利于对比说明大地震前后地壳运动规律的普遍性和个别地震的特殊性。尽管6次大地震附近仅一个GPS连续观测站，但作为群体结果，对于研究前兆形变的总体特征和统计规律，如前兆形变范围等，还是有意义的。

较之2011年日本近海9.0级等大地震，智利及其邻区多次地震大于8级，发震时间间隔较长，发震地点空间间距不密集，且智利东侧大范围有较多GPS连续观测站，有利于分辨较大范围内各次大地震前后地壳运动。

GPS观测结果表明，全球地壳垂直运动幅度普遍较低；相比之下，全球地壳水平运动不仅幅度大，而且涉及范围广大。震例研究[1]，包括此次智利及其邻区震例研究表明，大地震前震中及其附近无明显的垂直位移积累，同震垂直位移不是（弹性）回跳。观测事实说明，与地壳垂直运动相比，地壳水平运动产生的水平作用力巨大，板块运动或地壳水平运动就是地震成因。

尽管东日本和智利近海大地震的构造环境不同，太平洋西北侧2011年东日本9.0级大地震震前水平位移向西为主，同震水平位移向东为主；而太平洋东南侧智利及其邻区几次大地震震前水平位移向东为主，同震水平位移则以向西为主。然而，这些地震的同震水平位移回跳或弹性回跳的规律一致，地震成因都是水平挤压，机理一致。图4中的CONS站结果与日本的J550站相似，而SANT站结果与日本的USUD站相似。太平洋两侧的这2次巨大地震前的地壳运动清楚显示大洋海底扩张。

智利8.3级地震震中以北8.8级地震同震水平位移量值偏小，且方向一致，异常向北，这是多次大地震中最明显的特殊现象，可认为是8.3级地震的前兆形变，这是多次大地震中最明显的特殊现象。

已有越来越多的GNSS观测结果清楚的显示，7级以上大地震震前有水平位移积累时空发展过程[1]。对6级左右地震的前兆形变，尚有待积累更多观测资料，以期了解GNSS观测最有可能预测的地震震级下限。

同震水平位移同样证明，这些大地震存在前兆地壳形变，但本项研究未能获得临震前兆形变。临震前兆现象研究工作复杂，还可包括利用GPS观测获取TEC（电离层总电子含量）临震异常信息，但工作量大，需要投入更多研究。

智利及临近地区多次大地震前兆形变震例研究表明，临近智利的南美地区是全球最利于地震预测探索的地区之一。

致谢

本文利用了http://geodesy.unr.edu网站得到的Geoffrey Blewitt教授用GIPSY软件处理得到的GPS连续观测站坐标时间序列[9]。使用GMT软件绘图[10]。在此一并表示感谢。