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大地测量与地震地质灾害防治

今年10月13日是第32个“国际减少灾害风险日”,其主题是“构建灾害风险适应性和抗灾力”。国际减灾日由联合国大会倡议设立,其主要目的旨在推动国际社会对防灾减灾采取各项措施以减轻各种灾害的影响。自然灾害是人类生存和发展的巨大障碍,其中地震是主要自然灾害之一,在带来大量人员伤亡和财产损失的同时,还可能会引起包括山体滑坡、海啸等在内的次生灾害。全球1/3的内陆破坏性地震发生在我国大陆,因地震造成的人员死亡超过60万,约占全球地震死亡总人数的50%。

地震孕育与构造变形和应力应变积累密切相关。如果我们能够精细地观测到断裂带震间、同震和震后地壳形变时空动态变化特征,准确认识断层带闭锁段应力应变积累状态,不仅可以对断裂带变形演化特征、孕震过程、发震机制有深入认识,为开展具有物理含义的强震危险性预测研究提供重要基础,而且可以为区域构造运动学、动力学研究提供重要依据。近三十多年来,以全球卫星定位系统(GPS)和干涉合成孔径雷达(InSAR)为代表的现代大地测量技术的迅速发展和广泛应用,为各种规模尺度地壳运动的高精度、高密度、全天候监测提供了前所未有的先进手段。借着本年度国际减灾日的机会,特此撰文介绍现代空间大地测量在地震地质灾害防治方面的应用。

 

1、GPS地壳形变观测在中国的发展

20世纪70年代,美国建立了全球定位系统(GPS),利用绕地卫星实时、精确地测定地面点的位置,使得在短时间内获取大范围地壳运动图像成为可能。

1988年中德合作在滇西地震预报实验场开展大地测量实验,正式揭开了中国大陆现今地壳运动GPS监测研究的序幕。1994年中国科学院上海天文台主持的国家攀登计划项目“现今地壳运动与动力学”,在全国范围内布设了22个GPS点,组成了全国GPS地壳运动监测网,开启了中国大陆地壳形变的定量研究。彼时,尽管我国在GPS研究地壳运动方面取得了一些进展,但与发达国家相比,国内地壳运动监测站数量少、空间分布稀疏,无法取得高时-空分辨率的地壳运动图像和参数,更谈不上为地震预报提供所需的实时或准实时数据了。1997年,我国正式启动了国家重大科学工程“中国地壳观测网”,建成了覆盖中国大陆的1000多个GPS测站,并于1999年3月1号正式开始运行。2010年前后,“网络工程”开始升级改造,于2011年建成由2000多个测站组成的“中国大陆构造环境监测网络”。至此,初步实现了对中国大陆地壳形变的动态监测。

近年来,随着卫星导航系统的快速发展,全球导航定位也从GPS逐步迈向GNSS,即美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO和中国北斗卫星导航系统组成的全球导航卫星系统。特别指出的是,我国的北斗三号系统于2020年7月31日正式开通,为全球范围内地壳形变的监测注入了新的活力。

1 GPS高精度测量原理图


2、InSAR技术及其应用

星载InSAR,通过对同一目标区域的多次观测,在具备一定相干性(信噪比指标)的条件下,利用两幅SAR图像的相位差获取高精度的目标高程信息或位置变化信息。InSAR技术优势在于非接触、不受地面条件限制、大范围空间连续覆盖,几乎实现了地壳形变的时空连续观测

InSAR技术已经在地震、冰川、火山、滑坡、城市和人工建筑形变等多个领域得到了广泛应用。在地震和构造活动研究中,基于大地测量的形变观测对于地震构造研究极为重要。例如,对于断裂带的同震和震后形变场的监测可以较精确地约束断层同震破裂分布和震后余滑分布,并结合连续观测获得的震间形变,就能够定量分析断层滑移速率和闭锁状态,进一步地可以评估地震的发生周期,同时也可以对地球内部断层的动力学演化过程提供依据。

 

3、GNSS与InSAR是怎样监测断层形变的?

我国大部分断层的变形速率是每年几个毫米,且绝大部分断层的变形在地表是看不出来的。那么怎样去监测这些活断层的变形过程、从而为地震危险性的中长期评估提供依据呢? GNSS的定位精度能够达到1毫米,时间序列InSAR获取的年形变速率场的精度也可达到毫米级,因此,利用它们可以精准捕获断层运动在地表造成的两盘相对运动,进而通过构建地下断层面与地表观测点的物理关系,利用数学反演来获得断层的运动学参数,了解断层的变形过程。

通过模型的反演,我们能够清晰的厘定断层在哪个部位是闭锁的,即卡住不动了,这意味着能量正在断层面上积累(图2);当然,也能够看清断层在哪个段落是缓慢滑动的,从而将能量“悄无声息”地进行释放。


2 空间对地观测与断层形变

4、GNSS与地震预警

在2021年7月27日,中国地震局宣布中国地震预警网已在京津冀、四川、云南和福建地区实现示范运行。既然“地震预警”已经如火如荼的在全国各地开展了,还有必要再用GNSS去做地震预警么?答案是肯定的。这是因为,现有的地震预警大多是基于测震仪器,这些一起测量地震时地表运动的速度和加速度,这对于一般的中小地震是有效的。但是,如果发生震级较大的地震,测震仪器很可能会饱幅,也可以理解为量程满格了。GNSS虽然采样率较低,但是不存在限幅,并且能够在较短的时间内获得地表的位移,对地震破裂的大小、过程有比较好的约束。比如在2011年日本9级311大地震中,测震台网在震后22.6秒第一次处理震级仅为4.3级;在震后25.8秒向公众发布第一次预警信息时,预警震级为7.2级;震后39.4秒发布第二次预警信息,预警震级为7.6级;震后82.3秒发布第三次预警信息,预警震级为7.9级;震后122.2秒后,预警震级才为8.1级;直至震后3小时后才将震级更正为8.8。而后期采用GNSS检测,震后39秒即确定为8.15级,震后130秒就给出震级为9级!如果当时能对震级进行较好的估计,会让人们对海啸的规模做出准确的预测,从而最大程度减少人员伤亡!由此看来,GNSS在“地震预警系统”中是不可或缺的一员!

 


注:本文的撰写得到中国地震学会大地测量与地震动力学专业委员会、中国地震局“空间对地观测与地壳形变”创新团队和国家重点研发计划项目2019YFC1509200的支持。

 


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