地壳形变基础理论与观测技术

第1章概论

1.1地形变测量的形成与发展

地球表层是我们人类生活的家园，但它总是不断变化着。地震、火山、滑坡、岩崩、沉降、海侵等自然灾害频发，我们居住的家园并不安宁。经济社会越发达、越现代化，城市化程度越高，灾害后果往往越严重。20世纪中期，世界上一些地震灾害严重的发达国家，如美国、苏联、日本等国家都不约而同地将现代大地测量学应用于地震监测和地震减灾的研究。

我国也稍后开启同一应用研究历程。早在1962年，根据李四光和方俊院士的提议，在国务院周恩来总理的支持下，首次将水准测量应用于广东省新丰江水库蓄水变形和诱发地震的预测研究，通过精密水准测量获得了水库库首区蓄水引起地面沉降和大坝的变形，实施了大坝加固工程，抗住了随后发生的6.1级地震，大坝完好无损，这是一项载入水库诱发地震研究史册的成果；1966年邢台地震后，现代大地测量开始大规模应用于地震监测预报和现今地壳运动研究并成为常规化监测手段，在海城地震、松潘地震、龙陵地震、丽江地震等一系列大震及强震的监测预报中经受实践检验，为这些地震震前不同时间尺度的成功预测提供了实测数据支持；对于唐山大地震和汶川大地震，虽然没能够向社会发布震前短临预报，但在震前还是观测到了可识别的形变和重力变化异常，特别是汶川大地震前，地震重力学专家提出过年度预测意见，事实表明他们预测的地震时空强三要素都是准确的；现代大地测量新的技术，如GNSS（全球导航定位技术）和InSAR（合成孔径雷达干涉技术）可以获得我国昆仑山大地震（2001年11月，8.1级）、汶川大地震（2008年5月，8.0级），日本宫城大地震（2011年3月，9.0级），尼泊尔大地震（2015年4月，8.1级）清晰的同震地面运动和震后变形的空间图像和时间过程，为现今地壳运动学、动力学研究提供了强大的技术支撑，展现出新的更可期待的前景。

在现代大地测量应用于地震监测和地震减灾的理论与技术研究探索不断深化的进程中，一门前沿交叉新学科——地震大地测量学，初步形成并正在发展完善，国内测绘学界也有被称为“地球物理大地测量学”的新兴交叉学科，但内容涵盖稍有不同；而国际上不同的学者对其也有类似的不同称呼，如称之为“构造形变大地测量学”（美）、“地震大地测量学”（美）或“地球物理大地测量学”（澳）等。

地震大地测量学正成为推进现今地壳运动和地球动力学发展的强劲动力，更是地震科学和地震监测预报不可或缺的基石与支柱。

本教材所述的地形变测量，是地震大地测量学的基本组成部分，吸收了空间大地通量、物理大地测量、动力大地测量等现代大地测量学科的主要理论和技术内容，不断适地震监测预报的需要，不断与地质学、地球物理学等相关的学科交又融合。自20世纪下半叶以来，空间技术、光学与无线电遥感技术、计算机技术、数字技术、互联网技术等高新技术快速发展，地形变测量适时集成应用了这些先进的科学技术成果，特别是全球导航定位系统GNSS (GPS、北斗、GLONASS、Galileo)，获得了深人应用研究；与此同时，在地面测量技术方面也取得了长足进步，如数据采样率达到分钟和秒的高精度数字化地倾斜仪、地应变仪和重力仪器日趋完善并形成规模台网，多色激光测距仪、数字化水准仪、断层蠕变仪、超导重力仪、绝对重力仪等先进测量仪器不断实现常规化应用；在测量数据处理和理论模型研究方面也取得同步发展，如由非参数模型发展到参数模型，由几何模型发展到物理模型，由线性模型发展到非线性模型，由运动学模型发展到动力学模型等。这些理论和技术进展促使地形变测量发生革命性的进步，获得了前所未有的强大能力，已成为地震监测预报的主要支柱学科。

地形变测量，是地震监测预报系统的重要组成部分，以服务于地震监测预报工作为根本目标和任务，是地震监测预报的理论与技术支撑之一。

1.2地形变监测台网的组成

地形变测量，集成了当代先进的空间大地测量和地面动态测量的先进技术，精确测定时间尺度由秒至数十年，空间尺度由点（台站或测点）、线（测线）、面（台网）、区域至全球的现今地壳运动、形变与深部物质运移的时空微动态；通过严谨的数据处理、运动学和动力学建模，提供地震震前、震时和震后的地面运动形变场和地球重力场随时间、空间的变化信息，直接为地震预测预报服务。

地形变测量的核心部分，是观测研究地面位移、倾斜、应变，断层滑动、蠕变，重力、地球固体潮汐和介质物性（密度、勒夫数）等物理量的空间分及其随时间的变化；通过建立台站网络、跨断层构造观测场地、区域和全国测网的连续观测和定期重复观测获取数据；近年来，GNSS、InSAR和卫星重力等空间对地观测技术开始应用，天基观测网络的建立促使覆盖全球的观测得以实现，地震监测预测观测研究将实现从本土到全球的跨越。