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摘要: 近年来，卫星大地测量技术的快速发展为精确测量地壳形变和断层行为提供了前所未有的多维观测数据。它与地震学的结合使得地震周期形变监测的时空分辨率大大提升，为更加深入地研究地震周期过程和机理提供了一个窗口，地震大地测量学应运而生。它能够对地壳运动进行定量描述、对断层活动进行精准建模，从而为洞悉整个地震周期过程的应力应变演化提供科学依据，同时为评估地震危险性、实现地震预测预警提供科学指导。以卫星大地测量观测探究断层形变为主线，分析了断层处于地震周期不同阶段的运动学特征（震间、同震和震后），回顾了地震大地测量学在震源物理方面的一些重要发现。研究表明，利用卫星大地测量数据判定断层所处地震周期的阶段是实现地震预测的可行思路。Abstract: In recent years, the rapid development of satellite geodesy provides unprecedented multidimensional observations for the accurate measurement of crustal deformation and fault behavior. Combined with seismology, the temporal and spatial resolution of earthquake cycle deformation monitoring is greatly improved, which provides a chance for further study of earthquake cycle process and mechanism. Seismogeodesy can quantitatively describe the crustal movement and accurately model the fault activity. It can also provide a scientific basis to understand the stress and strain evolution of the whole earthquake cycle process, and provide scientific guidance for the assessment of seismic hazard and earthquake prediction and early warning. This paper analyzes the kinematic characteristics of faults at different stages of the earthquake cycle, including interseismic, coseismic, and postseismic, and reviews some important findings of seismic geodesy in terms of source physics by using satellite geodetic observations to investigate fault deformation. The satellite geodetic data can be applied to determine the fault location in the stage of earthquake cycle. It is a feasible idea for earthquake prediction.
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Keywords:
- satellite geodesy /
- crustal movement /
- earthquake cycle /
- seismic hazard
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卫星大地测量技术主要包括两类，一类是全球卫星导航系统（global navigation satellite system，GNSS），其进一步演化出精密卫星定位，如全球定位系统（global positioning system，GPS），在20世纪80年代开始用于地壳形变监测[1]；另一类是合成孔径雷达（synthetic aperture radar，SAR），其进一步发展为合成孔径雷达干涉测量（interferometric synthetic aperture radar，InSAR）技术，在20世纪90年代开始用于地壳形变场追踪[2-3]。在过去十多年中，随着SAR卫星数量的激增，特别是Sentinel-1 SAR卫星的发射，数据量迅速增加；与此同时，InSAR数据处理技术的快速发展大大提高了精确捕捉长波长和小幅度地壳形变信号的能力，能够从大气延迟、轨道误差、非构造形变以及解缠误差等众多误差源中有效分离出毫米级构造变形[4]。此外，不同机构布设的GPS站点也越来越多，台站间隔越来越小[5]，且不同大地测量观测融合技术越来越成熟，使得获取全天候、高精度、大范围、高时空分辨率的3D地壳形变场成为可能[6]。
中国是地震频发国家，强震危险性的可靠预测一直是防震减灾事业的急迫需求，了解地震周期各个阶段（震间、同震和震后）构造活动的基本过程有助于减轻日益城市化的人口暴露于此类灾害的风险[7-8]。文献[9]指出强震的孕育、发生和发展始终伴随着地表形变现象，如图 1所示。卫星大地测量技术能够定量、实时或准实时地捕获地震周期过程的地壳形变信号，精确追踪断层活动的时空演化过程，有助于理解构造断裂带的分段运动特征，洞悉整个地震周期过程的应力应变累积-释放机制，同时为评估地震危险性、实现地震预警预报提供科学指导[10]。
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1 震间构造形变
震间形变过程相对比较缓慢，可以持续几十年、几百年甚至上千年。在此过程中，构造应力持续加载，地壳相关物理量如位移、重力等发生缓慢变化。当应变积累导致应力超过断层摩擦所能承受的临界点时，地震发生。通过震间过程的研究，不仅可以对地震的孕育机制、发震模式有更深刻的认识，为中长期地震潜力评估提供科学依据，还可以对地壳结构特征、地球交互模式有更加深入的了解，从而为相关地球物理现象提供科学的解释和有力的证据[11]。
利用长期的卫星大地测量数据解析断层的运动状态及其所处孕震周期的阶段是实现地震预测的可行思路[12-13]。已有观测和研究表明，在震间的不同阶段，断层两侧的形变模式往往不同。走滑断层不同孕震阶段形变模式如图 2所示，其中t表示上次强震距今时间，T表示地震复发间隔，t/T表示走滑断层所处的震间阶段。由图 2可以看出，早期（t/T=0.05）断层两侧的形变梯度较大，而中（t/T=0.10）、后期（t/T=0.95）则比较平缓。因此断层周边的地壳速率场被广泛用于推测断层的地震潜力[14-16]。目前大多数研究都是基于经典的弹性螺旋位错理论估计断层的滑移率以及闭锁深度[17-19]。文献[20]构建了一个弹性的双断层模型，采用长期的GPS震间形变解析2021年玛多Mw 7.4地震孕震断层的运动学特征，利用贝叶斯蒙特卡洛反演方法同时估计了东昆仑断裂和昆仑山口-江错断裂的滑移率分别为1.7±0.8 mm/a和7.1±0.3 mm/a。这些简单的模型至今仍被广泛使用，主要原因在于其简单性和有效性，也归因于以往震间数据较大的不确定性[21]。目前已经广泛达成的共识是地球在地震周期过程中为粘弹性的[21-22]，因此，忽略软流圈粘弹性松弛的效应以及地震周期性的载荷将导致在地震周期不同阶段断层滑移率被系统性地低估或高估，并产生其他运动学参数估计的偏差[15-16]。当前，大面积、毫米级精度的地壳形变数据集具备前所未有的空间尺度和分辨率，为构建更加复杂的、符合真实地球介质的粘弹性地震周期模型提供了一个窗口，各种粘弹性地震周期模型被提出并用于解析不同断层系统的运动学与动力学特征[23-25]。文献[15]构建了一个弹性的上地壳覆盖一个粘弹性基底的双层粘弹性地震周期模型，用于探索中国大陆阿尔金断裂和沂沭断裂的运动特点以及地震潜力。文献[16]则采用了一个弹性板片覆盖粘弹性下地壳和上地幔的三层粘弹性地震周期模型，阐明了东昆仑断层系统托索湖段的滑移率为5.5±0.7 mm/a。
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2 同震破裂成像
地震的本质是断层面上长期的弹性应变累积被快速释放，导致断层两侧的块体发生错动。该过程一般持续几秒、几十秒甚至几百秒，覆盖范围一般从十几千米至数百千米。大地震的时空破裂过程通常指断层面上有限个凹凸体或障碍体的先后破裂[26]，破裂行为有时十分复杂，如多条共轭断层先后破裂[27]、破裂在断层之间跳跃[28]、俯冲带地震的破裂折返[29]以及震源频率特征随深度变化[30]等。解析精确的同震破裂过程可以为地面震动预测、震后机制识别以及应力传输估计等提供驱动力，也可以有效地破译孕震断层结构[31-33]，其依赖于有限断层成像理论的快速发展。通常的做法是在空间上将主震事件离散成许多尺度较小的子事件，即将发震断层面离散成多个子断层（矩形或三角形），反演子断层的震源时间函数，综合所有子断层的震源时间函数结果，考虑破裂时间上的连续性以及破裂速度的限制，反演得到整个地震在时间和空间（断层面）上的破裂特性，从而描述震源的时空破裂行为[34]。
美国地质调查局长期致力于追踪全球强震破裂过程，采用远震体波和面波进行快速有限断层反演，通常在震后1天之内发布同震滑移模型，对于灾后快速救援起着重要的指导作用[35]。然而，远震体波对于破裂时间更敏感，对于破裂位置却不敏感[36]；面波频率较低，其滑移分辨率十分有限[37]。为了提升破裂过程的空间解析度，GPS和InSAR被广泛应用于有限断层反演中。与远震观测不同，大地测量捕捉的地壳形变数据记录的是震源区地震事件导致的静态形变，可以很好地约束断层几何、滑移大小以及方向。GPS台站密度有时比较稀疏，在有限断层反演过程中通常需要加入比较强的平滑权重来提升稳定性，而InSAR空间分辨率比较高，但观测精度略低，因此同时采用两种数据可以达到最优的空间和地震矩解析度[38]。文献[39]基于GPS和InSAR数据联合反演了2008年汶川Mw 7.9地震的几何形态和破裂空间分布，揭示了其分段梯次破裂的特征。尽管这些基于卫星大地测量资料反演得到的震源滑移模型与余震分布、地表破裂的结果保持了较好的一致性，有力地证明了其良好的位移解析度，但是大地测量数据只包含同震形变信息，没有任何时间解析度[40-41]。另外，由于受地理位置、植被覆盖等的影响，大地测量观测方位角的分布有时并不理想（如俯冲型地震的大地测量数据通常位于陆地上，只对俯冲板块边界下部的位错比较敏感），甚至在某些区域没有大地测量观测。图 3为基于不同数据有限断层反演结果的时间、空间以及地震矩分辨率，表明地震数据可以很好地弥补这些缺陷。因此联合地震波形数据和大地测量资料可以精确解析大地震的时空破裂过程，提高模型的稳健性，同时恢复破裂的空间位置、时间演化以及位移量3个维度的属性。
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3 震后机制分离
大地震同震破裂会造成震源区岩石圈尺度的应力场扰动，导致震后持续的地壳形变，主要包括断层面上持续的无震滑动（余滑）、下地壳和上地幔的粘弹性松弛以及浅地壳流体运动引起的孔隙弹性响应[42-44]。图 4为震后形变概念示意图。由图 4可以看出，大地震发生以后，多种震后效应耦合在一起，但不同成因的震后形变具有不同的时空分布特征，取决于地震的破裂类型、地壳结构和断层面的岩性等。大地测量方法可以有效观测到这些形变造成的地表位移，并用来分离不同机制的震后贡献。通过震后形变的研究可以了解断层面的摩擦性质、软流圈的流变结构以及孔隙介质属性，也可以加深对断层重新闭锁以及应力应变重新累积的理解[45]。
震后余滑是同震应力变化造成的无震滑移，通常发生在同震破裂区上倾或下倾具有速度强化特性且未破裂的断层面[46]。余滑主要控制震后数年近场的快速形变，对于理解断层摩擦行为具有重要指导作用。文献[47]利用震后半年GPS数据反演了2017年墨西哥Mw 8.2地震的震后余滑，发现其累积释放的地震矩相当于Mw 8.0事件，且与同震高滑移区域呈互补的模式，揭示了余震的时间演化过程可能主要由余滑控制。文献[48]通过2021年玛多Mw 7.4地震震后两个月的InSAR观测，得出了类似的结论。但这种直接反演的运动学余滑模型通常忽略了物理的合理性，可能会出现难以解释的凹凸体和过度拟合现象。针对该问题，基于速率-状态摩擦本构关系的应力驱动余滑模型应运而生[49]，并成功解释了许多地震震后余滑的时空演化[50]。文献[51-52]基于大地测量观测资料研究了2015年Gorkha Mw 7.8地震早期的震后余滑，指出余滑主要发生在同震破裂面下方的速度强化区。理论和数值模拟表明，速度弱化区域通常不会表现出无震余滑，而速度强化区域在震间阶段不会累积应力。但是文献[53-54]发现限制余滑发生在非凹凸体的范围不能完美地拟合震后形变，提出了对“速率-状态凹凸体模型”的质疑，并且越来越多的学者发现余滑与大地震周期形变研究同震的高滑移区（速度弱化区）存在重叠。
粘弹性松弛主要来自较弱的下地壳或上地幔缓慢释放同震应力的加载而产生的地壳形变，该阶段持续时间比较长，一般为几年、几十年甚至几百年，在空间上主要作用于地震的中远场[42]。在不同的构造条件下，基于M≥7地震事件震后数月乃至数年的大地测量观测可以推断下地壳和上地幔的粘滞系数，为了解研究区域的断层耦合及流变特性提供关键基础，同时对认识岩石圈的介质结构属性以及地壳演化历程提供重要依据。文献[55]证明了上地幔中的粘弹性松弛在海沟附近产生向陆地运动的重要作用，推断地幔楔瞬态的Kelvin粘度为2.5×1017 Pa·s，稳态的Maxwell粘度为1.8×1018 Pa·s。文献[56]基于2008年汶川地震接近2年的震后观测发现近场的地表形变主要由余滑控制，而中远场的形变主要来源于粘弹性松弛的贡献，并约束了青藏高原瞬态的Kelvin粘度为7.9×1017 Pa·s，稳态的Maxwell粘度为1×1018 Pa·s。文献[57]给出了2015年Illapel Mw 8.3地震震后一个半月下地壳和上地幔的粘度分别为6.0×1017 Pa·s和9.0×1017 Pa·s，指出了以前忽略粘弹性效应的纯弹性余滑模型对破裂区的上倾余滑估计不足，对下倾余滑估计过度。
孔隙弹性回弹是同震破裂导致断层附近孔隙压力梯度的改变后，流体压力达到再平衡过程引起的地壳形变，其持续时间较短，变形相对较小，主要分布在断裂带近场上地壳[58-59]。在大多数震后机制的研究中，孔弹性效应经常被忽略，可以通过在弹性位错模型中使用泊松比的未排水值和排水值预测的位移场之间的差异来估算。文献[60]利用泊松比在排水（0.27）和未排水（0.31）状态下的差异估算了1992年Landers Mw 7.3地震的震后孔隙回弹机制的贡献，发现余滑和孔隙回弹的综合作用可以很好地解释其震后形变。虽然这种方法给出了孔隙弹性位移的大小和方向，但其复杂性被忽略，孔隙弹性形变的时空演化也未知。文献[61]发展了另外一种方法来模拟由地震或抽注水引起的时间相关的孔隙回弹形变。在正演模型中，格林函数基于一阶多层的弹性结构和深度相关的水力扩散系数生成，然后使用同震滑移模型来计算地震引起的孔隙弹性松弛。文献[62]利用该方法模拟了2015年Illapel地震震后的孔弹性位移，发现忽略孔弹性效应的纯余滑模型高估了同震破裂带南北两侧的余滑，低估了同震破裂带中部的余滑，局部误差高达50%。此外，文献[63]通过构建有限元模型研究了孔隙回弹机制对2011年Tohoku Mw 9.0地震震后形变的影响，研究表明孔隙回弹机制对断层破裂周围区域的变形有着不可忽略的贡献。
4 结语
地壳形变是断层运动的直接表现形式之一，利用地壳速率场的动态演化和地震震源的过程跟踪是实现地震成功预测的可行思路。人类正在进入一个激动人心的地球观测数据新时代，卫星大地测量技术可以提供毫米级的全球范围尺度的大规模数据。如何利用大尺度形变场分布、活动块体运动特征以及断层动力学信息，识别出紧迫程度相对较高的有限个潜在强震源，判定断层所处的孕震阶段，是强震预测亟待解决的问题。通过对全球范围内活跃断层长期地壳速率场的建模，人们在基本断层过程、地震周期形变的理解方面也取得了较大进步。震源物理机制的研究正从弹性向粘弹性发展，从地震周期内某一阶段的研究向地震孕育、发生、调整的全过程解析及模拟发展。虽然本文专注于卫星大地测量观测平台，但其与地震观测、实地勘测以及航空测绘等有很强的互补联系，如地震观测在全球范围内覆盖了所有的中强地震，可以提供必要的高分辨率时间采样，以观察地震破裂的快速演变，这是静态测量不可能实现的。因此，为了加强对地震灾害和构造过程的理解，通常需要将卫星大地测量和其他技术相结合，进而提升防震减灾的能力。
以上的回顾仅为卫星大地测量技术在成像地震周期断层形变的一些成果，并不全面，有一定主观成分，但是从中可以反映出地震大地测量学在过去几十年的发展与进步。
致谢: 感谢陈鑫连先生九十诞辰组委会的邀请，谨以此文纪念陈鑫连先生在相关领域的开创性贡献。 -
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