GPS揭示的中国现今地壳运动

一、成果概况

通过系统地分析处理中国大陆及周边地区1990-2000年间350多个GPS测站的观测资料，给出迄今（2001年）最为完整的亚洲大陆现今地壳运动与构造变形的GPS测定结果—高精度、高空间分辨率、基准统一的大尺度地壳变动位移图像（图1），相关论文于2001年10月19日发表在美国出版的《科学》周刊上（294卷,5542期，574-577，论文标题：Present-daycrustal deformation in China constrained by Global Positioning System measurements）。

二、主要创新点

这是中国科学工作者第一次在国际权威杂志上发表大地测量方面的科研论文，标志着我国在地壳运动研究领域的研究取得了突破性进展，得到国际同行的认同。2006年被“科学观察”杂志列为2001-2005年间中国科学家发表、且被引用最多的地学十大热点论文。

两位《科学》杂志审稿人认为：将中国十年积累的庞大观测资料综合起来，放置在一致的参考系统上，是迄今(2001年)为止，在亚洲大陆地壳运动研究中最令人印象深刻的一项成果，可直接回答该地区构造变动的许多重大的运动学问题，加深了人们对区域运动学与动力学问题的理解，是对科学的一项重要贡献。

三、应用效益及前景

1、开辟利用GPS观测技术研究中国大陆构造运动之先河，为后续研究起到良好示范作用。

2、截止目前，被引频次已达1225次

强震GPS应急观测技术及应用

一、成果概况

近年来，大地测量研究室利用学科优势，积极发挥GPS观测技术在大震中的应用，即强震发生后，根据国内外发布的震源机制解，及时收集有关GPS测点信息，制定科学的应急观测方案，并在第一时间赶赴野外，开展GPS应急观测，获取GPS近场形变观测，为同震形变、震后形变研究提供重要的数据，研究成果可为确定断层产状、震源机理、地震危险性分析等提供重要的科学参考。

强震GPS地震应急观测信息表

二、主要创新点

1、精密结合地震与构造活动的特点，突破传统的“任务型”观测模式和管理方式，积极主动发挥形变学科的优势，充分发掘和利用发震断层周边已有的大地测量资料（如大地控制点，老三角点），以最快的速度和尽可能大的空间分辨率获取强震的同震形变场。

2、将研究成果应用于地震监测、预报及应急救援工作，实现产学研的有机结合，发挥形变学科在“3+1”体系中的作用。

三、应用效益及前景

近年来发生的几次强震，大地测量研究室均有采集应急观测GPS观测数据，并及时将有关观测成果应用于地震监测、预报及应急救援中，同时撰写相关科研论文若干篇。

尼泊尔地震初期的研究成果均已在国内主要媒体和网站上进行了报道。

有关新闻报道的链接如下：

http://www.chinanews.com/gn/2015/05-19/7286665.shtml

http://news.xinhuanet.com/2015-05/19/c_1115335962.htm

http://www.chinanews.com/gn/2015/05-22/7294898.shtml

新闻报道的截图：

高频GPS联合地震波进行震源破裂过程研究

一、成果概况

近年来，高频GNSS作为空间大地测量技术的新兴手段，发展迅速，其优势主要体现在可以快速获取高精度、动态、实时的地表形变信息，尤其对于大震同震形变波信息的捕捉意义重大，而且高频GNSS技术克服了传统地震记录手段近场观测存在的限幅问题和平移、旋转、倾斜所带来的畸变问题等，将传统大地测量观测频段延拓至地震学观测频段，实现了很好的结合。

本成果以高频GNSS技术为主，并结合传统形变观测、地震学技术等，利用近期强震的地壳形变监测数据，计算了近场形变波形，并在此基础上开展了几个地震震相的识别与提取、震级的快速确定及震源破裂的时空过程等研究，各项研究成果为多角度、全面认识汶川地震、日本地震、庐山地震、尼泊尔地震的地壳形变信息、断层运动及震源运动学特征等提供了较好的参考，同时为高频GNSS在地震学中的应用起到较好的示范作用。

二、主要创新点

1）利用振动台实验及实际震例相结合的方式评价了高频GNSS获取地震信息的可靠性及内、外符合精度，并率先对采样率高达50Hz的数据进行了试验（图1）。

2）发展了高频GNSS实时处理技术、震相及初动识别技术和永久形变提取技术（图2）；

3）以2008年汶川地震、2011年日本地震、2013年芦山地震为例，进行了经验震级、矩震级及震源机制的快速确定（图3、图4）；

4）建立了一套以高频GNSS数据为主，联合静态GPS、InSAR、强震记录及远震体波等同震形变观测手段快速确定大震震源物理过程的理论方法，并以2015年尼泊尔地震为例开展了理论方法的验证和应用（图5-图8）。

图1振动台模拟实验拾振器记录与高频GNSS的比较。

a:进行了震相拾取的拾振器加速度记录。

b: RTDD（红色）、KPPP（绿色）与拾振器积分至位移（蓝色）的比较。

c: RTDD、KPPP分别与拾振器位移时序的差值（分别为红色和绿色）以及相互差值（蓝色）。d: RTDD、KPPP分别与拾振器位移时序的互相关系数（分别为红色和绿色）以及其之间的互相关系数（蓝色）。

图2同址观测的PIXI站时序与PXZ强震台记录的比较。

(a)进行了震相拾取的PXZ加速度记录。

(b) RTDD（红色）、KPPP（绿色）微分与加速度积分至速度（蓝色）的比较。

(c) RTDD（红色）、KPPP（绿色）位移与加速度积分至位移（蓝色）的比较。

(d)频域内1-Hz GNSS与强震仪记录的信号频率特征。

(e) PIXI站震时的运动轨迹。

图3(a)用于震级估计的日本东北地震震时与汶川地震震时高频GNSS站分布；(b)芦山地震震时高频GNSS站分布

图4 (a)日本东北地震时USUD的零频永久形变；(b)日本东北地震时JA01的零频永久形变；(c)日本东北地震时DAEJ的零频永久形变；(d)芦山地震时SCTQ的零频永久形变

图5尼泊尔Mw7.9地震的滑动分布及GPS揭示的永久同震位移、动态形变波。GPS水平同震位移以蓝、绿、红边框箭头及95%的置信区间表示的不同尺度的形变量组成，垂直位移以点位处的不同颜色柱体表示，图左上方的插入图像为图中白色方框区域，标明了此处的GPS位移矢量；动态形变波形以归一化尺度绘制于点位四周，波形附近的同色数字表示最大振幅值，单位为m；黑色粗线为发震断层；灰色细线为绘图区域的主要断裂；黑色方框为本文断层模型边界在地表处投影；红色及粉色圆圈为余震分布；红色五角星为震源位置；灰色圆点表示城市或城镇位置；图右上角插入的地球模型上的品红色圆点为联合反演的远震地震台站分布。

图6联合模型破裂的时空过程

图7 Gorkha地震构造地震背景及Mw7.8主震与Mw7.3余震静、动态形变场。红色、蓝色、黑色边框白底箭头为主震GPS水平向同震位移，品红色箭头为余震GPS水平向同震位移。彩色点为InSAR重采样LOS形变量（主震4437点余震2405点）。红边黑底正三角为高频GPS站点，倒三角形为KATNP加速度记录站点。右侧红、蓝色曲线分别为主、余震滤波后的高频GPS东西向位移时序。左上图为喜马拉雅造山带历史地震分布。左中为加速度计站点KATNP东西向加速度记录及校正后的位移时序。右上为选用的远场地震台站分布。

图8 Mw7.8主震与Mw7.3余震的滑动分布。红底白边五角星为主震震中，白底红边五角星为余震震中；黑色实线及虚线方框代表主、余震的断层面；粉色方形为主要城镇Kathmandu、吉隆及樟木；白色曲线与黑色曲线为主、余震的滑动量等值线；白底黑边箭头为主震滑动矢量，黑底白边箭头为余震滑动矢量；白色虚线标明了滑动量所处的深度范围；红色圆圈为主震后余震前大于4级的余震，黑色圆圈为余震后至2015年12月前大于4级的余震；品红色直线为穿过主震两个破裂空区并与其上部地形形成比较的剖面，此剖面单独绘制于图10；右上角插图为主震滑动空间分布(黑色等值线)和余震滑动空间分布(白色等值线)与InSAR LOS形变量分布的比较图。

三、应用效益及前景

本研究培养了大批年轻科研人才，充实了地震大地测量监测与研究的科研队伍，强化了科技创新能力。

本研究共发表论文16篇，其中5篇发表在SCI检索的国内外刊物上，2篇发表在EI检索的国内外刊物，9篇发表于核心刊物,得到国内外同行的关注与好评，论文引用达50次。