1 研究背景

大地形变测量用于中长期强地震预测预报取得了较好的研究成果。1975年海城地震成功预报，形变观测的中短期异常也起到了重要作用。随着观测技术的发展，各种观测手段研究力度加大，地震形变监测设备不断更新，观测精度不断提高，由当初的10^-5—10^-6提高到目前的10^-9—10^-10，不仅可观测到日月引力引起的固体潮形变信息，并可发现某些3级左右地震的前兆形变异常，但对于给出具有减灾实效的强震预测，仍无令人满意的进展。吴翼麟等（1993）研究指出，地震形变前兆存在时间有序和空间配套特征；薄万举等（2005）利用这一特征给出了较好的强震年度预测实例；王慧玲等（2017）用InSAR资料给出了汶川地震前震中区快速隆起的剖面图像。多次强震前曾发现巨幅形变异、大面积形变异常、震前预滑移、预破裂等，还有静地震、无震蠕滑等不同的研究成果，均与地形变观测相关，预示着研究强震前可能存在的巨幅形变异常有重要意义。综合各方面的研究成果，找出共性特征，探寻对强震前地形变异常监测的新方案、新思路和新方法，是本文研究的主要目的。

2 概述

简要回顾我国强震预测实践过程，收集大面积形变、断层形变、地倾斜、InSAR等手段用于地震监测、预测的研究实例和成果，综合分析认为，强震前震中区附近存在与震源空间尺度相当的大幅度快速地面隆升，提出监测、捕获大幅度快速地面隆升信息的监测方法和方案。建议在人口稠密的重点防御区布设低精度、高密度、大量程的简易地倾斜观测网络，并给出严密推导的数学计算公式，可结合群测群防、大数据处理，及时给出不同时段的地倾斜动态演化场，为未来强震活动的监测和预测指出一个新的探索方向。

3 研究结果 3.1 强震前震中区附近长期异常隆升变形

利用多年大面积水准复测资料可监测到地面的异常隆起信息。本文收集的资料显示，1975年海城M_S 7.3地震前、1976年唐山M_S 7.8地震前、1989年大同M_S 6.1地震前、2008年汶川M_S 8.0地震前的大面积水准复测资料通过数据处理，均显示在震中区附近存在较大范围、较长时间的地面异常隆升变形。

3.2 强震前巨幅形变异常

多年的地形变与地震预测研究发现，1976年唐山M_S 7.8地震前、1996年丽江M_S 7.0地震前、1998年张北M_S 6.2地震前、2008年汶川M_S 8.0地震前，均在震中区附近存在中短期巨幅形变异常。

3.3 强震前震中区附近数十千米范围内大幅度的地面快速隆升

理论推测和经验总结倾向性认为，水准测量显示的震前震中区附近地面隆升异常是一个较长时期的平均值，地壳运动（地壳形变）是非线性的物理变化过程，在长期隆升过程中肯定不是均匀的，一定有快有慢，甚至会有反复，那么一定存在短时间快速隆起时段，这个快速隆升时段一定位于或者接近强震发生的临界阶段，空间位置应在孕震体附近。汶川地震前的InSAR资料研究结果支持了这一推测和观点，汶川地震前地倾斜资料给出的异常也支持强震前震中区附近存在巨幅形变异常的观点。这对强震前地形变异常监测方案的制定有重要参考价值，渴望通过适当的监测方案，捕获强震前震中区附近地面快速隆升的异常信息，从而给出具有减灾实效的强震预测、预报意见。

3.4 新监测方案的提出与初步论证

要发现强震前震中区附近因地壳应力增强引起大幅度地面快速隆起异常的配套特征，需在孕震体的空间尺度（至少在震中区方圆几十千米）内布设多个测点，才有可能捕捉到理想的时间有序和空间配套的形变异常特征。

3.4.1 监测方案

研制大量程、低精度的简易地倾斜观测仪器，结合群测群防，布设在人口密集重点防御区的街道办、居委会、学校的相关房间里，可沿房间南北墙和东西墙布设挂壁式水管倾斜仪，由居委会、街道办、学校各出一个地震群测群防观测员，经简单培训，负责每天向数据中心报送一次观测数据（可借用普通手机拍照或短信传送形式定时自动报送），通过海量大数据处理系统，可自动给出不同时段内（如每日、每周、每月、每半年、每年等）地倾斜空间分布序列图，用于监测、判断未来可能发生强震的时间和地点。

3.4.2 原理及数据处理模型简述

如图 1所示，圆ONE表示地平面在倾斜前的单位圆，圆One表示地平面在倾斜后的单位圆；设ON方向为1方向，OE方向为2方向，两方向相差90°（这一条件在房间里沿墙布设自然满足）；设P₁P₂为单位圆倾斜的旋转轴，则沿方向1可观测到倾斜分量$\widehat{\mathrm{Nn}}$（即地倾斜引起单位圆N点旋转的弧长，一般以弧度或角秒为单位，下同）；沿方向2可观测到倾斜分量$\widehat{\mathrm{Ee}}$，则可以证明，地倾斜合矢量的大小及其与方向1的夹角α为

$\widehat{\mathrm{Aa}}=2 \sin ^{-1} \sqrt{\sin ^2 \frac{\widehat{\mathrm{Nn}}}{2}+\sin ^2 \frac{\widehat{\mathrm{Ee}}}{2}}$

(1)

$\alpha=\tan ^{-1} \frac{\sin \frac{\widehat{\mathrm{Ee}}}{2}}{\sin \frac{\widehat{\mathrm{Nn}}}{2}}$

(2)

考虑房屋南北墙一般并不在正南北方向，设ON方向的方位角为β（β = 0为正北方向），则倾斜方向的方位角应为α + β。

约定某方向上的地倾斜观测值下倾为正，上仰为负；考虑到反正切三角函数主值及其与地倾斜合矢量正值方向方位角象限变化的关系，式（1）、（2）可表示为如下形式

$\widehat{\mathrm{Aa}}=2 \sin ^{-1} \sqrt{\sin ^2 \frac{\widehat{\mathrm{Nn}}}{2}+\sin ^2 \frac{\widehat{\mathrm{Ee}}}{2}}$

(3)

$\alpha=\frac{\pi}{2} \mathrm{ABS}(\mathrm{SIGN}(\widehat{\mathrm{Nn}}))(1-\operatorname{SIGN}(\widehat{\mathrm{Nn}}))+\beta+\tan ^{-1} \frac{\sin \frac{\widehat{\mathrm{Ee}}}{2}}{\sin \frac{\widehat{\mathrm{Nn}}}{2}}$

(4)

当x很小时，sinx≈x，sin^-1x≈x；通常$\widehat{\mathrm{Nn}} 、\widehat{\mathrm{Ee}} 、\widehat{\mathrm{Aa}}$角度均较小，则式（3）、（4）可变为如下形式

$\widehat{\mathrm{Aa}}=\sqrt{\widehat{\mathrm{Nn}}^2+\widehat{\mathrm{Ee}}^2}$

(5)

$\alpha=\frac{\pi}{2} \mathrm{ABS}(\mathrm{SIGN}(\widehat{\mathrm{Nn}}))(1-\mathrm{SIGN}(\widehat{\mathrm{Nn}}))+\beta+\tan ^{-1} \frac{\widehat{\mathrm{Ee}}}{\widehat{\mathrm{Nn}}}$

(6)

式（2）中ABS(x)为取x绝对值函数；SIGN(x)为取x的符号函数（x＞0，取1；x = 0，取0；x＜0，取-1）；α即为观测的地倾斜合矢量的倾斜方位角，$\widehat{\mathrm{Aa}}$为合矢量大小（下倾）。注意，这里的倾斜量$\widehat{\mathrm{Nn}}$、$\widehat{\mathrm{Ee}}$是带有正或负号的地倾斜分量，而合矢量永远是正值。给出式（3）—（6）的形式是为了便于大数据处理的编程计算。

有了空间密集分布的地倾斜观测，借助于大数据计算给出地倾斜矢量的方向和大小，即可绘制不同时间段内地倾斜矢量场的空间分布图（与绘制GNSS水平矢量场相同），用于判断未来可能发生强震的时间和地点。

4 结束语

大范围（几十千米尺度）的大幅度异常隆起与强地震的孕育发生存在着必然对应的关系。尽管地球表面是自由平面，地壳虽然具有一定弹塑性，但其自重受重力约束，当其厚度达5 km以上时则具有一定刚性特征，若无足够强的压应力和应变能量的积累，则不可能引起几十千米尺度的地壳快速隆升，一旦出现快速隆升，强地震也该发生了。对于纯走滑型地震，主要是剪切走滑形变引起的能量积累，在整个走滑断层上积累了剪切形变能量。但其初始破裂一定发生在断层走滑运动遇到较大阻碍之处，如障碍体，剪切运动遇到障碍体也以挤压力增强形式表现出来。沿断裂可能分布多处障碍体，因此将有多个挤压隆起沿断裂分布，只要达到破裂强度则会出现快速异常隆起，继而产生始发破裂而发震，并将触发一系列继发破裂。