地震大地测量学观测数据

1、地震大地测量学观测数据¾地球科学新信源、动力学内涵与复杂性周硕愚* 作者简介：周硕愚，男，1937年生，研究员、博导，长期从事大地测量与地球动力学、地壳形变与地震预报研究。E-Mail: cwhezsyw2007中国地震局地震研究所（地震大地测量重点实验室），武汉，430071【摘 要】本文基于对地震大地测量学观测数据特性的分析，对某些观测手段与大震震例动力学内涵的初步解读，阐明地震大地测量学是现今地壳运动，大陆动力学，地震动力学，地震科学和地震预测等当代地球科学前缘研究不可缺失的新信源。然而，前人未能获得的科学新信息往往内蕴于相互作用导致的复杂性之中。在大力发展新技术的同时，还必须

2、以地球系统科学-地球动力系统的新科学理念，促成多门学科和不同方法论的结合互补，方能深入挖掘此宝贵金矿、理解内蕴信息，进而建立更符合大自然实况的科学模型，扎实地促进地震预测。1 地震大地测量学观测数据的新颖性和丰富复杂的动力学内涵1.1 地震大地测量学观测数据的新颖性地球科学本质上是观测学科。但它所属的各种学科，由于其侧重目标和观测方式的不同，必然导致所获观测数据具有不同的特性。例如，地震大地测量学具有独特的观测频率域（102年10-2秒）。又如，同源于大地测量学的以测绘为目的的大地测量学和以地震为目的的地震大地测量学其观测数据除具相同特性外，还具有某些鲜明的不同特性。前者准动态、采样间隔稀疏（

3、数年以上）、10-6的相对观测精度一般即可满足其基本要求；而后者则要求高密集采样（月、日、时、分、秒及秒以下），长期连续监测（数年至数十年），相对精度应达到10-710-11，在某些地域要求空间采样也需具高密度，且要求监测系统不仅能观测地表变化，还能在一定程度上探測地下和高空的相关变化。地震大地测量学以现代大地测量学理论和高新技术为基础，以观测现今构造活动微动态、地震动力环境变化和地震孕育发生的动力学过程为目标，在近数十年中发展起来的新兴交叉学科，其观测数据具有新颖性和不可取代性（周硕愚等，1994、1999，2002，2008；吴云等，2008；赖锡安等，2004；姚运生等，2008）。主要

4、体现在：（1）连续揭示地壳运动的现今时间过程（10-2秒102年）及其宽阔频率域在一定程度上填补了地震学与地质学及地貌学之间的空白域，且其高频部分正在逐步与地震学衔接。揭示出此“处女地”（地球科学观测空白域）中过去未能认知或无法定量的多种自然现象。从而开拓了现今地壳运动观测与动力学研究新领域。促进地震学、大地测量学与地质学的结合。长时间尺度（如万年、百万年、数千年）的地学研究需要现今尺度的观测来验证；与人生寿命相当的现今尺度连续观测是应对当代人类生存发展难题（减灾、环保、公共安全）之必须。（2）从全球到定点、从地壳表面至深部与高空，多种尺度与层次的主动观测（探测）观测具有主动性，可设计与可实现

5、性。从全球板块至板内亚板块、各等级的活动地块、各等级的边界带和断裂带、地块内部和断裂带细部，直至某一定点，均可实施连续动态监测。立脚地壳表面还可对地下（中下地壳、上地幔、壳-幔边界、幔-核边界）和高空（对流层、电离层）的介质物性实施一定程度的连续动态探测；增添了固体地球物理学与高空地球物理学探测手段。（3）在严谨参考系中精确测定各子系统、各基元的相互关系和空-时（频）整体演化精确性与可评价性原是大地测量学科传统优势。更由于GNSS、卫星重力、绝对重力等新技术和ITRF（国际地球参考框架）、大地水准面以及多种不同用途的相对参考框架，如中国大陆整体无旋转基准（杨国华，江在森等，2005；江在森，刘

6、经南，2010）、以某地块或某区域为基准等）的研发。从而可实现以不同尺度和不同分辨率，精确地研究各子系统、各基元间的相互关系和在空-时（频）域内的整体演化。在地球科学迈入地球系统科学新时期的21世纪，此特性对综合多地域和多学科交叉的新研究域，如地震科学、大陆动力学、“复杂系统、灾变形成及其预测控制”等的研究具有不可忽视的意义与价值。1.2 有别于测绘的地震大地测量观测数据内涵与误差理念为不同目的采用不同观测方式所获得的观测数据，必然具有不同的内涵和不同的误差理念。以测绘为目标的大地测量学的主要任务是建立控制网，而计量的主要任务是检验产品质量是否符合设计标准。因而他们主要关心的是目标值（如长度、

7、直径等）的精度。对目标值的测量（或计量）是在一个短暂的时间（如小时或几天）内完成的。目标值的真值被认为是静态的不变的某一恒定值，或一个设计值。认为误差来源于测量仪器、观测员和外界条件。对观测值的理解是：观测值=目标值+系统误差+偶然误差+粗差 （1）这种理解是符合测绘和计量工作的实际和需求的。以地壳运动和地震为目标的大地测量学地震大地测量学的主要任务是通过动态连续观测，揭示现今构造活动微动态、地球内外动力环境变化和地震孕育发生的动力学过程。因此对地震大地测量学观测数据内涵和观测数据误差的理解，与测绘和计量有所不同：（1）观测值是具有多种动力学内涵，结构复杂的时变函数观测值不是一个数值，而是一个

8、过程（一般在数年以上），是一个未知的有待理解的具有多种动力学（物理学）含意的时变函数f（t）。f（t）是对外界多种动力源发出的多种激励信号的综合响应，它具有较宽的频域（其采样间隔约为10-2秒 至数年）和复杂的结构（如准线性、非线性、周期性、波动性、暂态事件、自相关、互相关等）；（2）将“系统误差”理解为观测系统对动力因子激励的响应更为适宜外界条件不仅是误差来源，更确切的说是动力来源（激励信号源）；企图通过持续观测揭示外界条件随时间的变化正是地震大地测量学的目的。因此地学环境条件变化导致观测值的变化不宜作为系统误差理解，实际上它们反映了大气圈、水圈、宇宙天体和生物圈（含人类活动）的诸种动力学因

9、子对岩石圈（或地壳）的作用以及岩石圈（或地壳）对这些作用的响应。例如年周变（季节变）、日周变、固体潮汐、水库水荷载变化引起的形变等，显然将它们理解为某种动力学过程和对动力学过程的响应，要比理解为误差更为合理。这种貌似“系统误差”的变化，既有可恶的应该加以消除的一面，但反过来又有能提供新信息的宝贵的一面。例如可以利用GNSS观测值中诸种相对于定位目的而言的“系统误差”来探测电离层和对流层中介质参量的变化、分析与地震有关的波动信号，；发展出“GNSS电离层学”、“ GNSS气象学”、 “GNSS地震学”和“GNSS固体潮”等，开拓新的动力学信息源。又如可以利用地应变、地倾斜和相对重力台站观测值中诸

10、种相对于地应变、地倾斜和重力变化目的而言的“系统误差”，来探测地下介质物性随时间的变化（应变、倾斜和重力潮汐因子；勒夫数）、获得有用的地表年周变（季节变）定量过程等。当然观测值中也包含着由观测系统本身可能产生的系统误差，如GNSS观测中的框架晃动，共模误差；形变台站观测中的仪器零漂、格值不准等。（3）粗差有可能是信息（小概率的地球动力学暂态事件） 按大地测量学的传统观念粗差是应坚决舍去的。但对地震大地测量学而言，粗差也有可能是信息。例如，同震形变可以引起记录曲线的阶跃，仪器系统对地震波的响应可以引起大幅度的波动（同震振荡），而某些非线性加速、突跳和群发性突跳也不能完全排除是短临前兆（如预滑动、

11、与地震成核相应的临界变形过程）的可能，它们均有可能出现大于3的变化。必须区分粗差和显著的动力学暂态事件，不能简单化地一概删除。（4）目标值是映射与地球内部动力和物性有关的多种参量时序的集合目标值不是不变的确定量，而是一个时间序列。不是一个参量时序，而是多个参量时序的集合。基于研究和监测预测的实际需要，可从集合中选择某一参量时序作为目标时序。如GNSS的目标时序，可以是某点在ITRF地球框架中的坐标（取决于人造卫星至测站的距离），也可以是外空电离层电子浓度的变化、地球内部的固体潮汐、对同震位错响应、地震激发的波动、等。地壳应变、地倾斜和重力的目标时序可以是地球固体潮汐半日波（M2、S2、N2）、

12、周日波（O1、K1）和地下介质勒夫数（h、k、l），也可以是趋势性变化，地表年周变（季节变），大（强）震前的临界暂态波动等。断层形变的目标时序可以是趋势性形变、也可以是各种蠕变事件和蠕变波动、临界预滑动、同震位错、震后余滑等。一般通过模型改正或滤波等途径，删去、削弱其它参量时序成份，保留、突出选定的参量时序成份。（5）偶然误差是观测偶然误差和模型偶然误差的组合偶然误差不仅来至测量误差，还包括各种改正模型导致的误差。（6）对地震大地测量学观测时序内涵的理解：观测时序 = 地球内动力响应+地球外动力响应+观测系统误差+粗差（或动力学事件）+偶然误差 （2） 可见地震大地测量学与经典大地测量学在数据

13、处理上，除了共同关注目标值精度（均方差或标准差）外；前者还有新的独特要求，即“理解”（理解观测值的物理构成，各成份的相互关系及其动力学意义）和“预测”（建立现今地壳运动模型，预测未来变化，并在预估正常变化的基础上识別异常变化；持续推进地震预测和防灾减灾的科技进步）。它们都是地震大地测量学必须直面的问题。小结：设置在地球内外圈层界面地壳浅表层中的地震大地测量学监测系统，由于有着不同于传统大地测量学的一系列特色：更高的精度、高密集采样、甚宽频带、长期动态持续监测、地壳与地球内外多圈层动力学耦合等，因而其观测数据内涵与结构均十分复杂。地震大地测量学观测数据新颖性的价值主要体现在其动力学内涵。而内涵的

14、地球动力学（大陆动力学、地震科学等）和地球系统科学（地球动力系统）新信息与观测数据的复杂性又紧密相连，往往互为因果，相反相成。1.3 观测站（监测系统基本单元） 一个多输入单输出的复杂信息系统 地震大地测量学的监测系统尽管门类门繁多，较为复杂。然而位于地球系统内、外圈层交界面地壳表层并按某种时间间隔采样的观测站（包括定点台站和流动复测点）是监测系统的基本单元。它可以是空间大地测量的GNSS站，或动力大地测量和几何大地测量的形变站，也可以是物理大地测量的重力站、等。观测站所获取的时间序列f（t），是组合生成多种空、时、频域动态图像和建立各种模型的基本信息单元。通过对观测站时间序列f（t）的审视，

15、就可基本了解观测数据复杂性与动力学内涵的关系。（1）地壳表层上的观测站及其环境一个感知地学信息的多层结构 图 1 观测站及其环境 一个感知地学信息基本单元的多层结构地震大地测量学的基本任务是通过动态连续观测，揭示现今构造活动微动态、地球内外动力环境变化和地震孕育发生的动力学过程。地震大地测量学监测系统就是感知（揭示）上述动力学过程时-空-频域现今演化的信息系统。观测站与周围环境则是信息系统的基本单元（基元信息系统）。它具有多层次的结构，如图 1所示。其核心是观测系统，包括：观测仪器（传感器灵敏度、频带宽度、长期稳定性等）、观测条件（基岩性质、洞室、钻孔、基墩、标石等）和技术管理等构成。观测站的

16、地理环境，包括：地质、地貌、气象、水文、植被、人类活动等。观测站的感知（动态监测）目标是，以观测站为中心的一定范围的构造环境和一定深度的地体环境；它们的微动态变化过程，正是我们期望获取的信息。但其量级往往很小，很容易被干扰，甚至被淹没。观测站获取信息的能力，取决上述多种元素集和关系集的综合作用。观测仪器先进，技术管理水平高固然是前提；但若观测条件不佳、邻近地理环境不佳或遭到人类活动破坏，导致强干扰，则会极大地降低信噪比，使感知范围缩小，感知能力降低。由于“大陆岩石圈是一个不均一、不连续、具有多层结构和复杂流变学特征的综合体”（许志琴，2006），观测站可感知的构造空间范围与地下深度很难简单地确

17、定，往往有待在实践中逐步认知，且它们也可能随时间有所变化（如地球动力学大事件、地震大形势、地震孕发过程等）。多种观测系统（站、网）整体互补是提升感知能力与信噪比的有效途径。（2）观测站 一个多输入单输出的复杂信息系统图 2是位于地壳表层上的地震大地测量观测站，一个多输入单输出的复杂信息系统示意。观测站系统Sob可表示为： Sob = A，R （3）A表示观测站系统Sob所包含的元素集合，即观测仪器（传感器灵敏度、频带宽度、长期稳定性等）、观测条件（基岩性质、洞室、钻孔、基墩、标石等）和技术管理的集合。R表示元素之间相互关系的集合。观测系统Sob是由它的元素集和关系集共同决定的。由于观测站系统位

18、于地球系统的内、外圈层界面地壳表层上，它自然要受到多种内、外动力因子的综合作用，表现为多种动力因子U1（t）、U2（t）、U3（t）、U4（t）、U5（t）、U6（t）等对观测站系统Sob的输入（激励）：U1（t）表示岩石圈现今构造运动与变形的动力作用（板块，板内块体，边界带，断裂带、应变-应力场等）；U2（t）表示地球深部流变、热传导与物质运移的动力作用（软流圈、地幔对流等）；U3（t）表示地球外部圈层（大气圈气温、气压、降水、台风、电离层活动等；水圈地下水、河川径流、冰雪等）的动力作用；U4（t）表示宇宙天体（太阳、月亮等）的作用；U5（t）表示人类活动（水库蓄水、工程建设、爆炸等）的作用

19、；U6（t）表示地球整体运动（自转速度、极移等）的作用。Y（t）是观测站系统对多种动力因子激励的综合响应，以一个单一的复杂的时间序列输出。台站系统X（t）：仪器与技术管理观测条件环境介质输入（激励）U1（t）岩石圈现今构造运动与变形的动力作用U2（t）地球内部流变、热传导与物质运移U3（t）表示地球外部圈层（大气圈，水圈）动力作用U5（t）表示人类活动 U6（t）表示地球整体运动（自转速度、极移等）U4（t）表示宇宙天体（太阳、月亮、星体、类星体）输出（激励）y（t）：观测值时序图 2 地壳表层上的观测站一个多输入单输出的复杂信息系统小结：位于地壳表层上的地震大地测量某手段观测站是一个多输入（

20、激励）和单输出（响应）的信息系统。观测值时序列Y（t）（或f（t）具有高度的复杂性，同时又内涵多种宝贵的动力学新信息，两者互为依存。这些映射大陆岩石圈现今地壳运动与变形地震孕发动力学过程的新信息，既是地球动力学、大陆动力学和地震科学不断创新发展的智慧源泉；但又只有下许多功夫，才能从复杂性数据中挖掘、识别、理解与应用。1.4 观测站时间序列的分解、模拟合成与理解如前所述，地震大地测量观测值时序内含着多种复杂的动力学因子。理解观测值时序究竟包含了哪些因子，它们的物理学和动力学意义及其相互关系，是正确应用其有意义信息的前提。即如何从长时程的、多种采样间隔的、宽频带的、混杂了地球内部和外部多种动力学因

21、子的、有噪声的、模糊的、随机的实际观测值时序中，提取隐含在其中的、我们事先不知道却又是有用的物理学和动力学信息。否则，虽然有海量般的数据累积，但我们依然是“坐在信息金矿上的窮人”。多种经典的或当代的有关时序研究的思路和数学方法均可供我们借鉴（杨叔子等，1991，1992；郭秉荣等，1996；刘秉正等，2004；Jiawei Han等，2006；金聪等，2007；孙义燧等，2009）。包括：时间序列分析（如ARMA、）、时频分析（如小波分析、）、盲信号分离技术（如独立分量分析，ICA）、地动信号源定位（如震源扫描算法，SSA）、非线性时序分析（如重构相空间、分维、Lyapunov指数、混沌时序分

22、析）和数据挖掘、大数据理论方法等。 地震大地测量学多年的实践表明，由于观测手段的差异，各观测站地理、构造和深部环境的差异，不同研究和预测目的之差异等，很难机械地套用某种现成方法，需要针对实况（研究目的、复杂的地体与动力学环境）灵活地构建。方法本身无优劣之分，符合该观测值时序实况，能满足研究目的的方法，就是好方法。在此提出概念性建议：（1）地震大地测量时间序列的频率分解频率较幅度、斜率等而言，似能更好地映射时序因子内涵的物理学或动力学性质，且已有不少可资应用的数学方法，故首选时间序列的频率分解。目前地震大地测量学时序的采样间隔大约是1年10-2秒。按采样定律： FC = 1/2T （3）T为采样

23、间隔，FC为截止频率。当T为1年时，FC =1/2*365*24*60*60s1.6075*e-8 Hz，即该时序频率域范围为1.6075*e-8 Hz，可视为近似零频，适宜现今构造运动微动态研究。当T为0.01秒时，FC =1/2*0.01 =50HZ，该时序频率域范围为50 Hz，已初步与地震学频率域相交叉。地震大地测量学时间序列的频率分解有两种途径： 在1年10-2秒范围内，视实际需要，采用不同的采样间隔（年、月、时、分、秒及其下），生成各种不同频率域的子时序； 使用各种时频方法和带通、低通、高通滤波方法直接分解观测值时序。周期T1年的成份，已基本滤去气压、气温、降水、台风、等气象因子；

24、地震及其前后短周期波动；蠕动、脉动、突跳等。基本能代表现今地壳运动的趋势性变化。目前已被确认的周期波动有：365天的年周变（季节变），24小时的日周变，它们反映了地球公转、自转过程中大气圈，水圈多种动力因子的综合作用。周期为23-25小时的多种地球固体潮汐，反映了月、日天体引力对地球介质的激励以及对这种激励的响应。还存在许多我们至今尚未认知的自然变化过程、周期与事件。而地球系统内外圈层动力学环境变化，现今地壳运动与地下物质迁移（流变）和地震的孕发过程则是我们期望从多因子交错混杂的迷雾中发现和提取的信息。（2）地震大地测量常态变化与异态变化的概念“常态变化”指的是在没有罕见的“动力学暂态事件”（

25、如与破坏性地震和火山爆发有关的形变、地球动力学大事件、人类活动强干扰、等）影响的条件下，所产生的“正常变化”。也可以理解为是在地球“动力学定常状态”因素制约下发生的变化。它具有大概率，能反复发生，可定量划刻其过程并能在一定误差范围内（以一定的分辨力）模拟并预测其未来变化。另一种更粗略的理解是排除了“动力学暂态事件”后的长时段平均（如多年时序平均等）。“异态变化”指的由罕见的“动力学暂态事件”（如破坏性地震、火山爆发、人类活动强干扰、等）所导致的“异常变化”。也可以理解为在地球“动力学暂态”因素激励出的变化，它是小概率事件（短暂过程）。“常态变化”和 “异态变化”具有相对关系，都是一种包含复杂因

26、子的时序过程。由于我们对前者认知较多，能以一定的分辨力建立定量模型，并演释（预测）未来变化；但对后者则认知甚微。因此建立“常态变化模型”，从观测时序中加以扣除，以实现常态变化与异态变化的分离，就成为我们目前的合理选择。（3）建立常态变化模型以识别异态变化的探索 f（t）= N（t）+ A（t）+V（t） （4）f（t）表示观测值时序，N（t）是观测值时序中内涵的常态变化，A（t）是观测值时序中内涵的异态变化，V（t）是随机变化。 N（t）= M1（t）+ S1（t）+ m +s （5）常态变化N（t）中一般包括现今地壳运动的趋势性变化M1（t）；多种周期性变化如年（季节）变、日变，固体潮汐等；

27、还应根据不同观测手段实况考虑耦合关系¾互相关m如对流层、电离层、地形效应、气象因子等以及时序本身的自相关s 。在时序长度足够的前提下（5）式是可以用一定的数学形式定量表达并实际建立的。 f（t）- N（t）= A（t）+V（t） （6） 从观测时序f（t）中扣除常态变化模型时序N（t），即可获得在一定误差背景内的异常变化时序A（t）： A（t）= M2（t）+ S2（t）+ C（t） （7）经验表明异常变化时序A（t）通常包括非线性特征强烈的趋势性变化M2（t）（如明显偏离继承性构造运动和强震前夕预滑动等非线性变化）；S2（t）可能包括多种频道内我们至今尚未认知的周期或准周期波动，特

28、别是强震前和后的一些机理不明白的波动、地震激起的波动以及非地震动力（如台风等）激起的扰动；C（t）可能包括同震位错、强震前和后的某些非周期暂态事件、机理不明的突跳、脉动等。地壳时刻不停地在运动变化着。N（t）映射由动态观测信息系统所获得的大概率过程（正常变化）；A（t）则映射地壳运动的小概率过程或事件（异常变化）。设某事件（或过程）为Ai，它一旦出现其携带的信息量为I（Xi）：I（Xi）= Log （8）信息量是事件（或过程）出现概率倒数的对数。即事件的概率越小，若一旦出现（被认知），其信息量就越大。虽不能就此确定为地震前兆，但此异态也很有可能与地震孕发有关。“建立常态变化模型以识别异态变化”

29、的思路和方法，在不少场合已取得较好结果。但由于地震大地测量学时间序列的高度复杂性，尤其是对现今地壳运动和地震孕发机理认知甚少甚浅，因此仍是一种探索。1.5 地震大地测量学观测数据可能提供的基础信息（1）地球圈层与时、空、频域1)地球圈层：立足于地壳界面，精确测定现今地壳运动变形过程和重力场变化；探测并反演地球内部和外部各圈层介质物性变化与物质运移；2)空间域：由定点至全球；3)时间域：由10-2秒至数十年；4)频率域：由50 Hz至近似零频。（2）时间过程及其参量1) 地壳水平运动与垂直运动。包括：位移、速度、加速度、应变率，应变率变化；长趋势变化、线性变化、非线性变化、周期性变化、暂态变化等

30、；2) 现今构造活动（微动态）。包括：构造板块与边界带运动、大陆板内块体与边界带运动、断层系（网络、带、分段）运动、块体内部变形（应变、倾斜）等；3) 与地震、火山等灾害孕发及其后过程有关的运动。包括：非线性变化、预滑动、蠕变、静地震、慢地震、各种波动、颤动、突跳、位错、震后余滑、库伦应力场等；4) 对地震波的响应。以微位移变化的途径记录地震波，包括：地震破裂过程激发出的波动、同震位错等；5) 绝对与相对重力及时变；6) 地球内部介质物性（密度、各种固体潮汐因子、勒夫数）变化与物质运移；7) 电离层介质物性（电子密度、TEC等）对流层介质物性（湿度等）；8) 地壳缓慢变化（冰后回弹、海平面上升

31、等）9) 人类活动导致环境变化（如水库、滑坡、核爆效应等）（3）空间分布随时间变化图像 1) 现今地壳运动速度场、应变率场空间分布时变图像 2) 垂直形变场空间分布时变图像 3) In-SAR监控区内的三维地壳运动空间分布时变图像 4) 重力场空间分布时变图像 5) 地壳面下不同深度密度场空间分布时变图像 6) 固体潮汐因子与勒夫数空间分布时变图像7) 电离层电子密度空间分布时变图像（4）频谱结构空间分布随时间变化图像 1) 震源区、近源区及远源区连续形变频谱结构时变图像 2) 不同断层网络及断层不同分段断层形变频谱结构时变图像（5）连接，理解不同地域自然现象变化关系的参考系族 1) 大空间尺

32、度地壳运动参考系：ITRF全球参考系、相对于欧亚板块参考系、中国大陆内部整体无旋转基准等；2) 局部空间尺度地壳运动参考系：在ITRF全球参考系框架下实现基准转换的相对于某块体或某地域的参考系；3) 不同圈层、不同地域某些参量之间长期稳定的常态耦合关系；4) 各种相对于异态变化的常态变化动态基准；。基于地震大地测量学观测数据可能提供的基础信息，以地球系统科学为框架，通过多学科结合，作更深入的挖掘，理解与建模，必将源源不断地为地学基础研究（地球动力学、地球动力系统、大陆动力学、地震科学、地震动力学等）与应用研究（地震危险性评估、地震预测、预警等）注入宝贵的新信息，并持续推进它们的进步。而前者的进

33、步，又必然会强劲地促进后者的扎实前进；进而持续推进防灾减灾和公共安全的进展。2 地震大地测量学观测结果的启示动力学内涵及有关问题2.1 验证了板块学术又揭示出它难以解释的多种大陸形变与地震动力学现象 表1概括了经典的和经过改进的现代板块构造学术的主要论点。板块构造学说固然是一项全球整体活动的革命性的地球科学成就，但正如不少地质学家和地球物理学家所指出的那样，板块构造学说难以“登陆”，即难以直接解释大陆内部若干地质学和地球物理学现象。同样也难以直接解释近五十年来地震大地测量学的多种观测结果。基于空间大地测量（GPS、VLBI、SLR、DORIS等）对全球现今地壳运动的实测数据，先后建立了一系列的

34、板块运动模型，它们与地质学长时间尺度的板块构造模型，整体符合良好。如ITRF2000VEL与NUVEL-1、NUVEL-1A；NNR-ITRF2000VEL与NNR- NUVEL-1、NNR- NUVEL-1A整体符合较好（赖锡安等，2004）；又如ITRF2008与NNR- NUVEL-1A、NNR-MORVEL56整体符合较好（Z. Altamimi 等，2011，2012）等。现代大地测量学不仅以实际观测验证了板块构造学说，并揭示出从百万年至现今时间尺度演化进程中板块运动的整体稳定性。更具创新意义的是，地震大地测量学对中国大陆及其邻近地域的多年观测和研究，全景而又定量地揭示出板块学术无法

35、解释的多种现今大陸形变动力学与地震现象。按经典的板块构造学说，大陆（板块内部）应是均一的刚性体，不存在非均匀运动、变形与地震，变形与地震仅发生在板块边界带中。然而，地震大地测量学的观测结果表明，大陆内部大自然的实况十分复杂，大陆不是均一的刚性体，它具有亚板块（一级活动地块）、 块体（二级活动地块）以及更次级地块，即多层次的镶嵌结构。大陆内部边界带（断裂带）也不是单一的断裂面而是一组不同断裂的组合，并可能具有类似“分形（fractals）” 表 1 经典与现代板块构造基本原理比较 （Khain，1994；Dobretsov等修改，1998）（引自於崇文，2003）经典板块构造，1968现代板块构

36、造，1993（1）固体地球上部划分为脆性岩石圈与塑性软流圈（1）固体地球划分为岩石圈与软流圈，但前者已遭受分层（stratification）和变形，而软流圈的厚度和粘滞性在侧向发生显著改变（2）岩石圈划分为有限数目的大型和中等大小的板块。当板块沿着软流圈顶部彼此发生相对运动时，主要的构造，地震和岩浆活动集中在板块边界（2）岩石圈划分为大、中、小板块之间为由小板块银嵌而成的带，而大板块本身沿垂向和侧向是不均匀。大型活动集中在板块边界，然而即使在板块内部也有小范围的展现（3）岩石圈板块的水平运动服从Euler定理（3）大型和中等板块的水平运动跟从Euler定理，但小板块可能经历较复杂的运动（4）

37、注意到三类主要的相对板块运动（a）展现为裂谷和扩张的离散（b）展现为俯冲的碰撞的会聚（c）沿转换断层的剪切位移（4）注意到三类主要的板块运动：（a）展现为裂谷和扩张的离散（b）展现为俯冲、逆冲、质量沿侧向和剪切的挤压或呈深层贯入的会聚（c）沿转换断层的剪切位移、常伴有压缩（扭压）或应变（5）大洋中的扩张被沿其周边的俯冲和碰撞所补偿，而地球的半径和体积保持定常（5）大洋中的扩张不仅被俯冲和碰撞所补偿，而且也被其他过程（逆冲、剪切和挤压）所补偿，而地球的定常半径和体积问题则有争议（6）岩石圈板块的位移是由软流圈中对流运动作用下的拖曳所引起，对流是热对流而且包容整个地幔（6）岩石圈板块的位移不仅由对

38、流运动的拖曳引起，而且也由因重量增大（榴辉岩化作用）而使俯冲带变紧以及从洋中脊轴离开所引起。对流是多层而复杂的。（7）板块构造中未涉及几个极重要的地球动力学过程或被不适当地简化了（7）内生过程的周期性，板内变形和岩浆作用以及板块边界上过程的复杂性必须予以考虑 的结构。变形与地震不仅发生在欧亚板块与印度板块、太平洋板块、菲律宾海板块的会聚边界带，也广泛发生在大陆内部各级地块的边界带，甚致地块内部。大陆内部除不均一的刚性运动外，还存在着显著的变形，包括弹性、粘弹性和流变。大陆的深部以及表面都存在着物质运移，质量与多种物性参量的变化。大陆内部各块体、各断裂之间存在着强相互作用；上地壳与下地壳和岩石圈

39、地幔、和上地幔软流层之间存在着显著的动力学耦合；与地球外圈层（对流层、电离层）、日、月星体之间也存在着动力学耦合。在不同构造动力学环境件下，各大（强）地震孕发过程既有共性又有鲜明的个性。在各大（强）震之间具有相互作用与合作竞争。在多尺度的空间域、时间域和频率域内，现今地壳运动呈现出定态与暂态相结合的多姿多彩的复杂动态行为；映射出大陆岩石圈层层、块块和层块之间相互作用，动力学藕合的演化过程。这些现今时间尺度的全景定量新颖信息，对大陆动力学、地震动力学、地震预测与预报显然具有不可缺失的基础科学意义与应用价值。以下各小节，将宏观地初步研讨地震大地测量学揭示的板块学术难以直接解释的某些现今大陸形变与地

40、震现象及其动力学内涵。2.2 板块内部的不均匀运动与急待发展的“大陆现今形变动力学”20世纪90年代以来，基于GPS(GNSS)动态实测数据，在建立中国大陆速度场和陆内块体现今运动学模型方面，取得了逐步深入的令人瞩目的进展。构建的观测站数量由初期的20余个，扩展到数百以至千以上的观测站，模型越来越精准（周硕愚张跃刚等，1988；朱文耀等2001；Wang，Q等，2001；刘经南等，2002；王敏等，2003；黄立人等，2004；李延兴等，2004；江在森等，2010）。从仅考虑中国大陆、块体的刚性运动模型（球壳面上的平动与转动）到添加了变形项的改进型模型（顾及到球壳面上的弹、塑性变形）（李延兴

41、等，2001，2003）。从ITRF参考基准，欧亚板块基准，到中国大陆整体无旋转基准（杨国华等，2005；江在森等，2006）以及多种有利于揭示局部变形与地震效应的相对基准。难能可贵的是，这些由不同作者先后建立的中国大陆速度场和陆内块体现今运动学模型，彼此之间尽管有粗细之分，然而在整体上是能相互验证的；与地质学、地球物理学的相关研究成果相比较，虽然反映的时间尺度不同，在整体上也是能相互验证的。因此可以认为地震大地测量学建立的刻画中国大陆及其内部块体的现今运动学模型整体上是可靠的。模型填补了地壳运动中的现今时间段的空白域，并以前所未有的高度定量化的形式出现，既能归纳越来越多的观测据，又可演释中国

42、大陆内任一地点的现今地壳水平运动。由GPS（GNSS）实际测定的大陆现今地壳运动速度，包含有多种信息成份：V = V1 + V2 + V3 + V4 （9）V1 为岩石圈在软流圈上的整体刚性运动；V2为地壳的变形（岩石圈浅部运动受到阻抗产生的弹性形变以及与深部物质运移、上涌有关的变形）；V3为地壳对地球外部圈层及天体动力作用的响应，例如周年季节变化、固体潮汐等；V4为与地震（小概率的动力学暂态事件）有关的局部地壳形变（震前、震时与震后）。因此GNSS既可提供映射深部动力过程的运动信息（V1）；又可提供映射浅部阻抗动力过程的变形（V2）；还可开拓GNSS固体潮与勒夫数，GNSS电离层与对流层，G

43、NSS地震学、地震形变动力学等（V3和V4）多种新信息域。生动地体现了复杂性与内蕴的多种动力学新颖信息的统一。通过适当的数据处理可以滤去V3和V4，进而建立反映地球内部动力过程的中国大陆现今地壳水平运动的常态模型：V = V1 + V2 （10）图 3展示了以全球ITRF框架为参考系的中国大陆水平运动速度场，它包括了欧亚板块、中国大陆整体和中国大陆内部各部分的刚性运动与变形。突出反映了欧亚板块向东偏南运动和印度板块向北偏东运动的共同作用，但各局域之间的差异被掩盖。 图 3 相对于全球ITRF2000框架的中国大陆水平运动速度场（据李延兴，2003） 图 4展示了以欧亚板主导部分为参考系的中国大

44、陆水平运动速度场。由于欧亚板块整体的刚性运动已被扣除，显示了中国大陆的刚性运动和中国大陆内部的变形。速度矢量的量值（模）己大为减少，矢量的方向也发生了变化，展现从西部至东部的逐渐变化，即由NNW到N再到NNE、NE、NEE、EW、EES以至ES方向，在南北构造带（地震带）的南部甚至转为NS、SSW方向。突出反映了印度板块对欧亚板块的俯冲碰撞对中国大陆地壳运动产生的显著作用。由于中国大陆整体的刚性运动未被扣除，掩盖了太平洋板块、菲律宾板块的作用。图 5 展示了以中国大陆整体无旋转基准为参考系的中国大陆水平运动速度场。由于在扣除欧亚板块整体的刚性运动后，又扣除了中国大陆整体的刚性运动，突显出中国大

45、陆内部不均匀的相对运动与变形。矢量的量值（模）更为减少。与图 4比较，矢量的方向在中国大陆西部基本无变化，仍表现了印度板块俯冲碰撞的主导作用。但在东部，矢量方向则产生了明显变化，显露出太平洋板块向西俯冲和菲律宾板块向西北俯冲（台湾东部仰冲）对中国大陆东部的作用：东北地块内出现了由西向东的运动；华北地块内由ES向转为WS向运动（在华北地块与华南地块的边界带上还出现向NS向运动）；华南地块内由ES向转为了SSE向，甚至一些NS向运动。图 6 是地质学研究给出的0.78Ma以来中国大陆的新构造运动（据 Tianfeng Wan ，2011）。 图 4 相对于欧亚板块的中国大陆水平运动速度场（1999

46、-2007，据王敏，2009）图 5 整体无旋转基准框架下的中国大陆水平运动速度场（据江在森，2006）图 6 中国大陆新构造运动略图（0.78Ma以来）（据 Tianfeng Wan ，2011）综观上述结果，可以看出GPS（GNSS）观测图像（图 3，4，5）能直接揭示出板块学术难以解释的现今大陸形变现象，为“现今大陸形变动力学”的发展提供新的基础信息和定量的模型约束：（1）欧亚板块内部的运动不是均一的，它包括运动方式互有差异的各局部大地域；中国大陆的整体运动与欧亚板块的整体运动有一定相似，但又不相同，存在有明显差异；（2）中国大陆内部的运动也不是均一的，除整体运动外，其内部存在着运动方式

47、互有显著差异的各个区域（如西部与东部、东部之北部、东部之南部以及板块边界带）。 这些差异既来自反映深部过程的刚性运动，也包含岩石圈浅部的变形；前者的量值显著地大于后者，而且两者之间也存在动力学耦合，总体上前者制约着后者；（3）岩石圈板块边界力印度板块、太平洋板块及菲律宾板块与欧亚板块的相互作用，是中国大陆地壳运动与变形的主要动力源。图 5是其直观生动的映射，印度板块的俯冲碰撞控制了中国西部的地壳运动，对东部（如华南地块）也有一定影响。华南地块、鄂尔多斯地台的坚固阻挡，既限制了印度板块动力作用的东进并迫使其向南转折（此种“构造逃逸”至今仍在继续），又造就了中国内陆最大最强烈的南北地震带。中国东部

48、之北部显示了由东向西的运动，似可理解为太平洋板块以较缓角度从海沟处俯冲入中国东部岩石圈的内陆，可能直达鄂尔多斯地台的北边缘与东边缘，也使东北有深震发生。中国东部之南部的运动依然显示出指向东南方向，似可理解为菲律宾海板块以较陡角度俯冲甚至返折为仰冲（台湾东部，马里亚纳海沟），因而未能深入到中国大陆内部，动力作用局限于边缘地带，大陆内部也无深震。（4）图 4、图 5粗略地直观显示了：中国大陆现今水平运动速度场及应变场的空间分布；中国大陆各部分现今构造运动强烈程度和地震危险性的空间分布；印度板块、太平洋板块、菲律宾板块对欧亚板块作用的主要动力源意义。基于空间等新技术的地震大地测量学是发展和建立“现今

49、大陆形变动力学”和“ 现今大陆地震动力学”不可缺失的基石。（5）GPS（GNSS）观测给出的相对于欧亚板块的中国大陆水平运动速度场，与地质学研究给出的中国大陆的新构造运动整体符合良好（见图 6），可视为数年至10年的现今运动与近百万年来地壳运动的平均状态整体符合良好。说明至新构造运动以来，中国大陆的地壳运动保持着整体稳定和有序状态，现今地壳运动是新构造运动（现代地壳运动）的延伸与继续，两者基本的动力学状态一致。（6）地表构造运动图像应是深部软流圈、地幔对流、地核等动力作用某种程度的映射。中国大陆（板块内部）地表构造运动图像（如图 4、图 5）显然比板块运动图像复杂得多。许志琴等指出“大陆岩石圈

50、是一个不均一、不连续、具多层结构和复杂流变学特征的综合体”，“愈来愈发现运用经典的板块理论很难解释大陆地质，对引起大陆变形相关的地球深部过程仍然无从知晓”， 通过现代大地测量的新观测技术“对大陆变形的精确测量，揭示动力学机制，无疑是大陆动力学研究的一个新起点，具有全球地学科学的先导意义”（许志琴，2006，2009）。正如无论什么样的地幔动力学模型都必须能够解释板块运动一样；无论什么样的大陆动力学模型都应当能够解释大陆现今地壳运动的定量观测结果。因此地震大地测量学对中国大陆现今地壳运动和重力场的定量观测结果应是大陆动力学模型最基本的约束条件之一。（7）中国大陆内部不均匀的多样的地壳形变，导致应

51、变（应力）场的不均匀分布、地震潜在震源和震源的不均匀分布、各个大地震构造环境与孕发过程的差异性、地震预测的复杂与困难性。（8）通过地震大地测量详实而又精确的观测，全面获得中国大陆现今形变新信息，加速形成“大陆现今形变动力学”（present-day continent deformation dynamics）。对大陆动力学和地震科学，地震动力学具有重要的科学基础意义；对地震预测与防震减灾具有夯实基础促进持续发展的不可缺失的作用。2.3 能否套用全球板块建模方法建立大陆内部活动地块模型 GNSS结果的深、浅部动力学意义全球岩石圈具有不连续的结构，由多个相互作用的活动板块镶嵌而成，可用长时间尺度

52、的地质-地球物理学结果，也可用大地测量学现今实测数据建立运动模型。建模的地球物理前提是固体地球上部在垂向上可以分为物性不同的两大圈层刚性岩石圈和塑性软流圈，岩石圈驮在软流圈上并受其拖曳而运动；多个镶嵌的岩石圈刚性板块构成了地球表面，板块之间以离散带（海岭）、汇聚带（海沟、大陆碰撞）和转换断层为其边界带；板块运动的驱动力来自地球内部，可能是地幔对流。经典力学已证明：定点转动刚体的任何有限位移（平移与转动）等效于绕通过某定点的某轴的一次转动，可用欧拉运动学方程(Euler，s kinematical equations )来定量刻画。因此刚性板块在地球表面的运动可视为绕地球质心某固定点的转动这恰与

53、以地球质心为原点的GPS（GNSS）坐标系（国际地球参考框架ITRF）相对应。基于实际观测获得的在一定时间间隔内的多个站点的水平运动速度，顾及经度、纬度、地球半径等参量，就可用求出三个欧拉角（Aurelian angle），从而建立板块运动模型： （10） 从20世纪80年代以来，基于GPS（GNSS）观测所建立的全球板块运动模型（如ITRF96、ITRF97、ITRF2000、ITRF2008）与地质-地球物理学模型整体符合较好，被认为是较为成功的，获得了科学界较普遍的承认。尽管驱动全球板块运动的动力源，尚在探索中，认识正在逐步深化，如由初期的“被动对流”论，演进到“主动对流”论， (For

54、syth and Uyeda,1975;Zoback et al.,1989），由“双层对流模式”发展到“单层对流模式”（Mattauer, M.,1999 ）等。然而板块运动的主要动力来至地幔对流依然是科学界的基本观点。位于欧亚板块东南隅的中国大陆岩石圈也具有不连续结构，即活动地块的镶嵌结构。以地质学的新构造研究为基础结合相关学科资料，我国地质学家将中国大陆岩石圈划分为多个亚板块活动块体组合（马杏垣等，1989；丁国瑜，1989，1991）如图7；或多个一级活动地块二级活动地块组合（张培正；2003）如图8。 图 7 中国大陆及邻区活动板块、亚板块及块体划分与GPS基准站分布（据丁国瑜，19

55、89，1991）1998以来，基于GPS（GNSS）观测，在建立中国大陆板内地块（亚板块或一级活动地块、活动块体或二级活动地块）的现今运动模型时，大地测量界基本是将建立全球板块运动模型使用的Euler方法，即（10）式搬过来套用，并未更深入地考虑“全球构造板块”与“中国大陆板内地块”是否存在地球动力学环境条件的差异？但至少在亚板块（一级活动地块）层次上，这种套用似乎又是可行的。二十余年来，模型固然越来越精细，但不同作者基于不同测站数和不同时间段所建立的各个板内块体模型之间及其与地质学模型、地球物理学相关研究成果之间是能相互验证的，具有较好的整体一致性。 图 8 中国大陆一级和二级活动地块划分及

56、其运动速度矢量图（据张培震，2003）鉴于GPS（GNSS）测站设置在地表，除反映地块整体在深部塑性软流圈上的刚性运动外，也应能包含浅部脆性层（上地壳）中的应变（变形）信息。一些作者（李延兴等，2003，2004；江在森，2008）等在（10）式的基本项之后加入了一个表示浅层应变的付加项，假设其具有均匀应变特性如（11）式所示；也可假设其具有其它特性（如线性应变特性等）。 （11）李延兴等（2003）在ITRF2000框下以1598个站速度场为基础，全面测定和研究了中国大陆一、二级活动地块及其边界带和应变场的现今运动。基于（10）和（11）所建立的两类模型无本质性差异，但后者的拟合精度略优前者

57、。作了“活动地块存在性”的统计检验：在5个一级活动地块中，除华北与华南地块之间差异运动不显著外，所有一级活动地块之间差异运动均显著，而华北与华南地块之间其应变场差异仍然明显；对13个二级活动地块的统计检验，也得到了与一级活动地块统计检验的类似结果。结论是“在中国大陆及其周边地区活动地块是存在的”。其它作者的研究，也获得类似结果。地震大地测量学对中国大陆活动地块（板内）现今运动之观测与研究的一些启示：（1）证实岩石圈板块内部的可分性。定量验证了中国大陆活动地块的存在和地质学的划分并可在某些局部域助其精化；同时又在活动地块及其边界带空间尺度上证实数年至十年正在进行中的现今运动是百万年地质学新构造运动的延续。与相关学科共同证实了中国大陆岩石圈具有不连续结构，即地块网络的多层次镶嵌结构。（2）中国大陆活动地块（板内）在一定程度上具有可类比于全球构造板块的地球动力学环境（至少对于亚板块或一级活动地块而言），即它基本具有刚体性质，似乎也能在陆下软流圈（板内）上