地震大地测量学观测数据

1地震大地测量学观测数据地球科学新信源、动力学内涵与复杂性周硕愚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（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10-7～10-11，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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:[e-mail]2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、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3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、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3σ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）、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4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，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5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