我国最早的GPS地壳运动观测网是中国地震局1988年建设的滇西地震预报实验场GPS观测网(王琪,Seeber,1998)。在20世纪90年代初,我国地震部门陆续在川滇、河西走廊(黄立人,马青,2003)、青藏高原(游新兆,王启梁,1994; 蔡宏翔等,1997; 陈俊勇等,2001; 张培震等,2002a)、新疆天山(王琪等,2003)、华北(李延兴,赵承坤,1998)、福建东南沿海(刘序俨等,1999)等地区零星地开展了小范围、定期观测的GPS地壳运动监测研究工作(1988—1997年)。同一时期,中国科学院上海天文台建设的国家攀登计划项目“现今地壳运动与动力学”建成了覆盖中国大陆22个点位的GPS观测网,该网分别于1992、1994和1996年进行了3期联测,大部分测点的速度精度都优于3 mm/a(朱文耀等,1998; 李延兴等,2000; 孟国杰,2001)。国家测绘局完成了国家A、B级网共800多个点位的布设和观测,东部较密,西部稀疏,主要服务于国民经济建设。总参测绘局完成了国家GPS一、二级网500多个点位的布设和观测,均匀地分布于全国各地。

以上这些早期观测通常都采用流动观测模式进行(王小亚等,2002),每次观测时长在1到数天,主要关注于一些局部区域的形变特征,难以提供全国尺度连续的地壳运动特征。

1998年,“九五”期间,由中国地震局牵头启动实施了国家重大科学工程“中国地壳运动观测网络工程项目”(简称“网络工程”)。整个工程由基准网、基本网、区域网和数据传输与分析处理系统4大部分组成。基准网是网络工程的基本框架,由25个GPS连续观测站构成; 基本网由56个定期复测的GPS站组成; 区域网由1 000个不定期复测的GPS站组成; 数据系统由1个数据中心和3个数据共享子系统构成。网络工程在中国大陆建立了由25个连续GPS基准站,56个基本站和1 000个流动GPS区域站组成的GPS监测网络。(张祖胜,2001; 牛之俊等,2002; 陈俊勇,1997)。基准站相邻站间距离平均约为700 km,主要功能是监测中国大陆一级块体。基准站相邻站间GPS基线长度年变化率测定的精度优于2 mm/a(王琪等,2003; 游新兆等,2001)。基本站作为基准站的补充,主要用于一级块体本身及块体间的地壳变动的监测。它与基准站一起均匀布设,平均站距约为350 km,相邻站间GPS基线每期测定精度:水平分量优于5 mm,垂直分量优于15 mm。区域站中约700个站集中分布在主要构造带和地震带上,用于监测其活动状况,为地震预测预报服务; 约300个站均匀分布在全国,作为基准站和基本站的补充,相邻站间GPS基线每期测定精度:水平分量优于5 mm,垂直分量优于15 mm。网络工程以监测地壳运动服务于地震预报为主要目标,并兼顾大地测量和国防建设的需要,以GPS技术为主,辅之以VLBI、SLR、重力和水准观测,其规模、观测密度和精度等方面都将中国大陆GPS地壳运动观测水平推向了一个新高度。

作为网络工程的延伸,“十五”期间建成的中国大陆构造环境监测网络(简称“陆态网络”)(甘卫军等,2007,2012; 游新兆,马海建,2012),使得我国大陆连续运行的GPS基准站由网络工程的25个扩展到260个,区域流动GPS观测站点由1 000个扩充至2 000个。一期工程的基本站在二期工程中将不再单独存在,其原有的55个定期观测的GPS基本站,除部分被升级改造为连续观测基准站外,其余站点归入2 000个区域站之中。

基准站布设方面,在中国大陆的20个主要活动块体上各布设3个基准站,共计60站; 在我国总长约32 000 km的活动断层上平均每200 km(大致为一个8级地震的断裂破裂长度)布设1个基准站,共计160站; 为实现对活动强烈的主要断裂的有效监测,在地震活动最为强烈的中国大陆西部地区布设垂直于断裂的密集线状观测台阵和以监测慢地震为目标的断裂两侧的成对台阵,共计32站; 在中国大陆周边海域的岛礁上布设相应台站,共计4站; 在监测块体涉及的中国大陆周边国家布设相应台站,共计4站。基准站站间距缩小至160～350 km,水平分量测定精度优于2 mm/a。

区域站在网络工程的基础上新增1 000个,采用按需要不定期复测的方法以补充基准站的不足。新建的区域站中,有400个区域站组成50个跨越主要活动断裂带的密集线状观测点阵,用于研究断层结构和形变特征; 300个用于25个地震危险区的加密,点间距30～70 km; 另300个在全国均匀分布。全国的大部分地区区域站的平均间距缩小至100 km左右,有可能监测到5级地震产生的变形。区域站坐标变化量测定精度:水平分量优于5 mm,垂直分量优于10 mm。

陆态网络与美国PBO和日本GEONET地球观测网络一同成为世界上性能指标最先进的三大地壳运动观测网络,成为国际地球科学研究与发展的基础平台(甘卫军等,2012)。陆态网络在建站技术、观测技术、集成技术及其综合应用方面,实现了与世界先进水平同步发展。在布网设计上,采取基准站与区域站有机结合的方式,形成自成特色的站网体系,台站的空间分布达到与国外同类网络相同的水平,时间分辨率在重点地区接近世界先进水平。陆态网络所采取的整体规划、统一布局、重点布设、统一标准的建设模式,在充分发挥整体性优势的同时,更具针对性和实用性,并保证了高质量数据的产出,提高了国家投资效益。陆态网络的建成实现了对中国大陆主要活动块体和活动断层的覆盖,为获取中国大陆地壳运动细部特征提供基础,使我国综合利用空间对地观测技术,监测大陆岩石圈、大气圈动态变化,特别是与地震有关的变形监测的水平达到国际先进(甘卫军等,2012)。与此同时,中国地震局自2009年开始,针对地震重点危险区和重点监视区,先后实施了华北强震强化跟踪监测项目、综合地球物理场观测计划(青藏高原东缘地区和鄂尔多斯地块周缘地区)和大华北地区项目等,不断完善GPS观测。

中国地震局自2014年开始以陆态网络为纽带,逐步开展了同气象、测绘和国土等部门的全国GPS数据资源共享工作。截至2020年,已形成含陆态网络260个共计超过2 000个连续GPS观测站的全国共享GPS观测网,进一步扩大了监测范围,提升了监测能力,提高了资源利用率。东部GPS流动观测逐步以共享站代替,重点加强西部地区GPS流动观测,实现了GPS观测网络的大发展。至此,中国大陆GPS观测实现了从全国大范围空间覆盖以流动观测为主向固定连续站发展的进步。连续观测不仅实现了高时间分辨信息的获取,同时由于GPS包含的非构造不规则的周期信息,连续观测还实现了震间长期高精度地壳运动速率的获取。

这些日益丰富的GPS观测与研究,开拓了中国大陆现今地壳运动-变形和动力学研究新领域,直接支持了大陆动力学、地震科学、地震大地测量学(周硕愚等,2017)和地震预测的创新,同时也为中国大陆的地壳运动和地球动力学研究提供了十分重要的基础资料和约束条件。

GPS观测因建立了全球统一参考基准而保证了大空间尺度观测结果具有可比性及高精度特性,对地震同震形变、震后形变以及震间形变等各个方面的研究起到非常重要的作用(周硕愚等,2006,2007,2015; 吴云等,2003; 顾国华等,2003,2012; 薄万举,2013; 张晓亮等,2006; 冒爱泉等,2008)。然而,地震监测预报遇到的困难远远超出人们的预期,是世界性的科学难题,目前尚处于初期的科学探索阶段(陈运泰,2009)。相比于传统大地测量技术,GPS能够获得多尺度地壳运动和形变动态信息,但与地震预测对孕育过程信息的需求相比仍存在较大的差距(江在森等,2020)。从国内到国外,GPS在地震预测方面的应用都面临相似的困境。在地震预测研究方面,国内外的研究实例均表明基于震间期GPS资料反演的闭锁程度/滑动亏损分布与大地震发生地点具有对应关系,当GPS观测资料的空间分辨率满足要求时,此类工作对于强震地点和震级预测具有指示意义。这些回溯性研究为GPS应用于中长期地震预测指明了方向。

地震工作者基于震前GPS资料针对强震孕育晚期的研判一直在进行着有益的探索(武艳强等,2020):如基于强震前GPS形变场空间分布与强震发生地点关系的探索(剪切变形分布与走滑型强震的关系、正应变分布与倾滑型强震的关系等); 大地震同震及震后影响的显著弱响应区与后续强震的关系探索; 强震前地壳变形模式与同震应变释放模式的非对称特征探索等。但目前此类研究多为现象总结和定性机理分析,尚缺乏有效的数理模型支持(周硕愚等,2006)。

基于GPS时序资料进行震源异常的探索一直被广大地震工作者所关注,多位学者研究认为基于GPS时序结果,在2011年日本“3?11”地震前观测到了几年尺度的偏离原有趋势的异常现象(回溯性研究)[KG-*3](Ozawa et al,2012; Yokota,Koketso,2015)。另外,基于GPS时序资料的强震短临异常探索也在积极探索中,比如GPS方向角指数方法、变形参数时序变化与强震关系等。目前此类研究多为零散的现象总结,尚缺乏合理有效的定性或定量数理模型支持。

综合而言,基于GPS资料的强震地点预测取得了一些进展(江在森,武艳强,2012),具有一定的理论模型支撑,亟需加大科研投入,发展适合于中国的板内地震孕育模型、复杂断层系统强震孕育模型、多活动地块组合的强震孕育模型。另一方面,基于GPS资料对于强震孕育晚期判断及短临预测方面,积累了一些观测现象,除了继续积累震例外,亟需加大科研支撑,尽快发展起有效的解析或数值模型。

现今活动断层滑动速率和闭锁深度的判定是进行地震危险性地点预测的基础。在我国西部大多数活动断裂及其附近,GPS站点的间距在80～150 km,而断层滑动引起的地表位移变化大的地方一般在断层两边100 km的范围内。因此,以现有的GPS站点密度无法可靠地反演断层参数,判断断层活动的性质,因此也无法对地震危险性做出可靠的判断。在几次大地震之前,连续GPS站由于距离震中较远没有发现异常,而区域站发现了明显的异常。目前,国际上应用于地震监测的最具代表性的地壳形变站网是美国(南加州地区)和日本的GPS观测网。其中美国(南加州地区)采用“重点地区密集观测”策略,观测站沿重点断裂带周边布设,间距达2～5 km; 日本采用“全域网格式均匀分布”策略,在陆地范围内,观测站平均间距约为17 km,同美国、日本的GPS观测网相比,国内在站间距方面还有很大差距。

GPS观测极大地提高了地壳运动水平方向监测能力,但受限于GPS系统设计与当前数据解算水平,垂向运动精度、数据解算时效和非构造因素剔除等诸方面仍相当薄弱。

(1)强化中长期地震预测,完善GPS在发震地点和震级预测的方法和应用。目前,GPS在地震中长期预测中的应用都获得广泛的认同(江在森等,2020)。研究人员一致认为,GPS的观测与弹性位错理论吻合很好,成功地解释了地震的孕育和破裂过程。GPS研究获得的断裂滑动速率、闭锁程度、地震矩积累程度等可应用于地震的中长期预测,能较好地确定中长期地震的震级和地点。

(2)加强GPS用于短临预测的实践探索与研究。GPS在地震中长期预测中的应用已经基本获得大部分认可,但是在地震短临预测中的应用还存在较大的分歧。地震前兆是有的,问题在于是否能观测、记录到,即使观测到了,又是否能识别(马瑾,2016)。有些专家认为GPS由于时空分布不足以及精度的问题,开展短临预测还存在困难,但有些专家对此呈乐观态度。GPS应用于地震短临预报缺乏具有信服力的证据,但值得大力探索。目前,GPS短临预测研究还相对较少(Chen et al,2014; 冯蔚,2016; Feng et al,2016; Bedford et al,2020),需要加强。短临预测主要依靠GPS连续观测资料,这对GPS连续观测数据的处理和应用方法提出了新的挑战,需要探索、发展GPS在短临预测跟踪中的数据处理方法和应用方法的研究。

(3)强化断层滑动行为的精细化研究,分析地震危险性。基于密集的GPS观测资料(包括速度场、基线或应变率),以震间GPS运动速度场为约束,研究主要活动断裂滑动速率、应变和地震能量积累,并根据地震目录统计断裂带的地震矩释放情况,从而分析评估区域地震危险性。重点加强与地震地质(古地震考察)、地震精定位等相关研究的交叉融合。

(4)提高断层滑动瞬态变化过程的监测能力。基于密集的连续GPS观测站,[HJ1.9mm]构建跨断层基线及观测网,识别并提取出断层滑动行为随时间的变化特征,进而研究断层瞬态变形过程与地震活动的关系。

(5)GPS分析研究要从地表到地下,从运动学到动力学转换。GPS观测到的是地表的运动,要分析预测地下的地震活动,需要加强深部应变、应力变化分析,甚至要从运动学研究转换到动力学研究。

(6)加强GPS与InSAR、地震波等多元数据、多学科融合应用。各学科的数据都有自己的优势和劣势,GPS可以观测大尺度的长期构造变形以及近场形变数据,InSAR可获取近场形变的面场变化,并对高程变化敏感(Gong et al,2019),加强GPS与InSAR资料的融合、提高垂向位移信号的信噪比应该是未来努力的方向,而统计地震资料获得的地震平静期和空区信息对预测很有帮助。综上认为,将GPS与InSAR、地震波等多元数据融合应用,可以降低地震分析预测的不确定性。

要从明确定位、重点工作领域、规划布局和推进举措等方面加强GPS用于地震监测预报的基础研究工作。一是明确基础研究工作定位。要以支撑地震监测预报为导向,开展应用目标明确的基础研究工作。二是明确基础性工作重点领域。围绕地震成因理论、地震观测技术和强震潜在危险性等关键科学问题,注重长、中、短临和不同空间尺度相结合,强调地质学、地球物理学和大地测量等多学科的综合,持续推进GPS地震学基础性工作,为基础研究和技术创新夯实工作基础。三是加强谋划布局。开展GPS地震应用工作研讨,梳理凝练未来基础研究和基础性工作的重点领域方向和科学选题,研究提出未来项目、平台、设施布局建议。四是明确推进举措。出台进一步加强GPS地震学科研基础工作的指导意见,探索建立跨学科、面向基础研究的指导机构,强化基础性工作人才队伍、实验室建设和项目支持,推进科技数据资源共享、共用。

(1)充分利用连续站资源,适当减少东部地区的流动观测。近几年GPS流动监测得到显著加强,主要构造带和重点地震监测区域基本实现了每年一期的复测。但从目前数据处理情况看,对于东部地区地壳运动与变形较小的地区,以当前实际3 mm左右的GPS流动观测精度来看,这样密集的重复观测意义不大,特别是华北、东北、华南地区采用大量的土层观测墩,其稳定性存在显著的沉降与倾斜,难以真实反映地壳构造运动的实际状态。在全国GPS资源共享基础上,进行共享连续站点数据质量筛查,挑选出能够用于地壳运动监测的站点,可代替部分流动观测。部分区域如华北和华南的连续站点密度比陆态网络流动站点密度还要大,因此,充分利用连续站观测资料,适当减少这些区域流动观测,不仅省时省力,而且可获取连续观测数据,能较好地分析该区域形变。应对历史上发生过强震的重大断裂(如郯庐断裂)加强数据分析,必要时增补流动观测。

(2)加强西部地区观测密度。现有的GPS观测网在布局上存在东西部布网观测的不均衡性,东部相对密集,而地壳构造运动强烈的广大西部地区相对稀疏。现有100～300 km的基准站密度,80～150 km流动站的密度,要实现对地震发生的块体边界带和主要断层的密集连续监测,尤其是西部地区还远不够,有必要持续加大西部流动GPS观测或连续观测站的密度。建议进一步统筹、优化现有资源配置,通过加密建站在短期内实现站点间距50～80 km,远期内(5～10年)西部地区站点间距达到30～50 km,针对重大断裂带最好达到10 km间距。若空间分布密度在短时间内不能实现,可以在西部地区适当增加观测频次,至少每年观测一期,重点危险区可一年进行2～3次复测。

(3)构建活动块体边界带的综合观测体系。大陆强震主要发生在活动块体边界带上,单纯依靠GPS技术不可能捕捉到全部地震孕育释放的信息,应建立GPS、InSAR、定点形变、重力、测震、流体、地磁等综合观测体系,甚至进行多学科同址观测,以期发挥多种技术优势,增加约束信息,进行相互比对验证。定点形变仪、地震仪、重力仪的观测资料的应用,还可以拓宽GPS监测的时间尺度,获取三维动态形变场,提高地壳形变分辨能力,对开展断层构造运动、地震能量积累、地震破裂、震后形变、断层蠕滑等典型动力学过程跟踪研究具有重要意义。

(4)加强地震重点危险区细部观测,获取精细变形特征。根据中国大陆地震重点危险区的研判结果,地震危险信度和紧迫程度高或相对较高的危险区,连续GPS站间距可适当加密至25 km左右。对西部十年尺度危险区,要获取断层闭锁特征、应变积累速率,可以采用流动站加密观测为主,辅以新建临时固定观测站。喜马拉雅东构造结,由于临近南北地震带,其动态作用与川滇地区强震的孕育、发生密切相关,需要重点强化观测。喜马拉雅西段存在M9强震风险,会对整个青藏高原及中国大陆的动力学环境产生重大影响,也需要强化对该区的连续监测能力。

(5)在“十四五”期间,推进GPS台站加密建设。利用“一带一路”和“川滇国家地震科学实验场”等重大项目的推进实施,实现全国和主要是重点区域GPS连续台站观测密度的显著提升。

首先,要开发自主产权的GPS数据处理软件。目前的GPS数据处理主要依赖于国外的GAMIT、Bernese、GIPSY等软件。从长远发展看,我国需要自主研发一套能够进行GPS数据处理的软件,以提升国内GPS数据处理分析的水平; 同时,通过数据处理软件的研发,培养一批GPS数据处理分析的专业技术人才,探索提高GPS数据解算精度、时效和剔除非构造影响因素的方法。

其次,加强对全国垂直形变场研究。加强对GPS垂向形变分量数据的研究,结合区域水准复测资料,分析GPS应用于地壳垂向运动监测的可行性; 同时还要分析不同区域地壳垂向活动与地震活动之间的关系。

此外,还要加强GPS从业人员的素质培养。GPS观测资料解算过程相对复杂,需要从业人员具备较扎实的专业背景、长期的技术储备和稳定的工作团队。为此,需要建立相对稳定的GPS数据处理、分析预报的从业人员队伍,制定教育培训计划,定期开展GPS相关业务的培训,同时加强从业队伍的工作团队建设,在实际工作中通过团队合作提高人员素质。