卫星重力在地震监测预测中的应用方法研究

（参加人员：李辉、邹正波、康开轩、吴云龙、邢乐林、刘子维、谈洪波、郝宏涛、玄松柏）

在国家863计划、自然科学基金、科技支撑计划和中国地震局星火计划的资助下，实验室科研人员通过系列研究，给出卫星地震应用需求分析，论证适合于地震研究的卫星技术指标，探索适合于地震监测预测的重力卫星模式；利用GRACE重力卫星数据，进行卫星重力信号提取方法研究，在考虑陆地水及周期性变化信号的影响后，给出提取地震相关重力变化的系统方法；结合地震位错理论及相关震例研究，探讨了卫星重力探测地震的能力，给出地震事件过程的重力动态变化的观测证据，研究了地震震前、同震及震后重力变化效应，研究了气象、三峡蓄水、地下水、冰川融化等对重力场的影响；初步建立一套适合于地震监测预测需求的理论与方法，构建起重力卫星日常地震监测系统及其常态化产出，服务于年中、年度地震会商。

项目的应用推广及效益情况如下：（1）需求分析和指标论证为低低跟踪重力卫星的立项提供用户支持。（2）作为第一用户最终推动重力梯度测量卫星项目纳入了《国家民用空间基础设施中长期规划》。（2）日常地震监测应用系统的常态化产出，为年中、年度地震趋势会商提供了重要资料。在成功预报鲁甸地震时间中发挥了作用。（4）发表文章等成果被多领域引用。

同时，本项目目前已经获得中国地震局防震减灾科技成果奖二等奖、湖北省地震局防震减灾成果一等奖。

青藏高原及周缘GPS测定的大震变形研究

（参加人员：杨少敏、乔学军、谭凯、赵斌、王伟）

本研究成果属空间大地测量技术在地壳形变及地球动力学研究领域的应用研究成果，是国家自然科学基金委、财政部、科技部所资助的多个科研项目的产出与成果汇总。主要采用GPS技术，结合三角测量等其他大地测量资料，监测二十世纪以来Mw7.0级以上大震在青藏高原及周缘地区引起的近场和远场地壳形变。针对1931年8月11日富蕴8级地震、2001年11月14日昆仑山Mw7.8地震、2004年12月26日苏门答腊Mw9.3地震、2008年3月21日于田Mw7.1地震、2008年5月12日汶川Mw7.9地震，获取其同震或者震后地表形变场，并采用不同的数值模拟和反演方法，对地震断裂带开展断层滑移分布、构造活动特征、岩石圈流变结构研究，为青藏高原地壳形变机理、地震孕育机制研究提供参考。

我实验室获得的大震同震和震后形变场及相关研究论文已经被一些国家基础研究、地震预报、测绘建设等项目使用，产生了较好的社会效益。先后为十多个单位提供技术咨询服务与成果共享，包括中国地震局地质研究所、武汉大学、北京拓普康商贸有限公司、中国地质大学、新疆地震局、河北地震局、云南地震局、四川地震局、同济大学、福建地震局、厦门测绘勘察院、铁道部第四勘察设计院、第一勘察设计院等，避免国家的重复建设，在基础研究、地震预报、社会建设等方面发挥很大的作用。其中为中国地震局地质研究所提供GPS/InSAR地球动力学数值模拟技术服务，为武汉大学提供青藏、汶川、鲜水河等区域GPS/InSAR技术服务，为拓普康公司提供GPS技术服务。此外，实验室还为很多单位进行义务技术培训和公益技术服务，没有签订正式协议，也没有收取费用，为测绘科学、地球科学的发展做了应有的贡献。

三峡水库地震环境及成因类型研究

（参加人员：姚运生、王秋良、廖武林、李井冈、张丽芬、申学林、魏贵春）

在科技部2004年社会公益研究专项“三峡工程蓄水后地震环境影响及灾害预警研究”、国家科技支撑计划子专题“水库诱发地震发震机理研究及地震预测方法研究”、国家自然科学基金重点项目“长江三峡地区壳幔三维结构与地震活动性研究”、长江三峡集团科研专项基金项目“三峡库区地震类型快速识别软件研制与地震预警平台研究”等多个项目的支持下，科研人员对三峡水库地震环境及成因类型进行了研究并总结，行成了成果——“三峡水库地震环境及成因类型研究”，该成果获得2013度湖北省地震局防震减灾优秀成果奖一等奖。其主要内容如下：

在三峡遥测台网记录的数字地震波形基础上，利用数字地震学的多种研究方法，对库区地震进行精定位，开展三维层析成像反演，建立三峡地区地壳纵波速度场模型，获取了对该地区深部结构的新认识。综合地球物理和地质资料，探索黄陵背斜两侧仙女山、远安等主要断裂的深部构造背景及深浅构造的耦合关系，并对该地区地震构造环境、地震活动性、区域构造动力学特征之间的关系进行了讨论。分析了三峡水库地震时空分布、震源机制、频谱特征等参数特征，对蓄水前后ML2.0级以上的地震进行大量样本的统计分析，建立三峡库区水库诱发地震与天然地震的判别指标，研制了三峡水库地震类型快速识别及趋势判断系统，在国内率先建立了专门针对水库地震资料分析平台，提出了不同参数定量识别的概率判别方法，对三峡水库地震研究及趋势判断具有重要意义，该项目已于2013年完成项目验收投入运行。

同时，实验室科研人员根据GB21075-2007《水库诱发地震危险性评价》，研制了水库地震危险性评价软件系统，该系统可以对不同库段发震因子，自动快速给出相应震级概率以及烈度影响场，在抽水电站等水库地震危险性评价应用方面具有普适性。目前此软件已在广西大藤峡水库、湖北通山抽水蓄能电站、湖北黄梅抽水蓄能电站、湖北孤山水电站等水利水电工程得到应用。

前兆仪器技术升级与检定测试技术

（参加人员：周云耀、陈志遥、马武刚）

本研究成果属于地震前兆观测设备研究领域的科研成果，是在中国地震局地震行业专项、国家质检公益性行业科研专项、中国地震局地震研究所等基金资助下的多个项目的产出与成果汇总。该成果包括了对前兆观测仪器VP宽频带倾斜仪的技术升级改造、对高精度地壳形变仪器计量检测及国家标准溯源检测方法的研究等工作。其中：

改造后的VP宽频带倾斜仪相比VS垂直摆倾斜仪，其增益稳定性、振荡幅度稳定性有了较大提高，并大大提高了仪器的频带宽度，使仪器能够记录到除固体潮外更多高频信息。同时，系统在数据传输速率、数据存储容量、数据采样速率等方面都有了显著的提高。目前，VP宽频带倾斜仪已经在全国近20个省市布设54套设备，并运行良好，深受用户好评，取得了明显的社会效益和经济效益，为地震监测事业的发展作出了自己的贡献。

在前兆仪器检测检定方面，我实验室科研人员研制了国家标准溯源检测形变仪器关键技术指标的方法途径及装置系统，长度检测准确度0.01微米、分辨力0.001微米、倾角检测准确度0.002"、分辨力0.0002"；创造性地研究了利用阶跃响应测试地壳形变仪器的传递函数的方法，获得3项国家专利授权；参与建立并发布实施了4项地震行业标准：《地震地壳形变观测方法-地倾斜观测》、《地震地壳形变观测方法-洞体应变观测》、《地震地壳形变观测方法-钻孔应变观测》、《地震地壳形变观测方法-跨断层位移观测》，填补了国内观测方法标准的空白。研究了采用激光干涉仪对洞体长条型形变仪器进行灵敏度现场检测的方法，并可以与国家标准溯源。研究实现形变仪器关键技术特性指标的实验室测试方法，在2012-2014年度全国前兆台网仪器更新升级改造、“十一五”地震背景场探测工程等项目中，完成33套洞体摆式倾斜仪、22套水管倾斜仪和20套洞体应变伸缩仪的入网检测工作，为把好地震前兆台网仪器入网质量做出了贡献。

重力、GNSSS和台站形变科研成果在地震会商和重大（M7）震情跟踪分析中的应用

（参加人员：杜瑞林、李辉、申重阳、张燕等）

为使基础科研更好的服务于防震减灾工作，我实验室积极发挥重力、GNSS和定点形变等领域的学科优势，参与中国地震局和湖北省地震局组织的震情会商和重大震情跟踪分析工作。具体开展工作有：

GNSS实验室建立了中国地震局GNSS数据产品服务平台，发布GNSS数据产品，包括中国及周边基准站坐标时间序列、基准站和区域站速度场、地震同震形变场、震后形变场、地震高频形变波等，发展了一套基于地震大地测量的地震形变、地壳形变分析方法，可以获得全国GNSS地壳运动速率场、形变场、应变场、断裂滑动速率、块体运动速率及其时空变化，为科学研究和地震预测预报提供基础。同时，发展了基于动力学思想指导下的地震预测预报方法，从经验预报向物理预报和数值预报发展。实验室科研人员参加每年的全国片区地震趋势会商会，参加全国地震危险区地震趋势会商，发挥实验室在GNSS地震学方面的学科优势，以年度全国7级地震危险区跟踪为重点，强化对地震危险区的震情跟踪研判和会商。

定点形变研究是重点实验室的重要科研方向之一，倾斜应变观测一直应用在年中和年度全国地震趋势预测工作中，对地震危险区的判定提供了重要的支撑，利用倾斜应变观测资料曾在震前成功预测了2009年7月9日云南姚安6.0级地震、2011年11月1日新疆6.0级地震等。从2013年下半年开始，月会商中也开始使用，每月对全国倾斜应变观测资料进行分析，地震危险区进行判定。针对倾斜应变数据处理的方法也在持续探索中，已形成了原始观测数据同期年变图、去除固体潮和长趋势后的非潮汐分析方法（主要使用小波变换）、固体潮潮汐参数的提取等提取异常信息的方法，并有震前成功预测的震例。数据处理方法在省局和台站工作人员中得以普遍使用。

重力实验室科研人员运用我国地震重力监测网开展了大量的基础研究工作，该网能基本获取我国大陆重力场动态变化的有效信息，满足我国地震短、中、长期预测需求，为地震科研提供基础观测数据，并可用于我国重力基准维持。目前，实验室科研人员运用流动重力、台站重力和卫星重力数据开展中期尺度的全国大震形势判定、1年尺度的全国地震趋势判定和半年尺度的重点监视区震情跟踪与判定，为全国地震形势和年度趋势判定提供有力依据，如2014年底重力学科提交的2015年度中国大陆11个重点地震危险区判定意见，其中有9个被全国综合判定所吸收。同时，台站连续重力数据的作用逐步显现，如对芦山7.0地震中期判定提供了依据。除形势与年度判定外，目前正在尝试或挖掘其在短期、短临预测能力。

地学前沿交叉新兴学科原创性专著——《地震大地测量学》

（参加人员：周硕愚、吴云、江在森、申重阳、薄万举、乔学军、王庆良、李辉、刘文义、谭凯、王伟、周义炎、饶杨誉等）

2008年汶川地震之后，我实验室组织学科专家，在地球系统科学框架下，以地震预测的窘困为导向，以50年揭示的自然现象为基础，通过现代大地测量学与地震学、地震地质学、固体力学和复杂系统理论的交融升华，初步建立起一门“精确测量和研究现今大陆变形动力系统演化及其地震行为”的交叉学科——地震大地测量学。

为了总结相关理论研究成果，科研人员历经十年（2008-2017年）努力，撰写完成了学科专著《地震大地测量学》，并于2017年由武汉大学出版社出版。该书共15章、1203千字，以观测（探测）→理解→模型（模拟）→预测（检验）认知过程为经线，以各种观测手段为纬线，从现今大陆变形的视角探讨了大地震孕育、发生的动力学机理，提出了一些前瞻性的科学思路和可操作的预测方法，具有“展示性，交叉性、创新性和纲领性”，体现了地球系统科学新时期整体论与还原论的结合，基础研究与实际应用的互动。可望：促使地震大地测量学逐步挣脱‘信息金矿上的穷人’等的束缚；通过“大陆现今变形动力学”参与并促进大陆动力学；通过“多尺度时频空域变形”促进地震学-地震大地测量学-地震地质学的交叉融合；通过“大陆现今变形动力系统演化及其地震行为”促进复杂系统理论和固体力学的协同和地震科学的进展；通过“大陆现今变形图像动力学”在一定程度上克服识别研究震间、同震及震后形变容易，但对震前形变相对乏力的障碍，推进地震预测创新。

典型强震前后重力变化及孕震机理研究

（参加人员：申重阳、谈洪波、玄松柏、杨光亮、吴云龙、汪健、邢乐林、吴桂桔、郝洪涛）

我国是世界上唯一利用现代高精度重力观测开展地震预测研究与实践的国家，拥有国际最先进的重力观测仪器和规模最大的重力观测网，多年来在我国中期地震预报中发挥了重要支撑作用。我实验室申重阳研究员领导的科研应用团队历经10余年坚持不懈努力，完成了“典型强震前后重力变化及孕震机理研究”，并获得2017年度中国地震局防震减灾科技成果奖二等奖。成果研究期间，正处于我国流动重力从局部主要活动构造监测过渡到全国整体测量的时期，利用重力资料开展地震预测基本遵循边观测、边预报、边研究的流程，大多以经验为主。

该成果主要基于1项地震科学联合基金、2项国家自然科学基金及一些相关课题的部分研究，旨在利用流动重力观测获得的重力场动态变化，结合地震孕育过程及相关知识，探索地震孕育的中期重力场演化特征，为流动重力资料应用于我国地震中期预报奠定理论方法基础。成果的主要创新在于总结提出了利用重力手段进行强震预测的基本理论方法，发展提出了闭锁剪力模式；首次提出并严格推导了地球（地壳）内部形变与密度变化耦合运动模式理论，为重力与形变数据融合分析提供了新思路；通过利用重力数据反演位错或构造活动模型、地壳三维密度时变，为物理预报发展提供了方法基础。总体来说，该研究引领地震重力学科发展，属国内领先，并达到国际同类研究的先进水平。该成果为重力学科进行地震会商提供了重要的技术支撑和发展引领。

系列地震计研制

（参加人员：周云耀、吕永清、齐军伟、吴欢、向涯）

（1） CTS-120甚宽频带地震计。该地震计比CTS-1E甚宽频带地震计噪声更低、性能更稳定的地震计，是CTS-1E甚宽频带地震计的升级产品。其频带是50Hz-120秒，速度输出响应平坦。它具有高灵敏度、低的仪器自噪声和优良的线性度；动态范围大于140dB；传递函数稳定。

（2） JCZ-360甚宽频带地震计。该地震计比JCZ-1超宽频带地震计噪声更低、性能更稳定的地震计，是JCZ-1甚宽频带地震计的升级产品。其频带是40Hz-360秒，速度输出响应平坦。它具有高灵敏度、低的仪器自噪声和优良的线性度；动态范围大于140dB；传递函数稳定。

（3） 井下甚宽频带地震计是高灵敏度、甚宽频带地震计。它的频带是50Hz-120s，对等速度输入响应平坦。仪器具有低的自身噪声，动态范围大于140dB。地震计采用力平衡负反馈系统，传递函数稳定。它可以在宽的温度范围内工作。地震计自动保持零位，无须调零。它具有井下调整多种遥控功能，安装、操作容易。采用低功耗设计，可交、直流供电。

成果影响：

仪器研发过程中申报了发明专利5项和实用新型专利9项。发明专利有：

（1） 基于井上调控的井下多台地震计置平装置，专利号：ZL201510105242.1

（2） 地震计井下装置，专利号：ZL201510105334.X

（3） 基于簧片和十字簧系统的超低频隔振装置，专利号：ZL201610560911.9

（4） 基于二级螺旋弹簧系统的超低频隔振装置,专利号：ZL201610560875.6

（5） 基于斜拉弹簧和片簧系统的二级超低频隔振装置，专利号：ZL201610559966.8

实验室研制的宽频带、甚宽频带地震计服务于中国地震测震台网。

南水北调中线工程核心水源区地震安全基础探测研究

（参加人员：廖武林,张丽芬,李井冈,刘小利,李雪,罗登贵,魏贵春,申学林,蔡永建,胡庆,林松,乔岳强,雷东宁,吴建超,廉超,孔宇阳等）

南水北调中线工程是改善我国水资源配置的重大战略性、跨世纪宏伟工程。南水北调中线工程水源地的地壳稳定性、构造地震、水库诱发地震，以及库岸再造和地质灾害等关系民生。加强该区域地震安全基础探测，探明区域地震构造背景，评价该地区地震危险性，具有重要意义。

（1）通过室内遥感地质解译、野外地质调查、地球物理综合探测（浅层反射勘探、可控音频大地电磁测深探测、微动探测）、钻探、槽探、第四纪地质地貌环境分析等多种手段，查明了目标区主要活动断层的空间展布，确定了目标区主要隐伏地震活动断层的上断点埋深和产状。

（2）给出了活动断层的几何结构、活动性质和滑动速率等参数，综合鉴定了目标区主要断裂的活动性，确定了需开展地震危险性评价的主要活动断层。

（3）利用探槽开挖、历史地震的分析等分析了目标区主要断层活动程度及其与地震的关系，确定了其中具有发生破坏性地震能力的地震活动断层，并对其潜在地震危险性进行了评价。

（4）完成了目标区主要活断层详细探测与综合制图以及活断层探测数据库与信息管理系统的建设。构建了用于活动断层探测、地震危险性评价成果存储、显示、管理与分析的技术支撑平台，可为政府部门及社会提供咨询服务。

成果效能：

通过“南水北调中线核心水源区地震安全系统建设”的工作，确定核心水源区内的活断层，揭示目标断层的空间位置、活动时间。并评价核心水源区活动断层的危险性，为城市建设抗震设计、土地规划利用和防灾减灾规划制定提供科学依据，进而提高核心水源区各级政府对防震减灾工作的决策效能。