喬學(xué)軍, 王偉， 林牧， 陳威， 劉剛

中國地震局地震研究所，地震大地測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430071

0 引言

地殼形變是板塊或斷層運(yùn)動(dòng)的直接反應(yīng)，當(dāng)變形積累產(chǎn)生的應(yīng)變超出了巖石的承受能力，就會(huì)發(fā)生破裂從而引發(fā)地震，因此地殼形變監(jiān)測與研究一直是地震監(jiān)測、預(yù)測及孕震機(jī)理研究的重要手段之一(杜瑞林等，2016；周碩愚等，2017).多年來，地殼形變監(jiān)測技術(shù)不斷進(jìn)步，如以GNSS和InSAR為主的空間對地觀測技術(shù)，在地震的震間、同震及震后形變研究中一直擔(dān)當(dāng)主力，并取得了較好的成果(王琪等，2020；王敏和沈正康，2020；江在森等，2020)，但這些地殼形變監(jiān)測與研究工作絕大多數(shù)都集中在大陸地區(qū)，由于海水對電磁波的傳播具有很強(qiáng)的吸收作用，適用于陸地的空間觀測技術(shù)無法在全球70%以上的海洋地區(qū)應(yīng)用，因此海底形變監(jiān)測與研究成果相對較少，但是因?yàn)榇箨懪c海洋板塊具有相互作用的地球動(dòng)力系統(tǒng)(Le Pichon et al., 1973；許志琴等，2021)，如Coltice等(2019)將地球作為統(tǒng)一的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行三維模擬，結(jié)果表明2/3的地球表面運(yùn)動(dòng)速度快于地幔的運(yùn)動(dòng)速度，說明地球內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)由地表拖曳控制，而地表其余1/3部分，地幔運(yùn)動(dòng)速率則超過了地表運(yùn)動(dòng)，說明大陸被地幔運(yùn)動(dòng)拖曳、聚集而形成超級大陸，而超級大陸又被冷卻的海洋板片俯沖下沉撕裂，此過程即威爾遜旋回(Wilson, 1963).另一方面，海洋不但存在許多活躍的地質(zhì)構(gòu)造，如洋中脊、海溝、火山及板塊匯聚處的俯沖帶等，而且還存在頻繁的地震活動(dòng)，如環(huán)太平洋地震帶是全球規(guī)模最大的地震活動(dòng)帶(Yang et al., 2019)，地球上90%的地震及80%最強(qiáng)烈的地震都發(fā)生在該地帶上(Villaverde, 2009)，所以開展海底地殼形變監(jiān)測與研究，對于理解一些重要俯沖帶的動(dòng)力學(xué)過程及其對大陸地震活動(dòng)的潛在影響，具有非常重要的研究價(jià)值.

針對海洋與陸地觀測環(huán)境及其介質(zhì)的不同，海底地殼形變監(jiān)測經(jīng)過多年發(fā)展，目前形成了以GNSS定位技術(shù)與聲吶測距(Acoustic Ranging)(以下簡稱GNSS-A)為主的觀測系統(tǒng)，該技術(shù)通過重復(fù)監(jiān)測海底測量標(biāo)志的站間距離、相對位置、水深及海水介質(zhì)參數(shù)(溫度、鹽度)等，獲取精確的海底地殼形變圖像.經(jīng)過30多年的發(fā)展，基于GNSS-A的海底形變監(jiān)測技術(shù)逐漸成熟，并得到了較好的應(yīng)用.本文在總結(jié)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國的實(shí)際情況，提出了開展中國海底地殼形變監(jiān)測的建議.

1 GNSS-A系統(tǒng)組成及工作原理

GNSS-A系統(tǒng)主要使用了GNSS定位和聲吶測距技術(shù)，其中，GNSS用來實(shí)現(xiàn)海面載體的精確定位，聲吶測距用來實(shí)現(xiàn)海底目標(biāo)的精確定位.最新的系統(tǒng)由以下4部分組成(圖1)(Fujita et al., 2006; Matsumoto et al., 2008；Ishikawa et al., 2020)：

(a) 海底觀測站

海底觀測站的核心裝置是一套精密聲納“接收-轉(zhuǎn)發(fā)”裝置(a precision transponder，PXP)，通常由一組呈正方形分布的4個(gè)PXP組成，正方形對角線的長度大約等于該地區(qū)的水深，該組裝置(陣列)放置于海底，共同構(gòu)成一個(gè)海底觀測站，類似于陸地上的GNSS測站.PXP的作用是接收船載觀測系統(tǒng)調(diào)制的聲吶信號并將其回傳至船載觀測系統(tǒng).

(b) 船載觀測系統(tǒng)

由海洋觀測船、GNSS接收系統(tǒng)、姿態(tài)測量傳感器、換能器、投棄式溫深儀、溫鹽深儀等組成，具有GNSS實(shí)時(shí)定位、姿態(tài)確定、海底聲納發(fā)射、回波探測接收、聲波信號處理、數(shù)據(jù)存儲、海水參數(shù)觀測等一系列功能.

(c) 陸基GNSS參考站

采用差分定位或地基增強(qiáng)系統(tǒng)，為船載觀測系統(tǒng)提供高精度的實(shí)時(shí)定位服務(wù)，定位精度取決于海洋觀測船與陸基GNSS測站間的距離.

(d) 海底形變觀測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

圖1 海底地殼形變監(jiān)測系統(tǒng)示意圖XBT：投棄式溫深儀, CTD：溫鹽深儀.Fig.1 Schematic of the seafloor crustal deformation monitoring systemXBT: Expendable Bathy Thermograph, CTD: Conductivity Temperature Depth.

對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，計(jì)算海底形變測站的精確坐標(biāo)及形變量，并聯(lián)合陸地GNSS觀測結(jié)果，獲取統(tǒng)一坐標(biāo)框架下的點(diǎn)位時(shí)間序列及海陸地殼形變速度場信息.

GNSS-A形變監(jiān)測的工作原理與過程如下：(1)在海底測站附近，船載測量系統(tǒng)通過換能器發(fā)射調(diào)制的M序列信號，經(jīng)海底觀測站接收并反射至換能器，由此獲取聲納的往返時(shí)間，同時(shí)還使用XBT與CTD設(shè)備進(jìn)行海水傳播速度及溫度、深度、鹽度等參數(shù)的觀測；(2)利用陸基GNSS參考站對船載觀測系統(tǒng)進(jìn)行GNSS動(dòng)態(tài)定位及姿態(tài)參數(shù)的確定，計(jì)算并獲取換能器的坐標(biāo)；(3)基于換能器的連續(xù)位置和對應(yīng)的聲吶往返行程時(shí)間及海水聲速參數(shù)(如溫度、鹽度、壓強(qiáng)等)，通過線性反演，分別估算每個(gè)PXP的位置，最終將它們的平均值作為海底測站的精確位置(Fujita et al., 2006).

為了精確計(jì)算PXP坐標(biāo)，高精度的海水聲速剖面非常重要(Li et al., 2016)，為此，在實(shí)際觀測中，需要在測前與測后進(jìn)行CTD觀測，同時(shí)每小時(shí)也要進(jìn)行XBT觀測.另一方面，記錄的聲波往返時(shí)間不僅包括距離信息，還包括沿路徑的聲速結(jié)構(gòu)信息，因此可通過對先驗(yàn)聲速結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行改正來實(shí)現(xiàn)，其中貝葉斯最小二乘反演方法可用來進(jìn)行以上計(jì)算.該方法首先基于某個(gè)先驗(yàn)聲速結(jié)構(gòu)，通過迭代確定PXP的位置，然后根據(jù)結(jié)果的殘差，針對給定的時(shí)間窗口估算聲速結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的系數(shù)，其中時(shí)間窗口寬度從單個(gè)觀測時(shí)段中選取，最大為一天，通過不斷重復(fù)，直到坐標(biāo)參數(shù)收斂.

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

在國外與海底地殼形變類似的名詞有Seafloor Geodesy，Marine Geodesy及Seafloor Crustal Deformation，而國內(nèi)類似的名詞有海洋大地測量和海洋大地控制測量等，其中在知網(wǎng)的關(guān)鍵詞搜素中，幾乎沒有海底地殼形變的結(jié)果.

早在1960年代中期，美國研究人員開始探索海底形變監(jiān)測技術(shù)，并獲得了米級的精度(Spiess et al.，1966)，但直到1985年，隨著GNSS的出現(xiàn)，Spiess(1985)首次研發(fā)了GNSS-A技術(shù)并進(jìn)行了試驗(yàn).多年來Spiess與其他研究人員為提高GNSS-A觀測技術(shù)，在胡安·德富卡板塊的海底開展了卓有成效的工作(Spiess and Hildebrand，1995；Spiess et al.，1998；Chadwell et al.，1998，2002)，隨著觀測設(shè)備、觀測模式與數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷改進(jìn)，以前需要幾天觀測才能達(dá)到厘米級的定位精度(Gagnon et al.，2005；Fujita et al.，2006 ；Chadwell and Spiess 2008)，而目前只要數(shù)個(gè)小時(shí)就可能實(shí)現(xiàn)厘米級甚至亞厘米級的精度(Honsho and Kido,2017).

GNSS-A觀測技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)階段，1991年到2008年為第一階段，該階段的海底形變監(jiān)測主要以桅桿系統(tǒng)(Pole System)為主，觀測設(shè)備安裝在船尾一根可拆卸的不銹鋼桅桿上，GNSS天線和姿態(tài)傳感器安裝在桅桿頂部，換能器安裝在桅桿底部，在進(jìn)行海洋觀測時(shí)，為了避免螺旋槳產(chǎn)生的噪音，只有當(dāng)船舶關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)處于漂流狀態(tài)才能進(jìn)行工作，這樣將無法控制船舶的航跡與軌道，難以確保觀測船與海底測站之間良好的觀測圖形強(qiáng)度，致使觀測時(shí)間較長，通常需要2～4天才能完成一個(gè)測點(diǎn)，而觀測期間由于海水參數(shù)的不斷變化也會(huì)導(dǎo)致觀測精度的降低.2009年到2015年為第二階段，該階段主要以船體固定系統(tǒng)(Hull-Mounted System)為主，GNSS天線固定在船體頂部，姿態(tài)傳感器和換能器固定在船體底部，系統(tǒng)可以在船舶處于驅(qū)動(dòng)的狀態(tài)下連續(xù)觀測，不但確保了觀測軌跡的可控，而且觀測時(shí)間也縮短到16～24 h，同時(shí)觀測精度也得到了提高(Fujita et al.，2006).2016年以后進(jìn)入第三階段，該階段以多聲吶測距(Multiple Acoustic Ranging)船體固定系統(tǒng)為主，第二階段的觀測系統(tǒng)在進(jìn)行海上觀測時(shí)，采用的編碼技術(shù)是依次對每個(gè)測站的四個(gè)PXP目標(biāo)進(jìn)行順序觀測，而新系統(tǒng)采用了新的信號編碼技術(shù)，可對四個(gè)PXP同時(shí)進(jìn)行觀測，有效提高了觀測效率和精度，每個(gè)測站的觀測時(shí)間縮短到3～4 h.

正是由于GNSS-A觀測效率和精度的不斷提高，海底形變監(jiān)測與研究也得到了很好的推廣應(yīng)用，尤其是在日本取得了較好的研究成果，下面從兩個(gè)方面簡述GNSS-A在海底形變監(jiān)測與研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀.

2.1 板塊俯沖與洋脊擴(kuò)展

第一個(gè)海底GNSS-A站建于1991年，目的是監(jiān)測胡安·德富卡板塊的運(yùn)動(dòng)(Spiess et al.，1998).該板塊是利用海底大地測量研究大洋板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與機(jī)理的天然實(shí)驗(yàn)室.根據(jù)NUVEL-1A板塊運(yùn)動(dòng)模型，該板塊沿卡斯卡迪亞俯沖帶以40 mm·a-1的速度向北美板塊俯沖，在板塊西南形成了以洋脊擴(kuò)展和轉(zhuǎn)換斷層為特征的邊界帶.在邊界帶南段以東約25 km處，由GNSS-A監(jiān)測的結(jié)果顯示，胡安·德富卡板塊的運(yùn)動(dòng)速率與板塊運(yùn)動(dòng)模型一致，連續(xù)80個(gè)小時(shí)的GNSS-A觀測結(jié)果表明，點(diǎn)位坐標(biāo)的重復(fù)精度可達(dá)±4～6 mm，能滿足很多海底構(gòu)造形變的監(jiān)測需求(Chadwell and Spiess 2008).

此外，目前該技術(shù)還在秘魯(Gagnon et al.，2005)、哥斯達(dá)黎加(Davis et al.，2011)、西南太平洋的新赫布里底群島(Ballu et al.，2013)和日本等俯沖帶地區(qū)的海底形變監(jiān)測與研究中得到了廣泛應(yīng)用(Bürgmann and Chadwell，2014).在秘魯近海，納斯卡板塊俯沖至南美板塊下，Gagnon等(2005)利用兩個(gè)GNSS-A測站，獲得了測站相對南美板塊的震間運(yùn)動(dòng)速率達(dá)53 mm·a-1，這種較高的運(yùn)動(dòng)速率表明俯沖帶以下2～40 km是完全耦合的，淺層的強(qiáng)閉鎖狀態(tài)說明發(fā)生在秘魯—智利海溝的地震足以產(chǎn)生巨大的破裂，并在海溝附近形成較大的同震滑動(dòng)，由此引起的淺層地震波將使海溝附近的地形劇烈抬升，并導(dǎo)致特大海嘯(Satake and Tanioka，1999)，如1996年秘魯海域發(fā)生的7.5級地震.

自1990年起，日本在其東海布設(shè)了幾十個(gè)海底形變監(jiān)測站(Fujimoto, 2014；Bürgmann and Chadwell，2014)，以研究俯沖帶板塊運(yùn)動(dòng)及地震危險(xiǎn)性，并取得較好的研究成果.Yokota等(2016)利用日本南海海溝15個(gè)GNSS-A測站10多年的觀測，獲得了該地區(qū)相對阿穆爾板塊的運(yùn)動(dòng)速度為2～5 cm·a-1，揭示了該地區(qū)存在明顯的滑移虧損率(SDRs)，這些以前未知的高SDR區(qū)域具有較高的大震與海嘯風(fēng)險(xiǎn)，研究結(jié)果首次揭示了俯沖帶的耦合狀態(tài)可能與當(dāng)?shù)氐牡卣鸹顒?dòng)和地質(zhì)現(xiàn)象有關(guān)，為開展特大俯沖帶的地震研究提供了重要參考.

2.2 俯沖帶地震周期形變

板塊的匯聚與能量積累可引起俯沖帶地區(qū)M9及以上特大地震和數(shù)十米的形變，盡管特大俯沖帶的大多區(qū)域在震間被閉鎖在50 km的深度內(nèi)，但有部分地區(qū)存在解耦并通過無震蠕滑來釋放能量，因此通過在俯沖帶建立GNSS-A測站，并進(jìn)行長期觀測，可以增進(jìn)我們對俯沖帶地震周期和前兆滑移瞬變的理解(Bürgmann and Chadwell，2014).

2011年的日本3.11M9.0大地震中，有7個(gè)GNSS-A測站精確地觀測到海底發(fā)生高達(dá)30多米的同震形變(圖2)(Sato et al.，2011；Kido et al.，2011；Fujiwara et al.，2011; Fujimoto，2014)，據(jù)此所獲得的破裂模型顯示，同震的最大水平和垂直滑移超過50 m和10 m.研究結(jié)果對理解特大地震的震源機(jī)制、海嘯孕育過程及減災(zāi)具有重要作用(Iinuma et al.，2012).同時(shí)，這些測站也為研究日本大地震的震后形變與模式提供了良好的形變約束(Tomita et al.，2017)，震后4年的形變圖像顯示了地殼形變場具有明顯的空間變化特征，其中同震形變最大的區(qū)域以顯著的黏彈性松弛為主(圖3).

圖2 2011年日本東北M 9.0地震的海底同震形變場紅色實(shí)線箭頭為水平向，白色實(shí)線箭頭為垂直向(Sato et al.，2011；Kido et al.，2011；Fujiwara et al.，2011; Ozawa et al., 2011).Fig.2 Co-seismic seafloor crustal deformation field of the 2011 M 9.0 Tohoku earthquakeThe red solid arrow indicates the horizontal direction and the white solid arrow indicates the vertical direction (Sato et al.，2011； Kido et al.，2011；Fujiwara et al.，2011; Ozawa et al., 2011).

圖3 2011年日本東北M9.0地震的海底震后形變場Fig.3 Post-seismic seafloor crustal deformation field of the 2011 M9.0 Tohoku earthquake

Yokota和Ishikawa(2020)在日本南海海溝利用GNSS-A首次監(jiān)測到了大的淺層慢滑移地震事件(SSE)，結(jié)果顯示在強(qiáng)耦合區(qū)域的淺部周圍存在較大的SSE，其時(shí)空分布與已有研究中預(yù)期的慢地震活動(dòng)有關(guān).該成果有助于揭示俯沖帶深部和淺部慢地震的相似性和差異，對開展板塊邊界相互作用的物理過程、海底地質(zhì)和地震活動(dòng)等交叉學(xué)科研究具有重要價(jià)值.

我國在海底大地測量及形變監(jiān)測方面已經(jīng)開展了技術(shù)跟蹤和理論研究(寧津生等，2014；楊元喜等，2017，2020；李林陽等，2018)，李明(1992)對海底控制網(wǎng)的精度及影響因素進(jìn)行了分析和模擬，吳永亭(2013)研制了長基線水下差分GNSS 定位系統(tǒng)，國家863計(jì)劃也開展了“水下GPS 高精度定位系統(tǒng)”研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了在淺水水域(幾十米)的成功測試，李林陽等(2018)和劉經(jīng)南等(2019)指出我國在海底大地測量控制網(wǎng)建設(shè)和研究方面還存在很大差距，楊元喜等(2020)針對海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)建設(shè)現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)提出了中國的方案.雖然我們在海底形變監(jiān)測的某些方面已經(jīng)開展了預(yù)研工作，但由于某些自主技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備的研究稍顯滯后，目前在此領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用尚屬空白，近年隨著我國海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的實(shí)施，國內(nèi)已開展了相關(guān)項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)，其中楊元喜等(2020)研制的海底基準(zhǔn)方艙，在水深3000 m的海域進(jìn)行了測試，結(jié)果表明海底基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)分量內(nèi)符合精度達(dá)1.2～4.7 cm.

綜上所述，經(jīng)過多年的發(fā)展，雖然GNSS-A技術(shù)已經(jīng)初步具備了與陸地相當(dāng)?shù)挠^測能力，并能滿足局部海底形變監(jiān)測的精度需求，但是高昂的費(fèi)用及技術(shù)難點(diǎn)極大地限制了海底地殼形變監(jiān)測的廣泛應(yīng)用(楊元喜等，2020)，存在的主要挑戰(zhàn)如下：1)每天一艘海洋測量船的運(yùn)行和后勤保障費(fèi)用高達(dá)3萬美元(Bürgmann and Chadwell，2014)，經(jīng)濟(jì)性能較差；2)海底觀測站的PXP單元依靠內(nèi)置電池保持連續(xù)待機(jī)狀態(tài)，電池的壽命為10年左右，當(dāng)電池耗盡后，PXP將無法工作，因此需要定期維護(hù)；3)GNSS-A在垂直向的觀測精度較差；4)難以開展大規(guī)模建站并實(shí)現(xiàn)連續(xù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測.

3 討論及展望

3.1 海底形變監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)

GNSS-A技術(shù)在海底形變監(jiān)測尤其是地震形變監(jiān)測與研究方面取得了較好的應(yīng)用成果(Bürgmann and Chadwell，2014；Ishikawa et al., 2020)，但依然有很多關(guān)鍵問題需要解決，第一是觀測精度的提高，目前的觀測精度已經(jīng)達(dá)到厘米級，通過提高單次觀測時(shí)間和觀測頻次，觀測精度可達(dá)亞厘米級(Bürgmann and Chadwell，2014)，為了實(shí)現(xiàn)更高的觀測精度，必須減少以下誤差：GNSS定位誤差，GNSS天線到換能器偏差參數(shù)的測量誤差，海洋測量船的航跡測定誤差、姿態(tài)測定誤差以及聲學(xué)測距誤差等，目前隨著多模多頻GNSS精密定位技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，GNSS定位精度也將不斷提高，如我國已建成的北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，采用了三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，其特有的高軌衛(wèi)星，有效提高了抗遮擋能力和觀測精度；第二是觀測模型與策略的優(yōu)化，主要涉及聲速剖面與觀測模式(Bürgmann and Chadwell，2014; 楊元喜等，2020)，其中聲速剖面與水深密切相關(guān)，在GNSS-A觀測期間，其垂向變化遠(yuǎn)大于水平變化，如何精確反演聲速剖面仍然存在一定的挑戰(zhàn)(Watanabe et al., 2020).對于觀測模式，雖然通過提高觀測頻率和時(shí)長可以提高精度，但由于海洋測量船的使用成本很高，在一定程度上限制了GNSS-A技術(shù)的推廣應(yīng)用，因此如何有效提高海底形變監(jiān)測的經(jīng)濟(jì)效能，是目前需要解決的問題之一，無人波浪滑翔機(jī)已被用于GNSS-A海底形變的自動(dòng)觀測，結(jié)果證明該方法是可行的(Iinuma et al., 2021)，但由于波浪滑翔機(jī)的航速很慢，效率低，不宜在強(qiáng)洋流地區(qū)使用，同時(shí)也難以消除海水聲速結(jié)構(gòu)的不均勻性影響；第三是海底觀測單元與系統(tǒng)的長期穩(wěn)定與運(yùn)維，海底觀測設(shè)備不但要抗壓、防腐, 還必須具備長期工作能力，為此需要配備高性能的材料和電池，為實(shí)現(xiàn)原位維護(hù)，可將海底測站設(shè)計(jì)為方艙模式(楊元喜等，2020)，在條件允許時(shí)可在海底鉆孔以固定海底測站，同時(shí)也可采用有線連接進(jìn)行供電和數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔呗?Bürgmann and Chadwell，2014)；第四是多種海底觀測技術(shù)的聯(lián)合，海底壓力計(jì)可以提高垂直向的觀測精度，與GNSS-A聯(lián)合可以獲得精確的三維形變信息，但海底壓力計(jì)的漂移增加了觀測結(jié)果的不確定性；第五是采用特制的浮標(biāo)裝置實(shí)現(xiàn)海底形變的連續(xù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測，即將海洋測量船上的觀測系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到海上的系泊浮標(biāo)上，通過太陽能供電及衛(wèi)星通訊，實(shí)現(xiàn)海底測站的連續(xù)實(shí)時(shí)觀測(Tadokoro et al., 2020)，該技術(shù)主要受制于太陽能供電系統(tǒng)的連續(xù)性.

綜上所述， GNSS-A技術(shù)在精度、效率、穩(wěn)定性及實(shí)時(shí)性等方面還有待提高，部分技術(shù)有望在未來3～5年內(nèi)得到突破.

3.2 海底形變監(jiān)測與地震預(yù)測研究

GNSS-A在近海地震的同震、震間及震后形變監(jiān)測中具有不可替代的優(yōu)勢，并能揭示地震活動(dòng)周期中的形變場特征，可為開展地震孕育及機(jī)理研究提供明確的約束和證據(jù)(Iinuma et al.，2012；Tomita et al.，2017；Yokota et al., 2020)，因此利用GNSS-A技術(shù)開展海底形變監(jiān)測，將為沿海地區(qū)地震預(yù)測預(yù)報(bào)研究提供一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)支撐.

21世紀(jì)以來，印尼和日本由于特大地震及引發(fā)的海嘯分別造成30多萬和7萬多人死亡，并造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失及嚴(yán)重的次生災(zāi)害(如核污染).我國近海海域位于西太平洋西側(cè)，擁有近300萬平方公里的海域與32000 km長的海岸線，其中東南沿海地處菲律賓板塊與歐亞板塊碰撞帶，應(yīng)力變化及積累較快，地震頻發(fā)，該地區(qū)的M>7.0地震大多發(fā)生在近岸海域，如1604年的泉州8.0地震為該地區(qū)的最大地震(馬杏垣，1989).位于南海的濱海斷裂帶是華南塊體與臺灣海峽海盆的分界線，斷裂兩側(cè)地形差異大，地震活動(dòng)頻繁，曾發(fā)生過多次破壞性地震(曹敬賀等，2014; 鄧克，2019)，其中1600年和1918年發(fā)生過兩次7級地震，而1918年的南澳7.3地震，還產(chǎn)生了海嘯(彭承光等，2017)，造成巨大的人員和財(cái)產(chǎn)損失.位于東部的郯廬斷裂帶渤海段，第四紀(jì)以來活動(dòng)廣泛而強(qiáng)烈，主要受NEE-SWW向作用擠壓，中段地震活動(dòng)性最強(qiáng)(胡惟等，2013)，1969年7月15日曾發(fā)生7.4級地震(李西雙等，2009).黃海也多次發(fā)生6級以上地震(彭艷菊等，2008).總之，我國近海的地震活動(dòng)與斷裂帶、俯沖帶等構(gòu)造密切相關(guān)，地震的活動(dòng)性表明, 南海北部、渤海及臺灣海峽的地震活動(dòng)性較強(qiáng)，黃海次之，東海最弱(王華玉，2014).

近海地震不但會(huì)造成沿海區(qū)域活動(dòng)斷裂帶的應(yīng)力變化而增加發(fā)生地震的風(fēng)險(xiǎn)(Stein et al., 1992)，而且也可能遠(yuǎn)程觸發(fā)內(nèi)陸地震(Yao et al.，2015)，2011年日本大地震發(fā)生后，研究人員于2012年沿日本海溝又新建了20個(gè)海底監(jiān)測站，用于研究震后形變及未來地震的風(fēng)險(xiǎn)(Tomita et al.，2017).我國沿海地區(qū)人口密集，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，如粵港澳大灣區(qū)、環(huán)渤海、東部沿海、東南沿海等經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展與驅(qū)動(dòng)的重要地區(qū)，對防震減災(zāi)有強(qiáng)烈的需求，因此為更好地服務(wù)沿海地區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)與21世紀(jì)海上絲綢之路等，加強(qiáng)海底構(gòu)造運(yùn)動(dòng)監(jiān)測與近海地震預(yù)測研究，對提高抵御地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的能力和保持經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值.

3.3 構(gòu)建統(tǒng)一框架下的陸海形變監(jiān)測網(wǎng)

大陸板塊與海洋板塊之間的相互運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致海洋俯沖帶地區(qū)強(qiáng)烈的地殼變形和頻繁的強(qiáng)震活動(dòng)，因此在海洋俯沖帶地區(qū)進(jìn)行地殼形變監(jiān)測與地震動(dòng)力學(xué)的研究中，聯(lián)合開展陸地與海洋的形變監(jiān)測非常必要，如在2011年日本大地震的破裂模型反演計(jì)算中，相對于單獨(dú)利用陸地GNSS觀測結(jié)果，聯(lián)合使用陸海同震形變資料，可更好地分辨出斷層的位錯(cuò)分布特征(刁法啟等，2012).另一方面，構(gòu)建統(tǒng)一框架的陸海形變監(jiān)測網(wǎng)，獲取具有相同參考和基準(zhǔn)的地球物理場參數(shù)(地殼運(yùn)動(dòng)速度場、應(yīng)力應(yīng)變場及斷層滑移速率等)，有助于深入而系統(tǒng)地理解沿海及周邊斷層的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征及相互作用的動(dòng)力學(xué)機(jī)制.

目前我國陸地區(qū)域以“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”、國家與省級連續(xù)運(yùn)行參考站網(wǎng)及國家2000網(wǎng)等高精度形變監(jiān)測工程為基礎(chǔ)，構(gòu)建了具有統(tǒng)一框架的中國大陸現(xiàn)今地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測體系，在陸地地殼形變監(jiān)測及地震機(jī)理研究方面發(fā)揮了重要作用(王琪等，2020；王敏等，2020)，隨著我國對海洋資源、海洋經(jīng)濟(jì)及海洋安全等領(lǐng)域的需求日益強(qiáng)烈，加強(qiáng)海底形變監(jiān)測與研究已成為國家防震減災(zāi)事業(yè)的緊迫需求.

在海底形變監(jiān)測領(lǐng)域，我國雖然起步稍晚，但已積累了一定的研究與實(shí)踐基礎(chǔ)，可通過借鑒國外已有技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，在關(guān)鍵技術(shù)上實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新和突破 (楊元喜等，2020)，因此依托國家海底大地基準(zhǔn)網(wǎng)的建設(shè)，結(jié)合我國沿海地區(qū)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地震監(jiān)測、研究及工程建設(shè)之需求(李小軍等，2020; 吳德城等，2020；謝卓娟，2020)，建立中國的海底形變監(jiān)測網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)亞厘米級的監(jiān)測精度，并在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建統(tǒng)一參考框架的陸海形變監(jiān)測系統(tǒng)是完全可行的(楊元喜等，2017, 2020；李林陽等，2018；劉經(jīng)南等，2019).

致謝謹(jǐn)此祝賀陳颙先生從事地球物理教學(xué)科研工作60周年.感謝兩位評審專家對本文提出的寶貴意見和建議.