探知地震成因机理 提高地震预测水平 减轻灾害损失

——中国地震预测咨询委员会成员 顾国华

宇宙浩瀚神秘，天地变幻多端。自古以来，人类从未停止对风云雷电、日月星辰以及洪涝、地震等自然现象的探索步伐，以期解开更多未解之谜，并最终实现准确应对自然灾害、科学利用自然资源的目的。

50年前，我国地震工作者首次在国际上成功预报了1975年2月5日辽宁海城7.5级大地震，大大减少了伤亡，让人们看到了成功预报地震的希望。然而此后不久唐山大地震预报失败，而采用GNSS等最新观测技术的汶川和日本等大地震预报又一再失败，地震不可预测论盛行。难道是地震预测技术有问题，还是地震深处还存在未能探明的秘密？面对地震的“不可测论”，科学家们陷入深思之中。和其他地震研究科学家一样，顾国华教授自从事这项工作以来，也一直探索试图解开这一重大科学难题，以期在不可避免的天灾中赢得主动权。尽管多年来我国地震预测研究取得了显著成果，但成功，特别是失败的惨痛教训表明，人类仍远未认识大地震发生的客观规律，地震预报仍是一条漫漫艰辛路。

坚守初心做科研，不负韶华展历程

在顾国华教授的科研生涯中，实现地震预测，减轻地震灾害破坏损失，一直是他从事研究的主要目标。多年来，秉承着这一科研理念，顾国华教授扎根在地震预测方向的研究中躬耕不辍。“用科学来减少地震对生产、生活的影响，捍卫人类生存的权利”，他始终行走在抗震科研一线。

1968年大学大地测量专业毕业后，响应党中央保卫京津地区的号召，参加了地震工作，从此走上了探寻大地震前兆形变之路。他通过传统大地测量野外水准测量、激光测距测量和形变台站观测，得到了不少地壳运动的观测结果。1970年，顾国华教授参与地震局组织的新疆地震预报试验场的工作。新疆地广人稀，监测站点非常有限，观测技术更无法同现在相比。南疆几年的监测研究，成果极为有限，但顾国华还是在资料分析中，提出了利用水准测量结果计算地倾斜的方法。这是他首次突破了传统大地测量的分析研究方法。值得一提的是，水准测量地壳垂直形变在1975年海城地震的成功预报中起了一定的作用，这对形变测量工作者是一次很大的鼓舞。

1973年，顾国华结束了新疆的工作后，开始从事地震分析预报研究工作，这是他地震预测预报经历的真正开始。那时的他，工作内容是分析处理华北地区的地形变观测资料，主要是台站的连续观测资料，因而在唐山地震前亲自分析并得到了不少形变异常现象，为单位震前作出一定程度的预报提供依据。回顾那段工作经历，顾国华深信震前看到的异常现象绝非偶然，从中也依稀看到地震预报探索的希望。

顾国华是国内最早且数十年始终坚持利用GNSS开展地震预测等研究的极少数尚健在的专家之一。1984年，他首次在美国南加州美国国家航天局（NASA）的基地见到了GPS（全球卫星定位系统）接收机等空间大地测量设备的演示。尽管那时的美国GPS还未用于地震监测，但他还是首次接触到GPS，学习了最早有关GPS的文献，扩展了知识面，开拓了视野，为日后的应用打下了坚实的基础。1985年，顾国华学成归来，并在地震局有关部门的大力支持下，参与地震预报清理攻关和数据库的研究，编制了一套地壳形变数据处理软件，通过实践强化了理论基础，提升了编程能力，为后来顺利转向GPS观测研究打下了基础。

1990年他再次获得了作为公派高级访问学者，去瑞士学习GPS数据处理技术的难得机会。1996年至2001年年初，顾国华参加了以GPS技术为主，以地震预报为主要目的的“九五”国家重大科学工程“中国地壳运动观测网络”项目，负责并主持完成了网络工程GPS项目数据中心的建设，实际主持了网络GPS连续观测基准站的设计。后来还参与“973”地震预测研究项目的一子课题，开始研究利用GPS观测地壳运动预测地震。

所做的研究工作，能为国家战略发展而贡献力量的时候，顾国华教授的科研幸福感与满足感也有了极大的提升。

借助GNSS技术，解锁地震前兆形变密码

随着科学技术的不断发展，结合此前的地震“不可测论”，科学家们坚持认为：灾难巨大的大地震是重大地球物理现象，其孕育与发生必然引发地震活动异常和多种地球物理场，如地壳形变、地电、地磁及重力场等的异常变化，因而这些地球物理场早就是探索地震前兆的必选观测项目，特别是，地壳形变是地震成因。而GNSS是多种地球物理场中唯一观测到（近震中）由大地震直接产生，因而在时空上与震级、震中位置、发震时间和地震类型等直接相关的多项地壳形变现象。这些现象包括：震前地壳运动，地震波，同震位移（地震时产生并在震后仍残留的突变型地壳形变）和巨大地震震后松弛形变。而后3种现象已有数理数值模型，可作震源机制和地壳介质特性等研究，是最直观且早已公认的地震地壳运动现象，需证明的是，震前地壳形变是否为地震前兆，为突破地震预报提供重要依据。

顾国华教授，是一个志存高远、心系民生的自然科学追梦人。高精度GNSS（全球卫星导航系统，包括中国北斗、美国GPS、欧洲伽利略和俄罗斯GLONASS等）技术的发展，已成为当代先进的防震救灾利器之一，毫米（mm）量级精密定位技术也是毫米（mm）量级地壳运动的精密监测技术。因GNSS的应用，又有人基于想象和所谓的“常理”，对地震预测极为乐观。事实上，新技术的应用只是认识地震过程的开始，汶川等大地震预报的失败并不一定是观测技术的失败，而还可能是未获得相关的科学认知，更说明，还必须开展艰苦的观测与研究，认识地震发生规律。他以位移和应变分析为重点，认定定位只是数学问题，而坚持地壳运动或形变是物理或构造问题的原则，首先提出了利用GNSS观测结果在椭球面上计算应变的方法，亦提出了运用区域稳定点组建立中国大陆区域参考框架位移场解及位移时间序列的方法，分析地壳运动与地震前兆形变；他首先采用水平位移向量时间序列分析方法，更直观地显现地壳水平位移；他提出了更适宜于研究巨大地震同震位移的位错参考框架等。经过长期的研究工作，他形成了一套实用的地震预测研究GNSS数据分析方法、数据处理和绘图软件，提出了较为系统且鲜明的学术观点。借助这些创新方法，恰好可以揭示地壳形变现象，从而为人类探寻地震深处秘密提供了有力工具。这些基础研究为揭示地壳形变现象提供了有力工具。

汶川8级大地震前是顾国华教授利用GNSS研究地震预测的实际开端。“中国地壳运动观测网络”是唐山大地震后国家巨资资助，以地震预测为主要目的的观测项目。汶川8级大地震发生在中国地壳运动观测网1000个GPS观测站的区域网内中部南北地震带上，沿此带布设了相当密集的观测站。汶川大地震前，区域网分别在1999、2001、2004 和 2007 年作了 4 次观测，对相关数据进行了记录，也为此次地震前的地壳运动提供了极其丰富的资料。尽管震后才得到了完整的区域网观测结果，但获得了特征鲜明的前兆水平位移和水平应变，而在震前则获得了GPS连续观测站水平位移异常。

2008 年初汶川大地震前中国大陆西部的几个GNSS 连续观测基准站水平位移时间序列异常明显，且范围大，是当时会商会上提出的极少数明显的异常。震后获得了这几个站的同震水平位移，且此次大地震的同震水平位移是这些站震前积累的水平位移的弹性回跳，也就是地震时产生的水平位移使观测站突然反向位移，使观测站在相当大的程度上瞬间回复到地震较早前的水平位置，是明显的震前作用与震时的反作用，显示大地震存在前兆水平位移。震后2009年初，顾国华教授利用汶川地震震中附近4个GPS连续观测站的观测资料，用BERNESE 软件计算了30s采样率的单历元解。结果表明，汶川大地震前1小时内3 个站的垂直位移出现大幅度快速下沉，离震中36km的PIXI（郫县）站下沉达300mm。至今惟有GPS可测得此种快速大幅度垂直位移异常变化。汶川大地震的GPS观测在地震前兆监测历史上创造了多项唯一和第一。它是第一个由GPS观测到前长、中、短临地壳形变异常的8级大地震。这些异常从不同方面提供地震发生的地点、震级和发震时间的信息。之后，顾国华教授又研究了东日本9级大地震，发现东日本9级大地震虽未发生在日本1200多站 GPS连续观测网的内部，但震中离日本最近的GPS连续观测站近100km。在远场，不仅在日本，还在我国大陆、韩国和中亚，震前GPS观测并发现了此次大地震水平位移异常；地震发生在震中附近水平位移达到峰值；震后获得了大范围的同震水平位移。震后获得的观测结果表明，此次大地震的同震水平位移也是震前积累的水平位移的（弹性）回跳，再次证明，大地震前存在前兆地壳运动，极大增强了探索的信心。观测得的此次地震同震水平位移最大达5.6米。中国大陆和中亚的异常在震前就已分析得，当然仅据此是无法预报东日本大地震的。此外此次地震前 GPS也观测得电离层TEC短临异常。

震后研究表明，2013年四川芦山7级地震和其他某些地震前积累了水平位移观测结果，而近震中水平位移趋于闭锁（即无显著位移），震时突变，产生同震水平位移，地震使较大范围地壳水平运动趋于一致，表明同震水平位移是空间上的（弹性）回跳。而2023年土耳其2次7.8级大地震震前水平位移分别显现为上述 2 种方式。

除了巨大地震后的震后形变区的地震，由于稳定的板块（水平）运动，各站大地震的前兆水平位移向量时间过程图像竟是最简单的直线。大量观测结果显示，震前积累的水平位移与同震水平位移为确切的因果关系，并在不同地震的发生过程中重现。震前观测站沿直线水平运动，震时同震水平位移突然反向，就是大地震从孕育到发生，由量变到质变，作用与反作用的过程，充分说明地震是有前兆水平地壳运动的。

同震位移不仅为震源机制研究提供了除地震波外的丰富资料，更为前兆形变的存在提供最有力的观测依据。同震水平位移是认识地震前兆形变的关键现象。

本世纪以来，全球主要地震区的GNSS观测网和不断发生在观测网内或其周围的大地震是研究地震预测的良机。在上述汶川和东日本大地震后，十多年来，为了得到更多的研究结果，顾国华教授抓住良机，已进行了国内外90多次6-9.3 级大地震，包括近4年国内4次7级左右的大地震、2024年初日本7.6级和4月初我国台湾7.3级大地震的研究。研究的地震类型多样；在汶川和东日本大地震前，曾获得中国大陆地壳形变异常；研究了国内外5000多GPS观测站大量地壳形变观测结果，其中约一半以上为连续观测站；一次地震最多可利用的GPS连续观测站近1600站，覆盖范围远至离震中数千km；GPS连续观测站离震中距离最近不到1km；观测时间最长达近30年，临震前近震中有高频采样观测。GPS观测获得了大地震近震中或其附近关键区域和地震前后关键时期的连续观测关键结果。研究结果极具说服力。获取如此丰富的GNSS观测资料，代价高昂，极其珍贵。根据大量GNSS观测资料的分析研究，先后在国内外刊物上发表了20多篇论文。

观测结果表明，大地震前后在离震中一定范围内观测站的水平位移过程和岩石破裂试验观测得到的岩石破裂前后的形变过程相似。地震震级越大，涉及的观测站范围越广，且已得到影响范围的统计规律，震级越大，离震中越近，震前水平位移的累积或闭锁越显著，而同震水平位移量越大。但震前震中及其附近无明显垂直位移积累，地震断层两侧无方向相反的水平位移，且形变为非弹性。根据 GPS 观测结果和岩石破裂试验结果，顾国华教授提出了地震发生的压-剪（弹性）回跳模型，即震前震中受水平挤压，震时剪切位移，显示了各次大地震的 GPS观测结果不支持百年前美国学者里德的震前、震时都为剪切形变的地震发生弹性回跳假说，合理解释了大震前震中及其附近无需垂直位移积累，地震断层两侧也无需方向相反的水平位移。这为地震预报中地壳形变前兆的演化过程的观测研究和形变时间序列分析提供实验依据和启示。

多次大地震前后的地壳运动观测结果表明，地壳水平运动不仅幅度明显，而且涉及范围广，板块（水平）运动，是地震的成因。地壳垂直运动不是地震的成因。所得的GNSS 观测与研究结果大大丰富了地震与地壳运动关系的认识，GNSS理应成为地震监测和预报的主要观测技术之一。

早在GNSS出现前，为弥补传统大地测量观测无法连续观测等不足，国内外建立不少连续观测小范围局部形变的观测站。但由于观测值为小范围形变的差值，消除了观测范围内量值更显著整体形变，观测值显著减小，甚至无法分辨同震位移（形变），至今仍难得到可信的前兆形变。且由于地震的巨大破坏力，近震中这些观测站的仪器震时几乎都无法工作。相比较而言，GNSS足可以克服以往不足，并显示出了无可比拟的优势，通过大量震例表明，包括近震中在内，GNSS最利于获取整体性好、量值显著的大地震前兆形变，GNSS是大地震前兆形变监测最有利，也是最合理的观测技术。

在很长一段时间近震中大幅度的地震波、前兆形变和同震位移观测是一大技术难题，震级越大，越难。但为深入研究震源机制、开展地震预警和地震预测，发展近震中低成本、高精度、高密度、快速实时观测处理、多功能大幅度位移（或形变）观测技术是地震监测的必然发展趋势，具有多项优势的GNSS应是目前符合这种发展趋势的观测技术。建设密集的GNSS连续观测站是目前实现近震中形变观测的唯一途径。

仰之弥高，钻之弥坚。不惧怕困难和挫折是顾国华教授的科研态度。他说：“整个科研过程是由无数困难、瓶颈组成的，但这也正是科研的乐趣所在，当你跨越每个困难取得成果之后，那种成就感是无法言表的。他认为，一名合格的科研工作者不仅要有丰富的专业知识素养，更要有坚韧不拔的毅力，要有持续向前的动力和决心，这样才有可能体会到困难被克服的喜悦”，而他本人也是这样，在研究中永不止步，为我国地震预测研究做出有意义的成果。

面对地震不可预报论的困扰，一直以来顾国华教授从未停止探寻的脚步，在研究中他发现并坚信地壳运动是地震的成因，GNSS是现今地震预报等监测地壳运动必不可少的利器，而所得研究结果更使他更坚信，探索之路是正确的。功夫不负有心人，顾国华在GNSS与地震预测研究工作中不断取得进展，经中国地震局老科协推荐，2024年10月他获得了2024年度中国老科学技术工作者协会科学技术奖。

由于大地震发生的时空分布的特殊性，地震预测观测研究周期长，至今仅发现少数地震有临震前兆形变，除了需加密并完善GNSS观测网外，而因震前震中地壳介质处于尚未被认识的破裂前临界状态，攻克短临地震前兆仍是目前地震预测的最大难点，仍然需要多学科协同攻坚。

海城大地震成功预报已50周年，而此期间科学技术突飞猛进，也为防震减灾高质量发展，推进地震预测，提供越来越多最先进的观测技术与研究途径。地震预测的反思更不能停留在过去。如同气象预报一样，最为关键的是依靠最先进的技术与科学思路，完善各种地球物理场观测，加强基础研究，持续探索，不断提高地震预测水平，最终突破地震预报。尽管有重大失败，仍有难题，但有党中央的高度重视，我国又有利于开展GNSS监测的有利地理环境，有利于突破地震预测，一定能早日实现人民对实现地震预报的迫切愿望。

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