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第1章 地震大地测量学——一门前沿交叉新学科1

1.1 地震大地测量学形成的社会需求与科学技术1

1.1.1 防震减灾——急迫的社会需求与当代科学难题1

1.1.2 新技术革命——从经典大地测量学到现代大地测量学2

1.1.3 多门科学新进展——地球科学迈入地球系统科学新时期3

1.1.4 地震科学的兴起与应运而生的地震大地测量学5

1.2 地震大地测量学的形成7

1.2.1 建立局域的地壳形变、重力动态监测系统（20世纪60、70年代）7

1.2.2 空地深立体监测，地壳形变大地测量学初步形成（20世纪80、90年代）8

1.2.3 地壳及相关圈层动力系统现今演化与地震研究新阶段（进入21世纪后）9

1.2.4 科学内在逻辑持续作用——地震大地测量学基本形成11

1.3 地震大地测量学的主要进展12

1.3.1 组合创新天地深观测新技术，建立精密整体动态监测系统12

1.3.2 开拓大陆现今（10-2秒～102年）地壳运动与变形动力学研究新领域14

1.3.3 参与并促进地球动力学，大陆动力学和地震科学基础研究16

1.3.4 推进地震预测和防震减灾科技进步不可缺失的创新引擎18

1.3.5 促进多种地质灾害的监测预测（水库地震、滑坡、火山等）21

1.4 学科发展历程反思——科学方法论22

1.4.1 经验性预测——归纳法的作用和缺陷22

1.4.2 “信息金矿上的穷人”——观测数据如何用？23

1.4.3 如何改变“手段颇多交叉少”——动力系统及其模式研究25

1.5 地震大地测量学的特色、领域、方法和学科结构27

1.5.1 地震大地测量学的特色27

1.5.2 地震大地测量学的研究领域、研究方法和学科结构29

1.5.3 观测——测量理论、观测技术、观测系统（学科结构1）31

1.5.4 理解——数据处理、空地深动态图像与理解（学科结构2）31

1.5.5 模型——模式、模拟、动力学机理（学科结构3）32

1.5.6 预测——预测、减灾应用与检验（学科结构4）34

1.5.7 实验室与大自然试验场（地震预测试验场）（学科结构5）35

1.5.8 地震大地测量学信息系统与数据信息产品（学科结构6）37

1.6 地震大地测量学的定位与功能39

1.6.1 地震大地测量学与多门学科的关系和学科定位39

1.6.2 地震大地测量学的科学功能与社会功能41

1.6.3 地震大地测量学的学科名称与初步定义44

本章参考文献45

第2章 GNSS对现今地壳形变和地震的研究49

2.1 概述49

2.2 空间大地测量（GNSS）对大陆现今地壳运动与地震研究的新推进51

2.3 全球板块构造与中国大陆板内运动52

2.4 中国大陆现今地壳运动速度场与应变率场55

2.5 中国大陆活动地块与边界带现今运动62

2.6 地震重点危险区地壳变形场的GNSS研究66

2.7 对大震同震形变与地震破裂过程的精细研究与GNSS地震学探索72

2.7.1 GNSS结合多种手段对大震同震形变与地震破裂过程的精细研究72

2.7.2 GNSS地震学探索73

2.8 GNSS正在推进地震科学和地震预测的多种技术与科学创新80

本章参考文献80

第3章 中国重力场时间变化监测与地震研究93

3.1 概述93

3.2 中国流动重力监测与重力场动态变化94

3.2.1 流动重力观测技术与方法94

3.2.2 重力场动态变化计算111

3.2.3 中国大陆重力场变化特征114

3.3 中国连续重力监测与潮汐时间变化128

3.3.1 中国大陆连续重力观测台网概况128

3.3.2 连续重力观测数据处理138

3.3.3 超导重力观测与潮汐基准146

3.3.4 潮汐变化148

3.3.5 非潮汐时间变化151

3.3.6 潮汐变化与地震预测研究155

3.3.7 地球内部动力学研究158

3.4 中国大陆及邻区卫星重力场动态变化160

3.4.1 卫星重力观测技术160

3.4.2 卫星重力动态变化162

3.4.3 小结171

3.5 重力场动态变化与强震活动（典型震例分析）172

3.5.1 概述172

3.5.2 1975年海城7.3级地震172

3.5.3 1976年唐山7.8级地震173

3.5.4 1996年丽江7.0级地震174

3.5.5 2008年于田7.3级地震174

3.5.6 2008年汶川8.0级地震175

3.5.7 2009年姚安6.0级地震180

3.5.8 2013年芦山7.0级地震181

3.5.9 前兆机理与预测讨论184

3.6 问题与展望186

本章参考文献187

第4章 地球重力场变化与地球内部运动199

4.1 概述199

4.2 重力位场时变与地球内部动力运动200

4.2.1 基本观测量与边值条件200

4.2.2 基本原理（动力学关系）200

4.2.3 动态观测方程（位场关系）201

4.3 外部重力位场与Bjerhammar球面的单层密度时变202

4.3.1 基于Bjerhammar球面的重力位场与单层密度时变的一般公式202

4.3.2 Bjerhammar球面位场与单层密度时变的实用迭代算法203

4.3.3 应用实例204

4.4 地球（地壳）变形与密度变化的耦合运动理论206

4.4.1 形变和质量迁移引起的重力变化207

4.4.2 地球（地壳）变形与密度变化耦合运动的基本方程208

4.4.3 地球变形与密度变化耦合运动及重力位场变化209

4.5 地球内部密度结构及物质长期运移变化重力学探测210

4.5.1 深部密度结构的重力反演方法211

4.5.2 中国大陆及邻区重力异常场的基本特征215

4.5.3 中国大陆及邻区地壳厚度分布特征216

4.5.4 重力探测应用219

4.6 地球内部介质物性时间变化探测/反演229

4.6.1 基于岩体生长（Growing Bodies）的三维重力反演方法229

4.6.2 遗传算法（Genetic Algorithm）230

4.6.3 紧凑的重力反演（Compact Gravity Inversion）231

4.6.4 应用实例232

4.7 构造活动与地震破裂的检测/探测235

4.7.1 弹性位错效应的理论模拟235

4.7.2 汶川地震破裂效应的模拟247

4.7.3 丽江Ms7.0地震前区域主要断裂似运动时间分布252

4.7.4 玉树Ms7.0地震前后青藏高原东缘绝对重力变化对破裂运动的检核254

4.7.5 古断层活动的定量化258

4.7.6 大震破裂模式研究260

4.7.7 红河断裂带北段现今活动的重力效应264

4.8 海底地形研究266

4.8.1 概述266

4.8.2 利用卫星测高资料研究海底地形的历史与现状267

4.8.3 常见海底地形模型269

4.9 小结270

本章参考文献271

第5章 中国大陆地壳垂直运动观测与地震282

5.1 中国大陆地壳垂直运动精密水准观测282

5.1.1 中国大陆精密水准网观测概况282

5.1.2 基于水准观测资料的地壳垂直运动计算模型285

5.1.3 中国大陆水准观测垂直运动速度场287

5.2 中国大陆地壳垂直运动GPS观测290

5.2.1 GPS垂直位移监测研究概况290

5.2.2 中国大陆GPS垂直位移速度场292

5.2.3 基于GPS-水准联合观测资料的区域垂直位移速度场294

5.3 垂直形变观测资料在地震研究中的应用295

5.3.1 在弹性回跳理论检验中的应用296

5.3.2 在地震长期预测中的应用297

5.3.3 在地震中短期预测中的应用297

本章参考文献298

第6章 断裂系（带）现今地壳运动过程与地震301

6.1 中国大陆断裂系（带）的空间分布特征301

6.1.1 地震地质给出的研究结果301

6.1.2 现代大地测量用于我国断裂系活动性质的研究与描述302

6.2 断层形变观测305

6.2.1 跨断层水准观测306

6.2.2 跨断层基线测量309

6.2.3 跨断层综合剖面测量313

6.2.4 InSAR在断层形变研究中的应用313

6.2.5 GNSS在断层形变研究中的应用319

6.3 断层形变在活动构造块体划分中的应用研究323

6.3.1 华北断层形变测点分布区带的划分323

6.3.2 数据处理方法及结果326

6.3.3 活动块体边界的确定326

6.3.4 与地震活动分布的对比分析329

6.3.5 讨论及结论330

6.4 断层活动监测与数据处理在地震预测研究中的应用331

6.4.1 断层形变异常信息的提取与地震活动性331

6.4.2 断层形变异常的时空有序配套特征361

6.4.3 独立巨幅断层形变异常事件与强震对应关系的探讨362

6.5 断层形变的复杂性分析370

6.5.1 成分的多样性与复杂性370

6.5.2 信息的敏感性371

6.5.3 干扰与信息的辩证关系372

6.6 断层形变时空分布特征与不同类型地震的关系373

6.7 结语374

本章参考文献375

第7章 地壳形变的InSAR监测380

7.1 概述380

7.2 地壳变形的InSAR监测381

7.2.1 永久反射体法（PSI）385

7.2.2 小基线集法（SBAS）386

7.3 地震-地壳形变循回的InSAR观测386

7.3.1 震间变形387

7.3.2 同震变形388

7.3.3 震后变形390

7.3.4 InSAR在地震-地壳形变循回研究中的局限性及其改进方法392

7.4 InSAR展望394

7.4.1 时间分辨率提高394

7.4.2 空间分辨率提高394

7.4.3 InSAR精度提高394

7.4.4 对现今大陆形变动力学、地震研究和地震预测的促进作用394

本章参考文献396

第8章 地形变连续观测与地震的研究405

8.1 地形变观测系统的特性405

8.1.1 地形变观测系统的一般特性405

8.1.2 地形变观测量及其特性408

8.2 地形变观测台网的布局、观测环境和参量技术指标411

8.2.1 地倾斜观测412

8.2.2 地应变观测414

8.2.3 GPS连续测量416

8.2.4 跨断层定点测量416

8.3 连续形变观测——地球固体潮与内部物性参量变化418

8.3.1 地球固体潮418

8.3.2 地球内部介质物性参量——勒夫数419

8.3.3 地球内部介质物性参量——潮汐因子421

8.4 连续形变观测呈现的地形变微动态过程的持续与暂态事件423

8.4.1 年周期变化424

8.4.2 暂态事件或非连续短期变化——降雨与气压干扰424

8.4.3 台风引发的地脉动427

8.5 地震预测-预警的可能方法433

8.5.1 潮汐因子法433

8.5.2 “数据年”时窗法434

8.5.3 “前兆源”定位法436

8.5.4 时频分析法439

8.6 我国连续形变观测台网的信息产品455

8.6.1 地倾斜和地应变数据的分类分级455

8.6.2 各级单位的产出要求455

8.6.3 各类产品的产出内容及格式456

本章参考文献458

第9章 岩石圈构造运动和地震破裂过程反演465

9.1 岩石圈形变模型465

9.1.1 连续变形模型465

9.1.2 刚性块体运动模型466

9.1.3 弹性位错模型466

9.1.4 震后余滑模型468

9.1.5 震后孔隙回弹模型469

9.1.6 震后黏弹性松弛模型469

9.1.7 地震破裂过程模型470

9.2 反演算法470

9.2.1 参数最优值估计470

9.2.2 联合反演问题472

9.2.3 约束条件472

9.2.4 模型分辨率473

9.2.5 参数置信区间估计473

9.3 长期构造运动和地震应力对地震活动的综合影响474

9.4 岩石圈形变反演应用475

9.4.1 中国大陆块体运动模型475

9.4.2 汶川地震断层破裂模型476

9.4.3 汶川震后黏弹性松弛模型481

9.4.4 高频GPS形变约束的汶川地震破裂过程482

9.4.5 汶川地震对周边断层库仑应力和发震概率影响483

本章参考文献483

第10章 基于GPS的地震-电离层效应研究488

10.1 电离层概述488

10.1.1 电离层分层结构488

10.1.2 电离层的变化489

10.1.3 电离层的探测490

10.2 基于GPS的电离层信息获取技术491

10.2.1 地基GPS电离层观测技术492

10.2.2 空基GPS电离层掩星观测技术494

10.3 电离层三维层析重建技术500

10.3.1 电离层层析原理501

10.3.2 电离层层析重建方法502

10.4 地震-电离层效应分析与研究504

10.4.1 汶川Ms 8.0大地震504

10.4.2 地震-电离层效应的统计分析508

10.4.3 地震-电离层耦合机理510

10.5 小结与展望513

本章参考文献514

第11章 理解地震大地测量学观测数据520

11.1 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520

11.1.1 地震大地测量学观测数据的新颖性520

11.1.2 有别于测绘的地震大地测量观测数据内涵与误差理念521

11.1.3 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523

11.1.4 观测站时间序列的分解、模拟合成与理解525

11.1.5 地震大地测量学观测数据可能提供的基础信息527

11.2 地震大地测量学观测结果的启示——动力学内涵及相关问题529

11.2.1 验证了板块学术又揭示出它难以解释的多种大陆变形与地震现象529

11.2.2 复杂的板内变形现象与“大陆现今变形动力学”530

11.2.3 套用全球板块建模方法也能建立大陆地块模型的启示535

11.2.4 中国大陆地壳形变图像——大尺度连续形变与小尺度非连续形变的叠加539

11.2.5 浅部脆性层形变与深部韧性层蠕变的动力学耦合——以断层现今运动为例541

11.2.6 断层运动分段性与断层网络运动时空协同性（丛集性）545

11.2.7 地壳的多种周期波动与拟周期韵律550

11.2.8 地球各圈层介质物性参量的动态连续探测（反演）552

11.3 理解和应用数据的主要困难——复杂性及其对策553

11.3.1 体验复杂性之一：观测数据553

11.3.2 体验复杂性之二：大地震的个性554

11.3.3 理解复杂性560

11.3.4 应对复杂性——地震大地测量学的科学技术对策563

本章参考文献566

第12章 大陆现今变形动力系统演化与地震行为571

12.1 地震模式学术思想的演化与启示571

12.1.1 回眸：随时间演化的地震模式571

12.1.2 仅考虑了震源区（或发震断层段）的模式573

12.1.3 震源区和周围构造环境作为一个系统整体考虑的模式573

12.1.4 地壳上部脆性层和深部韧性层与软流圈作为一个系统整体的模式574

12.1.5 从点源到动力系统——地震模式学术思想演化的启示576

12.2 复杂系统动力学——地球形成至现今大陆地壳运动的自组织演化577

12.2.1 复杂动力系统演化——自组织理论概要577

12.2.2 复杂动力学系统演化方程及其动力学吸引子581

12.2.3 地球科学中的多种自组织自然现象585

12.2.4 从均质化初始地球到分层次结构地球——由混沌到有序的自创生（自组织）588

12.2.5 大陆岩石圈的演化——稳态与非稳态相交替的自组织进化过程589

12.2.6 继承新构造运动的中国大陆现今地壳运动——以自调节 （自组织）为主的整体稳定590

12.3 中国大陆现今变形动力系统演化与地震行为593

12.3.1 中国大陆岩石圈现今地壳运动—变形动力系统593

12.3.2 现今大陆变形动力系统是复杂系统593

12.3.3 现今大陆变形动力系统的结构与边界595

12.3.4 现今大陆变形动力系统的动力源597

12.3.5 “动力系统”的不动点吸引子效应——动力学稳定态（常态、震间态）600

12.3.6 动力系统的极限环与环面吸引子效应——周期波动与周期韵律601

12.3.7 动力系统的自组织临界态（SOC）及其与地震预测的关系602

12.3.8 地震的可预测性和预测的不完全确定性604

12.3.9 现今大陆变形动力系统演化与地震行为606

12.3.10 现今大陆变形动力系统——一个连接多种观测、模型与学科的框架608

12.4 中国大陆现今变形动力系统框架下地震监测预测609

12.4.1 寻觅中国大陆地震预测之道610

12.4.2 发展揭示动力系统演化的整体动态组合观测理论与技术612

12.4.3 正常动态（动力）参考基准的长期监测研究与模拟614

12.4.4 地震地壳形变循回模式及其动力学过程618

12.4.5 动力系统临界态与大地震短临预测（预警）623

12.5 现今大陆变形图像（斑图）动力学——一种介于运动学与动力学之间的预测方法631

12.5.1 斑图动力学（Pattern Dynamics）——非线性动力学的重要前沿，预测灾变的新途径631

12.5.2 地震大地测量图像动力学——现今大陆变形班图动力学的探索与兴起632

12.5.3 以坚固体为“系统核”的孕震系统633

12.5.4 震前变形局部化——空间分布图像演化由准均匀（准平庸性斑图）到非均匀（有序性斑图）634

12.5.5 时间序列群体图像由准线性至非线性——由震间形变进入震前形变638

12.5.6 特定空时域内响应灵敏度增强与频率结构变异图像——进入地震孕发系统的自组织临界阶段（SOC）638

12.5.7 大地震后的应变（力）场变化图像与不同地域地震危险程度的增减638

12.5.8 变形事件长程空时关联图像与近期特大地震和成组关联性大震研究639

12.5.9 具大概率意义的“相对平安”图像642

12.5.10 现今大陆变形图像动力学中某些可望重现特性的探讨642

12.6 对地震、地震预测和地震预报的再思考643

12.6.1 与地震共处643

12.6.2 地震预测643

12.6.3 地震预报644

本章参考文献646

第13章 地震大地测量学——强震预测科技途径、问题与展望653

13.1 地震预测的困难及大陆地震预测问题653

13.1.1 国际国内开展地震预测基本概况653

13.1.2 中国大陆震情背景及大陆强震预测问题657

13.2 地震孕育发生过程的地壳形变相关认识660

13.2.1 强震孕育过程中地壳形变的基本理论认识和问题660

13.2.2 不同观测技术获得的地壳形变特征及其与地震的关系663

13.3 地震大地测量学大陆地震预测科学思路与技术途径668

13.3.1 中国地震预报总体科学思路669

13.3.2 地震大地测量学大陆地震预测科学思路670

13.3.3 地震大地测量学大陆地震预测的技术途径和方法简述673

13.4 多时空尺度地壳形变动态特征与汶川地震反思677

13.4.1 印度板块与中国大陆大尺度地壳运动动态特征678

13.4.2 大地震引起构造应力场调整变化的区域地壳形变响应682

13.4.3 大地震前不同尺度应变率场与地壳形变特征688

13.4.4 汶川地震前龙门山断裂带区域应变积累与同震位移对比689

13.4.5 汶川地震的启示693

13.4.6 强震孕育过程地壳形变动态特征及中期（数年）地点预测判据694

13.5 对地震大地测量学地震预测的展望696

13.5.1 在发展中国地震预测科学体系中地震大地测量学的作用696

13.5.2 针对地震预测任务需要加强的工作698

13.5.3 发展地震动力学模型综合预测（或数值预测）需要开展的工作700

本章参考文献701

第14章 地震大地测量学在地质灾害与环境监测中的应用710

14.1 地震大地测量学在水库诱发地震研究中的应用710

14.1.1 水库诱发地震的含义和研究概况710

14.1.2 地震大地测量学在水库地震研究中的应用712

14.1.3 地震大地测量学在拟建、已建大型水库监测与研究中的应用718

14.2 地震大地测量学在火山监测与预报中的应用722

14.2.1 全球火山活动概况722

14.2.2 火山作用与火山灾害723

14.2.3 地震大地测量学在火山监测与预报中的应用724

14.3 地震大地测量学在滑坡地质灾害监测预报中的应用729

14.3.1 滑坡地质灾害的分布729

14.3.2 滑坡地质灾害730

14.3.3 滑坡地质灾害的诱（触）发因素731

14.3.4 滑坡地质灾害监测与预报现状732

14.3.5 应用实例——长江三峡新滩滑坡的监测与预报732

14.4 地震大地测量学在地面沉降监测中的应用736

14.5 地震大地测量学在地下水储量变化监测中的应用738

14.6 地震大地测量学在能源领域中的应用739

本章参考文献741

第15章 当代全球对地观测系统的进展745

15.1 全球对地观测系统发展动态745

15.1.1 美国NASA的地球科学事业（ESE）计划746

15.1.2 全球综合地球观测系统（GEOSS）751

15.1.3 智能对地观测系统（IEOS）755

15.1.4 全球大地测量观测系统（GGOS）758

15.2 后GPS时代的卫星导航定位新技术761

15.2.1 美国国家定位导航授时（PNT）体系761

15.2.2 GPS现代化计划768

15.3 广义遥感技术771

15.3.1 广义遥感概念及后遥感应用技术771

15.3.2 地面遥感新技术773

15.4 海底观测网络776

15.4.1 海底观测技术平台776

15.4.2 国际海底观测网的建设计划779

15.5 面向未来的空天地一体化网络技术783

15.5.1 空天地信息网络基础783

15.5.2 天地深对地观测传感网784

15.5.3 数字地球神经系统787

本章参考文献789