0 引言

地震威胁人身安全、危及社会稳定，唐山、汶川地震级别的大震更是灾难。天然地震活动是窥视地球内部的一扇窗口，大地震更是昭示自然规律的难得机会，近些年印尼、日本巨震及汶川、廓尔喀特大地震为地球科学发展、减灾技术创新创造了条件。

认识地震成因机制乃至预报地震离不开对地震变形的解析，地震大地测量应运而生，围绕震源展开观测模拟，研究孕震的构造物理及破裂的发生机制，最早研究震例可追索到美国加州1863年海沃德8级大震(Yu et al，1996)。作为交叉学科，彼时理论尚待完善，观测技术更是低下，百年来成功案例屈指可数，与后来居上的地震波观测比相形见绌。20世纪80年代初GPS横空出世，到1989年美国加州洛马普列塔地震时，高精度GPS崭露头角(Segall et al，1990)，到1992年加州兰蒂斯地震时已堪当大任(Hudnut et al，1994)，此时连续、实时的GPS监测呼之欲出，卫星InSAR更是大放异彩(Massonnet et al，1993)，基于位错理论的模型建构大行其道(Segall et al，1990)，地震大地测量从此走进新时代。

中国与时俱进，建成“中国大陆构造环境监测网络”，GPS监测到7级玉树、芦山、九寨沟大震、8级昆仑山、汶川、廓尔喀特大地震以及9级苏门答腊、日本巨震。InSAR研究起步稍晚，早期数据来源不畅，处理软件匮乏，InSAR犹如“旧时王谢堂前燕”；直到21世纪技术瓶颈才逐步打破，如今InSAR早已“飞入寻常百姓家”，成为专业研究生起步的不二之选。30年来，从基础建设到经费投入，从人才培育到成果产出，中国均走在世界前列，从事地震大地测量的科研、教学单位二十有余，专业队伍远超百人(不包括中国香港、中国台湾)，是全球减灾事业的新生力量。

本文主要回顾GPS和InSAR在震源几何、运动学研究方面的进展。限于篇幅，省略了其他手段(重力、北斗、高频GNSS等)在此领域的贡献。需要说明的是，广义的地震大地测量涉及地震变形的全过程，本文虽没有提及震间、震前和震后阶段中国地震大地测量的发展状况，但本专辑有专文详解，敬请关注。

1 从邢台地震到唐山地震

1966年初云南东川发生6.5级地震，国家测绘总局组织了对震区内大地控制网的复测，应是国内地震大地测量的开端。当时全国尚无专门机构和专业人员，好在全国大地控制网大体完成，及时支撑了此后10年7次大震的变形监测(陈运泰等，1975、1979；国家地震局地震测量队，1977；黄立人等，1988；王椿镛等，1978；朱成男等，1976；曹新菊等，1985)，至今仍是中国地震大地测量的骄傲(表 1)。从邢台地震到唐山地震的这10年，地震大地测量事业蓬勃发展，招募人员、健全机构，围绕华夏大地频频显现的灾害性大地震，广泛开展观测，判断地震趋势，任务之艰前所未有，这个时期观测手段以三边测量和几何水准为主(重力测量与相关研究不在本文介绍范围，下同)，测边精度大致在1分米左右，水准点精度可优于厘米，以如此精度监测形变异常、服务地震预报实属理想，但用于分析大震震源，例如发震断层位置、破裂性质还基本可行，至少对5次大震的机制研究发挥了作用，至今仍不失学术价值。

为此，黄立人等(1988)拓展了传统测量平差理论，提出适用于变形分析的伪逆法平差算法，陈运泰等(1975)发展了基于断层位错的大地测量反演理论，并首先用于邢台地震变形数据反演，之后又反演了唐山地震的位错模式(陈运泰等，1979)，并被推广到通海和炉霍地震的研究(王椿镛等；1978；黄立人等，1988)。这3次地震是那个时期研究比较充分的震例，地表勘察显示其均具有不均匀地表破裂，但以上建模只能约束断层破裂的基本特征，如破裂长度、宽度、平均破裂幅度等，表明以常规测量的精度和站点密度根本无法分辨大震的破裂细节。

改革开放前10年中就有1969年渤海与1976年松潘7级地震因地形条件有限，未留有任何变形观测记录。改革开放后的前15年，我国7级左右地震仅有3次，分别是1985年乌恰7.3级、1988年澜沧-耿马7.6级、7.2级和1990年共和7.0级地震。乌恰地震震区布设有大地控制网，震后没有复测，澜沧-耿马和共和地震后只组织过小规模变形监测(刘玉权等，1993；巩守文等，1993)，无法摆脱地形制约和提高精度，已使传统地震大地测量走到尽头。

时至今日，早先布设的大地控制网业已与全国GPS网联网平差，站点坐标从参心坐标系转换到地心参考系——2000中国大地坐标系，精度也适度提升(杨元喜，2009)。用GPS复测这些站点或可克服传统地震大地测量的先天不足，改善历史地震的研究现状，值得期待。汶川地震的实例表明，借助优化后的大地控制网，可弥补现有GPS站点不足，对一些特定地区(例如2001年昆仑山)的大震研究仍有重要价值(图 1)。

2 新时代的地震变形监测

从1992年开始，GPS、InSAR替代常规测量，基本包揽全球陆地及近海地震变形监测任务。空间技术带给地震大地测量最大的变化就是观测灵活、精度高(毫米-厘米)、密度大，极大地方便建立各类量化的震源模型，不仅能有效约束发震断层位置，绝大多数还能分辨出一些破裂细节。新时代中国仍处于全球大陆地震的最高位，这期间十大(M_W>7.5)地震中，中国占六席，且2008年汶川地震位列第一，是难得的研究窗口期。1992~2001年间是我国初创阶段，GPS网点稀少，连续站更属凤毛麟角，国外SAR卫星对本区域的观测严重不足、获取不易，相关研究全部被国外垄断。1997年玛尼地震是这段时间最重要的事件，ERS卫星不仅首次展示青藏高原内部活动断层的变形状况(Peltzer et al，1999)，更激发国内钻研InSAR技术的强烈动力。几年后王超等(2000)便独立处理ERS卫星资料，首次获取1996年张北地震InSAR图像，掀起了此后20年国内InSAR研究的滚滚热潮。

2001年昆仑山口西8.1级地震恰逢“中国地壳运动观测网络”建成，GPS首次记录到西藏大震变形。由于震区内各类GPS点不足50个，现已公布的34个GPS变形数据中(万永革等，2008)，也只有12个靠近400km长的地表破裂带，虽能描述震区变形和断层破裂特征(图 1)，但对约束破裂分布没有实质帮助，现有模型主要来自InSAR的贡献(Lasserre et al，2005)，这种局面到2008年汶川地震时，监测条件大为改观(图 1)，震后对龙门山地区展开地毯式监测，最多包括438个GPS测站和181个水准点形成的三维位移场(Wang et al，2011)，为揭示更为复杂的变形细节和构造特征提供坚实基础(Wang et al，2011)。

除汶川地震，21世纪国内一些中等强震以及境外特大地震也有一些近场或远场GPS观测(Jiang et al，2014；He et al，2016；Li et al，2018；Liu et al，2019；梁洪宝等，2018；李瑜等，2015；赵斌等，2015)，最值得提及的是2004年苏门答腊9级巨震(王敏等，2006)，尽管远离中国大陆数千千米，但“中国地壳运动观测网络”位于华北、华南、西南的10个基准站首次记录到厘米级、指向震源的同震位移(图 1)。2011年日本海沟又一次爆发9级地震，“中国大陆构造环境监测网络”位于东北、华北的几十个基准站更清晰、全面地记录到1~4cm的东向移动(王敏等，2011)。这些远场变形记录约束震源的价值有限，但对了解板缘巨震的远程效应，理解板缘、板内地震活动性的时空关联具有科学意义。

以国内现有的GPS站点密度，对于M_W6.5以上地震，GPS才有用武之地——独立建模，而InSAR甚至可监测低至M_W5.2地震的变形(表 2)。包括中国台湾在内，迄今中国大陆及邻区50多次强震具有InSAR变形图(表 2)，占本文所列目录的绝大多数，涵盖了所有类型，国内尚未涉足的震例仅占目录极少数，值得注意是近10年发生的中小地震仅见国内研究，大震则有国外参与甚至主导。当前国内所用图像资料全部来自国外卫星，主要基于欧洲和日本SAR卫星的开放性图像，在国际学术竞争中处于不利地位。

1992年尼木地震是最早被InSAR观测到的西藏地震(Elliott et al，2010)，相邻区域2008年又一次发生当雄地震(Elliott et al，2010)。这2次中等地震发生在近SN向亚东-谷露地堑系的正断层，1993年、2020年2次定日地震以及2004~2008年间3次仲巴系列强震则涉及另外2条地堑(Elliott et al，2010)。同期藏北也发生数次正断型事件，如2003~2004年双湖地震(Ji et al，2016)、2007年阿鲁错地震(温扬茂等，2015)、2008年改则地震及于田地震(Elliott et al，2010)，虽早已有大量的震源机制解佐证，但InSAR观测无疑展示了更多的细节。

1996年新疆康西瓦喀拉山口7级地震后(Qiu et al，2019)，又紧接发生4次走滑型地震。这些大震皆位于松潘-甘孜地块，其中玛尼地震发生在高原腹地(Peltzer et al，1999)，此前只有1950年崩错地震与之可比，不久其东北侧可可西里又发生8级地震(万永革等，2008)，这2次地震虽有丰富地表破裂，但InSAR帮助分析断层深部破裂，意义格外不同。

2010年玉树地震是5次走滑事件中研究最为充分的一次(Li et al，2011)，从2颗卫星高清晰、全覆盖干涉图可以提取高精度视线向位移和低精度沿轨方位向位移图像，现有总计12个模型中，大部分展示3个集中破裂区(例如Zha et al，2011)，少量则显示2个或4个破裂区，模型在细节上差异明显，固然此次超剪切破裂事件具有复杂性，但InSAR一维标量数据对模型的约束仍力有不逮(不及二维GPS矢量数据)，建模易受诸如数据降采样、权重比、平滑因子、断层几何等因素的影响也是原因之一。

川滇及南北地震带自1995年武定及孟连地震算起，先后发生多达10多次6级以上地震，这段时期内的大部分地震均有质量不等的InSAR变形图像。川滇地区植被茂密、地势崎岖，尤不利于InSAR观测，恰遇多颗卫星接替，例如孟连地震时，C波段ERS-1/2完全失相干，幸有L波段JERS能形成干涉(Ji et al，2017a)，类似情况还有1996年丽江地震(Ji et al，2017)；而2013年芦山地震、2014年鲁甸地震时ENVISAT和ALOS均告失效，难得的是RADARSAT-2可用(刘云华等，2014；Niu et al，2020)。

汶川地震ENVISAT图像仅覆盖成都平原部分区域，好在ALOS图像能覆盖整个震区(Shen et al，2009)，虽有部分图像受电离层干扰严重，但整体上仍能反映近场变形的真实形态，完整地揭示出长达300km的发震断层破裂分布特征。类似状况也出现在喜马拉雅地区，2005年克什米尔地震ENVISAT影像由于严重失相干，早期只能用像素偏移法解算的三维位移场来约束震源模型(Wang et al，2007)，近来借助一些特殊处理方法，可局部恢复干涉条纹(Yan et al，2013)。廓尔喀地震Sentinel图像虽能产生完整的干涉条，但干涉条纹实际上扭曲了真实变形，研究者多基于ALOS-2干涉图建模(Wang et al，2015)。这些震例，包括2008年于田地震(Shan et al，2011)，说明陡峭地形、冰川和高植被地貌仍是C波段SAR卫星的梦魇。

甘青及西北边域一系列中强地震的InSAR图像质量明显高于川滇地区，例如德令哈在2003~2009年间连续发生M_W6左右地震，从时空上分为2003~2004年和2008~2009年德令哈-大柴旦震群，ENVISAT均给出清晰的干涉图(Elliott et al，2011；Liu et al，2015)。帕米尔东北缘和西南天山出现过1996~2003年阿图什-伽师和2008~2017年奴拉-木吉2个震群，只有后者观测良好(表 2)，而InSAR在2015年塔吉克、2003年阿勒泰2次M_W7.2及中天山2016~2017年间昭苏、精河和呼图壁3次M_W6级别强震留下较好的图像(Barbot et al，2008；Sangha et al，2017；Gong et al，2019；Wang et al，2019)。值得注意的是，InSAR观测对喜马拉雅、天山逆冲型地震SN向变形不敏感，可能不会记录到全部变形信息，甚至难以观测到M_W6.1以下的地震变形。

基于InSAR的模型反演显示，天山、西藏、川滇地区中强地震破裂形态大多简单，基本表现为单一断层面上10~20km尺度的集中破裂区。这些破裂集中区，破裂深度15km以上、不出露地表，最大错动幅度1m左右，应力降在3~5MPa。但有少量例外，奴拉地震、鲁甸地震和九寨沟地震涉及2条断层破裂(Teshebaeva et al，2014；Niu et al，2020；Sun et al，2018)，丽江地震与木吉地震则涉及1条断层内2个区段，具有2个分离的破裂点(Ji et al，2017b；Li et al，2018)。

中国台湾地处欧亚-菲律宾板块相互挤压的关键部位，地震频繁，近期最大的地震是1999年集集M_W7.6地震，基于遍布全岛的近300个GPS测站，其中连续站40座(Yang et al，2000)，密集程度之高、覆盖之完整，少有出其右者。ERS-2虽能产出同震位移InSAR图，但图形数据不完整(Pathier et al，2003)，此次震源模拟仍基于GPS结果，此后9次地震基本也以固定台网GPS监测为主，只有最近2次用Sentinel图像作为参考(表 2)。集集地震及其他地震凸显近距离、高密度、三维GPS观测可产出精细模型，在剖析复杂的大震破裂上比InSAR观测更优越，这也被汶川地震GPS观测实践所验证。

3 科学贡献与挑战

纵观半个世纪中国地震大地测量表现，不仅空间监测的质量大幅提高，大震破裂分布清晰可辨，观测效率也大为提高，不到30年就有60多个大、小地震具有详细的变形观测记录，遍及整个西部地区。中国仅是见证全球地震大地测量同步发展的一个缩影，据不完全统计，迄今具有大地测量约束的震例接近300(早期震例不足30个)，成功震例成倍增加，遍及除南极大陆的所有陆地。整合这些震例可构建一个信息完备的新型强震分目录，与收录了数以万计强震事件的地震学目录(例如gCMT)相比，基于大地测量震例虽属九牛一毛，但例例珠玑，其科学贡献主要表现在如下三方面：

(1) 优化现今地震目录。目前地震学目录依赖全球地震台网的远场监测，震源定位很大程度取决于地震波到时和传播速度，定位精度在数十千米水平，定位误差与地球内部三维速度结构复杂性有关。大地测量近距离精准观察地震变形，由其推算中小地震震中，精度可在2~3km内，因此近场的地震大地测量方法实际上要比远距离遥测的地震学方法准确。经大地测量约束的震源信息可作为现有地震目录的外部检核，尤其是用来评估现有用于定位的波速模型误差。初步对比近50个InSAR地震定位和gCMT定位结果，显示gCMT震源位置平均偏差21km(Weston et al，2011)，EHB目录中震源位置相对准确(Robert et al，1998)，与InSAR结果相比水平偏差减少至11km，深度系统差为5km。随着震例不断增加，精密震源分布不断扩大，地震大地测量在修订地球三维速度模型，提高区域小震定位精度，实有远大前程。

(2) 强化地震活动性研究。现代地震台网波形使得震源不再限于一点，而是沿断层走向的某一区段、沿倾向的某一层面的破裂形态。但仅用波形反演，模型精准度难以保证。例如汶川破裂的地震波模型彼此差异显著，远不及大地测量模型间良好的一致性(Shen et al，2009；Wang et al，2011)，而2008年、2009年大柴旦震群大地测量模型破裂位置的确定，轮廓分明、量化清晰，可以判断后续的地震沿高角度、南倾的单一断面向北迁移(Elliott et al，2011)；类似研究还有2008年改则地震，清晰的InSAR图像有助于分离M_W6.4主震和M_W5.9余震变形，对岩石孔隙水压变化触发余震作了最好诠释(He et al，2010)。

以汶川地震和廓尔喀地震为例，这2次事件的震级相同、性质相似，而依据大地测量模型，汶川破裂面长而窄，沿相距不远两处高倾角断层穿透地表，释放了龙门山中段断层累积的全部应力(Shen et al，2009)；而廓尔喀的破裂面相对短而宽，呈现倾角平缓的破裂方式，以致位于加德满都下方一半左右的喜马拉雅主冲断层安然无恙(Wang et al，2015)。如此，这两处的地震形势自然有不同解读，未来龙门山地区的地震活动性应向两端发展，而中段趋于平缓；尼泊尔中部大震危险性不会缓解，且向加德满都以南转移。

(3) 深化对活动构造的认识。地震是大陆活动构造的基本特征，更透射出大陆演化的万千气象。20世纪80年代，Molnar等(1984)基于断层调查估算近一个世纪内大震矩张量级青藏高原重要断层滑动速率，此后Molnar等(1989)又以25年间38次强震震源机制解证实青藏高原南缘以挤压变形为主，藏南以拉张为主，藏北到祁连以走滑为主，并结合矩张量分析，具体厘定在青藏内部活动地块的运动趋势，归纳出青藏高原内部地块向东挤出的基本论断，这一系列地震学研究奠定了亚洲活动构造的总基调，其运动学图像为此后GPS精准观测所厘定(Wang et al，2001)。

历史大震少有确定性的记录，可确定的破裂状况仅限于局部地段，更不能及达地底，惟有借助各项空间观测，实现了强震和大震破裂机制和分布统一解算，我们才见证了活动断层现今变形、错断过程，全面了解断层震间蠕变、同震错断与周边变形响应、断层浅表形貌与深部结构的关联，进而了解断层应力积累与释放机理，特定区域内地震迁移与应力的分解和造山演化等基础性问题。

短短30年，高新技术让我们能深入研究多次大震事件，观测集集地震、克什米尔地震、汶川地震使我们清楚山前反序断坡破裂如何调节地块间挤压变形，分析集集地震、汶川地震和廓尔喀地震的变形场，使我们明白造山带边缘滑脱构造如何造就中央山脉、龙门山和喜马拉雅；而对玛尼地震、昆仑山地震、玉树地震的研究则勾勒出一条联系昆仑山、鲜水河断层、与EW向班公湖-嘉黎对应的大型断裂系统，让我们意识到藏北多条似乎分离的走滑断层的协同如何促使青藏高原向东挤出。

如果观测持续不断，更为精准细致揭示地震变形过程，我们对大陆演化的认识定能更上一层楼。然而既往实践表明，以欧洲和日本卫星为主的地震InSAR监测暴露出能力不足和技术短板，至少25个M_W6.0~7.1地震错过监测(图 2)或效果不佳，尤其是欧洲和日本的新、旧卫星不能无缝交接，2000~2003年及2011~2014年间问题尤为突出。亚洲复杂的山地环境影响图像效果，例如C波段卫星在地形起伏大、植被密集高原边缘地带难有作为，而L波段图像精准度低，受电离层干扰严重。着眼未来、实现对整个中国大陆地震带全覆盖，亟需中国SAR卫星，扭转图像资料完全依赖国外的局面，而补足短板、兼顾2种地形地貌条件的变形监测，需要研发类似HJ-1C的S波段中国环境监测卫星。

4 结论

回顾半个世纪的研究历程，彰显空间技术革命对地震变形监测的巨大推动，目前大地测量观测的60余次震例展示了大震破裂多样性、中强地震相似性，促进了中国大陆地震活动性、孕震机理和构造演化研究。InSAR无疑是大陆地震最适用的监测手段，但仍有三分之一中、小地震由于资料和地理因素没有结果，GNSS是实现高质量监测的充要条件，除中国台湾以外的GNSS网络只有7级以上大震监测能力。未来必须优化国产SAR卫星，使其胜任地震监测，同时加密西部GNSS布网密度，具备高频动态监测能力，如此方能夯实创新性研究的客观基础，使我国真正从防震减灾事业的大国迈向世界强国。

致谢: 何平提供昆仑山口西地震InSAR图像资料，陈威提供玉树、于田、阿勒泰、塔吉克、集集、汶川、廓尔喀地震InSAR图像资料，审稿人提供了宝贵评阅意见，在此一并感谢。