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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