使用GNSS研究破坏性地震发生前地壳应变的时空演化

在地震前观察地面“呼吸”

想象我们能够像医生监测生命体征那样，看到地壳在大地震前几年里缓慢收紧与放松。该研究探索了：用卫星定位测得的地形微小变化能否在如 2024 年日本能登半岛地震等破坏性地震来临前揭示可靠的预警模式。通过把长期的类 GPS 测量转换为地壳伸展与压缩的地图，作者们考察地震在发生前是否在地表留下可识别的信号。

极微小位移如何揭示隐藏的应力

现代导航卫星能将地面测站的定位精度控制在毫米量级。日本建成了世界上最密集的此类网络之一——GEONET，拥有逾千个全球导航卫星系统（GNSS）测站分布全国。本研究并非仅跟踪单个测站如何移动，而是观察测站群体之间的相对运动。研究者将相邻测站连成三角网，并应用工程中用于桥梁与建筑的计算方法，将每日位置变化转换为“地壳应变”——反映地面在多大程度上被拉伸、压缩或剪切的量度。

聚焦能登半岛地震的细致观察

研究者把注意力集中在过去十年中三次破坏性日本地震，特别是 2024 年 1 月 1 日发生的规模 7.5 能登半岛地震。在震中附近，他们构建了连接 GEONET 测站的三角网，并追踪这些三角形区域约 13 年来每日演化的应变。普通的地面位移——每个测站向东、西、北、南或上下移动的距离——看起来大多平缓且无显著异常。即便自 2020 年末以来局部地震活动有所增多，位移曲线也几乎没有表明即将发生大规模破裂的迹象。

在膨胀与压缩中看到预兆

应变却讲述了不同的故事。团队聚焦于一种称为膨胀（dilatation）的应变分量，描述地表面积在多大程度上是扩张或收缩。自 2020 年 12 月左右起，未来能登震中附近的若干三角形区域显示出缓慢且持续的膨胀变化，持续多年。一些区域持续扩张，另一些持续收缩，形成了一个明显的空间格局，并在接近未来断层的位置变得最强。通过对这些多年趋势拟合直线，研究者发现膨胀变化最大的区域与后来的破裂区对齐，并大致匹配地震发生时观测到的最终变形模式。这表明潜在地震的位置和总体规模在演化的应变场中已有所编码。

破裂前的短期波动

除了缓慢的背景趋势外，作者还检查了膨胀信号随时间变得多么“嘈杂”。他们将每日数值与每周移动平均值比较，并追踪偏差的大小。多年间，这些波动呈现相当规则、受季节影响的行为，夏季略显活跃。但在 2023 年——能登主震的前一年，偏差在两个关键事件周围异常增大：5 月的 6.5 级前震和元旦的 7.5 级主震。在这两次地震前的数周里，膨胀的离散度远超其长期统计范围，尤其在离震中最近的单元中更为明显，提示地壳在接近破裂时出现短期的“震颤”现象。

来自其他近期灾害的线索

为检验能登是否独特，研究将能登的应变历史与另两次破坏性事件作比较：2016 年熊本地震和 2018 年北海道胆振东部地震。它们发生在不同的构造背景和不同深度，但都在未来破裂区附近显示出持续数年、与该地震相关的膨胀应变积累。渐进增加的持续时间和形式似乎随地震规模扩大而延长，表明大事件前可能会有更长时间的缓慢变形期。发生与未发生大地震的区域之间的差异进一步强化了这些模式并非单纯背景噪声的观念。

这对未来预警可能意味着什么

对非专业读者而言，关键结论是：能登半岛地震来临时，地面并非毫无征兆地突然断裂。相反，该区域地壳在若干年内以一种独特方式缓慢变形，且在最大震动前数周内其日常波动出现异常活跃。尽管这不能用于精确的短期预测，但表明在广域内谨慎监测地壳应变——尤其是膨胀分量——可能有助于识别重大地震正变得更可能的位置、可能的规模，以及地壳何时进入更高风险的时间窗口。研究认为，借助密集的 GNSS 网络和精细化的应变分析，地震科学或可更接近建立以地表在破裂前“悄然呼吸”为基础的实用早期预警工具。

引用: Kamiyama, M., Mikami, A., Sawada, Y. et al. Spatiotemporal evolution of crustal strains preceding destructive earthquakes using GNSS. Sci Rep 16, 9708 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38681-7

关键词: 地震前兆, GNSS 监测, 地壳应变, 能登半岛地震, 慢滑变形