《Earthquake Science》：Is there accelerated crustal deformation before large earthquakes? A case study of strong intra-plate earthquakes in China
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地震大震前是否存在可靠的斷層預滑信號是預測領域的核心爭議。為解決Bletery和Nocquet (2023)研究中發現的“前兆性加速”現象是否適用于板內地震的問題，西北工業大學團隊對2010-2024年間15個中國大陸M≥6.5強震的GNSS數據進行分析。研究發現，絕大部分事件（13/15）未觀測到清晰的形變加速前兆，綜合疊加結果也未顯示普遍的前滑現象。這為評估前滑現象的普適性和地震危險性提供了來自板內地震的重要補充視角。
大地震前，地球真的會“偷偷”活動嗎？
地震預測，一直是人類與自然搏斗中最具挑戰性的目標之一。幾十年來，科學家們一直在努力尋找大地震發生前可能存在的蛛絲馬跡，即所謂的“前兆信號”。其中，一個核心問題是：在斷層最終破裂、引發災難性地震的幾小時前，它是否真的會以一種可以被儀器捕捉到的方式“偷偷”加速滑動，為后續的大爆發積蓄能量？這就是“預滑”或“前兆性斷層滑移”假說。
2023年，一項發表在《科學》雜志上的研究（Bletery 和 Nocquet, 2023）在全球范圍內投下了一枚重磅“炸彈”。研究者們分析了90個大地震發生前兩天的GNSS（全球導航衛星系統）數據，聲稱通過一種叫做“點積疊加”的方法，在震前數小時普遍觀測到了斷層滑移呈現“指數加速”的跡象，就像一顆不斷加速的、最終沖向終點的彈珠。這一發現讓許多人看到了短期地震預測的新曙光。
然而，科學界并未被輕易說服。緊隨其后的幾項研究給出了不同的聲音。例如，Hirose等人(2024)在分析日本東北大地震的傾斜儀數據時，并未發現類似的加速現象。更有研究指出，BN23的結果可能受到GNSS數據中普遍存在的“共模噪聲”影響，一旦將這些背景噪音剔除，加速現象便消失了。這些爭議使得“預滑”假說的真實性再度蒙上陰影。
更重要的是，BN23研究的樣本存在一個顯著的“盲區”：他們主要分析了發生在板塊邊界俯沖帶的大型地震，但對于發生在板塊內部（如中國大陸大部分地區）的地震，則缺乏足夠的考察。那么，一個關鍵問題懸而未決：BN23發現的所謂“前兆加速”現象，是地震的普遍規律，還是僅僅是板塊邊界俯沖帶地震的“專利”？對于地震頻發的中國大陸而言，搞清楚這個問題，對于評估本地的地震風險和理解地震孕育機制具有至關重要的意義。
為了填補這一知識空白，西北工業大學的張成陽、賈柯、王浩浩、郝明組成的研究團隊，將目光投向了中國大陸地區。他們決定用同樣的“尺子”——即BN23提出的研究方法，來丈量我們腳下的這片土地。他們的核心問題是：在2010年至2024年間，發生在中國大陸內部的那些震級（M）不小于6.5的強烈地震，在發生前是否也普遍存在可檢測到的地殼形變加速跡象？這項研究的結果，以一篇題為《Is there accelerated crustal deformation before large earthquakes? A case study of strong intra-plate earthquakes in China》的論文，發表在《Earthquake Science》期刊上，為我們帶來了來自大陸內部的答案。
關鍵技術方法
為了回答上述問題，研究人員系統性地開展了一項回顧性案例研究。他們首先從中國地震臺網中心選取了2010年至2024年間發生在中國大陸的15個M≥6.5地震（不包括2014年于田地震）。1利用以震中為中心、半徑500公里范圍內的中國大陸構造環境監測網絡(CMONOC)連續GNSS觀測站數據，獲取了每個地震前兩天的觀測序列。數據處理是本研究的關鍵環節，團隊使用了PRIDE PPP-AR軟件進行動態精密單點定位(PPP)，以獲取高精度的測站位置時間序列。在剔除異常值后，他們將數據采樣間隔從30秒降采樣至5分鐘，以匹配BN23的研究參數。核心的分析方法是嚴格復現BN23提出的S函數計算方法：首先計算每個GNSS測站記錄的水平位移與基于斷層模型計算出的格林函數(Green’s function)的點積，以量化觀測信號與理論斷層滑動方向的吻合程度；然后，通過對所有可用測站的歸一化點積結果進行疊加，生成表征每個地震“前兆信號強度”隨時間變化的S函數。通過對單個地震以及分組、整體地震的S函數進行擬合（包括正弦函數、指數函數擬合和移動平均分析），來判斷是否存在周期性和震前加速現象。
研究結果：來自中國大陸的否定答案
1. 單個地震的S函數：大部分“靜悄悄”
研究團隊逐一計算了15個地震的S函數，并根據其震前趨勢將它們分為三類：上升型、下降型和無明顯趨勢型。結果顯示：
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僅1例上升：2024年新疆烏什M7.1地震的S函數在震前4小時內表現出上升趨勢，指數擬合時間常數為1.65小時，接近BN23報告的1.3小時。但進一步分析發現，這一結果嚴重依賴于距離震源最近的WUSH站，當剔除該站數據后，上升趨勢消失。
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僅1例下降：2022年四川瀘定M6.8地震的S函數在震前約6小時開始顯著下降。
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13例無明顯趨勢：其余13個地震（包括2021年青海瑪多M7.4、2017年四川九寨溝M7.0等）的S函數在震前沒有顯示出清晰的、可與其他時間段明顯區分的上升或下降趨勢，其波動相對平穩。例如，對2021年瑪多地震的分析顯示，盡管其1小時50分鐘的移動平均值在震前8小時有微弱上浮，但數值仍低于更早時期的多數S函數值，指數擬合甚至得到了負系數，未發現有效的預滑加速證據。
2. 疊加結果：依然缺乏普遍加速證據
為了增強信號、探索普遍規律，研究人員將所有15個地震的S函數進行了疊加分析。結果顯示：
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無整體加速跡象：綜合S函數在震前沒有顯示出加速上升的現象。相反，指數函數擬合表明疊加的S函數在震前有輕微下降趨勢，擬合得到的時間常數為4.52小時，遠大于BN23報告的1.3小時。
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存在周期性：疊加S函數顯示出了約11.49小時的周期性，這與BN23報告中觀察到的12.9小時周期現象有相似之處。盡管數據已進行潮汐改正，但該周期性現象的根源尚不確定。
3. 按斷層機制分類：加速現象仍未顯現
為了探究不同斷層類型的地震是否有不同表現，研究人員將地震按震源機制分為逆斷層、走滑斷層等類別，并分別進行疊加分析。結果顯示：
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逆斷層地震：6個逆斷層地震的疊加S函數表現出周期性特征，但未發現明顯的預滑加速。
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走滑斷層地震：7個走滑斷層地震的疊加S函數同樣顯示出周期性，但也缺乏加速證據。
由于其他類型地震數量太少，其疊加結果不具有統計意義。這些分類分析進一步表明，在板內地震中，不同斷層類型的地震均未普遍表現出BN23所報告的指數加速前兆。
結論與討論：前兆加速并非“標配”，方法敏感性需警惕
本研究的主要結論是：在2010-2024年間中國內陸發生的15個M≥6.5強板內地震中，沒有發現普遍的、清晰的震前地殼形變加速（預滑）現象。單個地震分析中，僅有個別案例顯示出趨勢，且易受單個臨近臺站數據的支配。綜合所有地震或按斷層類型分組疊加的結果，也未能證實BN23所報告的指數加速前兆的普適性。這提示，斷層預滑加速可能并非大地震發生前的“標配”現象，其出現或許與特定的地震類型（如巨型俯沖帶地震）、區域構造環境或數據條件有關。
研究在討論部分深入剖析了導致與BN23結果差異的可能原因及S函數方法的局限性：
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臺站分布與數據質量的重大影響：分析表明，S函數結果對GNSS臺站的分布極為敏感。靠近震中的臺站由于信號強、格林函數計算的靜態位移大，其點積結果會不成比例地主導整個地震的S函數。在中國大陸，GNSS臺網密度和分布不均，且數據質量參差不齊，這導致單個地震的S函數容易被少數甚至單個臺站“綁架”，結果的穩健性存疑。例如，烏什地震的“前兆”信號在剔除最近臺站后即消失。
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震源機制解的不確定性：格林函數的計算依賴于震源機制解（走向、傾角、滑動角）。測試表明，這些角度在20°的不確定度范圍內變化時，雖然不改變S函數的總體上升或下降趨勢，但會影響其具體形態，帶來額外的不確定性。
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板內與俯沖帶地震的潛在差異：BN23的研究主要針對板塊邊界俯沖帶上的大地震，而本研究聚焦于板內地震。兩者在構造背景、應力加載方式、斷層規模等方面可能存在本質差異，這可能是導致觀測現象不同的根本原因之一。
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周期性現象的謎團：一個有趣的發現是，盡管缺乏加速證據，但本研究和BN23的研究都在疊加的S函數中觀察到了約12小時左右的周期性波動。在已進行潮汐改正的前提下，這種現象的來源仍不明確，其是否蘊含了與地震孕育相關的物理信息，值得在未來利用更龐大的數據集進行深入探究。
重要意義
這項研究的意義在于，它首次系統性地將引發廣泛關注的“震前形變加速”假說檢驗場，從板塊邊界延伸到了中國大陸這樣的板內地震活躍區，并得出了基本否定的答案。這為評估“預滑”作為地震普適性前兆的可靠性提供了關鍵且必要的補充案例。研究表明，地震前兆現象可能比想象中更為復雜和多樣，不存在“放之四海而皆準”的單一模式。同時，研究也警示，基于GNSS點積疊加的S函數分析方法雖然有力，但其結果嚴重依賴于臺網密度、數據質量和數據處理細節，在應用于臺站稀疏或分布不均的區域時需要格外謹慎。該工作強調了在探討地震前兆時，必須考慮地震類型、構造背景的差異性，并需要整合多種數據源進行交叉驗證。未來，通過對更長時間尺度、更多地震案例，尤其是不同構造環境下的大地震進行歸類分析，或許能更清晰地揭示前兆信號的真相，為最終理解地震孕育過程和提升災害風險評估能力累積寶貴的知識。
