地球動力學(xué)是從地球的整體運動出發(fā)，由地球內(nèi)部和表層的構(gòu)造運動來探討其動力演化過程，進而尋求其驅(qū)動機制。其基本問題是研究地球的變形及其變形機理。

板塊構(gòu)造概念帶動了地學(xué)的一次重大革命，板間構(gòu)造和板塊運動理論能否成立或被人接受，均需得到全球板塊運動的最新直接測量結(jié)果的支持。此外，板塊運動的動力學(xué)機制、板內(nèi)和板緣運動的復(fù)雜性的精細描述等方面，有待更多測量結(jié)果去完善。

中國大陸東部受西太平洋洋型板塊俯沖、削減的影響，造成了一系列與弧后擴張有關(guān)的陸緣海伸展和斷陷盆地；西部和西南受印度板塊與青藏塊體陸殼碰撞后的構(gòu)造效應(yīng)，形成不同地質(zhì)構(gòu)造時期的推覆構(gòu)造帶?，F(xiàn)代地殼運動則以青藏高原的快速隆起和沿巨型活動帶的走滑或逆走滑的強烈變動為特征。據(jù)有限的觀測，其水平運動速率每年高達l～4cm，垂直運動速率每年達1cm.這說明同時存在當(dāng)代板塊構(gòu)造學(xué)說兩種最具代表性的邊界，即陸-陸殼相碰撞型和洋猜嬌歉┏逍捅囈紓既具有主要的全球構(gòu)造意義，又具有獨特的演化特征。這里的現(xiàn)代地殼運動類型多樣，性質(zhì)復(fù)雜，地貌清晰，是全球動力學(xué)研究中具有重要特殊地位的實驗場。

因此，不論從地球動力學(xué)、板塊運動還是青藏高原隆起，運用高精度、高時空分辨率、動態(tài)實時定量的觀測技術(shù)，建立符合實際的地球動力學(xué)基礎(chǔ)的全國統(tǒng)一的觀測網(wǎng)絡(luò)，勢在必行。

對于地震監(jiān)測預(yù)報而言，這種緊迫性尤為顯著，因為我國地震臺網(wǎng)，尤其是地震前兆網(wǎng)，存在著嚴重的三個主要缺陷：

第一，自1988～1999年，我國大陸共發(fā)生6級以上地震53次，其中7級以上地震9次，若以東經(jīng)105為界，西部地區(qū)發(fā)生8次，東部地區(qū)為1次，為8∶1.可是，在東經(jīng)105°以西，由于人煙稀少，交通不便，臺網(wǎng)布局極為稀少。一個釋放地震能量90％以上的地區(qū)，臺網(wǎng)過稀，無疑浪費了寶貴的地震信息的天然資源，大大延遲了人類的實踐，從而延緩了提高地震預(yù)報水平的進程。

第二，全國地震前兆臺網(wǎng)都是以“點測”形式進行相對變化量的日常觀測，各臺站的觀測數(shù)據(jù)都是相對獨立的，臺站之間數(shù)據(jù)沒有相互關(guān)系。一旦出現(xiàn)異常時，由于是點結(jié)構(gòu)觀測，沒有面上的聯(lián)系，則難以判斷其真?zhèn)巍?/p>

第三，地震活動是區(qū)域性和全球性的，而前兆觀測是獨立的，不相關(guān)的，則難以研究其與全球地震活動的關(guān)系。

對于能加密西部觀測，具有全球框架意義，又有“面結(jié)構(gòu)”聯(lián)系的高精度的觀測系統(tǒng)，只有運用空間測量技術(shù)（甚長基線干涉測量—VLBI、人衛(wèi)測距—SLR、全球定位系統(tǒng)—GPS、衛(wèi)星遙感—RS、合成孔徑雷達干涉測量—INSAR）。特別是GPS技術(shù)，近10年來，發(fā)展尤快，觀測精度幾乎提高了三個數(shù)量級，為監(jiān)測地殼運動提供了有效的觀測方法。

一、GPS衛(wèi)星定位

全球定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystem——GPS）是美國國防部主要為滿足軍事部門對海上、陸地和空中設(shè)施進行高精度導(dǎo)航和定位的要求而建立的。1978年發(fā)射了第一顆試驗衛(wèi)星（BlockⅠ），1989年2月開始發(fā)射第一顆工作衛(wèi)星（BlockⅡ），至1994年底全部24顆衛(wèi)星已經(jīng)升空，由于衛(wèi)星壽命約5年，目前運行的衛(wèi)星有27顆，大部分是后來發(fā)射的。

1.GPS的特點

由于GPS衛(wèi)星數(shù)目較多，分布合理，在地球任何地點均可連續(xù)同步觀測到至少4顆衛(wèi)星，在我國最多可同時觀測到13顆衛(wèi)星（按現(xiàn)運行的27顆講）。從而保障了全球、全天候連續(xù)地三維定位。

實時確定運動目標的三維位置和速度，既可保障運動載體沿預(yù)定航線的運行，也可監(jiān)視和修正航行路線，以及選擇最佳航線。

定位精度高。目前在大于1000km的基線上，相對定位精度可達10-9；100km可達10-8.觀測站之間無需通視，又可使觀測時間縮短。

實時定位這一導(dǎo)航技術(shù)是現(xiàn)代化的重要標志，使GPS的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，成為20世紀最大科技成就之一。

2.GPS定位基本原理

絕對定位方法：絕對定位也稱單點定位，是指相對于地球質(zhì)心為坐標原點的坐標系中的直接確定觀測站的坐標。其原理是以GPS衛(wèi)星到用戶接收機天線之間距離的觀測量為基礎(chǔ)，并根據(jù)已知的衛(wèi)星瞬時坐標，來確定用戶接收機天線所對應(yīng)點位坐標。

由于實際觀測點至衛(wèi)星間的距離，因測量瞬時衛(wèi)星鐘與接收機鐘難以保持嚴格的同步，這種含有鐘差影響的距離，稱為“偽距”。其中衛(wèi)星鐘差可以應(yīng)用導(dǎo)航電文中給出的鐘差參數(shù)加以改正，而接收機鐘差無法事先知道，故需把它作為一個未知數(shù)與觀測點的三維坐標在數(shù)據(jù)處理中一并求解，因此一個觀測點上要實時求解4個未知數(shù)，也就是必須至少同時觀測4顆衛(wèi)星。

相對定位方法是用兩臺GPS接收機分別安置在基線的兩端，并同步觀測相同的GPS衛(wèi)星，以確定基線在地球坐標中的相對位置或基線向量。因為在兩個或多個觀測點同步觀測相同的衛(wèi)星，可有效地消除或減弱衛(wèi)星的軌道誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差等的影響。目前我國地殼運動監(jiān)測就是采用這種靜態(tài)相對定位的方法，其精度可達10-8～10-9。

二、GPS技術(shù)在監(jiān)測地震與地殼運動中的應(yīng)用

GPS技術(shù)的應(yīng)用極為廣泛。近年來，GPS在測定地球自轉(zhuǎn)參數(shù)從提高觀測精度轉(zhuǎn)向提高時間分辨率，它與VLBI或SLR相比，有著不可估量的作用。GPS在地球參考系的建立有著時空加密和提高分辨率的作用，GPS全球資料得到的全球尺度上相對于地球參考框架的三維地心坐標精度已達到厘米級。利用GPS定位研究海平面變化而測定的大地高的精度也可達到厘米級的精度。

GPS接收器安置在飛行器（飛機、飛船、衛(wèi)星等）上可確定三維位置和飛行姿態(tài)。尤其是多種陸?？战煌ㄟ\輸工具的GPS自動導(dǎo)航系統(tǒng)和管理調(diào)度系統(tǒng)，低軌通訊衛(wèi)星的發(fā)射，建立的衛(wèi)星全球?qū)Ш健⒍ㄎ?、通信三位一體系統(tǒng)，將整個世界縮成為一個嶄新的電子地球村。除了傳統(tǒng)測量與軍事應(yīng)用外，GPS氣象學(xué)、GPS用于海洋資源開發(fā)、熱帶原始森林、捕魚、放牧、旅游、探險以及各種防災(zāi)減災(zāi)事業(yè)等。

高精度GPS技術(shù)已成為世界主要國家和地區(qū)用來監(jiān)測火山地震、構(gòu)造地震、全球板塊運動，尤其是板塊邊界地區(qū)的重要手段。

全球有200個GPS基準站，計劃在板塊邊界和全球已知構(gòu)造活動區(qū)約25個區(qū)域加密GPS監(jiān)測網(wǎng)，實現(xiàn)全球地殼運動的自動監(jiān)測。此外，連同各國的區(qū)域網(wǎng)，主要研究內(nèi)容：

研究全球板塊間的相對運動；監(jiān)測板塊邊緣及內(nèi)部的構(gòu)造變形；確定不同尺度構(gòu)造塊體運動方式規(guī)模和運動速率。

確定區(qū)域位移場、速率場和應(yīng)變場。

近年來，隨著GPS技術(shù)的發(fā)展，加之各國相繼受強烈地震的襲擊，國際上興起了利用GPS研究地震預(yù)測、大陸構(gòu)造變形和地球動力學(xué)等領(lǐng)域的高潮。開展此項研究的觀測網(wǎng)主要有：

1.美國南加州GPS觀測網(wǎng)（SCIGN）

SCIGN由約250個GPS站組成，在區(qū)域上每30km一個站，其中在主要活動斷層上設(shè)置兩條密集型測線，沿兩條測線每3km一個站。預(yù)期監(jiān)測精度lmm／a.對形變場的這種測量實質(zhì)上將是對南加州應(yīng)變積累的一種“快鏡拍攝”，通過拍攝將為最精確的應(yīng)變場提供空間上的高分辨率。其目的在于勾繪出測區(qū)范圍內(nèi)的構(gòu)造應(yīng)變圖、監(jiān)測隱伏逆斷層及其幾何性質(zhì)和活動性質(zhì)、應(yīng)變積累中彈性應(yīng)變與塑性應(yīng)變的比例等等。

SCIGN正在建設(shè)中，目前已完成約150站的任務(wù)。

2.日本的密集GPS觀測臺陣

日本Shimada等人在1989年7月13日前，用GPS成功監(jiān)測到一次火山爆發(fā)的地殼變形在水平方向有13.6cm，垂直方向有5cm的變化。

1995年阪神地震后，提出建立以30km的密度全面覆蓋國土的GPS觀測網(wǎng)，擬建約1000個站，目前已建成約650個站，以強化對日本列島的地殼運動和變形監(jiān)測。目的在于監(jiān)測太平洋板塊和菲律賓海板塊的消減運動造成的日本列島的應(yīng)變場、監(jiān)測板塊運動伴有地殼應(yīng)變積累的地震活動和火山爆發(fā)、GPS與驗潮站聯(lián)測研究海平面變化以及研究大氣層變化。

一次發(fā)生在距GPS站約200km近海7.5級地震，記錄到同震位移量高達70mm，主震后的震后位移量達20mm.多次記錄表明，震后位移的總量約是同震位移的40％。

3.我國GPS監(jiān)測網(wǎng)概況

我國應(yīng)用GPS研究地殼運動始于80年代中期，在90年代初期，“現(xiàn)代地殼運動和地球動力學(xué)研究”攀登計劃課題的實施，在全國布設(shè)了22個不定期復(fù)測的GPS站。后復(fù)測了7條邊，其結(jié)果首次給出了認為影響中國大陸地殼運動的主要力源來自印度板塊向北推擠歐亞大陸的看法的直接定量證據(jù)，推擠量為3.4×10-8／a.同時表明中國西南地區(qū)金沙江紅河斷裂和南北帶南段一系列南北走向斷裂所夾的菱形塊體確有甚為顯著的向南稍偏西的滑動，其中向南滑動1.8cm／a，向西滑動約1.0cm／a.

滇西地區(qū)的GPS結(jié)果，監(jiān)測到劍川怖黿斷裂和紅河斷裂帶的明顯活動，并根據(jù)活動斷層變形的反演計算，在1993年預(yù)測在該斷裂帶上將發(fā)生一次6.8～7.0級的地震，而1996年的麗江發(fā)生了7.0級地震與預(yù)測震中位置相差僅30km，證實了GPS的有效性。

華北首都圈GPS監(jiān)測網(wǎng)共有97個站，結(jié)果表明，監(jiān)測區(qū)內(nèi)幾個主要的北北東向構(gòu)造單元之間沒有明顯的差異運動，而鄂爾多斯東緣與其東側(cè)的晉、冀、魯塊體的強烈拉張最為明顯。

地礦部與美國自然科學(xué)基金會合作在我國西南地區(qū)進行GPS觀測，其資料表明，鮮水河-小江斷裂以西的藏東-滇中地區(qū)的運動速率總體為8mm／a以上，在該斷裂以東地區(qū)的運動速率為3mm／a.這對兩個順時針渦旋的認定，以及為青藏高原東部流變構(gòu)造模型提供了證據(jù)。

4.中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)（CMONOC）

雖然我國在GPS研究地殼運動方面取得了一些進展，但與先進國家相比，差距十分明顯。主要是用于地殼運動監(jiān)測的GPS連續(xù)觀測站數(shù)量太少，定期復(fù)測網(wǎng)點數(shù)也嚴重不足，空間分布太稀，復(fù)測次數(shù)過少，無法取得一定時空分辨率的全國地殼運動圖像和參數(shù)，更談不上為地震預(yù)報所需的實時或準實時的數(shù)據(jù)了。一方面是網(wǎng)點較少，復(fù)測無期，另一方面不同部門為各自目的重復(fù)布點，數(shù)據(jù)不能實現(xiàn)共享，我國迄今沒有類似西歐、美、日等區(qū)域性的GPS工作機構(gòu)或數(shù)據(jù)處理中心，這些與我國經(jīng)濟發(fā)展、廣闊國土資源的地位是極不相稱的。

1997年國家正式啟動了國家重大科學(xué)工程——中國地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)（CMONOC）。它是以GPS為主，輔之已有的VLBI和SLR等空間技術(shù)，結(jié)合精密重力和精密水準構(gòu)成的大范圍、高精度、高時空分辨率的地殼運動觀測網(wǎng)絡(luò)。

CMONOC是一個綜合性、多用途、連續(xù)觀測、數(shù)據(jù)共享、全國統(tǒng)一的觀測網(wǎng)絡(luò)，從根本上改善地球表層固、液、氣三個圈層的動態(tài)監(jiān)測方式和功能。由中國地震局牽頭，總參測繪局、中國科學(xué)院和國家測繪局共同建設(shè)。

CMONOC以地震預(yù)測預(yù)報為主，兼顧大地測量和國防建設(shè)的需要，可服務(wù)于廣域差分GPS、氣象、電離層等領(lǐng)域。

CMONOC工程由基準網(wǎng)、基本網(wǎng)、區(qū)域網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸與分析處理系統(tǒng)四大部分組成。

基準網(wǎng)由25個連續(xù)觀測站組成，建立統(tǒng)一的、高精度的空間坐標參考框架，并與國際地球坐標參考框架（ITRF）相聯(lián)結(jié)。監(jiān)測與周邊國家和我國大陸塊體之間的地殼運動。25個站中有5個站輔以SLR和3個站輔以VLBI.

各站同時進行絕對重力、相對重力和水準聯(lián)測。

基本網(wǎng)由56個定期復(fù)測站組成，監(jiān)測大陸塊體內(nèi)部及其邊界的運動。各站同時進行相對重力和水準聯(lián)測。

區(qū)域網(wǎng)由1000個不定期復(fù)測站組成，監(jiān)測斷裂帶之間的運動。

數(shù)據(jù)傳輸與分析處理系統(tǒng)包括一個數(shù)據(jù)中心和三個數(shù)據(jù)共享子系統(tǒng)。

目前工程的四大部分已基本建成，并開始試運行。

工程最終產(chǎn)出除上述四大部分實體內(nèi)容外，還有：

中國地殼運動圖及其相應(yīng)數(shù)據(jù)。

提供我國GPS精密星歷。

CMONOC中的基準網(wǎng)經(jīng)約一年的試運行，繪制的我國大陸地殼運動位移圖，說明西部的運動強度優(yōu)于東部，大陸整體運動呈右旋轉(zhuǎn)動，運動劇烈部位在云南與西藏交界處。由于時間間隔較短，而且空間尺度過大，則難以判斷具體地段。因此很有必要在這類區(qū)域內(nèi)加密連續(xù)觀測站的工作。

CMONOC的建立為我國地震監(jiān)測和地殼運動研究提供了良好的前景，隨著時間的推移，越來越顯示其卓越的功能。