地震大地测量学一门前沿交叉新学科分解.docx
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地震大地测量学一门前沿交叉新学科分解
地震大地测量学——一门前沿交叉新学科
周硕愚
中国地震局地震研究所（地震大地测量重点实验室），武汉，430071
【摘要】本文概述地震大地测量学的源由，近50年的学科交融史与学科形成，学科学术思想和研究方法，面对的核心科技问题，学科的框架结构和内涵，学科特色、作用与定位。
1地震大地测量学形成的社会需求与科学技术
1.1防震减灾急迫社会需求与当代科学难题
科学、技术和社会相互关系日趋紧密，STS（Science，TechnologyandSociety）是当代大趋势，也是地球科学与地震科学发展的大趋势。
“人类生活在一颗不断运动变化、十分活跃的星球上。
地球是人类共同的家园，它不但提供人类赖以生存的资源、能源和环境，也不时地兴风作浪、给人类带来灾害。
面对然灾害，人类要努力去研究它、认识它，寻求避免和减轻灾害的办法、学会如何“与灾相处”（Inter-AgencySecretariatoftheInternationalStrategyforDisasterReduction,2004）。
联合国减灾组织（UnitedNationDisasterReductionOrganization，1984）给灾害下的定义是“一次在时间和空间上较为集中的事故，事故发生期间当地的人类群体及其财产遭到严重的威胁并造成巨大损失，以至家庭结构和社会结构也受到不可忽视的影响”；“自然或人为环境中对人类生命、财产和活动等社会功能的严重破坏，引起广泛的生命、物质或环境损失；这些损失超出了受影响社会靠自身资源进行抵御的能力”。
我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》明确指出“公共安全是国家安全和社会稳定的基石。
我国公共安全面临严峻挑战，对科技提出重大战略需求”。
规划开展“重大自然灾害监测与防御：
重点研究开发地震、台风、暴雨、洪水、地质灾害等监测、预警和应急处置关键技术，森林火灾、溃坝、决堤险情等重大灾害的监测预警技术以及重大自然灾害综合风险分析评估技术”。
灾害大略可分类为地震灾害、地质灾害、气象灾害和海洋灾害。
在众多的自然灾害中，地震灾害的突发性和巨大的破坏力令人触目惊心（陈运泰，2007）。
20世纪以来，全球地震死亡人数160万，而中国达60万。
历史记载，全球死亡超过20万人的地震有6次。
其中，中国有4次（中国地震局局长陈建民2006年7月26日对新华社记者的讲话）。
21世纪头10年，大地震接踵而至，例如汶川MS8.0级地震（2008年5月12日）、印尼苏门答腊Mw9.1巨震（2004年12月26日）、海地MS7.3级地震（2010年1月12日）、智利MS8.8级地震（2010年2月27日）和玉树MS7.1地震（2010年4月14日）等，均给当代社会以极大的震撼！
大地震除直接成灾外，还会引发一系列次生及衍生灾害链，造成更大的伤亡、破坏与损失；如导致山体大滑坡、江河堵塞、水坝溃缺、火灾；导致海啸、核泄漏；影响社会稳定和经済持续发展等。
从系统科学，复杂动力系统和地球系统科学、地球动力系统观点看，对灾害规律的科学认知，预测及防禦，主要取决于导致该灾害发生的动力学系统的复杂程度及其可观测性。
气象灾害、海洋灾害发生在大气圈和水圈，通过空间、地面、水面和水下观测，其动力学系统的演化过程基本具可观测性。
但地震灾害发生岩石圈（上地壳，下地壳与岩石圈地幔），不仅其动力学系统的复杂程度更大，目前尚无法深入地球内部直接观测其演化过程。
经过多年努力，对气象灾害的物理机理已有较明确的认识、例如能建立动力学方程，实施数值预报；但对地震灾害而言，目前尚难以达到此层次。
火山灾害主要发生在基于板块构造学说可以解释的全球板块边界带上，机理与位置均较明确；但板块构造学说难以直接解释大陆板内的形变和地震动力学，尚有待大陆动力学等新理论体系的发展。
至于滑坡、岩崩等地质灾害均发生在地表（地壳浅层），位置明确，可进行直接监测。
因此，从总体看所有的自然灾害都是人类社会面临的难题；但比较而言，对自然规律的科学认知，预测及防禦，似以地震灾害的难度为最大。
因此地震预测被国际科学界公认为：
当代最具挑战性的科学难题。
社会的急迫需求、政府的高度重视和多学科的共同关注，成为包括地震大地测量学在内的地震科学发展的持续动力。
科技工作者面对当代科学难题的强烈兴趣、好奇心与责任感，使他（她）们不畏挫折，不计得失，“路漫漫其修远兮，吾将上下而求索”。
1.2新技术革命从经典大地测量学到现代大地测量学
历史悠久的大地测量学是地球科学的学科之一，其经典定义为“大地测量学是测绘地球表面的科学（F.R.Helmert，1880）”。
三种动力推动了经典大地测量学发展到现代大地测量学（胡明城，1993，2003）。
一是在航天、信息等高新技术支撑下，以人造地球卫星应用为标志的空间大地测量的崛起，使大地测量学发生了革命性的巨变；二是当代科学的发展，板块大地构造学术的确立和地球系统科学的提出，深化了对地球的认识；三是当代社会对减灾和环璄监测等的需求与日俱增。
从20世纪60年代始，大地测量学发生了深刻的变化。
大地测量学不断涌现出新子学科：
空间大地测量学、动力大地测量学、行星大地测量学；原有的子学科（几何大地测量学、物理大地测量学、地球形状学）则旧貌换新颜。
20世纪90年代我国制定的国家标准GB/T13745-92《学科分类与代码》在一定程度上反映了大地测量学的深刻变化。
自然科学的代码为110～180；工程与技术科学的代码为410～630。
作为自然科学一级学科的地球科学（代码170）其下属的二级学科大地测量学（170.35），它包含了如下的三级学科：
地球形状学（170.3510）、几何大地测量学（170.3520）、物理大地测量学（170.3530）、动力大地测量学（170.3540）、空间大地测量学（170.3550）、行星大地测量学（170.3560）以及大地测量学其它学科（170.35613599，为以后新形成的子学科预留代码）。
三级学科编号的顺序，反映了该子学科形成时间的先后。
此外作为工程与技术科学一级学科的测绘科学技术（代码420）其下属的二级学科大地测量技术（420.10），又包含了如下的三级学科：
大地测量定位（420.1010）、重力测量（420.1020）、测量平差（420.1030）和大地测量技术其他学科（420.1031-1099）等。
国家标准GB/T13745-92《学科分类与代码》表达了科技界的共识：
现代大地测量学包括地球科学的大地测量学（自然科学类）和测绘科学技术的大地测量定位（工程与技术科学类），两者相辅相成。
现代大地测量学不同于经典（传统）大地测量学的基本特征为：
（1）由局部区域测地迈入全球统一参考框架中的全球整体测地；
（2）由静态测地迈入对动态变化过程观测（空间域，时间域，频率域）和动力学研究；
（3）由地表（岩石圈表层）测量扩展到对地球内部和外部各圈层关系和动力学耦合的观测与探测；
（4）由测量地球扩展到行星测量（月球、火星、金星等）。
经典大地测量学的主要任务是为测绘地形和工程测量提供控制网点。
现代大地测量学不仅能以更高的精度、極高的效率、甚低的成本履行传统任务；更重要的进展在于，它能为揭示地球系统的结构和动力学过程，提供过去难以获得的多种几何、力学和物理学的整体动态精确信息。
现代大地测量学使古老学科重新焕发青春，成为推进当代地球科学（170）、地震科学、环境科学技术（610）、安全科学技术（620）、航空、航天科学技术（590）、军事学（830）等的一个重要创新源泉。
从20世纪60年代始，大地测量学（170.35）与固体地球物理学（170.20）、地质学（170.50）等相结合，共同应用于地震科学以及地震预测和防震减灾。
这既是地球科学（170）发展的内在逻辑，也是大地测量学本身发展的内在逻辑。
1.3多门科学新进展地球科学迈入地球系统科学新时期
（1）新科学思想与方法：
系统科学及复杂性科学、非线性科学
科学思想与方法，从古到今，历经了由整体，到局部，再到整体的发展过程。
古代是朴素的思辬性的整体论，在古代中国与希腊，科学与哲学是混为一体的。
从15世纪下半叶起，近代科学开始兴起，各门科学不仅从哲学中分离，而且越分越细，这种以分析为主的思想与方法，极大地推动了科学技术的发展。
以牛顿、笛卡尔和拉伯拉斯等为代表的经典科学方法论，其基本观念为“还原论”（reductionism），“机械论”，“完全确定论”，虽曾取得一系列辉煌成就，但当面临多层次结构，多动力源的复杂系统（如资源、环境、生态、灾害、地球演化、社会发展等）就显得力不从心。
原因在于，“由于它撇开整体的联系来考察事物和过程，就障碍堵塞了自己从了解部分到了解整体，到洞察普遍联系的道路”（钱学森，1980）。
从20世纪中叶始，科学本身正经历着一场革命。
在物理学，数学、化学、生物学和控制工程，信息工程以及计算机科学等多种学科现代发展与相互交溶的基础上，所诞生的新兴科学—系统科学，正是这场科学革命所取得一项重大成就。
我国制定的国家标准GB/T13745-92《学科分类与代码》（1993）对系统科学及其相关学科的新进展，在一定程度上有所反映。
信息科学与系统科学（代码120）已成为一门新兴的一级学科，其下属的二级学科有：
信息科学与系统科学基础学科（120.10）、系统学（120.20）、…、系统工程（120.60）等。
在信息科学与系统科学基础学科中包含：
信息论（120.1010）、控制论（120.1020）、系统论（120.1030）等。
在系统学中包含：
混沌（120.2010）、一般系统论（120.2020）、耗散结构理论（120.2030）、协同学（120.2040）、突变论（120.2050）、超循环论（120.2060）等。
与其相呼应，在一级学科数学（代码110）中，包含有动力系统（110.51）：
微分动力系统（110.5110）、拓扑动力系统（110.5120）、复动力系统（110.5130）。
在一级学科力学（130）中，包含有非线性力学（130.1030）、临界现象与相变（130.4050）。
在一级学科生物学（180）中，包含有系统生物物理学（180.1465）、生态系统生态学（180.4445）。
从20世纪下半叶至21世纪初系统科学的继续深入与拓展，主要表现在复杂系统理论（更广义的为复杂性科学）与非线性动力学（更广义的为非线性科学）方面。
以系统学（120.20）对复杂系统的研究为基础，对复杂系统理论的研究进一步深入，主要强调多动力作用下多层次结抅的复杂系统，通过相互作用导致非线性，产生局部难以推断的整体性，系统演化和系统行为表现出多样性和与整体涌现性（wholeemergence）。
欧洲学派（比、德、法等）基于现代物理学、现代化学和现代生物学，提出复杂系统自组织理论等。
美国圣菲研究所（SFI）提出了复杂适应系统理论等，认为“圣菲研究所正在架构的理论是第一个能替代牛顿以来，主宰科学的线性、还原论想法的严谨方案，而且这个方案能够充分解释今日世界的种种问题”并称之为“复杂性科学”；美国《科学（Science）》杂志1999年4月出版“复杂系统”专辑，认为“超越了还原论”“正在开創21世纪的新科学”。
中国钱学森院士等从系统科学与系统工程学出发，提出“开放的复杂巨系统及其方法论”等，有力促进了中国航天工程等的迈进。
地球及其自然界是复杂系统，不能简单地视为“机器”。
经典动力学是研究物体机械运动变化与其所受力关系的学科，很难以用经典动力学来研究地球演化过程中的复杂性和非线性。
非线性动力学具有更为广泛的跨学科的普适性，如混沌动力学、分形动力学、斑图动力学、孤立波等。
复杂系统一定是非线性系统，但非线性不一定均产生于复杂系统。
因此系统科学与非线性科学既有很宽阔的共同域，关系密切，但又不尽相同；它们共同推进对复杂系统和非线性问题的定量研究。
系统科学（SystemScience）以及复杂性科学（ComplexityScience）、非线性科学（NonlinearScience），被譽为“新的整体性科学，具有科学发展的时代特征，鲜明的前瞻性与探索创新性”，“改变了世界科学图像和当代科学家思维方式的新科学”，“21世纪的科学”，“能够更好地解释和应对当今世界面临的种种复杂问题和挑战，如资源、能源、环境、灾害、可持续发展”。
（2）地球科学迈入地球系统科学新时期
当代人类社会面临一系列资源、能源、环境、生态、灾害等全球性问题的严峻挑战，为应对挑战，地球科学需要寻求新的科学理念和方法。
地球科学与系统科学相交融，形成地球系统科学，既是社会需求的呼唤，也是科学内在逻辑的必然。
1988年，美国家航空航天局（NASA）地球系统科学委员会出版了《地球系统科学》报告（NASAAdvisoryCouncil），标示着地球系统科学的形成。
接着开展了“国际地圈生物圈计划”（IGBP）、“世界气候研究划”（WCRP）、“全球环境变化的人文因素计划”（IHDP）、“生物多样性计划”（DIVERSITAS）和“地球科学事业战略计划”（ESE）、“地球透镜计划”（Earthscope）等一系列全球变化研究计划。
地球科学正在经历重大转折，“自20纪80年代以来，地球科学开始走向以地球系统科学为特征的新时代”（中国科学院地学部地球科学发展战略研究组，2009）。
主要表现为：
（1）地球科学性质：
地球科学成为人类社会持续发展的科学支柱之一，“地球科学可视为认知人类与其生存的行星地球和固体地球等系统相互作用和协同演化的科学”；
（2）地球科学目标：
“系统认知行星地球整体系统和各圈层的起源、形成、演化以及它们相互作用的自然规律”；研究“地球起源”、“内部地球”、“宜居地球”，“灾害与资源”等前沿性重大基础科学问题（CommitteeonGrandResearchQuestionsintheSolid-EarthSciences，NationalResearchCouncil，USA.2008）；
（3）地球科学理论探索和应用研究相互交织：
科学应对人类社会面临的环境、能源、资源、生态和灾害等重大挑战，为人类生存与可持续发展提供科学认识与对䇿；
（4）地球科学研究的途径：
基于高新技术获得的有关地球过程的精确连续观测（探测）数据，在现代数学、力学、物理学、化学、生物学、天文学和有关技术科学的理论、方法和新进展的支持下，从以往的定性静态描述转向以动态过程为目标的精确定量的动力学研究；认知地球动力系统及其所属子系统的过去、现在和未来的行为，建立定量的或概念性和定量相结合的预测模式；
（5）地球科学思想与科学方法：
以系统科学的思想与方法来研究地球。
将地球视为一个由岩石圈、地幔、地核、水圈、大气圈和生物圈（包括由人类社会组成的智慧圈）整体构成的相互作用的动力系统。
在统一的动力学框架下，描述与认识地球系统在多种时间尺度中的各子系统之间的相互作用、整体演化过程和行为。
地球系统科学的研究方法，是对地球系统过程进行观测、理解、模拟和预测。
回答地球系统的根本科学问题——地球系统的驱动力、变化性、对自然和人为活动的响应、变化的影响与后果和对未来变化的预测。
（6）地球系统科学成为地球科学内部各门学科及其与外部多门学科之间开展跨学科研究的框架。
例如通过“地球动力系统”连接各圈层动力系统，通过“岩石圈动力系统”连接“地壳运动变形动力系统”以至“地震孕发动力系统”等，实现整体论与还原论，过去现在与将来结合的跨学科研究。
地球系统科学除促进地球科学的整体发展外，也必然促进地球科学各分支学科之间及其与其它相关学科之间的交叉融合，开拓若干新领域并促进一些新的前沿交叉子学科的形成。
如“地震科学，“地震大地测量学”等。
1.4地震科学的兴起与应运而生的地震大地测量学
在STS大趋势驱动下，在社会急迫需求和多门学科内在发展逻辑的交汇处，以地球系统科学的概念与方法为框架，催生了新的前沿研究域地震科学（EarthquakeScience）并形成一门新的交叉子学科地震大地测量学（EarthquakeGeodesy）。
（1）从地震学（Seismology）到地震科学（EarthquakeScience）
20世纪50年代起，世界科学界和一些国家不约而同地加强了对地震灾害的关注。
1956年，我国制订了十二年科学技术远景规划，其中第33项是“天然地震的灾害及其防御”，由傅承义院士和刘恢先院士起草任务书。
这是一个最早的地震预测和防御的国家规划（傅承义，1993）。
地震孕育发生在岩石圈的地壳层中，要实现对破坏性地震的预测、防御和减灾。
必须研究大陆地震构造环境与动力学背景、地震的成因机理、地震孕育发生及其动力学过程。
固体地球物理学（地震学、地球内部物理学、地球动力学等）首当其冲，同时也必需与地质学（构造地质学、大地构造学等）、大地测量学（动力大地测量学、空间大地测量学、物理大地测量学、几何大地测量学等）交融互䃼。
相关学科还可列出许多，如地球科学内的：
空间物理学、大气科学、地球化学；地球科学外的动力系统理论（数学）、固体力学、非线性力学、天文地球动力学等。
对地震预测、防御和减灾而言，关系最密切和最基础的学科则是固体地球物理学、地质学和大地测量学，这已成为世界科学界（中、美、俄、日等）的共同认识与实践。
1966年3月8日邢台6.8级地震发生后，我国的地震活动进入一个新的活跃期。
周恩来总理亲临现场视察，制定了“以预防为主”的地震工作方针，号召“有关研究地震自然现象的各种科学机关，必须加强研究，包括地球物理、地质、大地测量等学科”。
1970年将中国科学院地球物理研究所、中国科学院地质研究所、中国科学院测量与地球物理研究所、中国科学院工程力学研究所、中国科学院兰州地球物理研究所、中国科学院昆明地球物理研究所和中国科学院中南大地构造研究室等七个单位划归新成立的国家地震局。
奠定了固体地球物理学、地质学、大地测量学和工程力学作为基础学科综合交融，开展地震科学研究；进而推动地震监测、预测、预报和防震减灾的基本格局。
历经50年学科交融与綜合研究，兴起了一个前沿交叉的新研究域“地震科学”。
“EarthquakeScience:
aNewStart”，“地震科学是在多学科交叉域综合研究地震现象的科学”，“地震科学所包含的学科有传统地震学、地震大地测量学（earthquakegeology）、地震地质学（earthquakegeology,）、岩石力学、复杂系统理论（complexsystemtheory）以及与地震研究有关的信息和通信技术”（陈运泰，2009）。
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（2）应运而生的地震大地测量学（EarthquakeGeology）
防灾减灾的急迫社会需求呼唤大地测量学。
空间、信息等高新技术的集成应用、推动大地测量学迈入现代大地测量学新阶段。
大地测量学成为当今信息时代最具活力的一门地学基础学科。
20世纪中期，世界一些国家如美国、苏联、日本和我国等大致同时起步，不约而同地将大地测量学应用于地壳运动，地震监测预测和减轻灾害研究。
1962年，广东河源新丰江水库发生6.1级地震，根据李四光院士倡议，中国科学院测量与地球物理研究所（中国地震局地震研究所前身）首次将大地测量学应用于该区地壳运动监测与地震研究。
1966年河北邢台6.8级地震发生后，作为一项国家任务，不仅中国科学院测量与地球物理研究所整建制划归地震系统，国家测绘局第一大地测量队和第七大地测量队也投入地震监测，武汉测绘学院在大地测量系又特别开设了地震本科班；大地测量学较全面地应用于中国大陆地壳运动与地震监测预测，与固体地球物理学、地质学等逐步交融，开拓了现今地壳运动（Present-dayCrustalMovement）与形变动力学（DeformationDynamics）定量研究新领域。
在海城、唐山、松潘、龙陵、炉霍、通海、丽江、昆仑山西口、汶川、玉树等一系列大震及强震中经受严峻考验，逐步深化科学认识。
经过近50年理论结合实际的探索，使一门前沿交叉新学科在中国逐渐形成，被称为“地壳形变大地测量学”（CrustalDeformationGeodesy）或“地震大地测量学”（EarthquakeGeodesy）。
地震大地测量学是在地球系统科学框架内，大地测量学（空间大地测量学、物理大地测量学、动力大地测量学、几何大地测量学）与固体地球物理学（地震学、地球动力学）、地质学（构造地质学、现代地壳运动）、力学（固体力学、非线性力学）、数学（动力系统）以及系统科学（复杂系统理论）相结合所形成的一门前沿交叉学科。
地震大地测量学集成多种先进的天、地、深观测（探测）技术，构建整体动态监测系统，在全球至定点多层次空间尺度内，在数十年至秒的时域（频域）尺度中，精确揭示地壳形变、重力和在相关圈层中与之耦合的诸种力学、物理学参量的连续变化；通过数据处理，理解与模拟，给出空-时-频域连续演化图像，建立动力学模型并预测未来变化。
参与并促进地球动力学，大陆动力学，地震动力学，地震科学等基础研究；推进地震预测、防震减灾及其它相关灾害的应用研究。
地震大地测量学既是大地测量学的子学科，又是地震科学的子学科，是一门应运而生的正在发展中的当代前沿交叉新学科。
（周硕愚，1994，1999，2002，2008，2013）。
2地震大地测量学的形成（1962-2012）
大地测量学在地震域中的应用，始于1962年新丰江水库地震，在1966年邢台地震后广泛开展。
大地测量学应用于防震减灾并与相关学科交融的历程，就是地震大地测量学逐步形成的历程。
按科学技术特征和功能似可分为三个发展阶段：
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）
这是大地测量学与地震科学的磨合期，又恰逢中国大陆1966-1976年的大地震高潮期。
将水准测量、激光测距、基线丈量、精密三角网（几何大地测量）；地倾斜、地应变、重力与地球固体潮汐连续观测（动力大地测量）和重力测量（物理大地测量）用于局部地域（震源区、潛在震源区、活动断裂带）地壳形变和重力的时间过程与空间分布变化监测。
实现了大地测量学由静态到动态的转化，开我国动态大地测量之先河，促进了我国动力大地测量学的发展。
学术思想以断层致震说和震源物理为主导。
形成了区域形变（重力）、定点形变（重力）与固体潮汐、跨断层形变几种地震监测预测手段。
发展了一套有别于经典大地测量学的高精度动态观测技术、时空动态数据处理和地震形变（重力）前兆识别方法。
作为一种力学型的地震监测手段，围绕各个分散的地震危险区（设想中的震源或潜在震源区）开展监测与研究，如大（强）震孕育中地壳形变的动态过程特征、对同震破裂的反演等。
在预测1965年海城7.3级大地震等实战中，发挥了为人们所公认的重要作用，成为地震监测预测不可缺失的支柱之一。
在此期间既体验了成功，又体验了一系列的失败。
积累了丰富的观测数据与经验认知，克服了初期的幼稚想法，认识到地震预测与地震科学的复杂性和困难性；激发出对高新技术和当代新科学理论的渴望；感悟到建立前沿交叉学科的必要性，是地壳形变大地测量学，地震大地测量学的起步期。
2.2空地深立体监测，地壳形变大地测量学初步形成（80—90年代）
此时期的特点是：
革命性的观测技术、当代新科学理论与地震大地测量观测预测实践相结合；建立了空（间）、地（面）、深（部）、面、线、点、长、中、短临，整体动态精密的地震大地测量监測台网；在大陆现今地壳运动、动力学和地震关系研究上取得了一系列创新性成果；开拓了中国大陆现今地壳运动和地震研究新领域，地壳形变大地测量学（地震大地测量学）学科逐步形成。
多年来由于地面测地技术的局限，使一些基本问题难以解决（如测定大空间尺度的地壳水平运动；板块与板内块体、板内块体之间、边界带（断裂带）与块内变形之间的关系、“场”与“源”的关系等）。
1988年国家地震局地震研究所与德国汉
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