Fifty years ago we didn’t know that earthquakes were caused by tectonic plate movement. thirty years ago we didn’t know how often big faults produced destructive earthquakes. Twenty years ago we didn’t know that historically quiet megathrust faults, like the one that ruptured last week, were even capable of giant earthquakes. Fifteen years ago we didn’t know there would be technology and science to enable the creation of a tsunami-warning system.(50年前我们还不知道地震是由板块运动造成的，30年前还不知道大断层多长时间产生一次地震，20年前还不知道沉寂超大逆冲断裂会产生巨震，15年前还不知道去做海啸预警系统)

作为一门基础应用学科，研究人员们还有很长的路要走，特别是在目前科研浮躁的当今社会，国家有责任为有志于潜心研究的人员提供好的科研环境，不是资金，而是体制。

Plotting ETOPO5 and ETOPO2

ETOPO5 and ETOPO2 are global topography-bathymetry data sets with a resolution of five arc minutes (9.26 km), and two arc minutes (3.7 km), respectively. They are available online at http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html.

The binary data set first has to be converted into a GMT gridfile:

xyz2grd ETOPO5.DAT -Getopo5.grd -I5m -Rg -ZTLxyhw

It can then be used for plotting. The example code plots a global map with altitude scale.

makecpt -Cglobe -T-10000/10000/1000 -Z > colors.cpt
grdimage etopo5.grd -Ba60g30 -Rg -Yc -Xc -JN0/25c -Ccolors.cpt -K > world.ps
psscale -Ba2500f500::/:”m”: -Ccolors.cpt -D12.5c/-2c/15c/.35ch -O >> world.ps

ETOPO2 is used in a similar way. The example shows conversion of the data and plotting of Germany with political borders.

xyz2grd ETOPO2.raw.bin -Getopo2.grd -I2m -Rd -ZTLhxyw
makecpt -Cglobe -T-3000/3000/100 -Z > colors.cpt
grdimage etopo2.grd -Ba2g1 -R5/15/47/56 -P -Yc -Xc -JM15c -Ccolors.cpt -K > d.ps
pscoast -Di -Na -R -J -O -K >> d.ps
psscale -Ba1000f100::/:”m”: -Ccolors.cpt -D7.5c/-2c/15c/.35ch -O >> d.ps

一、前言
Surfer是美国Golden 软件公司的产品，用户包括矿业、工程、医药、地学、生物等领域的研究人员、工程师和科学家，目前最高版本为8.0，是科技工作者特别是地学研究人员必备的软件,应用极广。它提供的内插方法多达12种，Surfer强大的插值功能和绘制图件能力，已经使它成为用来处理XYZ数据首选的软件，能迅速地将离散点的测量数据通过插值转换为连续的数据曲面，进一步绘制等值线图、粘贴图、影像图、地貌晕渲图、矢量地图、线框图和表面图。Surfer具有简单的数学运算、数据统计、平滑、滤波、微分、积分、傅立叶谱分析等多种数据分析功能。也具有趋势面分析、体积和面积计算、坡度分析、坡向分析、剖面曲率、平面曲率和水平曲率分析以及剖面计算等等三维空间分析。可以说Surfer是在Win95/98和NT4.0操作系统下最强大的、最灵活的和容易使用的绘制等值线图及三维立体图软件包。
ArcGIS是美国环境系统研究所（ESRI）开发的新一代GIS软件，是世界上应用广泛的GIS软件之一，在ArcGIS中继续保持其产品既有的强大空间数据管理和分析能力外，还全面采用了工业标准的和开放的主流IT技术。ArcGIS的地统计分析扩展模块（Geostatistical Analyst）、空间分析扩展模块（Spatial Analyst）和三维分析扩展模块（3D Analyst）对开展地学空间分析功能提供了非常灵活的手段。
地理信息系统的数据模型分两大类，即矢量数据模型和栅格数据模型。不同的数据模型所采用的技术和分析方法大相径庭。以栅格数据模型为存储结构，地图代数（Map Algebra）为数学基础的空间分析方法自1980年代后期以来成为地理信息系统技术发展的重要方向，并日趋成熟。它的最大特点就是能够对空间问题进行建模，因此已成为衡量一个地理信息系统功能强弱的关键指标之一。ARCGIS地统计分析扩展模块中提供了5种插值方法来创建GRID表面模型，而在Surfer8.0内插方法多达12种，对中、小离散数据进行插值处理有其优势，以及绘制、标注等值线图及三维立体图都很方便，但其空间分析要比ArcGIS空间分析扩展模块弱得多，本文拟就二者创建的GRID表面模型的文件格式作一比较，并解决了这两种文件相互转换的方法，以方便在实际的科研中针对不同的数据量、研究目的等方便选择二者提供的不同的插值方法来创建GRID表面模型，发挥各自的优点。

二、ARCGIS的格网文件
生成一个连续的表面并用它来反映某类特定的度量是大多数GIS应用软件的基本功能。遍历研究区域中的每个位置以测量该位置的高度、大小或某种特性通常都是不可能的，因此一般都是采用抽样的方法，按照一定原则，选出一些样点进行测量，然后使用插值函数，估计出所有其他位置的值来构成表面模型，GRID和TIN是常用的两种表示表面的模型。其中GRID是用规则的空间格网点表示表面，格网点中间任何一点的值可以通过插值的方法进行估计，TIN是用相邻的、互不重叠的三角面来表示表面，三角面上任一点的值可以通过加权平均附近三角形顶点值的方法求得。
在ARCGIS地统计分析扩展模块（Geostatistical Analyst）提供两类插值方法：确定性内插法和地统计学内插法。这些方法都根据相邻样点的空间相似性原理来生成表面。确定性内插法运用数学函数进行插值，包括反距离加权插值法、径向基函数插值法、局部多项式法和全局多项式法；地统计学内插法依赖统计和数学两种方法，根据已知样点的统计特征来生成表面。由于地统计方法是基于统计特征的，所以用它进行插值不仅可以获得预测表面，而且能够获得误差表面，这样有利于评估预测结果的不确定性。地统计学中有很多方法，但它们都源自同一个家族――克里格（Kriging）。地统计分析模块提供的方法有：普通克里格法、简单克里格法、泛克里格法、概率克里格法、指示克里格法、析取克里格法和协同克里格法。
ARCGIS中创建栅格表面，默认的是二进制格网文件格式，在ArcInfo Workstation的ARC模块下使用GRIDASCII或者是ASCIIGRID命令，可以将二进制格网文件和ASCII码格网文件相互转换，也可以ArcToolbox中转换工具的ASCII到GRID的转换向导实现二者的转换。转换生成的ASCII码格网文件格式（文件头6行）如下：
ncols 2703
nrows 2959
xllcorner 11913353.857
yllcorner 3749999.99902
cellsize 10
NODATA_value -9999
-9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999
-9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999
-9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999
-9999 -9999 -9999 -9999 -9999 -9999
-9999 -9999 -9999 -9999 -9999 –9999

三、Surfer格网文件
Surfer强大的插值功能和绘制图件能力，已经使它成为用来处理XYZ数据首选的软件，能迅速地将离散点的测量数据通过插值转换为连续的数据曲面，Surfer8.0提供内插方法多达12种：反距离加权插值法、克里格插值法、最小曲率法、改进谢别德法、自然邻点插值法、最近邻点插值法、多元回归法、径向基函数法、线性插值三角网法、移动平均法、局部多项式法和数据度量法。用户可根据不同的情况选用不同的内插方法，来创建Surfer格网文件。
自从Surfer7格网文件的格式已经被更新，默认设置是使用双精度保存数据信息，在保存数据时要注意保存为Surfer7中格网文件的格式[.GRD]。Surfer支持的以下3种格网文件格式：
①默认的Surfer 7 (*.grd)格式是使用双精度值的二进制格式，包括被用来新建格网的“fault（折断线）”信息在内。它不支持Surfer的更低版本；
②GS Binary (*.grd)格式是使用单精度值的二进制格式，与现有的和更低的Surfer版本都兼容。这格式生产格网文件大小最小，但这种格式里不包括“fault（折断线）”信息；
③GS ASCII (*.grd)格式是GS Binary (*.grd)格式的ASCII版本。它使用单精度值，与现有的和更低的Surfer版本都兼容。这种格式比GS Binary (*.grd)格式文件大小要大，但能在Surfer 工作表或一个文本编辑器中编辑它。Surfer还有一种常用的ASCII XYZ格式的dat文件，该文件在A列里是X坐标（行）、B列里是Y坐标和C列里是Z值。
在Surfer的绘图窗口中选择菜单命令“Grid（格网）| convert（转换）”可以在GS Binary (*.grd) 格式、 GS ASCII (*.grd) 格式、 ASCII XYZ (*.dat)、和Surfer 7 (*.grd)等格式之间实现转换。

Surfer ASCII 格格网式（文件头5行）：
DSAA
ncols nrows
xmin xmax
ymin ymax
zmin zmax
z11 z21 z31 …

四、ARCGIS和Surfer格网文件转换方法

Surfer 不能将Arc ASCII格网文件格式转换成Surfer ASCII 格网文件格式，因此，必须要手工修改成Surfer ASCII GRD 文件格式。修改步骤如下：
1在记事本中打开Arc ASCII格网文件
2在第一行插入Surfer ASCII格网文件的ID号DSAA
3在第二行输入列数和行数
4在第三行输入X的最小值（xmin）和最大值（xmax）。Arc ASCII格网文件文件头第三行的xllcorner是X的xmin，xmax= xmin+ ( cellsize * (ncols-1) )。
5 在第四行输入Y的最小值（ymin）和最大值（ymax）。Arc ASCII格网文件文件头第三行的yllcorner是y的ymin，ymax= ymin+ ( cellsize * (ncols-1) )。
6在第五行输入Z的最小值（zmin）和最大值（zmax）。如果不知道确切的值，可以自定义一个适合的值。
7 在记事本中使用搜索和替换命令，将所有NODATA值替换为Surfer的空白值（1.70141e38）。如果文件太大，可以先保留所有的NODATA值，在编辑生成Surfer ASCII格网文件之后，在Surfer中使用进行替换。
8移除Arc ASCII格网文件文件头，使第六行开始为Z值的列表。以GRD扩展名保存文件，文件类似如下：
DSAA
2703 2959
11913353.857 11940373.857
3749999.99902 3779579.99902
1 100
1.70141e38 1.70141e38 1.70141e38 1.70141e38 1.70141e38 1.70141e38
1.70141e38 1.70141e38 1.70141e38 1.70141e38 1.70141e38 1.70141e38
1.70141e38 1.70141e38 1.70141e38 1.70141e38 1.70141e38 1.70141e38
1.70141e38 1.70141e38 1.70141e38 1.70141e38 1.70141e38 1.70141e38
1.70141e38 1.70141e38 1.70141e38 1.70141e38 1.70141e38 1.70141e38
9 在Surfer的绘图（Plot）窗口中选择菜单命令“Grid（格网）| Transform（变换）”，在弹出的“Open Grid(打开格网)”对话框中选择刚编辑好的格网文件，单击“打开”，在弹出的“Grid Transform （格网变换）”对话框的“Operation”下拉列表框中选择“Mirror Y（反射变换Y）”变换类型，指定输出文件的路径、保存的文件名和格式，Surfer自动调整格网的行序生成Surfer的格式，第五行插人正确的Z的最小值（zmin）和最大值（zmax）。单击“确定”，完成格网变换。
10 在步骤7中如果没有将所有NODATA值替换为Surfer的空白值（1.70141e38），选择菜单命令“Grid（格网）| Math（算术运算）”，在“Open Grid(打开格网)”对话框中选择以上格网变换生成的文件。单击“打开”，在“Grid Math（格网运算）”对话框中输入：
C = if ( A = -9999, 1.70141e38, A)
C为输出的格网文件，A为输入的格网文件。

在ArcMap下必须用转换工具（conversion tools）先将其他格式的文件转成Raster格式，然后将Raster格式转换成ASCII格式，在按照上述步骤转换。

这次地震造成最大水平右旋位移为4米，地表破裂带20公里以上。

2007

在喜马拉雅造山带，南喜马拉雅发育逆冲构造，而北喜马拉雅发育则发育伸展构造，根据这些伸展构造的产状和形成时代，可将这些伸展构造分为以下几类：⑴、藏南拆离系，与造山带平行，沿喜马拉雅北坡展布2000KM，它是世界上规模最大的正断层系，活动时代位24~12Ma（中新世），该拆离系不发育脆性断层，而表现为一个宽大十几公里的大型剪切带，剪切带两侧岩石呈过渡关系；⑵、与造山带近垂直、发育与北喜马拉雅及藏南地区的南北向裂谷系，活动时间从晚中新世至今；⑶、北喜马拉雅穹隆带，位于雅鲁藏布江和藏南拆离系之间；⑷、广布于青藏高原的高角度正断层。

1．藏南拆离系的几种形成模式：⑴、重力垮塌模式。由Burg等提出。该模式认为该拆离系受造山带增厚地壳的重力不稳所导致的重力滑动，滑动面为先存岩性弱接触面。该模式能很好的解释野外所观察到的现象；⑵、塑性楔状挤出模式。由Burchfiel等提出，该模式认为增厚的青藏高原地壳产生一个重力加载作用，导致根带重融，形成塑性变形体，在重力加载驱使下，呈楔状向南挤出；⑶、中下地壳楔状挤出模式。有Chemenda等提出。该模式认为由藏南拆离系和主中央逆冲断层所围限的楔状块体是印度大陆中下地壳，楔状体在印度大陆向下俯冲的过程中被剥离下俩，并随着拆沉和折返作用向上运动，形成下边界中央逆冲断层的逆冲和上边界藏南拆离系得正断作用；⑷、Channel flow模式。先由Nelson等提出，后经Beaumont等完善。该模式认为，造山带地壳增厚，岩石圈地壳部分熔融，软流圈物质上升，通过积累和积压作用使重融的地壳物质侧向流动，形成channel flow。通过剥蚀使重融地壳出露，形成了藏南拆离系和中央逆冲断层的边界；⑸、被动顶板断层模式。由Yin提出。将高喜马拉雅岩系当作逆冲推覆构造中的双重逆冲构造，顶板为藏南拆离系，底板为中央逆冲断层。

2．南北向裂谷系的形成模式：⑴、垮塌模式；⑵、侧向挤出模式；⑶、南北向挤压模式；⑷、深部作用模式。野外观察的事实证明了第三种模式，断裂系从南相北逐渐年轻，而且宽段也依次减小，在南部可以看到更深的变质岩的出露。

3．北喜马拉雅穹隆带形成模式：⑴、底辟模式，最终的穹隆形态由岩浆底辟确定；⑵、逆冲模式；⑶、Channel flow模式；⑷、变质核杂岩模式，在构造上该穹隆与变质核杂岩存在许多相似性。由于其内的高级变质岩和盖层界线的构造属性还不清楚，因此其形成机制现在还不能明确。

发生地震时，地表沿断层会分布鼓包、陡坎，被水平错断的河流阶地和山脊等，地震地质学家就是根据卫星影像和航片上这些地貌分布特征，辨识出断层的存在，如阿尔金断裂，刚开始研究人员就是在卫星影像上肯定了这条断层的存在，低分辨率的影像只能给出断层的粗略信息，研究人员还要进行实地考察和断层填图，最后给出断层分布的精确位置。根据变形地貌面的年代，可以给出活断层活动时代的范围。

谷歌地球在活动断层研究中的重要意义

谷歌地球是谷歌公司提供的免费卫星影像，其随时间不断更新，且其分辨率不断的提高，在有些地方可以与某些商业的卫星影像相媲美。利用谷歌地图，地震地质学家可以很快的定位研究区范围，对地貌特征进行解译，分辨出断层的分布位置。在进行野外考察之前，研究人员根据河流的大小和断错、陡坎分布以及交通等情况，确定重要考察地点，节省时间，很大提高了野外工作效率。

Google Earth http://earth.google.com/

Google Earth上的阿尔金断裂

对于徒步和交通工具都很难到达的地方，研究人员可以借助高分辨率的航片，解译断层通过之处的为地貌特征，可以测量出地貌变形量的大小，以期获得断层的活动强度。

高精度航片 红箭头为断层位置

探测城市内部和周边的活断层情况，城市建筑物合理避让和加固，以期做好抵御地震的破坏，这种策略也是依据当前地震研究程度最为合理的。我国大城市的活断层探测工作基本已经结束，目前中小城市正在陆续开展。但是对于有些偏远地区的小城镇，由于经济和地理或规划者的原因，目前或在未来一段时间内还不能开展此类的工作。如玉树，在上次地震中损失惨重，主要就是倒塌的房屋都没有依照建筑标准。

青海果洛藏族自治州玛沁县，东昆仑断裂即穿越城南边，东昆仑断裂在该区的平均滑动速率达到10mm/yr。该县正在建设的移民工程离断层不足3km，而该移民工程的质量也令人担忧。在城东西两侧的藏族群众的房屋或帐篷与电线杆都是沿着断裂而建，这里一旦发生地震，其电力和群众的住所必然遭到致命的破坏。

沿断层而建的电线杆(玛沁城东牧场) 红箭头为断层位置

断层边的藏民帐篷,红箭头为断层位置

另外一个相反的例子是甘肃阿克塞哈萨克族自治县，该县以前的老县城就建在阿尔金大断裂上，后来搬迁至老城以北20公里外，这是当地政府的明智之举。

阿克塞老县城 来源：付碧宏

阿克塞新老县城对比 来源：付碧宏

后面两张图来源：http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=312752

圣安德烈斯断裂

圣安德烈斯断裂是美国西海岸最重要的一条右旋走滑大断裂，是北美板块和太平洋板块的边界，年平均滑动速率达数厘米。Sinan O. Akçiz博士等开挖的探槽位于圣安德烈斯断裂的南段，这里在1857年发生过7.9级大地震。

沿断裂带开挖的探槽位置

从探槽剖面中，研究人员辨别出加上1857年地震的6次地震事件，通过碳十四测年方法，限定了每次地震事件的发震时间范围，地震的平均复发间隔为88±49年，但是从时间序列中，我们很容易看出，每两次相邻地震之间的时间间隔大致可以分为两种范围，一个是50年左右，一个是150年左右，两种不同的时间间隔分别代表了两种不同大小震级的地震，依照研究人员的数据可以认为50年时间间隔的地震震级在6.5级左右，而150年则为7.9级左右，探槽中的地层变形强弱也支持这种观点，这种发震模式符合滑动可预报模式（见附录1）。如果以上证据没有错误，从1857年到2010年，该断裂已有153年的平静期，可以认为该断裂已达到发生7.9级大震的时间，在未来的5～7年，该断裂将会发生像2008年中国四川汶川地震一样大的地震。

古地震事件序列

参考文献：

1. Century-long average time intervals between earthquake ruptures of the San Andreas fault in the Carrizo Plain, California， Geology; September 2010; v. 38; no. 9; p. 787-790; DOI: 10.1130/G30995.1

附录：

1. 地震的原地复发模式

1980年，日本学者岛崎和田将地震复发行为理想化为三种情况：a.严格周期性复发模式，b. 时间可预报模式, c.滑动可预报模式。第一种情况是每次地震发生时的应力累积量和应力降都是一样的，第二情况是每次地震发生时的应力累积量是一样的，第三种情况是每次地震后应力剩余量是一样的。

地震复发模式

上次第四纪大会上有人提出地震为什么要原地复发的问题。依据现有的理论，地震是由活动断层突然滑动造成的地面震动，地震只会发生在活动断层上（火山引发的地震另论），而不会发生在稳定的块体上。活动断层是在不断运动着的，通过运动和断层面之间的摩擦力来集聚能量，一旦能量超出了摩擦力的范围，地震就发生了。一条断层发生地震之后，就会进入平静期，继续积聚能量，以期为发生下一次地震做准备，这就是原地复发。当然，可能每次地震时破裂初始点是不同的，但是属于同一个段落。

地震地质学家通过地质学方法，得到断层在万年尺度上的平均滑动速率，这个滑动速率的大小表明断层长期的平均活动水平，如果只看这一个指标，我们不能评估断层在未来的危险性。地震是一个能量释放的过程，地震的大小与断层积聚的能量有关，而能量的标定与断层应力积累情况、断层活动的规模有关，应力积累情况与区域构造环境、断层活动性质、特征地震原地复发间隔（古地震活动历史）和最新一次强震的活动时间有关。

如龙门山断裂带，整体的滑动速率不超过2～3mm/yr，其中2008年地震的主要发震断裂的中央断裂（映秀——北川断裂）逆冲速率只有0.3～0.6mm/yr和右旋走滑速率约为1mm/yr，平均活动水平算是低的。但是，以往我们忽略了它200多公里长度，而且缺少它的古地震活动特征和历史强震资料，因此在汶川地震之前，研究人员很难对其作出合理的危险性评价。总之，这也是研究人员的疏忽，在地震之前没能对其做深入的研究，蛊惑研究人员的一个指标就是它的低滑动速率，高估了滑动速率在地震危险性中所占的比重。

南北地震带中段及龙门山地区活动构造图(参考1)

2008年汶川地震之后，科学家们对龙门山地区做了大量的科研工作，探槽中所揭示的古地震资料表明，该地区大震的活动具有准周期性，复发间隔约为3000年，因此汶川地震之后，在很长的一段时间内，该地区不太可能有大地震发生。

参考资料：

1.张培震, 闻学泽, 徐锡伟, 等. 2008 年汶川 8.0 级特大地震孕育和发生的多单元组合模式. 科学通报, 2009, 54(7): 944~953