與地震有關(guān)的活動(dòng)斷裂帶紅外輻射變化特征

荊 鳳，申旭輝，張鐵寶，熊 攀，孫 珂

(1.中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036;2.四川省地震局，成都 610041)

0 引言

20世紀(jì)80年代，前蘇聯(lián)科學(xué)家在分析中亞地區(qū)衛(wèi)星熱紅外遙感圖像時(shí)意外發(fā)現(xiàn)了地震前存在熱輻射異?，F(xiàn)象[1]，從此，利用衛(wèi)星熱紅外遙感數(shù)據(jù)開(kāi)展與地震孕育有關(guān)的輻射異常研究得到了廣泛關(guān)注，并取得了一定成果[2－16]。近年來(lái)，陸續(xù)有震例研究表明，一些在震前檢測(cè)到的輻射異常與發(fā)震斷層具有一定的關(guān)聯(lián)性[17－18]。眾所周知，地震通常是由斷層活動(dòng)引發(fā)的，有關(guān)應(yīng)力場(chǎng)與溫度場(chǎng)相關(guān)性的巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度場(chǎng)對(duì)變形場(chǎng)具有很好的響應(yīng)，對(duì)斷層開(kāi)展溫度變化監(jiān)測(cè)有利于研究斷層活動(dòng)[19－20];研究熱紅外異常與斷層活動(dòng)的關(guān)系是解決紅外異常與地震關(guān)系的首要條件[21]。此外，通過(guò)對(duì)主要活動(dòng)斷裂帶開(kāi)展紅外輻射特征分析，研究其紅外輻射變化特征與周邊區(qū)域地震活動(dòng)的關(guān)聯(lián)性，有助于提高對(duì)地震紅外信息識(shí)別的準(zhǔn)確率和可靠性，為開(kāi)展地震監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支撐。

本文針對(duì)2010年4月14日發(fā)生在我國(guó)青海省玉樹(shù)縣的Ms 7.1級(jí)地震，對(duì)地震前后發(fā)震斷裂的紅外亮溫圖像進(jìn)行了分析，并與2011年同期該斷裂帶的亮溫變化進(jìn)行比較，希望能為進(jìn)一步利用衛(wèi)星熱紅外遙感數(shù)據(jù)開(kāi)展地震斷層活動(dòng)性監(jiān)測(cè)提供參考。

1 玉樹(shù)地震的構(gòu)造背景

圖1 玉樹(shù)地震震中及發(fā)震構(gòu)造分布Fig.1 Locations of epicentre and seismogenic structure of Yushu earthquake

2010年4月14日，青海省玉樹(shù)藏族自治州玉樹(shù)縣發(fā)生了Ms 7.1級(jí)地震，這是繼2008年5月12日汶川地震后我國(guó)發(fā)生的又一次破壞性極強(qiáng)的大地震。地震的震中位于 N33.2°，E96.6°(圖 1)，震源深度達(dá)14km。發(fā)震斷裂為左旋走滑的甘孜—玉樹(shù)斷裂帶。該斷裂帶與鮮水河斷裂帶在甘孜附近呈左階排列，并與鮮水河斷裂帶共同構(gòu)成巴彥喀拉地塊南邊界。根據(jù)震后野外地質(zhì)調(diào)查結(jié)果[22]，本次地震形成的地表破裂帶總長(zhǎng)約51 km，實(shí)測(cè)最大水平位錯(cuò)發(fā)生在主破裂北段約1.8 m處，認(rèn)為玉樹(shù)地震是巴顏喀拉山地塊和川滇地塊向東擠出而產(chǎn)生的。

2 數(shù)據(jù)源及數(shù)據(jù)預(yù)處理

使用 MODIS 熱紅外波段(10.78 ～11.28 μm)遙感數(shù)據(jù)，圖像空間分辨率為1 km。通過(guò)數(shù)據(jù)定標(biāo)及普朗克公式計(jì)算，將輻射率轉(zhuǎn)換成亮度溫度數(shù)據(jù);通過(guò)閾值限制對(duì)圖像進(jìn)行去云處理;對(duì)1個(gè)月內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值計(jì)算，獲得晴空條件下的月際亮溫圖像。利用該方法獲得了2010年玉樹(shù)地震發(fā)震構(gòu)造甘孜—玉樹(shù)斷裂帶及其周邊地區(qū)的亮度溫度月值圖像。

3 輻射變化特征分析

分析玉樹(shù)地震前后震中區(qū)的亮溫圖像(圖2)發(fā)現(xiàn)，在地震前1個(gè)月內(nèi)，甘孜—玉樹(shù)斷裂帶北段和南段出現(xiàn)了微弱的亮溫高值區(qū)，斷裂帶的西南方向也出現(xiàn)了零散分布的亮溫高值區(qū)，亮度溫度在285 K左右;地震發(fā)生當(dāng)月，斷裂帶北段和南段的2處亮溫持續(xù)增加，且北段高值的覆蓋面積和溫度高于南段，斷裂帶西南方出現(xiàn)的小面積亮溫高值區(qū)也呈現(xiàn)出北移，向震中靠近，且面積擴(kuò)大、強(qiáng)度增強(qiáng)，亮溫最高值接近290 K;地震后一個(gè)月，斷裂帶亮溫條帶南北兩端的高值顯著下降，特別是北段的亮溫高值條帶急劇衰減，衰減程度強(qiáng)于南段，而出現(xiàn)在3月和4月份斷裂帶西南側(cè)的亮溫高值區(qū)域也完全消失。

圖2 2010年3—5月甘孜—玉樹(shù)斷裂帶亮溫圖像Fig.2 Image of brightness temperature for Ganzi－Yushu fault from March to May，2010

針對(duì)地震發(fā)生當(dāng)月(2010年4月)斷裂帶顯示出的亮溫變化特征，重點(diǎn)分析該月每10 d晴空條件下的亮溫分布情況(圖3)。

圖3 2010年4月甘孜—玉樹(shù)斷裂帶亮溫圖像Fig.3 Image of brightness temperature for Ganzi－ Yushu fault in April，2010

從圖3可以看出，在2010年4月1—10日，斷裂帶的亮溫高值出現(xiàn)在玉樹(shù)斷裂帶的南北兩端，與月際亮溫圖像所顯示的2處亮溫高值分布相同;4月11—20日，南北兩端的亮溫高值區(qū)范圍擴(kuò)大，且整個(gè)區(qū)域的亮溫值都有增高的趨勢(shì);4月21—30日，斷裂帶的條帶亮溫值最高，主要分布在斷裂帶北段以及斷裂帶西南一側(cè)?？梢?jiàn)，本次地震發(fā)震斷裂帶亮溫的最高值出現(xiàn)在震后7～16 d內(nèi)。據(jù)地震發(fā)生期間水汽和CO變化情況的研究結(jié)果[23]，水汽含量和CO的增多現(xiàn)象都發(fā)生在震后，且震后這一時(shí)間段內(nèi)水汽含量和CO含量均表現(xiàn)為上升，認(rèn)為這主要是由于震后大量的地下熱水汽以及CO沿地震產(chǎn)生的地表破裂帶向大氣擴(kuò)散所致。因此認(rèn)為，震后7～16 d出現(xiàn)的亮溫增高可能與震后地下大量氣體釋放有關(guān)。

為了與2010年3—5月份甘孜—玉樹(shù)斷裂帶亮溫特征進(jìn)行對(duì)比，本研究處理并得到了2011年同時(shí)期、同區(qū)域的亮溫圖像(圖4)，發(fā)現(xiàn)在2011年3—4月期間，該地區(qū)亮溫分布格局較為均一，整條斷裂亮溫呈均一的條帶狀分布;到了2011年5月，該斷裂帶的亮溫值又整體升高，西南側(cè)出現(xiàn)了大面積的亮溫高值區(qū)域(圖4(c))。通過(guò)檢索地震目錄，發(fā)現(xiàn)2011年6月26日在本區(qū)囊謙縣發(fā)生過(guò)Ms 5.3級(jí)地震，震中位置為 N32.4°，E96.05°，恰好是甘孜—玉樹(shù)斷裂帶西南側(cè)的亮溫高值區(qū)域，因此推測(cè)這一亮溫值增高現(xiàn)象可能與一個(gè)月后發(fā)生的這次地震活動(dòng)有關(guān)。

圖4 2011年3—5月甘孜—玉樹(shù)斷裂帶亮溫圖像Fig.4 Image of brightness temperature for Ganzi－Yushu fault from March to May，2011

4 討論

通過(guò)對(duì)2010年4月14日青海省玉樹(shù)Ms 7.1級(jí)地震前后月際亮度溫度圖像的分析看出，甘孜—玉樹(shù)斷裂帶上亮溫變化最顯著的區(qū)域發(fā)生在斷裂帶北段，位于(N33°，E97°)點(diǎn)附近，這一位置與震后野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)的玉樹(shù)地震產(chǎn)生的地表破裂帶相吻合[22]。而震后4月21—30日的斷裂帶及其周邊的亮度溫度也顯示出這個(gè)位置及其西南方向是亮度溫度增高區(qū)。結(jié)合本次地震震后發(fā)現(xiàn)的水汽及CO增強(qiáng)現(xiàn)象，認(rèn)為這一亮度溫度增高現(xiàn)象可能是由于同震破裂引起的摩擦和震后大量地下氣體上涌而引起的。單新建等[21]在用紅外資料分析2001年昆侖山口西8.1級(jí)地震時(shí)也發(fā)現(xiàn)過(guò)類(lèi)似的現(xiàn)象。

在分析本區(qū)熱紅外亮溫?cái)?shù)據(jù)時(shí)還發(fā)現(xiàn)，甘孜—玉樹(shù)斷裂帶無(wú)論在有震還是無(wú)震時(shí)都呈現(xiàn)出清晰的線性條帶特征，這是由下墊面的輻射特性所決定的[24－25]，這與紅河斷裂帶的亮溫特征相似;屈春燕等[26]對(duì)紅河斷裂帶亮溫條帶的分析結(jié)果顯示，在有震發(fā)生年，紅河斷裂帶的亮溫值要高于無(wú)震發(fā)生年，而且斷裂的不同部位也由于活動(dòng)性的不同顯示出不同的亮溫變化特征。而在本文中所分析的2次地震前1個(gè)月，斷裂帶位置均發(fā)生了較為顯著的增溫現(xiàn)象，包括斷裂帶上局部及斷裂帶周邊區(qū)域亮溫的增高，這些變化可能均與斷裂活動(dòng)有關(guān)。

5 結(jié)論

地震的發(fā)生與活動(dòng)構(gòu)造關(guān)系密切，利用衛(wèi)星熱紅外遙感數(shù)據(jù)研究主要斷裂帶的紅外輻射特征，能夠達(dá)到監(jiān)測(cè)地震構(gòu)造帶是否活動(dòng)的目的。本文利用MODIS熱紅外遙感數(shù)據(jù)，分析了2010年玉樹(shù)地震前后甘孜—玉樹(shù)斷裂帶的亮溫變化情況，獲得了以下初步認(rèn)識(shí):

1)由于下墊面的輻射特性，一些活動(dòng)斷裂帶能夠在亮溫圖像上顯示出清晰的條帶狀影像特征，分析這些條帶的亮溫變化，能夠間接獲得斷裂帶的活動(dòng)信息。

2)2010年4月14日玉樹(shù)Ms 7.1級(jí)地震期間和2011年6月26日囊謙縣Ms 5.3級(jí)地震前一個(gè)月，甘孜—玉樹(shù)斷裂帶均出現(xiàn)了明顯的亮溫增高現(xiàn)象，認(rèn)為這與斷裂的活動(dòng)性增強(qiáng)有關(guān)。

3)2010年玉樹(shù)地震前，甘孜—玉樹(shù)斷裂帶北段出現(xiàn)的亮溫高值區(qū)與野外考察所發(fā)現(xiàn)的本次地震造成的地表破裂帶位置一致，而亮溫最高值出現(xiàn)的時(shí)間也與本次地震水汽含量和CO含量顯著增強(qiáng)的時(shí)間吻合。因此認(rèn)為，斷裂帶顯示出的亮溫變化與該區(qū)震前及同震的應(yīng)力集中、摩擦增強(qiáng)以及震后大量地下氣體上涌有關(guān)。

4)利用衛(wèi)星熱紅外遙感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)主要活動(dòng)斷裂帶亮溫變化，同時(shí)有效結(jié)合其他觀測(cè)成果的分析，能夠?yàn)槿粘５卣鸨O(jiān)測(cè)提供輔助決策信息。

志謝:感謝四川省地震局提供研究所用的MODIS數(shù)據(jù)。

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