騰沖地區(qū)潛熱通量與周圍地區(qū)地震活動的相關(guān)性

陳梅花 鄧志輝 梁琦珍 丁留偉 陶京玲

1)浙江師范大學，金華 321004

2)廣東省地震局，廣州 510070

3)中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029

0 引言

震前潛熱通量異常是近10年才被發(fā)現(xiàn)的一種重要的熱異常信息，和震前紅外異常一樣，地震前的潛熱通量異常信息也可以利用衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取。潛熱通量，主要是由于水的相變所引起的，比如凝結(jié)、蒸發(fā)、融化等過程需要吸收或釋放的熱量，它反映了地球表面和大氣之間的水分、熱量交換，是地表能量釋放方式的一種。地表的能量釋放方式包括感熱交換、潛熱交換和輻射3種，就全球而言，感熱交換所占份額僅14%，地表輻射出的能量占41%，地震前表現(xiàn)出的紅外遙感異常就來自這一部分能量釋放，而潛熱釋放的能量占45%，可見潛熱交換是地球表面最主要的能量釋放方式。Singh等(2001，2007)和Dey等(2003)利用衛(wèi)星遙感資料研究強地震前后的SLHF變化，發(fā)現(xiàn)沿海地區(qū)強震前普遍存在潛熱通量異常。

陳梅花等(2006，2011)對強地震前后的潛熱通量進行研究，發(fā)現(xiàn)2004年12月26日印度尼西亞9.0級地震和2010年2月27日智利8.8級等沿海地震前出現(xiàn)了顯著的潛熱通量異常，同時發(fā)現(xiàn)這種震前SLHF異常并不局限于沿海地區(qū)，在內(nèi)陸地區(qū)，如果震中附近水體較多或土壤富含水分，地震前也可能出現(xiàn)SLHF異常，如2005年11月26日九江5.7級地震(陳梅花等，2007)和2008年5月12日汶川8.0級地震(嚴研等，2008)。

李金平等(2008)和Qin等(2009)對中國內(nèi)陸地震進行研究，發(fā)現(xiàn)一些震例前也存在SLHF異常，且SLHF分布與區(qū)域內(nèi)的主要活動構(gòu)造帶走向一致。Cervone等(2005)運用小波變換的方法分析了地震前后的SLHF時間序列特征及其與地震的關(guān)系;Nikitas等(2006)討論了SLHF時間序列的多重分形特征及其在地震監(jiān)測預(yù)警中的意義;秦凱等(2011)對地震前SLHF進行多方面的分析研究，包括分析歷史數(shù)據(jù)、對比背景像元、進行小波變換等，發(fā)現(xiàn)2010年新西蘭MS7.1地震前出現(xiàn)了顯著的SLHF異常。

上述結(jié)果是國內(nèi)外學者針對一些強地震前SLHF異常進行的研究，總體上說，當震中附近有淺水體或富含水分的土壤時，強地震前可出現(xiàn)潛熱通量異常，同時，不同構(gòu)造部位的異常表現(xiàn)往往存在差異，一些特殊構(gòu)造部位不但在其附近發(fā)生地震前出現(xiàn)SLHF異常，而且對周邊較遠的強地震前也會發(fā)生異常反應(yīng)。對特殊構(gòu)造部位的異常動態(tài)規(guī)律進行研究，對于把握區(qū)域地震活動趨勢和研究異常產(chǎn)生機理都具有重要意義。云南騰沖是一個典型的特殊構(gòu)造部位，本文將以該地區(qū)為例，對其周圍2000年以來6.4級以上地震進行分析，研究這些地震前后騰沖地區(qū)的潛熱通量的變化情況，分析特殊構(gòu)造部位對周邊不同地震的響應(yīng)特征。

1 騰沖地區(qū)構(gòu)造特征

騰沖地區(qū)位于喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)的南部，是中國大陸上最年輕的火山區(qū)之一。大約70座大小不一的火山分布在以騰沖為中心的張裂盆地內(nèi)。騰沖地區(qū)巖漿活動頻繁，巖類復(fù)雜，出露面積約2760km2。

騰沖地區(qū)附近的主要斷裂包括騰沖斷裂、高黎貢斷裂、怒江斷裂、大盈江斷裂和龍陵斷裂等(圖1)。自上新世以來，騰沖地區(qū)的火山活動持續(xù)發(fā)生，根據(jù)其年代特征可大致分為4個主要階段，歷史記載的最近一次噴發(fā)為全新世時期。

騰沖地區(qū)水熱活動主要分布在騰沖－隴川、檳榔江、蘇典－昔馬等水熱活動帶，空間分布廣，EW向約100km，SN向約200km。區(qū)內(nèi)共有溫泉、熱泉124處。其中，溫度高于95℃ 的沸泉6處，最具代表性的當屬熱海大滾鍋;45～95℃的中高、中溫熱泉75處;25～45℃低溫溫泉43處。熱海地熱區(qū)是騰沖地區(qū)現(xiàn)代地熱流體活動最強烈的地區(qū)，總面積約10km2。區(qū)內(nèi)沸泉、噴沸泉、間歇噴泉、水熱爆炸、高溫噴氣孔和地面冒氣等最強烈的水熱活動形式均有出露(上官志冠等，2004)。

2 騰沖地區(qū)潛熱通量背景

本文所用的潛熱通量資料來自美國氣象環(huán)境預(yù)報中心和美國國家大氣研究中心(NCEP)。NCEP采用了最先進的全球資料同化系統(tǒng)，建立了非常完善的數(shù)據(jù)庫，對多種來源的觀測資料(地面、船舶、無線電探空、測風氣球、飛機、衛(wèi)星等)進行質(zhì)量控制和同化處理后，獲得了一套完整的診斷資料集(Kistler et al.，2001)，數(shù)據(jù)集包括了1948年至今的完整數(shù)據(jù)，其中1979年以后衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在診斷系統(tǒng)中開始大量應(yīng)用，NCEP利用的衛(wèi)星資料見表1，考慮到數(shù)據(jù)的一致性，本研究僅選用1980—2011年區(qū)間共32a的數(shù)據(jù)。

表1 NCEP利用的衛(wèi)星資料Table1 Satellite sounder data used in NCEP reanalysis

計算潛熱通量所需要的幾個關(guān)鍵的變量分別是風速、地表溫度以及地表和大氣的比濕。風速可通過ERS－2、NSCAT和SSM/I的觀測數(shù)據(jù)計算得到，地表溫度由NOAA衛(wèi)星AVHRR的觀測數(shù)據(jù)反演得到，可用于計算地氣界面的濕度，地表大氣的比濕則可從微波輻射計的觀測數(shù)據(jù)計算得到。

為了得到研究區(qū)范圍內(nèi)的潛熱通量背景，本文計算了研究區(qū)1980—2011年共32a的多年平均值分布(圖2)以及騰沖地區(qū)潛熱通量多年平均的年變曲線(圖3)。

從圖2可見，研究區(qū)潛熱通量多年平均值為30～120W/m2，空間分布主要受緯度和高程控制，大體上由南向北逐漸降低。由于研究區(qū)地形自東南向西北逐漸抬高，潛熱通量平均值也出現(xiàn)由東南向西北逐漸遞減的趨勢，另外由于受高山的遮擋，東南暖濕氣流運動受阻，所以緬甸東部和云南西部的潛熱通量背景普遍比同緯度地區(qū)低。騰沖地區(qū)剛好位于潛熱通量相對低的地區(qū)，受東南暖濕氣流影響相對較小。

圖2 騰沖及其周圍地區(qū)多年平均SLHF分布Fig.2 Spatial distribution of annual mean SLHF in Tengchong and its surrounding areas.

圖3 騰沖地區(qū)多年平均SLHF年變曲線Fig.3 Curve of the annual variation of SLHF in Tengchong region.

圖3是騰沖地區(qū)多年平均潛熱通量的年變曲線(實線)，為了對比，圖中還增加了云南東部東川地區(qū)的多年平均年變曲線(虛線)。從曲線圖可以發(fā)現(xiàn)，騰沖地區(qū)潛熱通量全年都比東川低，主要原因是云南東部的東川地區(qū)海拔比騰沖地區(qū)略低。從圖中還可以看到，每年12月到次年3月，潛熱通量都比較低，基本低于40W/m2，3月中旬開始快速上升，6月達到最大，7—8月保持平穩(wěn)的高值狀態(tài)，9月開始下降。潛熱通量年變特征與當?shù)貧夂蛴嘘P(guān)，騰沖周圍地區(qū)干濕季分明，每年的11月至第2年的4月是干季，所以潛熱通量值比較低，5—10月是濕季，一般來說，濕季占全年降雨量的80%以上。

3 騰沖地區(qū)潛熱通量對周圍震例的響應(yīng)

騰沖地區(qū)是一個構(gòu)造活動強烈、潛熱通量異常反應(yīng)靈敏的地區(qū)。本研究以川滇地區(qū)2000年以來6.4級以上地震為例，研究了騰沖地區(qū)潛熱通量在這些震例前后的變化特征。震例的空間分布見圖4。表2給出了上述震例的相關(guān)參數(shù)。

3.1 2000年1月15日姚安6.5級地震

姚安6.5級強震發(fā)生于2000年1月15日云南省姚安縣境內(nèi)。震中位于川滇塊體中南部，震前曾發(fā)生紅外溫度異常(陳梅花等，2007)。

圖5為1999年10月至2000年1月31日姚安6.5級地震前后騰沖地區(qū)潛熱通量變化曲線。從圖中可見，騰沖地區(qū)在姚安地震前1個半月出現(xiàn)潛熱通量異常(圖5)，1999年12月4—17日潛熱通量超過最大參考值，異常狀態(tài)持續(xù)2周。由于天氣的影響，姚安地震前也有2天(11月19日和29日)潛熱通量超出最大參考值。

圖4 2000年以來川滇地區(qū)6.4級以上地震分布Fig.4 Spatial distribution of the earthquakes(MS≥ 6.4)in the Sichuan-Yunnan region since 2000.

3.2 2007年6月3日寧洱6.4級地震

2007年6月3日云南省寧洱縣發(fā)生6.4級地震，宏觀震中位于寧洱縣城南約3km，極震區(qū)包含寧洱縣城區(qū)(地震烈度Ⅷ度)及其周邊山區(qū)。地震斷層為NW向的走滑斷層，即寧洱斷裂般海斷層段，震源深度＜10km。寧洱地震的動力被認為是來源于印度板塊的向北推擠使青藏高原向東滑移，在滇西南地區(qū)轉(zhuǎn)化為向SEE方向的擠出，使寧洱附近網(wǎng)絡(luò)狀的NW向斷裂發(fā)生右旋活動，NE向斷裂發(fā)生左旋活動(楊曉平等，2008)。

圖6為2007年3—6月31日寧洱6.4級地震前后騰沖地區(qū)潛熱通量變化曲線。從圖中不難看出，2007年5月21日至6月4日潛熱通量日值超過最大參考值，表現(xiàn)出異常狀態(tài)，持續(xù)2周左右。此前在4月中旬至5月初潛熱通量也有幾次超出最大參考值，但持續(xù)時間比較短，量級也不大，可能是天氣變化引起的。

3.3 2008年5月12日汶川8.0級地震

2008年5月12日四川汶川地區(qū)發(fā)生MS8.0地震，該地震發(fā)生于四川西北高原的東側(cè)邊緣的龍門山逆沖斷裂帶上，是青藏高原地殼物質(zhì)的緩慢東向移動與四川盆地和華南地塊堅硬地殼相互作用的結(jié)果。此次汶川大地震在中央斷裂帶形成了200多km長的地表破裂帶;在前山斷裂也發(fā)生了破裂，形成的地表破裂帶長度超過60km(張培震等，2008)。地表破裂以兼有右旋走滑分量的逆斷層型破裂為主。

表2 2000年以來川滇地區(qū)6.4級以上地震參數(shù)Table2 Parameters of the earthquakes(MS≥6.4)in the Sichuan-Yunnan region since 2000

圖5 2000年1月15日姚安6.5級地震前后騰沖地區(qū)潛熱通量變化曲線Fig.5 Curve of the SLHF from October 1999 to January 2000 in Tengchong region before and after the MS6.5 Yao'an earthquake on Jan.15，2000.

圖6 2007年6月3日寧洱6.4級地震前后騰沖地區(qū)潛熱通量變化曲線Fig.6 Curve of the SLHF from March to June 2007 in Tengchong region before and after the MS6.4 Ning'er earthquake on Jun.3，2007.

圖7為2007年12月至2008年5月31日汶川MS8.0地震前后騰沖地區(qū)潛熱通量變化曲線。圖中顯示，從2008年1月下旬至3月上旬潛熱通量日值超過最大參考值，表現(xiàn)出多次顯著異常，最長持續(xù)時間達到10d左右;然后平靜近2個月，4月底潛熱通量再次發(fā)生異常，不久便發(fā)生了8級地震。

圖7 2008年5月12日汶川8級地震前后騰沖地區(qū)潛熱通量變化曲線Fig.7 Curve of the SLHF from December 2007 to May 2008 in Tengchong region before and after the MS8.0 Wenchuan earthquake on May 12，2008.

3.4 2011年3月24日緬甸7級地震

2011年3月24日，緬甸發(fā)生7.2級地震，距離中國云南省勐海縣中緬邊境直線距離不足80km，震區(qū)地處撣泰地塊(Shan－Thai)的北部，主要發(fā)育NE向及NW向2組斷裂。震中附近出露大片加里東期和海西期花崗巖，主要發(fā)育的NE向斷裂為尚崗斷裂、勐臘－岔河斷裂、勐龍斷裂、打洛－景洪斷裂、孟連－瀾滄斷裂，這些斷裂都具有左旋性質(zhì)。本次地震發(fā)生于勐臘－岔河斷裂與NW向斷裂的交會區(qū)。該區(qū)斷裂構(gòu)造又與云南構(gòu)造相連，與滇西南為同一構(gòu)造體系(錢曉東等，2011)。

圖8為2011年1月至4月31日緬甸7級地震前后騰沖地區(qū)潛熱通量變化曲線。從圖中可見，2011年3月14—26日潛熱通量日值超過最大參考值表現(xiàn)出顯著的異常狀態(tài)，并持續(xù)2周左右。1月中旬，潛熱通量2次超過最大參考值，但持續(xù)時間均不超過3d，可認為是天氣變化所致。

圖8 2011年3月24日緬甸7級地震前后騰沖地區(qū)潛熱通量變化曲線Fig.8 Curve of the SLHF from February to April 2011 in Tengchong region before and after the MS7.0 Myanmar earthquake on March 24，2011.

3.5 2013年4月20日蘆山7級地震

2013年4月20日雅安蘆山縣發(fā)生7級地震，震源深度13km(中國地震臺網(wǎng)中心網(wǎng)站)，這一次地震位于龍門山斷裂段的南端，為逆沖兼走滑型地震，從余震的分布以及同震位移模擬計算推測此次地震為單側(cè)破裂，破裂方向為SW向，破裂長度65km，距汶川地震主震87km，此次蘆山7.0地震，可以視為龍門山斷裂帶不同段的應(yīng)力積累釋放的結(jié)果(中國地震信息網(wǎng)，雅安市蘆山7.0地震初步分析，張晁軍等)。

圖9反映了2013年4月20日蘆山7級地震前后潛熱通量變化情況，2012年12月至2013年3月初，潛熱通量一直處于低值狀態(tài)，3月8—14日出現(xiàn)顯著的潛熱通量異常，持續(xù)7d，之后又頻繁出現(xiàn)短期的高值異常，地震發(fā)生后潛熱通量下降到平均值左右。這次蘆山地震前潛熱通量異常的形態(tài)和汶川地震比較相似，只是，這次地震異常發(fā)生時間為地震前1個半月左右，距離地震發(fā)生時間更短。

圖5～9為上述震例發(fā)震前后騰沖地區(qū)潛熱通量異常的變化情況，圖中添加了2條參考曲線:一條是平均值曲線，它是32a潛熱通量的平均值，該曲線代表了各像素點每天的潛熱通量的基本背景;另一條是最大值參考曲線，它是由上述32a同日潛熱通量平均值與其1.5倍標準差之和，被認為是該像素點在正常情況下各天潛熱通量受噪音干擾所能達到的最大幅值(Dey et al.，2003)。

圖9 2013年4月20日蘆山7級地震前后騰沖地區(qū)潛熱通量變化曲線Fig.9 Curve of the SLHF from December 2012 to April 2013 in Tengchong region before and after the MS7.0 Lushan earthquake on Apr.20，2013.

4 結(jié)語

從上述分析可以看到，在川滇及其周圍地區(qū)大多數(shù)強地震前，騰沖地區(qū)潛熱通量都有顯著的異常表現(xiàn)，異常幅值和震級有關(guān)，震級越大，異常表現(xiàn)越強，比如蘆山7.0級地震、緬甸7.0級地震和汶川MS8.0地震前，騰沖地區(qū)潛熱通量異常幅度很大，遠遠超過最大參考值，而姚安6.5級地震和寧洱6.4級地震前異常幅度就相對小一些。異常出現(xiàn)時間基本上都在震前1個半月以內(nèi)，汶川地震前異常出現(xiàn)較早，發(fā)生在震前2個月之前，這可能與汶川地震震級高，范圍大，失穩(wěn)協(xié)同時間長有關(guān)。

地震前的潛熱通量異常產(chǎn)生的原因，是由于地震前地震能量的集中轉(zhuǎn)移可對一定區(qū)域范圍的應(yīng)力、應(yīng)變場產(chǎn)生影響，深部熱流體最敏感，可沿著裂隙上升到地表，其結(jié)果是:一方面，熱量增加，加速地表水或土壤水發(fā)生相變，導(dǎo)致潛熱通量變化;另一方面，地下氣體(包括水汽)可直接溢出地表，引起大氣出現(xiàn)潛熱通量異常。因此，地震前潛熱通量異常與震中及附近地區(qū)熱流體的活動和裂隙的存在密切相關(guān)。梅世蓉(1995)、車用太(2000)、張永仙(1999)等的研究認為在孕震過程的中短期階段，由于孕震區(qū)巖體產(chǎn)生擴容，并且裂隙不斷擴展，為深部熱物質(zhì)的運動創(chuàng)造了條件。張永仙(1999)的三維熱應(yīng)力模擬顯示，震源深處的溫度正異常區(qū)可在地殼淺部產(chǎn)生張性熱應(yīng)力區(qū)，該張性區(qū)的范圍是溫度正異常區(qū)的十幾倍，在地殼淺層可能產(chǎn)生一些張性裂隙。即使是在壓性區(qū)，斷層走滑運動也可引發(fā)拉分構(gòu)造。應(yīng)力的變化有利于熱流體的運動，當裂隙貫通時，進一步促進高壓熱流體沿裂隙上涌至地表淺層，引起潛熱通量異常。

騰沖地區(qū)對周圍強地震的潛熱通量異常反應(yīng)，一方面與騰沖地區(qū)的活動斷裂發(fā)育、現(xiàn)今構(gòu)造變形強烈有關(guān)，另一方面可能是由于騰沖地區(qū)火山活動強烈，溫泉廣泛發(fā)育，水熱交換迅速，對周邊構(gòu)造活動感應(yīng)靈敏所致。

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