汶川8.0級和仲巴6.8級地震中波紅外熱輻射異常

郭 曉, 張元生, 魏從信, 鐘美嬌, 張 旋

1)中國地震局蘭州地震研究所, 甘肅蘭州 730000;

2)中國地震局地震預(yù)測研究所蘭州創(chuàng)新基地, 甘肅蘭州 730000

汶川8.0級和仲巴6.8級地震中波紅外熱輻射異常

郭 曉1,2), 張元生1,2), 魏從信1), 鐘美嬌1), 張 旋1)

1)中國地震局蘭州地震研究所, 甘肅蘭州 730000;

2)中國地震局地震預(yù)測研究所蘭州創(chuàng)新基地, 甘肅蘭州 730000

本文以靜止衛(wèi)星中波紅外亮溫為數(shù)據(jù)源, 應(yīng)用小波變換和計算功率譜方法對汶川 8.0級地震和仲巴6.8級地震進行了分析研究。結(jié)果表明, 這兩次地震震前均出現(xiàn)了明顯的短臨熱異常現(xiàn)象。這與長波輻射通量和熱紅外亮溫資料的研究結(jié)果基本一致。在時間演化過程中熱異常現(xiàn)象在震前存在一次明顯的變化,這種變化有短臨預(yù)測意義。地震前后熱異常分布可能反映了區(qū)域應(yīng)力集中和調(diào)整變化, 根據(jù)異常的演化方向和異常消失區(qū)域可以估計發(fā)震的可能區(qū)域范圍。

地震; 小波變換; 功率譜; 熱異常

地震是對人類生存安全危害最大的自然災(zāi)害之一, 我國又是世界上地震活動最強烈和地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一。2008年5月12日汶川發(fā)生了Ms8.0級地震, 造成近 9萬人死亡和巨大的財產(chǎn)損失。這次地震引起了地震工作者的極大關(guān)注, 同時也開展了一系列的震后研究(張培震等, 2008; 徐錫偉等, 2008; Xu et al., 2008; 張希等, 2011; 唐力君等, 2013; Xu et al., 2008), 地震預(yù)報問題也成了社會關(guān)注的焦點。關(guān)于地震預(yù)報, 雖有過成功的實例(如1975年中國海城Ms7.3級地震), 但絕大多數(shù)地震是沒有做出過預(yù)報的。其主要原因是人類對地震孕育過程無監(jiān)測能力。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展,全天候的衛(wèi)星遙感資料給地震預(yù)測研究創(chuàng)造了良好監(jiān)測條件和實踐機會。

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展, 人類對衛(wèi)星熱紅外遙感信息與地震的關(guān)系研究始于20世紀(jì)80年代(崔承禹等, 1993; Cui et al., 1993; 鄧志輝等, 2003; 耿乃光等, 1998; 康春麗等, 2008; 強祖基等, 1990, 1998;徐秀登等, 1995; 吳立新等, 2006; 張元生等, 2002;Gabrielov et al., 2000; Saraf et al., 2008)。近幾年來,全球都在開展地震熱輻射方面的研究(Yao et al.,2012; Saraf et al., 2012), 中國是較早開展此項研究的國家之一, 在地震熱信息提取方法方面已取得進展(郭曉等, 2010; 馬瑾等, 2006; 屈春燕等, 2006;Zhang et al., 2010), 應(yīng)用該些方法對熱紅外與長波輻射資料進行的震例研究結(jié)果表明強震前后確實存在不同程度的熱輻射異?，F(xiàn)象。應(yīng)用靜止衛(wèi)星中波紅外遙感亮溫資料研究在強震發(fā)生前能否觀測到熱輻射異常變化, 這是本研究的目的。為此, 本文應(yīng)用小波分析與功率譜估計對靜止衛(wèi)星中波紅外亮溫資料進行處理, 研究汶川8.0級地震和仲巴6.8級地震的亮溫表現(xiàn)特征。研究區(qū)位于青藏高原及其周邊地區(qū), 研究區(qū)現(xiàn)今地質(zhì)構(gòu)造格局是多旋回造山作用的產(chǎn)物, 最新的喜馬拉雅造山作用奠定了研究區(qū)域現(xiàn)今構(gòu)造格架。受印度地盾向北擠壓俯沖影響, 青藏高原強烈隆升, 并向北向東滑移擠出, 在青藏高原各構(gòu)造塊體邊緣深大斷裂及內(nèi)部斷裂上產(chǎn)生相對運動, 形成強烈的構(gòu)造活動與地震。北邊界受塔里木準(zhǔn)地臺和中朝準(zhǔn)地臺的阻擋, 形成阿爾金大型左旋走滑斷裂及祁連山逆沖兼左旋走滑斷裂系, 東邊界受揚子準(zhǔn)地臺阻擋, 形成龍門山斷裂系。同時,青藏高原內(nèi)部各地塊邊界深大斷裂與縫合帶也強烈變形, 形成擠壓逆沖斷層或大型走滑斷裂。仲巴地震發(fā)生于青藏高原南部拉薩地塊中部逆斷裂帶上,受力來自印度地塊向北擠壓的正作用力; 汶川地震則發(fā)生于松潘甘孜造山帶與楊子準(zhǔn)地臺的接觸帶,也是松潘甘孜造山帶向東擠壓逆沖的前鋒地帶龍門山斷裂帶上, 為青藏高原擠壓變形的應(yīng)力轉(zhuǎn)換區(qū)(圖 1)。

圖1 研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖Fig. 1 Geological structure of the study area

1 中波紅外亮溫數(shù)據(jù)

FY-2C(FY-2E)衛(wèi)星主要有效載荷為紅外和可見光自旋掃描輻射器(Visible and infrared Spin Scan Radiometer , 簡稱為VISSR), VISSR可直接觀測到地物的熱輻射強度, 經(jīng)定標(biāo)處理和幾何校正后的數(shù)據(jù)稱之為相應(yīng)通道(波段)的輻射亮度, 應(yīng)用普朗克輻射定理的黑體(比輻射率為1)輻射公式進行計算獲得輻射物的輻射溫度(張元生等, 2010), 為了區(qū)別于物體的真實輻射溫度, 稱這種溫度為亮溫, 即亮溫代表的是把輻射物體當(dāng)著黑體時的輻射溫度, 用BT表示(單位: K)。熱輻射強度除了依賴于物體的溫度和比輻射率外, 還與輻射物體表面曲率有關(guān)。在短時間內(nèi), 同一物體在同一方向上的熱輻射強度變化主要取決于物體的溫度。

本研究使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是靜止氣象衛(wèi)星FY-2C(E)中波紅外亮溫數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)來源于蘭州地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站和中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心)。FY-2C于 2004年 10月 19日發(fā)射,FY-2E星于2008年6月15日發(fā)射(2009年11月24日替代FY-2C), 定位于東經(jīng)105o赤道上空, 距地面3萬5千多km, C和E星的有效觀測范圍為45o E—165o E, 60o S—60o N, 中波紅外波段為 3.5～4.0 μm。相鄰兩次觀測的時間間隔為30分鐘或1小時, 每天至少進行24次觀測。可使用的有效數(shù)據(jù)起始時間為2005年7月1日。為了減少太陽的影響, 選擇北京時間23:00時至次日4:00時的多次觀測數(shù)據(jù), 用補窗法進行簡單處理可去除部分云影響, 對相同像元計算其平均值, 構(gòu)成亮溫日值, 這就為下一步數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)備好了數(shù)據(jù)源。由于數(shù)據(jù)量大, 我們只選擇地理范圍為 5o—50oN、55o—150oE 內(nèi)的數(shù)據(jù)進行了處理。

2 方法

2.1 小波變換

通過衛(wèi)星遙感可獲得亮溫數(shù)據(jù)(衛(wèi)星接收站可提供亮溫數(shù)據(jù)產(chǎn)品), 連續(xù)亮溫數(shù)據(jù)信息中應(yīng)包括地球基本溫度場(直流部分)、年變溫度場、日變溫度場、雨云和寒熱氣流引起的溫度變化以及其他因素(包括地震)引起的溫度微變化信息。小波分析在信號分析方面卻有著獨特的優(yōu)勢, 可以在幾乎不損失信息的情況下進行重構(gòu)(陳順云等, 2006)。本文采用Daubechies(dbN)小波系中的db8小波基對亮溫資料進行了小波變換處理(郭曉等, 2010)。應(yīng)用小波變換可以去除地球基本溫度場和年變溫度場, 即舍去小波7階的尺度部分(圖 2f)。由于雨云和寒熱氣流引起的溫度變化時間較短, 一般為幾小時至幾天,這種信息經(jīng)小波變換可基本去除, 即舍去小波 2階的細節(jié)部分(圖2e)。對每個像元而言, 經(jīng)以上處理(2階尺度函數(shù)與 7階尺度函數(shù)相減)后的數(shù)據(jù)在時間域里是正負相間的亮溫相對變化波形數(shù)據(jù)(單位:℃)(圖 2g)。

圖2 小波變換信息提取Fig. 2 Information extraction through wavelet transformation

2.2 計算功率譜

信號的頻譜分析是研究信號特性的重要手段之一, 對于確定性信號, 可以用傅里葉變換來考察其頻譜性質(zhì)。功率譜反映了隨機信號各頻率成分功率能量的分布情況, 可以揭示信號中隱含的周期性及靠得很近的譜峰等有用信息。面對這樣海量的亮溫相對變化波形數(shù)據(jù), 我們采用了波形數(shù)據(jù)處理常用的數(shù)學(xué)方法, 即功率譜估計。應(yīng)用功率譜估計可以獲得優(yōu)勢頻率和幅值, 目的在于研究地震前后熱輻射變化的功率譜與其他時段的功率譜有何異同。考慮短臨地震異常出現(xiàn)的時間一般在 10～90天內(nèi),以n(n=64, 128; 本文中n=64)天為窗長,m(m=1, 2, 3,4, 5; 本文中m=1)天為滑動窗長作傅里葉變換, 計算其功率譜, 對每個像元的時程數(shù)據(jù)滑動一次可獲得一組功率譜, 時間約定為窗內(nèi)數(shù)據(jù)的最新時間,這樣就獲得了時頻空間數(shù)據(jù)。計算功率譜時得到的相應(yīng)周期為64天, 32天, 21天, 16天, 13天, 11天, 9天, 8天, 7天, 6天, …。根據(jù)前人的熱紅外亮溫地震異常的研究結(jié)果(劉德富等, 1999; Qiang et al., 1999;Xu et al., 1995), 異常持續(xù)時間一般大于10天, 我們在資料處理時不考慮10天以下周期的信息。為了更好地反映地震前后中紅外亮溫變化的功率譜與其他時段的功率譜有何不同, 我們對每一像元的所有頻率的功率譜作相對幅值處理, 具體相對幅值(即比值Rate)處理過程詳見《提取地震熱異常信息的功率譜相對變化法及震例分析》中的公式(1)和(2), 生成時頻相對功率譜變化空間數(shù)據(jù)。利用通過計算獲得的時頻空間數(shù)據(jù)進行全時空和全頻段掃描, 尋找幅值變化較大的對應(yīng)頻率(即特征周期)、時間和區(qū)域位置參數(shù), 再根據(jù)特征周期和時間參數(shù)作平面圖和時序曲線圖, 易于提取有用信息和開展震例分析。

3 結(jié)果和分析

對時頻相對功率譜變化空間數(shù)據(jù)進行掃描, 獲得了汶川 8.0級地震和仲巴6.8級地震發(fā)生前后的中波紅外圖像(圖3, 5)。

3.1 汶川8.0級地震熱輻射異常分析

2008年5月12日汶川Ms8.0級地震發(fā)生于NE走向的龍門山斷裂, 該斷裂位于青藏地塊與四川盆地地塊的縫合部位, 這次地震斷層破裂長度近300 km。地震前后熱異常主要分布于破裂帶及其以南含天然氣較豐富的盆地(圖 3), 在斷裂帶的中北段更加明顯, 地震當(dāng)天特征功率譜幅值是近 5年來的相對極值(圖4), 約為平均值的12倍(圖4), 震后4天(即5月16日)達到最大值(約為平均值的18倍)。圖3顯示了地震前后一個多月的中波紅外亮溫變化分布特征, 從圖像中可以看到, 從4月中下旬開始,在龍門山斷裂帶北段逐漸開始出現(xiàn)功率譜信息增強現(xiàn)象, 至 5月上旬逐漸擴展到龍門山斷裂帶中北段及斷裂帶東南的四川盆地, 地震后異常達到極值,主要集中在龍門山斷裂帶及整個四川盆地內(nèi), 異常幅值達到平均值的18倍。隨后異常逐漸開始出現(xiàn)減弱, 并轉(zhuǎn)移到震中區(qū)西部地區(qū), 到 6月下旬震中區(qū)及其附近功率譜信息異?，F(xiàn)象基本消失。地震前后功率譜異常幅值大于2倍的持續(xù)時間近65天(圖4)。

3.2 仲巴6.8級地震熱異常分析

2008年8月25日在西藏仲巴發(fā)生了Ms6.8級地震, 震中位于北緯 31°、東經(jīng) 83.6°, 震源深度約12 km, 屬淺源地震。2008年7月下旬開始出現(xiàn)中波紅外熱輻射異常, 主要分布于西藏自治區(qū)南部(仲巴—日喀則—當(dāng)雄一帶), 異常持續(xù)擴展到 8月中旬, 異常明顯向南移動, 8月中旬異常幅度達到最大(即8月17日功率譜相對變化率為近16倍), 地震后異常區(qū)迅速縮小減弱, 消失在仲巴 6.8級地震震中的東南部地區(qū)(圖5, 6)。地震前后功率譜異常幅值大于2倍的持續(xù)時間近65天(圖6)。

圖3 汶川8.0級地震中波紅外亮溫相對功率譜異常時空演化Fig. 3 Abnormal temporal evolution of relative power spectrum of medium wave infrared brightness for the 2008 Ms8.0 Wenchuan earthquake

圖4 異常區(qū)小范圍的相對功率譜平均值時序曲線(區(qū)域為 31.8—32.3°N, 104.5—105°E)Fig. 4 Time history plot of mean value of relative power spectrum in small regions (31.8°—32.3°N, 104.5°—105°E)

在時間演化過程中中波紅外亮溫在臨震前存在一次明顯的變化。這兩次地震前的熱異常分布可能反映了區(qū)域應(yīng)力集中和調(diào)整變化, 根據(jù)異常的演化方向和異常消失區(qū)域可以估計發(fā)震的可能區(qū)域范圍。至今為止, 中波紅外亮溫震例研究很少, 從有限幾個震例分析中難以看出震級大小與異常存在怎樣的關(guān)系, 地震大小可能與異常區(qū)域分布大小、異常幅度、區(qū)域地質(zhì)環(huán)境和區(qū)域大氣環(huán)境都存在一定聯(lián)系, 是一個很復(fù)雜的問題。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

圖5 仲巴6.8級地震中波紅外亮溫相對功率譜異常時空演化Fig. 5 Abnormal temporal evolution of relative power spectrum of medium wave infrared brightness for the 2008 Ms6.8 Zhongba earthquake

圖6 異常區(qū)小范圍的相對功率譜平均值時序曲線(區(qū)域為 30°—30.5°N, 83.5°—84°E)Fig. 6 Time history plot of mean value of relative power spectrum in small regions (30°—30.5°N, 83.5°—84°E)

一次強烈地震的孕育和發(fā)生過程, 是地殼運動,內(nèi)部應(yīng)力積累并在某些構(gòu)造部位集中增強, 最終使局部巖層突然錯斷的結(jié)果。巖石壓力實驗證實, 巖石受壓直至破裂的過程中, 確有紅外輻射的顯著增強現(xiàn)象。地球內(nèi)部(殼層)含有大量的水汽、二氧化碳和其他少量氣體。在大地震發(fā)生前地殼應(yīng)力持續(xù)增大, 貫通地表的裂隙數(shù)量就會明顯增多, 導(dǎo)致地下逸出氣增多, 大量水汽、二氧化碳和甲烷等其他溫室氣體混合作用引起溫室效應(yīng), 地殼內(nèi)部熱傳導(dǎo)加強, 使地表及底層大氣溫度顯著上升, 熱異常現(xiàn)象明顯增強。這可能是汶川地震熱異常主要分布于破裂帶及其以南含天然氣較豐富的四川盆地和仲巴地震熱異常主要分布于有著豐富地?zé)豳Y源的西藏自治區(qū)南部(仲巴—日喀則—當(dāng)雄一帶)的最直接原因(徐紀(jì)人等, 2005)。

熱異常表現(xiàn)為異常區(qū)域大小差異較大, 與地震大小的關(guān)系不明確, 這可能與地質(zhì)環(huán)境、大氣環(huán)境等條件有關(guān), 還有待于深入研究。由于地質(zhì)環(huán)境、大氣環(huán)境等條件的復(fù)雜性, 該方法可能對地震大小的判定存在困難, 但值得慶幸的是大地震發(fā)生之前存在熱異?，F(xiàn)象。一次大地震前的熱異常分布面積比較大, 至少存在上萬 km2的異常區(qū)域。因此, 較準(zhǔn)確地判定未來可能的發(fā)震區(qū)域除本文提到的判定方法外, 還要結(jié)合活動構(gòu)造做進一步判定, 盡可能使預(yù)測的發(fā)震區(qū)域與實際的強破壞區(qū)域基本相符。熱異常提供的可能發(fā)震時段是十幾天到半年尺度,這與臨震預(yù)報要求還有較大的差距。因此, 臨震預(yù)報時間的確定還要依賴于其他短臨前兆方法, 這樣可能會獲得臨震時間信息。

4.2 結(jié)論

本文以靜止衛(wèi)星中波紅外資料為數(shù)據(jù)源, 應(yīng)用小波變換和計算功率譜方法對 2008年發(fā)生的汶川8.0級地震和西藏仲巴6.8級地震進行了分析研究。結(jié)果表明, 這兩次地震震前均出現(xiàn)了明顯的短臨中波紅外熱異?，F(xiàn)象。汶川8.0級地震熱異常主要分布于龍門山破裂帶及其以南含天然氣較豐富的四川盆地, 地震前一天功率譜幅值是近 5年來的相對極值(約為平均值的12倍), 地震前后功率譜異常幅值大于2倍的持續(xù)時間近65天。西藏仲巴6.8級地震熱異常主要分布于西藏自治區(qū)南部(仲巴—日喀則—當(dāng)雄一帶), 異常持續(xù)擴展到8月中旬, 異常明顯向南移動, 地震前8天異常幅度達到最大(約為平均值的近 16倍), 功率譜異常幅值大于 2倍的持續(xù)時間近65天。這些表現(xiàn)特征與長波輻射通量和熱紅外亮溫資料的研究結(jié)果基本一致(魏樂軍等, 2008;Wei et al., 2009; 郭曉等, 2010; 張元生等, 2010)。就這兩次地震中波紅外亮溫異常與熱紅外亮溫和長波輻射通量的異常相比, 長波輻射通量異常面積相對集中且位于震中附近, 熱紅外異常幅值與面積相對較大, 且熱紅外預(yù)測時間指標(biāo)比長波輻射通量和中波紅外亮溫更加準(zhǔn)確。總體而言, 中波紅外亮溫異常表現(xiàn)略遜于熱紅外亮溫和長波輻射通量, 由于震例有限, 所得結(jié)論是初步的。進一步開展中波紅外亮溫在地震中的應(yīng)用研究可為將來實現(xiàn)多波段同時監(jiān)測熱輻射變化進行地震預(yù)測提供參考。

在時間演化過程中熱異?，F(xiàn)象在臨震前存在一次明顯的變化, 這種變化有短臨預(yù)測意義。地震前后熱異常分布可能反映了區(qū)域應(yīng)力集中和調(diào)整變化, 根據(jù)異常的演化方向和異常消失區(qū)域可以估計發(fā)震的可能區(qū)域范圍。地震異常是復(fù)雜的, 本文開展的中波紅外方面的地震研究屬于嘗試性工作, 需要深入研究的問題還很多。

致謝:感謝中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心提供了靜止衛(wèi)星遙感資料。

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Medium Wave Infrared Brightness Anomalies of Wenchuan 8.0 and Zhongba 6.8 Earthquakes

GUO Xiao1,2), ZHANG Yuan-sheng1,2), WEI Cong-xin1), ZHONG Mei-jiao1), ZHANG Xuan1)
1)Lanzhou Institute of Seismology, China Earthquake Administration, Lanzhou, Gansu730000;
2)Lanzhou Base of Institute of Earthquake Prediction, China Earthquake Administration,Lanzhou, Gansu730000

Based on the Medium Wave Infrared Brightness data of geostationary satellite, the authors applied wavelet transform and power spectrum estimation to an analytical study of thermal anomalies for Wenchuan 8.0 and Zhongba 6.8 earthquakes. The results indicate that short-term and impending thermal anomaly phenomena arose distinctly before the two earthquakes. The short-impending anomaly distributions of both earthquakes were basically consistent with the previous results of outgoing long-wave radiation and thermal infrared brightness temperature data studies. The obvious change of thermal anomaly before the two earthquakes in the time evolution has the short-term and impending significance of earthquake forecast prediction. The thermal anomalies of the two earthquakes might have reflected the changes in stress concentration and adjustment. The authors estimated the possible earthquake region according to the direction of abnormal evolution and the anomaly disappearance of the seismogenic zone.

earthquake; wavelet transform; power spectrum; thermal anomaly

P315.73; P407.6

A

10.3975/cagsb.2014.03.09

本文由中央級基本科研業(yè)務(wù)專項(編號: 2011IESLZ06)和高分辨對地觀測重大專項(編號: E0311/1112/JD3-1)聯(lián)合資助。

2013-08-19; 改回日期: 2013-10-19。責(zé)任編輯: 閆立娟。

郭曉, 男, 1974年生。碩士, 高級工程師。主要從事衛(wèi)星遙感應(yīng)用與地震學(xué)研究。通訊地址: 730000, 蘭州市東崗西路450號。電話: 0931-8277661。E-mail: guox@gssb.gov.cn。