汶川8.0級和蘆山7.0級地震前衛(wèi)星熱紅外異?，F(xiàn)象對比

路 茜，張鐵寶，辛 華，劉 放

(四川省地震局，四川成都 610041)

2008年5月12日位于龍門山斷裂帶的汶川發(fā)生了M8.0級地震，相隔5后的2013年4月20日，又在龍門山斷裂帶南端的蘆山發(fā)生了M7.0級地震。兩次大地震的發(fā)生造成了重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，同時(shí)也為強(qiáng)震前的前兆異常研究提供了寶貴的震例。近年來，許多學(xué)者、專家研究發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)震前的震區(qū)或相關(guān)地區(qū)會出現(xiàn)衛(wèi)星熱紅外異常。本文研究小組也在地震預(yù)報(bào)研究實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)幾次大地震前有不同程度的衛(wèi)星熱紅外升溫異常，其中包括了汶川8.0級地震和蘆山7.0級地震。這是兩個(gè)發(fā)生在相互聯(lián)系的發(fā)震構(gòu)造，卻又相對獨(dú)立的地震［1］，發(fā)震前的衛(wèi)星熱紅外升溫異常是否相似，其出現(xiàn)的時(shí)間，優(yōu)勢分布和演化過程有何不同，本文將作較為詳盡的介紹。

1 數(shù)據(jù)概況及方法介紹

四川MODIS接收站從2004年3月開始接收美國地球觀測系統(tǒng)(EOS)Terra衛(wèi)星搭載的MODIS遙感傳感器數(shù)據(jù)資料。MODIS數(shù)據(jù)包含36個(gè)光譜通道，覆蓋了可見光、近紅外、遠(yuǎn)紅外在內(nèi)的從0.4到14μm范圍的電磁波譜。其中有6個(gè)通道探測的物理量信息來自地球表面的輻射量［2］，分別是20通道、21通道、22通道、23通道、31通道和32通道。劉放等在2010年MODIS亮溫與氣溫及地溫的相關(guān)性分析中的研究表明，20通道和21通道與地溫有較好的相關(guān)性，且2個(gè)通道的形態(tài)比較一致［3］。在此采用高頻成分較少且數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定的21通道數(shù)據(jù)作分析。分析區(qū)域范圍為20°～40°N，90°～110°E，空間分辨率為1 km。由于在該分析區(qū)域內(nèi)，在汶川8.0級地震和蘆山7.0級地震之間，還發(fā)生過2010年4月14日青海玉樹7.1級地震(此處指M≥7級的地震)，為了排除期間所出現(xiàn)的異常與玉樹地震關(guān)系的干擾，汶川8.0級地震異常分析的資料采用2004年3月至2008年6月;而蘆山7.0級地震異常分析的資料采用2010年5月至2013年5月。所用數(shù)據(jù)在運(yùn)算、分析之前均經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理。首先去除bow-tie效應(yīng)，并根據(jù)1B數(shù)據(jù)自帶的地理信息進(jìn)行幾何校正。然后利用普朗克公式將熱紅外通道輻射率轉(zhuǎn)換為輻射亮度溫度［4］。之后經(jīng)過數(shù)據(jù)拼接置換、云檢測使數(shù)據(jù)達(dá)到較高的晴空利用率，并去除云覆蓋數(shù)據(jù)的干擾。

熱紅外影像的異常提取是在正常背景場基礎(chǔ)上進(jìn)行的。首先對數(shù)據(jù)庫中的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行背景場計(jì)算，即計(jì)算每年同一時(shí)間段內(nèi)各像元數(shù)據(jù)的歷史均值。對于異常的提取，在此使用距平的方法［5］，計(jì)算每個(gè)像元同一時(shí)間段的均值與其歷史背景場的差，從而得到空間上的距平。因?yàn)槭艿皆聘采w數(shù)據(jù)的影響，使得每日的晴空有效數(shù)據(jù)減少，數(shù)據(jù)使用率低，容易受不穩(wěn)定的大氣和環(huán)境影響而產(chǎn)生突變。在此側(cè)重于中短期異常的提取，對數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率要求不高。在本研究中計(jì)算該研究區(qū)域的亮溫月背景場和亮溫月距平。計(jì)算結(jié)果顯示:亮溫月背景場圖像具有明顯的地形地貌特征和夏高冬低的季節(jié)變化特征，距平處理能在很大程度上去掉季節(jié)和地形地貌的影響。

2 兩次地震前距平異常對比分析

2.1 汶川8.0級地震前距平異常

前人利用不同的衛(wèi)星遙感熱紅外數(shù)據(jù)、采用不同方法研究大震前熱紅外異常的結(jié)果顯示獲取的異常信息幾乎都是升溫異常［6-14］，因此本研究只提取大面積大幅度的升溫異常。

根據(jù)對2004年3月至2008年6月的資料處理，設(shè)定距平的亮溫值大于3.5K的作為異常升溫，大于20萬km2集中異常升溫作為大面積的異常升溫，因?yàn)樾∶娣e異常升溫的形成可能是受到環(huán)境、人為等隨機(jī)因素的影響。分析結(jié)果顯示2004年、2005年、2006年、2007年、2008年出現(xiàn)大面積大幅度增溫異常的頻次分別為2月次、2月次、4月次、6月次、1月次，這期間異常出現(xiàn)頻次的均值為3月次/年，增溫異常集中的時(shí)間段為2006～2007年這兩個(gè)高于異常平均年頻次的年份。由于篇幅所限，在此以2006年1月至2008年6月的距平圖像作異常分析。

圖1 亮溫月距平圖像(2006年1月至2008年6月，黑點(diǎn)為汶川地震震中)

從2006年1月至汶川地震后1個(gè)月，即2008年6月的距平圖像顯示(圖1)，該時(shí)段出現(xiàn)了11月次異常，分別為:2006年2月，大面積異常升溫區(qū)域位于川青交界、青海南部和西藏部分地區(qū)，面積約50×104km2;2006年7月，大面積異常升溫區(qū)域位于青海西南部與西藏的交界地區(qū)以及川藏交界地區(qū)，面積約40×104km2;2006年8月，大面積異常升溫區(qū)域位于青藏交界一帶，四川盆地也有升溫，面積約50×104km2;2006年11月，大面積異常升溫區(qū)域位于川青交界一帶，甘肅、寧夏也有分布，成帶狀，面積約50×104km2;2007年2月，大面積異常升溫區(qū)域位于甘肅和寧夏一帶及青海南部部分地區(qū)，面積約40×104km2。2007年3月，大面積異常升溫區(qū)域位于川藏交界一帶，面積約20×104km2。2007年4月，大面積異常升溫區(qū)域位于龍門山斷裂帶以西的川西地區(qū)、川青藏交界地區(qū)以及青藏交界一帶，面積約75×104km2。2007年5月，大面積異常升溫區(qū)域位于川青藏交界一帶、青藏交界一帶以及青海的東部，面積約75×104km2。2007年10月，大面積異常升溫區(qū)域位于川青藏交界一帶、青藏交界一帶以及四川盆地內(nèi)部，面積約40×104km2。2007年11月，大面積異常升溫區(qū)域位于川青藏交界一帶以及青藏交界一帶，面積約30×104km2。2008年5月，大面積升溫區(qū)域位于川青交界地區(qū)以及青海部分地區(qū)，面積約50×104km2。

從2006年1月到汶川地震前的距平異常演化過程看出，2006年出現(xiàn)異常較少，2007年異常出現(xiàn)增多，2008年開始至地震前一個(gè)月較為平靜，直至汶川地震當(dāng)月再次出現(xiàn)異常。異常升溫總體分布在汶川地震震中以西的川青藏交界和青藏交界地區(qū)。2007年出現(xiàn)的個(gè)別月異常面積較2006年和2008年的異常面積更大。

2.2 蘆山7.0級地震前距平異常

根據(jù)對2010年5月至2013年5月的資料處理(2010年12月、2011年1月缺數(shù))，異常判定指標(biāo)與汶川地震一致。

圖2 亮溫月距平圖像(2010年5月至2013年5月，黑點(diǎn)為蘆山地震震中)

蘆山地震前，即2010年5月至2013年4月間(如圖2所示)，只有2010年5月、2011年9月及10月、2012年5月、2013年3月及4月出現(xiàn)了6次大面積異常升溫。其中，2010年5月，大面積異常升溫區(qū)域位于境外緬甸地區(qū)，面積約為30×104km2。2011年9月，大面積異常升溫區(qū)域位于青藏交界、川青藏交界地區(qū)，面積約40×104km2。2011年10月，大面積異常升溫區(qū)域位于拉薩地區(qū)和川藏交界地區(qū)，及青海中北部地區(qū)，面積約20×104km2。2012年5月，大面積異常升溫區(qū)域位于四川西部、川藏交界地區(qū)和川滇交界西側(cè)地區(qū)，面積約35×104km2。2013年3月，大面積異常升溫區(qū)域位于龍門山斷裂帶以西的川西地區(qū)、青藏交界、整個(gè)青海以及甘肅大部分地區(qū)，面積約80×104km2。2013年4月，大面積異常升溫區(qū)域位于青海東部、甘肅中北部，面積約40×104km2。

就整個(gè)異常升溫演化過程來看，異常年頻次沒有增加、減少的跡象。2010年、2011年和2012年的異常升溫區(qū)遠(yuǎn)離蘆山地震的震中區(qū)，后兩年升溫總體分布在川藏交界一帶，面積也不大。到震前一個(gè)月異常升溫開始靠近龍門山斷裂帶，分布在龍門山以西的川西地區(qū)、青藏交界、整個(gè)青海以及甘肅大部分地區(qū)，且異常面積也增大，達(dá)到80×104km2。而在蘆山地震發(fā)生當(dāng)月，亮溫月距平圖像異常升溫開始消散，面積縮減，異常區(qū)位于青海和甘肅地區(qū)。

3 結(jié)果與討論

根據(jù)上述內(nèi)容可以看出，在汶川8.0級地震前長、中期和蘆山7.0級地震前長、中、短期內(nèi)MODIS熱紅外均出現(xiàn)了不同程度的大面積異常升溫現(xiàn)象，而異常的演化過程、異常分布、異常升溫面積等之間存在差異。

表1 兩次地震前熱紅外異常特征對比

由上述異常特征對比看出:①兩次地震前異常升溫面積都很大，達(dá)到幾十萬 km2，可能是由于強(qiáng)震的孕育存在較大的空間尺度。②兩次強(qiáng)震前的異常優(yōu)勢分布區(qū)域并不在震中區(qū)域或發(fā)震斷裂。GPS研究表明，龍門山斷裂帶在汶川地震前長時(shí)間處于應(yīng)變速率很低的全線閉鎖狀態(tài)［15］，而龍門山南端在汶川地震以后仍然處于閉鎖狀態(tài)［16］。巖石實(shí)驗(yàn)研究表明，巖石破裂前彈性變形階段，溫度變化與體積變化有關(guān)，體積收縮升溫［16］。發(fā)震斷裂的閉鎖狀態(tài)可能是震前未出現(xiàn)異常升溫的重要原因。③與蘆山地震前的異常情況對比，汶川地震前的短期異常不突出，特別在震前半年內(nèi)只出現(xiàn)了1次異常，且該異常與地震發(fā)生相隔5個(gè)月。這與程萬正等在2011年的研究有一定的一致性，即:2007年4月后半月至2008年4月在四川震情會商中提出的前兆觀測異常項(xiàng)明顯偏少，特別是2008年1～4月異常測項(xiàng)數(shù)更低，低于平均值一半左右。在四川地區(qū)各類異常測項(xiàng)持續(xù)數(shù)月很少的情況下發(fā)生汶川地震，認(rèn)識之一是汶川地震前近震源區(qū)閉鎖，所以四川地區(qū)觀測前兆異常少［17］。兩次強(qiáng)震前的異常特征顯示大范圍的熱紅外空間異常對強(qiáng)震有1～2年內(nèi)的中長期指示意義，個(gè)別強(qiáng)震也存在短期異常。由于強(qiáng)震的孕育和發(fā)生涉及較大范圍的空間尺度，且復(fù)發(fā)周期都很長，本文所用到的資料時(shí)間還較短，有待更長時(shí)間的數(shù)據(jù)累積和更多震例的驗(yàn)證。

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