蘇門答臘兩次M＞8.0地震前后CO和O3衛(wèi)星遙感氣體地球化學(xué)異常與地面驗證*

孫玉濤，崔月菊，劉永梅，杜建國，張煒斌，張冠亞

0 前言

地球內(nèi)部存在大量流體，不斷進行著排氣作用。地球內(nèi)部釋放的氣體主要有CO2、CO、CH4、H2S、H2、N2、O2、He、Ar等。氣體比液體運移速度快、穿透能力強，對地震孕育的響應(yīng)更為明顯 (King，1986;汪成民，李宣瑚，1991;Du et al，2008)。眾多學(xué)者應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)發(fā)現(xiàn)了多個與地震有關(guān)的CO、O3等氣體濃度異常，如在2000年6月6日甘肅景泰MS5.9地震、2000年6月8日緬甸北部MS6.9地震 (姚清林等，2005)、2002年3月31日臺灣7.5級地震 (郭廣猛等，2006)、2010年4月4日墨西哥下加利福尼亞MW7.2地震 (崔月菊等，2011)、2001年1月26日和2006年3月7日印度古吉拉特 (Gujarat)地震(Ganguly，2011;Singh et al，2010a)、2002 年 11月3日德納里 (Denali)斷層地震 (Singh et al，2007)、2010年 1月 12日海地 (Haiti)地震(Singh et al，2010b)中均發(fā)現(xiàn)了地震前后存在CO和O3異常。

2004年12月26日和2005年3月28日印度尼西亞蘇門答臘地區(qū)發(fā)生了兩次M＞8.0地震，兩次大地震前后震中附近均發(fā)現(xiàn)CO和O3氣體地球化學(xué)異常 (孫玉濤等，2014)。筆者利用大氣紅外探測儀(Atmospheric Infrared Sounder，AIRS)數(shù)據(jù)，提取了兩次大地震前后全球大氣本底觀測系統(tǒng) (GAW)世界溫室氣體數(shù)據(jù)中心 (WDCGG)位于印度尼西亞Bukit Koto Tabang(BKT)觀測站附近的CO和O3氣體地球化學(xué)異常信息，用BKT觀測站的地面觀測數(shù)據(jù)進行了驗證，并與以震中為中心利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提取的異常信息進行了對比。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

搭載于Aqua衛(wèi)星平臺上的高光譜分辨率傳感器AIRS擁有2 378個連續(xù)的紅外光譜通道 (3.7～15.4μm)以及4個可見光/近紅外通道 (0.4～1.0μm)，掃描帶寬1 650 km，天底點空間分辨率13.5 km，總視場角 (FOV) ± 49.5°(Won，2008)。AIRS數(shù)據(jù)可從美國國家航空航天局(NASA)戈達德地球科學(xué)數(shù)據(jù)和信息服務(wù)中心(GES DISC，http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/AIRS/data－h(huán)oldings)獲取。本文所使用的數(shù)據(jù)為AIRS Level－3月平均標準產(chǎn)品數(shù)據(jù)中的降軌數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)空間分辨率1°×1°，采用 HDF格式存儲，通過MATLAB軟件直接讀取。本文研究所用的CO和O3月平均數(shù)據(jù)均來自印度尼西亞BKT觀測站 (0.2°S，100.32°E，海拔846.5 m)(圖1)。該觀測站由印尼氣象、氣候和地球物理局 (Agency for Meteorology，Climatology and Geophysics， BMKG) 建立。觀測采用靜止平臺取樣的觀測方式，CO測量方法為非分光紅外 (NDIR)方法，O3測量方法為紫外光吸收光譜分析方法 (UV)(http://ds.data.jma.go.jp/gmd/wdcgg/introduction.html)。BKT觀測站位置及2次地震震中、研究區(qū)構(gòu)造情況如圖1所示。

1.2 方法

圖1 蘇門答臘地震構(gòu)造略圖(參考陶春輝等(2008))Fig.1 Tectonic skech of Sumatra M＞8.0 earthquakes(based on Tao et al(2008))

遙感溫度異常與地震時空的關(guān)系以及地面流體研究結(jié)果表明，地震前后氣體異常一般分布在距震中幾百到幾千公里范圍之內(nèi) (Qiang et al，1997;Tronin，2006)，異常時間一般在地震前后6個月內(nèi)。BKT觀測站距2004年和2005年蘇門答臘兩次M＞8.0地震的震中分別為586 km和411 km(圖1)。為了進行遙感和地面觀測對比，本研究以BKT地面觀測站為中心，從AIRS標準產(chǎn)品數(shù)據(jù)中提取觀測站附近4個像元CO月平均總量、近地面CO體積分數(shù)月平均值和O3月平均總量作為衛(wèi)星觀測數(shù)值，研究了兩次大地震前后地面和衛(wèi)星觀測到的氣體地球化學(xué)異常，并將分別以觀測站和震中為中心CO總量、CO體積分數(shù)和O3總量的衛(wèi)星觀測結(jié)果 (孫玉濤等，2014)與地面觀測結(jié)果進行了對比。

選擇2004～2005年作為研究的時間窗，將CO和O3含量打破多年變化規(guī)律或標準偏差明顯增大均視為CO和O3地球化學(xué)異常。

2 結(jié)果和討論

圖2 2004～2005年在BKT觀測的CO濃度和O3濃度的月均值及標準偏差的變化Fig.2 Variations of monthly mean values and standard deviations of CO and O3concentrations measured at BKT observational station from 2004 to 2005

地面觀測的CO和O3濃度在兩次地震前打破變化規(guī)律出現(xiàn)升高且月平均值標準偏差在兩次地震前變大 (圖2)。AIRS高光譜遙感提取的以BKT觀測站為中心的CO總量和O3總量在兩次地震前也都出現(xiàn)了升高 (圖3～5)，這與利用AIRS數(shù)據(jù)提取的震中附近CO總量和O3總量變化趨勢一致，與地面觀測的CO總量和O3總量變化趨勢也是一致的。這主要與孕震過程中地應(yīng)力作用下地下逸出的氣體及其在大氣中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)有關(guān)(Fishmanetal， 1979， 1983;Yurganovetal，1995;Varotsos et al，2000;Kato et al，2004;崔月菊等，2011;Cui et al，2013)。標準偏差的增大說明數(shù)據(jù)的離散性增大，即氣體排放的時空不均一性增大。2004年2～3月以及2005年10～12月CO和O3濃度的標準偏差增大可能與該地發(fā)生的其他地震有關(guān)。

2.1 CO異常

如圖3、4所示，分別以觀測站和震中為中心從AIRS數(shù)據(jù)提取的CO總量與地面觀測結(jié)果呈強正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.83和0.86。分別以BKT觀測站和震中為中心從AIRS數(shù)據(jù)提取的近地面 (1000 hPa)CO體積分數(shù)與地面觀測結(jié)果均為強正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.75和0.82。這表明地震前出現(xiàn)的CO異常可能主要來源于地面，主要歸因于地震孕育和發(fā)生過程中地下CO氣體逸出量增加 (崔月菊等，2011)。蘇門答臘陸緣在東南亞的西緣 (圖1)，該區(qū)存在多條斷裂，構(gòu)造和地震活動強烈 (陶春輝等，2008)。孕震過程中，在地應(yīng)力作用下不僅使巖石產(chǎn)生了新的裂隙通道，而且增大了地球內(nèi)部氣體的壓力，從而導(dǎo)致地球深部大量氣體沿著斷裂向地表逸散，在震中及其附近地區(qū)形成了氣體異常。

以觀測站為中心從AIRS數(shù)據(jù)提取的近地表(1000 hPa)CO體積分數(shù)與地面觀測數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù) (0.75)低于以觀測站為中心從AIRS數(shù)據(jù)提取的CO總量與地面觀測數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)(0.83)，表明除了地下氣體逸散，逸散的氣體(如CH4等)在大氣中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)也會生成CO(式1)，而逸出的氣體在大氣中的化學(xué)反應(yīng)則是造成地震前 CO異常的次要原因 (Fishman et al，1979，1983;Yurganov et al，1995;Varotsos et al，2000;Kato et al，2004;崔月菊等，2011;Cui et al，2013)。

蘇門答臘兩次大地震震前電離層電磁場和電離層等離子體參數(shù)存在變化 (Liu et al，2011;Anagnostopoulos et al，2012)。14N在低頻電磁輻射和電離層擾動下衰變形成CO(Pandow et al，1960;崔月菊等，2011)。電離層狀態(tài)的改變有利于14C的生成，這也是導(dǎo)致CO總量升高的一個次要原因(式2)。

圖3 2004～2005年在BKT觀測的CO濃度的月均值與利用AIRS數(shù)據(jù)提取的CO月平均總量的變化(AIRS－E和AIRS－G分別表示以震中和觀測站為中心利用AIRS數(shù)據(jù)提取的CO總量)Fig.3 Variations of monthly mean value of CO concentration measured at BKT observational station and monthly mean total column value of CO concentration abstracted from AIRS data from 2004 to 2005(AIRS－E and AIRS－G represent total column of CO concentration abstracted from AIRS data by taking epicenter and ground observation station as center respectively)

圖4 2004～2005年在BKT觀測的CO濃度月平均值與1 000 hPa CO月平均體積分數(shù)的變化(AIRS－E和AIRS－G分別表示以震中和觀測站為中心利用AIRS數(shù)據(jù)提取的CO體積分數(shù))Fig.4 Variations of monthly mean value of CO concentration measured at BKT observational station and monthly mean volume fraction of CO concentration at 1 000 hPa from 2004 to 2005(AIRS－E and AIRS－G represent volume fraction of CO abstracted from AIRS data by taking epicenter and ground observation station as center respectively)

從AIRS數(shù)據(jù)分別提取的CO濃度、CO體積分數(shù)在震中 (AIRS－E)和觀測站 (AIRS－G)的變化趨勢也是非常一致的，相關(guān)系數(shù)分別為0.94和0.72。這既表明利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提取的氣體地球化學(xué)信息是可靠的，也表明以震中距500 km的地面觀測站為中心和以震中為中心獲取的氣體地球化學(xué)信息是等同的。

2.2 O3異常

如圖5所示，分別以觀測站和震中為中心利用AIRS數(shù)據(jù)提取的O3總量與地面觀測的O3濃度呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.49和0.36。分別以觀測站和震中為中心利用AIRS數(shù)據(jù)提取的O3總量與地面觀測數(shù)據(jù)O3濃度的變化趨勢一致，這可能與地震前逸出的氣體 (如CO，CH4等)在大氣中發(fā)生化學(xué)反應(yīng) (式3)(Crutzen，1974;Fishman et al，1979，1983;Yurganov et al，1995;Vingarzan，2004;Ganguly，2011;崔月菊等，2011;Cui et al，2013)。分別以觀測站和震中為中心衛(wèi)星觀測結(jié)果與地面觀測結(jié)果在2004年4～10月略有不同，這可能與平流層與中上對流層O3交換 (Lelieveld，F(xiàn)rank，2000;Vingarzan，2004;楊健，呂達仁，2004)以及AIRS傳感器對中對流層的氣體變化比較敏感有關(guān)。

從AIRS數(shù)據(jù)提取的O3總量在震中 (AIRSE)和觀測站 (AIRS－G)的變化趨勢一致 (r=0.95)，這表明以震中距500 km的地面觀測站為中心和以震中為中心獲取的氣體地球化學(xué)信息是等同的。地面觀測結(jié)果與以地面觀測站為中心衛(wèi)星觀測的結(jié)果說明O3值的升高有地面的貢獻，也有一部分來自地下逸出的氣體在大氣中化學(xué)反應(yīng)(Crutzen，1974;Fishman et al，1979，1983;Yurganovetal， 1995;Vingarzan， 2004;Ganguly，2011;崔月菊等，2011;Cui et al，2013)和平流層的注 入 (Lelieveld，F(xiàn)rank，2000;Vingarzan，2004;楊健，呂達仁，2004)。

圖5 2004～2005年在BKT觀測的O3濃度月平均值與利用AIRS數(shù)據(jù)提取的O3月平均總量的變化(AIRS－E和AIRS－G分別表示以震中和觀測站為中心利用AIRS數(shù)據(jù)提取的O3總量)Fig.5 Variations of monthly mean value of O3 concentration measured at BKT observational station and monthly mean total value of O3 concentration abstracted from AIRS data from 2004 to 2005(AIRS－E and AIRS－G represent total value of O3 concentration abstracted from AIRS data by taking epicenter and ground observation station as center respectively)

3 結(jié)論

利用AIRS高光譜遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取的以BKT地面觀測站為中心 (距震中約500 km)的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)以及BKT地面觀測數(shù)據(jù)在兩次M＞8.0地震前出現(xiàn)了CO和O3的異常變化。以觀測站為中心衛(wèi)星觀測獲得的CO總量和CO體積分數(shù)與地面測得的CO濃度呈強正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.83和0.75。這表明CO濃度異?？赡苤饕从谠谠姓饝?yīng)力場作用下地下逸出的氣體，大氣中的化學(xué)反應(yīng)對CO異常的貢獻次之。O3衛(wèi)星觀測結(jié)果與地面觀測結(jié)果也呈正相關(guān)關(guān)系 (r=0.49)，這主要歸因于地震前地下逸出氣體在大氣中的化學(xué)反應(yīng)。

地面觀測的CO和O3濃度在兩次地震前標準偏差變大且在地震前打破多年變化而出現(xiàn)升高，這與從AIRS數(shù)據(jù)提取的以臺站為中心CO和O3的變化趨勢是一致的，也與從AIRS數(shù)據(jù)提取的以震中為中心CO和O3的變化趨勢也是大體一致的。這表明在偏離震中幾百公里范圍內(nèi)直接用衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取的地震前后氣體地球化學(xué)異常信息是可靠的，偏離震中區(qū)也可以獲得可信的信息。

實際應(yīng)用中，在地震發(fā)生后由于受氣象等客觀因素的影響，尤其當(dāng)震中區(qū)上方有云時，在提取地震有關(guān)的氣體地球化學(xué)信息時，為了避開云層干擾，可適當(dāng)偏移地理坐標進行地震有關(guān)的氣體地球化學(xué)異常信息提取，從而更好地應(yīng)用衛(wèi)星遙感技術(shù)全天時觀測的優(yōu)勢，更好地發(fā)揮衛(wèi)星遙感技術(shù)在防震減災(zāi)中的作用。

NASA戈達德地球科學(xué)數(shù)據(jù)和信息服務(wù)中心為本次研究提供了AIRS高光譜分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù);全球大氣本底觀測系統(tǒng) (GAW)世界溫室氣體數(shù)據(jù)中心 (WDCGG)為本次研究提供了地面氣體觀測數(shù)據(jù)，在此一并感謝。

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