汶川和蘆山地震前后巴顏喀拉地塊中東段紅外亮溫分析

張鐵寶 路茜 辛華 劉放

四川省地震局，成都市人民南路3段29號(hào) 610041

0 引言

衛(wèi)星遙感紅外資料研究表明，7級(jí)以上強(qiáng)震前相關(guān)地區(qū)存在不同程度的熱輻射異?，F(xiàn)象(徐秀登等，1990;強(qiáng)祖基等，1992、1998;劉德富等，1997、2005;陳梅花等，2003;康春麗等，2003、2009;張?jiān)龋?002、2011;荊風(fēng)等，2012、2013;魏從信等，2013;張璇等，2013;郭曉等，2014)。2008年5月12日四川汶川發(fā)生M8.0特大地震，形成了近300km的破裂帶(張培震等，2008)，5年后的2013年4月20日四川蘆山發(fā)生M7.0強(qiáng)烈地震，汶川M8.0地震和蘆山M7.0地震均為發(fā)生在龍門山斷裂帶上的高角度逆沖型地震(王衛(wèi)民等，2008;刁桂苓等，2010;劉杰等，2013;曾祥方等，2013)，同一組斷裂帶上在較短時(shí)間內(nèi)連續(xù)發(fā)生2次7級(jí)以上強(qiáng)震，這為分析強(qiáng)震前衛(wèi)星遙感紅外異常提供了難得的震例。實(shí)驗(yàn)與理論研究證明，熱場(chǎng)在時(shí)空上與應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)關(guān)系密切，巖石在彈性變形階段，溫度變化與體積變化有關(guān)，體積收縮升溫，體積膨脹降溫(馬瑾等，2010;陳順云等，2012)，長(zhǎng)期受壓變形且與汶川、蘆山地震孕育存在密切聯(lián)系的巴顏喀拉地塊中東段，在汶川和蘆山兩次強(qiáng)震前后衛(wèi)星遙感紅外亮溫的時(shí)空演化過(guò)程值得認(rèn)真研究，或許能從衛(wèi)星遙感紅外場(chǎng)的演化過(guò)程中找到一些與汶川和蘆山地震有關(guān)的信息。本文用小波分析方法，對(duì)巴顏喀拉地塊中東段(圖1陰影部分)的MODIS(中分辨率成像光譜儀)/Terra衛(wèi)星遙感紅外亮溫低頻信息進(jìn)行了分析。

圖1 研究區(qū)示意圖(地塊邊界引自張培震等(2003)的結(jié)果)

1 遙感資料

Terra衛(wèi)星1999年12月18日發(fā)射升空，為極軌衛(wèi)星，MODIS是衛(wèi)星搭載的一種對(duì)地觀測(cè)儀器，具有36個(gè)光譜通道，分布在0.4～14μm的離散電磁波譜范圍內(nèi)，在36個(gè)通道中，有6個(gè)通道探測(cè)的信息與地表溫度有關(guān)(劉玉潔等，2001)，即20(3.660～3.840μm)、21(3.929 ～ 3.989μm)、22(3.929 ～ 3.989μm)、23(4.020 ～ 4.080μm)、31(10.780 ～11.280μm)和32(11.770～12.270μm)通道。陳順云等(2011)通過(guò)遙感與實(shí)測(cè)地表溫度對(duì)比研究表明，選用白天和夜間數(shù)據(jù)分析幾十天以上的變化，其結(jié)果沒(méi)有實(shí)質(zhì)性區(qū)別，對(duì)分析低頻趨勢(shì)變化，白天數(shù)據(jù)便能滿足需求，因此，本研究選用白天過(guò)境經(jīng)過(guò)定標(biāo)定位后的21通道(3.929～3.989μm)MODIS/Terra紅外亮溫?cái)?shù)據(jù)。MODIS 1B數(shù)據(jù)格式為EOS-HDF格式，利用普朗克公式計(jì)算21通道的MODIS 1B數(shù)據(jù)可得到21通道紅外亮溫?cái)?shù)據(jù)，紅外亮溫?cái)?shù)據(jù)空間分辨率為1km，分析數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍為2004年3月17日～2013年4月19日，共9年多，5000多景。有云時(shí)候衛(wèi)星紅外遙感探測(cè)的是云頂信息而非地表信息，本文中數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)去云處理。

2 處理方法

2.1 小波變換

小波變換作為一種時(shí)頻分析方法，近十幾年來(lái)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。短時(shí)傅里葉分析使用固定的窗函數(shù)，只能在一個(gè)分辨率上進(jìn)行，而小波變換則克服了短時(shí)傅里葉變換在單分辨率上的缺陷，具有多分辨率分析的特點(diǎn)，可以對(duì)各周期分量進(jìn)行時(shí)間定位。小波變換通過(guò)改變時(shí)間-頻率窗口形狀可很好解決時(shí)間分辨率和頻率分辨率的矛盾，在時(shí)間和頻率域都有明顯的局部化性質(zhì)，在彈性的時(shí)-頻窗內(nèi)，不同頻率的信號(hào)在時(shí)間域可自動(dòng)調(diào)節(jié)取樣的疏密。對(duì)低頻信號(hào)，采用寬的時(shí)間窗(低的時(shí)間分辨率)，得到高的頻率分辨率;對(duì)高頻信號(hào)，則采用窄的時(shí)間窗(高的時(shí)間分辨率)，得到低的頻率分辨率，從而使小波分析享有“數(shù)學(xué)顯微鏡”的美譽(yù)(彭玉華，1999;李琪等，2006;李登峰等，2010;解滔等，2013)。

函數(shù)f(t)以小波ψ(t)為基的連續(xù)小波變換為

式中ψa，b(t)為小波基函數(shù)，通過(guò)基本小波ψ(t)伸縮和平移生成，其中，a和b同為實(shí)數(shù)，a是基函數(shù)的尺度伸縮因子，b是時(shí)間平移參數(shù)。

2.2 小波變換的應(yīng)用

筆者在分析大空間尺度的亮溫變化時(shí)，不對(duì)單個(gè)象元逐一提取分析，而對(duì)分析區(qū)內(nèi)所有象元的均值進(jìn)行分析。文中利用Daubechies小波提取巴顏喀拉地塊中東段(圖1陰影區(qū))亮溫均值的低頻信息。Daubechies小波系通常記為dbn，n是小波的序號(hào)，取值為1，2，3…，10等，該小波系除了db1(即Haar小波)外，其它小波沒(méi)有明確的解析表達(dá)式，Daubechies小波具有正交性、緊支撐性以及不對(duì)稱性，且光滑性與n成正比(李登峰等，2010)。文中利用MATLAB小波工具箱函數(shù)，用db4小波對(duì)巴顏喀拉地塊中東段的亮溫均值數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，當(dāng)分解到5階時(shí)，尺度部分(低頻)保留了2個(gè)月以上周期的信息，文中數(shù)據(jù)處理的目的是去除以日為尺度的高頻信息，提取月以上周期的低頻信息，分解到5階已能滿足需求。

3 巴顏喀拉地塊中東段亮溫分析

3.1 巴顏喀拉地塊中東段亮溫分析

圖2為巴顏喀拉地塊中東段亮溫均值低頻信息異常提取結(jié)果。地塊亮溫均值曲線(圖2(a))具有夏高冬低的季節(jié)特征，存在很多高頻成分，從中不易發(fā)現(xiàn)異常變化。圖2(c)為小波分解得到的地塊亮溫均值低頻信息及其背景場(chǎng)曲線，背景場(chǎng)通過(guò)計(jì)算低頻信息同期均值得到。實(shí)驗(yàn)證實(shí)巖石溫度變化與體積變化有關(guān)，壓縮升溫(馬瑾等，2010;陳順云等，2012)，巴顏喀拉地塊中東段應(yīng)變背景為受壓，因此，文中重點(diǎn)分析升溫異常。圖2(d)為低頻信息與背景場(chǎng)的差值(下文中簡(jiǎn)稱為差值)，差值數(shù)據(jù)的1.5倍、2倍和3倍標(biāo)準(zhǔn)差線在圖中對(duì)應(yīng)的數(shù)值分別為2.55K、3.41K和5.12K，升溫異常判別采用地震前兆手段常用的方法，即以差值曲線的1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差線為正常背景的高值上限，差值超過(guò)高值上限判斷為異常。從圖2(c)和(d)中可看出，曲線中共出現(xiàn)了6次升溫異常(圖2(c)、(d)紅色箭頭，表1)。

依升溫異常次數(shù)可將整個(gè)時(shí)段分成4個(gè)階段，第1階段為2004年3月～2006年6月(時(shí)長(zhǎng)2年4個(gè)月)，無(wú)升溫異常;第2階段為2006年7月～2008年6月(時(shí)長(zhǎng)2年)，有5次升溫異常;第3階段為2008年7月～2013年1月(時(shí)長(zhǎng)4年7個(gè)月)，無(wú)升溫異常;第4階段為2013年2月～4月19日，出現(xiàn)1次升溫異常。在第2階段中，升溫異常頻次高，幅度大，5次升溫異常中，有3次超過(guò)2倍標(biāo)準(zhǔn)差線，1次超過(guò)3倍標(biāo)準(zhǔn)差線;在第4階段中，升溫異常頻次不高，但幅度較大，超過(guò)2倍標(biāo)準(zhǔn)差線。在汶川8級(jí)地震前升溫異常多次出現(xiàn)，震后持續(xù)4年7個(gè)月無(wú)升溫異常，2013年2月再次出現(xiàn)升溫異常，其后發(fā)生蘆山7級(jí)地震。

表1 升溫異常統(tǒng)計(jì)表

圖2 巴顏喀拉地塊中東段亮溫均值小波分解結(jié)果

從圖2(c)和(d)中可看出，在整個(gè)時(shí)段有3次超過(guò)2倍標(biāo)準(zhǔn)差線的顯著降溫異常(圖2藍(lán)色箭頭)，3次降溫異常時(shí)段分別為2004年12月下旬～2005年3月初、2005年4月初 ～2005年5月中旬和2012年4月中旬～2012年4月底。2004年12月～2013年4月間，印尼蘇門答臘地區(qū)共發(fā)生4次8.5級(jí)以上地震(表2)，其中3次地震的發(fā)生時(shí)間與巴顏喀拉地塊中東段3次降溫異常的時(shí)段存在很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，初步分析認(rèn)為巴顏喀拉地塊中東段出現(xiàn)的這3次顯著降溫異常與蘇門答臘地區(qū)的3次8.5級(jí)以上地震有關(guān)。另外，2007年9月12日印尼8.5級(jí)地震的發(fā)生時(shí)間與圖2中2007年9月～2007年10月升溫異常的時(shí)段相對(duì)應(yīng)，巴顏喀拉地塊中東段產(chǎn)生的大幅度紅外升溫與印尼蘇門答臘大地震對(duì)青藏高原的降溫作用疊加可能是圖2中2007年9月后沒(méi)出現(xiàn)顯著降溫異常的重要原因。

表2 印尼蘇門答臘地區(qū)M≥8.5地震統(tǒng)計(jì)表(統(tǒng)計(jì)時(shí)段2004年12月～2013年4月)

3.2 地塊內(nèi)部亮溫分析

上節(jié)分析表明，整個(gè)巴顏喀拉地塊中東段在汶川和蘆山地震前存在多次大幅度亮溫升溫異常，為進(jìn)一步分析其內(nèi)部的亮溫變化，本節(jié)將整個(gè)巴顏喀拉地塊中東段(下文中簡(jiǎn)稱為大區(qū))從西往東分成12個(gè)與巴顏喀拉地塊東邊界大致平行的小區(qū)(下文中簡(jiǎn)稱為小區(qū)，小區(qū)劃分見(jiàn)圖1綠色虛線)，并按大區(qū)相同的處理方法計(jì)算出12個(gè)小區(qū)亮溫低頻信息的差值(圖3)。為便于分析12個(gè)小區(qū)異常情況，從圖3中提取了與圖2中6次升溫異常時(shí)段相對(duì)應(yīng)的各小區(qū)最大差值(升溫幅度)，得到6幅地塊內(nèi)部升溫幅度分布圖(圖4)。圖5為巴顏喀拉地塊中東段從西往東(圖1 AA')的高程圖，自西往東巴顏喀拉地塊中東段高程逐漸降低，圖4中塊體內(nèi)部升溫幅度的分布與高程的相關(guān)度不高，這說(shuō)明扣除背景場(chǎng)的處理在很大程度上扣除了高程對(duì)亮溫的影響。

圖4(a)給出了2006年7～8月塊體內(nèi)部升溫的幅度，1～7區(qū)的升溫幅度超過(guò)1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差線，最大升溫區(qū)是第4、5和6小區(qū)。最大值與最小值差為4.4K。

圖4(b)給出了2007年3～5月塊體內(nèi)部升溫的幅度，12個(gè)小區(qū)的升溫幅度均超過(guò)1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差線，最大升溫幅度區(qū)是6和7小區(qū)。最大值與最小值差為5.2K。

圖4(c)給出了2007年9～10月塊體內(nèi)部升溫的幅度，5～12小區(qū)的升溫幅度超過(guò)1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差線，最大升溫幅度區(qū)是8和9區(qū)。最大值與最小值差為5.8K。

圖4(d)給出了2007年12～1月塊體內(nèi)部升溫的幅度，10～12小區(qū)的升溫幅度超過(guò)1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差線，最大升溫幅度區(qū)是10和11區(qū)。最大值與最小值差為2.9K。

圖4(e)給出了2008年4～6月塊體內(nèi)部升溫的幅度，12個(gè)小區(qū)的升溫幅度均超過(guò)1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差線，最大升溫幅度區(qū)是5、6和7區(qū)。最大值與最小值差為3.5K。從圖3可得到2008年4～6月12個(gè)小區(qū)升溫幅度達(dá)到1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差線的日期，從西往東，分別為2008年5月10日、5月6日、5月 5日、5月 4日、5月2日、4月30日、4月 23日、5月 3日、5月 2日、5月5日、4月5日和4月6日，異常出現(xiàn)時(shí)間分成了2個(gè)時(shí)段，靠近龍門山斷裂帶的11和12區(qū)在汶川地震前1個(gè)月左右即4月初就出現(xiàn)了異常，其它10個(gè)小區(qū)在稍晚的4月底5月初才開(kāi)始出現(xiàn)升溫異常。

圖4(f)給出了2013年2月～4月19日塊體內(nèi)部升溫的幅度，12個(gè)小區(qū)的升溫幅度均超過(guò)1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差線，最大升溫區(qū)位于靠近龍門山斷裂帶的9、10和11區(qū)。最大值與最小值差為3.1K。據(jù)圖3還可以得到2013年2月～4月19日12個(gè)小區(qū)升溫幅度達(dá)到1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差線的日期，從西往東，分別為2013年2月23日、2月26日、2月25日、2月22日、2月20日、2月22日、2月22日、2月24日、2月14日、2月15日、2月13日和2月15日，異常出現(xiàn)時(shí)間分成了2個(gè)時(shí)段，靠近龍門山斷裂帶的9、10、11和12區(qū)在蘆山地震前2個(gè)月左右即2月中旬就出現(xiàn)了異常，其它8個(gè)小區(qū)集中在稍晚的2月下旬才開(kāi)始出現(xiàn)升溫異常。

4 結(jié)論與討論

(1)巴顏喀拉地塊中東段在汶川8級(jí)地震前多次出現(xiàn)紅外升溫異常，震后持續(xù)4年7個(gè)月無(wú)升溫異常，在蘆山7級(jí)地震前再次出現(xiàn)升溫異常，據(jù)此認(rèn)為2006年至汶川地震前出現(xiàn)的紅外升溫異常與汶川8級(jí)地震存在關(guān)聯(lián)，2013年出現(xiàn)的紅外升溫異常與蘆山7級(jí)地震存在關(guān)聯(lián)。汶川地震前升溫異常出現(xiàn)的頻次和幅度均大于蘆山地震前，分析認(rèn)為這可能與2次地震的震級(jí)差異有關(guān)。

圖3 巴顏喀拉地塊中東段12個(gè)小區(qū)5階小波亮溫低頻數(shù)據(jù)與背景場(chǎng)差值曲線

(2)2006年7～8月升溫時(shí)段，異常高值區(qū)位于5區(qū)(圖4(a))，2007年3～5月升溫時(shí)段，異常高值區(qū)位于6區(qū)和7區(qū)(圖4(b))，2007年9～10月升溫時(shí)段，異常高值區(qū)位于8區(qū)和9區(qū)(圖4(c))，2007年12月 ～2008年1月升溫時(shí)段，異常高值區(qū)位于10區(qū)(圖4(d))，在汶川地震前的這幾次大幅度升溫異常中，異常高值區(qū)在空間上有逐漸往龍門山斷裂帶遷移的特點(diǎn)。蘆山地震前唯一的一次升溫異常的高值區(qū)位于9區(qū)和10區(qū)(圖4(f))，直接靠近龍門山斷裂帶。

圖4 巴顏喀拉地塊中東段內(nèi)部升溫幅度的空間分布圖

圖5 巴顏喀拉地塊中東段高程圖

(3)在汶川地震前的5次升溫異常中，2007年12月之前出現(xiàn)的3次異常，巴顏喀拉地塊中東段內(nèi)部升溫幅度差異達(dá)4.4K以上(圖4(a)、(b)、(c))，2007年12月以后出現(xiàn)的2次異常，地塊內(nèi)部升溫幅度差異變小，在3.5K以下(圖4(d)、(e));在蘆山地震前唯一的一次升溫異常中，地塊內(nèi)部升溫幅度差異小，為3.1K(圖4(f))。在臨近汶川和蘆山地震的2次升溫異常中(圖4(e)、(f))，不僅12個(gè)小區(qū)間升溫幅度差異小，而且12個(gè)小區(qū)全在震前出現(xiàn)超過(guò)1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差線的異常。這可能表明，各小區(qū)間升溫差異變小同時(shí)各小區(qū)升溫幅度均超過(guò)1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差線即巴顏喀拉地塊中東段內(nèi)部大幅度均衡升溫是該地區(qū)強(qiáng)震臨近的信號(hào)。

本文結(jié)果表明，巴顏喀拉地塊中東段內(nèi)部大幅度升溫(包含大幅度非均衡和均衡升溫)對(duì)該地區(qū)強(qiáng)震有一定的預(yù)警意義。但本文主要對(duì)巴顏喀拉地塊中東段紅外亮溫的異?，F(xiàn)象作了總結(jié)分析，取得了初步認(rèn)識(shí)，文中所用資料時(shí)間長(zhǎng)度只有9年多，相對(duì)于強(qiáng)震孕育的大時(shí)間尺度而言數(shù)據(jù)分析時(shí)長(zhǎng)還比較短，上述分析討論還有待更長(zhǎng)時(shí)間的資料和更多震例給予驗(yàn)證。

致謝:感謝匿名審稿專家提出的寶貴意見(jiàn)與建議。