臨震天體引潮力和地面長(zhǎng)波輻射OLR異常

任靜 康春麗 馬未宇 楊天青 林向洋

中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京市西城區(qū)三里河南橫街5號(hào) 100045

0 引言

20世紀(jì)90年代，中國(guó)科學(xué)家利用NOAA氣象衛(wèi)星熱紅外波段的資料研究了多個(gè)強(qiáng)震震例，進(jìn)一步證實(shí)了震前熱紅外異?，F(xiàn)象的存在。其中利用衛(wèi)星遙感地-氣系統(tǒng)射出的長(zhǎng)波輻射(OLR)信息月平均數(shù)據(jù)，檢測(cè)地震前震中區(qū)附近長(zhǎng)波輻射異常特征，取得了許多有應(yīng)用價(jià)值的成果(葉秀薇等，2010)。這些成果表明，地震孕育發(fā)生區(qū)不僅可能有熱現(xiàn)象，而且有以輻射為表征的能量流，在地—?dú)庀到y(tǒng)內(nèi)傳播直至外層空間被衛(wèi)星遙感器接收到，進(jìn)而形成了利用衛(wèi)星對(duì)地遙感獲取地震短期征兆信息的新技術(shù)途徑(康春麗等，2009)。

目前提出的熱紅外異常信息識(shí)別方法主要有圖像解譯、差值分析、透熱指數(shù)、亮溫增溫異常點(diǎn)對(duì)比等，各種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)(葉秀薇等，2010)。研究顯示，正常背景選擇的差異性對(duì)研究結(jié)果有較大影響，這主要由于基于統(tǒng)計(jì)原理的多年平均算法消除了由短期構(gòu)造快速變化造成的熱輻射波動(dòng)。地震是地球構(gòu)造應(yīng)力積累達(dá)到一定強(qiáng)度后，突破了巖石彈性破裂臨界值，快速釋放的過程，故而探索地震學(xué)與力學(xué)相關(guān)聯(lián)的算法，具有一定的價(jià)值(李延興等，2001)。天體引潮力是誘發(fā)地應(yīng)力累計(jì)到臨界狀態(tài)發(fā)生地震的重要外部誘因之一，而探究震前增溫與天體引潮力變化，與地震活動(dòng)表現(xiàn)出的增溫異常現(xiàn)象，在本質(zhì)上是一致的，反映的都是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)達(dá)到一定程度發(fā)生突變即短臨地震活動(dòng)發(fā)生在臨界點(diǎn)的判定問題(Matthewet al，2011)。另外，天體引潮力作為目前唯一能夠預(yù)先計(jì)算出地球形變的物理量，不僅在時(shí)間域上具有一定指示作用，還為熱異常表現(xiàn)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地應(yīng)力強(qiáng)度判識(shí)提供支持(馬未宇等，2006a)，本文選擇我國(guó)地形地貌復(fù)雜的云南、西藏地區(qū)4次地震前的長(zhǎng)波輻射OLR異常增強(qiáng)特征對(duì)引潮力變化進(jìn)行性探索，對(duì)檢驗(yàn)這一方法的有效性、豐富技術(shù)手段具有一定的價(jià)值。

1 發(fā)震構(gòu)造及天體引潮力附加構(gòu)造應(yīng)力

1.1 發(fā)震構(gòu)造

發(fā)震構(gòu)造的資料(表1)來(lái)自中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心①http://www.ceic.ac.cn/。

表1 4次地震基本參數(shù)

圖1給出了這4次地震的震中位置與震區(qū)活動(dòng)斷裂分布。

圖1 震中與震區(qū)活動(dòng)斷裂(發(fā)震斷層)分布圖

2 潮汐計(jì)算及地面長(zhǎng)波輻射數(shù)據(jù)處理

2.1 潮汐的計(jì)算

月球和太陽(yáng)引潮力引起的地球的周期性彈性變形稱為固體潮。對(duì)地震具有觸發(fā)作用的天體引潮力主要是日、月潮汐引力(張晶等，2007)，固體潮汐應(yīng)力是固體潮在地球內(nèi)部引起的、具有周期性變化特征的應(yīng)力(Qin et al，2012)。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外針對(duì)潮汐應(yīng)力是否會(huì)影響或調(diào)制地震的發(fā)生開展了大量工作，吳小平等(2009)指出潮汐應(yīng)力對(duì)處于臨界應(yīng)力狀態(tài)的斷層觸發(fā)地震，對(duì)地震具有臨界觸發(fā)效應(yīng);郗欽文等(1994)認(rèn)為引潮力誘發(fā)的地震多發(fā)生在周期振幅相位最大值的臨近時(shí)刻(馬未宇等，2006b;李志安等，1994;劉軍等，2014)，但如何判定發(fā)震構(gòu)造的應(yīng)力強(qiáng)度是否達(dá)到臨界狀態(tài)，還有待研究。

本文研究發(fā)震時(shí)刻和引潮力周期振幅相位最大值之間的關(guān)系，通過分析潮汐周期背景下的遙感OLR輻射異常變化，判斷其是否誘發(fā)地震。

根據(jù)卡爾文的計(jì)算方法，任意天體i在地球內(nèi)部任意一點(diǎn)P產(chǎn)生的引潮力位為Wi()p(吳慶鵬，1997;郗欽文等，1986)

Pn( c oszm)為 ( c oszm)的勒讓德多項(xiàng)式。zm為星體的天頂距。M為月球、地球的質(zhì)量。k為萬(wàn)有引力常數(shù)，r為震中與地心距離，rm為月心與地心的距離，rs為日心與地心的距離。

對(duì)于月亮，取n=2和n=3則月球?qū)Φ厍騼?nèi)部產(chǎn)生的二階和三階引潮力位為

同理對(duì)于太陽(yáng)取n=2，則太陽(yáng)對(duì)地球的二階引潮力位之和為

對(duì)于地球整體則有

其中δS和δm是日、月赤尾，φ為震中緯度，HS和Hm是日、月天頂距。

2.2 長(zhǎng)波輻射(OLR)數(shù)據(jù)資料及其處理

射出長(zhǎng)波輻射(簡(jiǎn)稱OLR)是指地氣系統(tǒng)向外層空間發(fā)射的電磁波能量密度，單位W/m2;它是通過NOAA極軌衛(wèi)星載荷的輻射測(cè)量?jī)x，在紅外窗區(qū)通道(10.5～12.5μm)，對(duì)地球和大氣進(jìn)行掃描測(cè)量，獲取地面射出的長(zhǎng)波輻射(馬未宇等，2008)。

目前，研究采用的OLR數(shù)據(jù)，取自美國(guó)http://www.emc.ncep.noaa.gov網(wǎng)站通播的全球信息數(shù)據(jù)。該熱紅外長(zhǎng)波輻射已積累有30多年數(shù)據(jù)。由于OLR是基于紅外波段遙感產(chǎn)出的成果，對(duì)海洋表層和近地表溫度的變化響應(yīng)最為敏感，因此在監(jiān)測(cè)與“熱”成因現(xiàn)象相關(guān)的一些地學(xué)災(zāi)害征兆方面，是一種很理想的技術(shù)手段(康春麗，2008)。

本文為了考察2010～2011年云南、西藏地區(qū)的4次地震長(zhǎng)波輻射信息場(chǎng)的變化特征，選取了2010～2011年4次地震的日平均網(wǎng)格數(shù)據(jù)，構(gòu)成OLR信息的數(shù)值分布場(chǎng)，研究范圍在22°～36°N，90°～108°E內(nèi)。為提取該區(qū)域內(nèi)4次地震前每天的OLR數(shù)據(jù)的變化特征，本文按下式對(duì)研究區(qū)域的網(wǎng)格點(diǎn)臨震前(日際尺度)的OLR數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，得到輻射增強(qiáng)區(qū)表征信息量的各格點(diǎn)位的數(shù)值分布

其中，ΔSi(x，y)代表各格點(diǎn)位的 OLR數(shù)值增量;Si(x，y)代表各格點(diǎn)位的 OLR數(shù)值;S背景(x，y)代表固定的背景OLR數(shù)值，本文對(duì)4次地震分別采用引潮力值發(fā)震周期震前最低點(diǎn)為時(shí)間背景，x為緯度，y為經(jīng)度，i為格點(diǎn)位標(biāo)。

3 震例研究

3.1 引潮力變化

利用(1)～(5)式，計(jì)算出上述4次地震前后天體引潮力隨時(shí)間變化曲線如圖2所示。由圖2可以看出，天體引潮力具有明顯的低谷→高峰→低谷周期性變化，4次地震均發(fā)生在與發(fā)震時(shí)刻相對(duì)應(yīng)的引潮力最大振幅相位附近，顯示了4次地震發(fā)生在引潮力高峰相位點(diǎn)，反映引潮力對(duì)地應(yīng)力達(dá)到臨界點(diǎn)的活動(dòng)構(gòu)造有誘發(fā)發(fā)地震的作用，但是地應(yīng)力的強(qiáng)度變化情況如何?為此我們進(jìn)一步分析潮汐周期背景下的遙感OLR異常變化。

圖2 4次地震前后天體引潮力時(shí)序變化曲線

3.2 地震前OLR時(shí)空變化特征

大量的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，中強(qiáng)震前出現(xiàn)的衛(wèi)星紅外異常具有階段性特征，在巖石持續(xù)受力狀態(tài)下，紅外輻射不斷增強(qiáng)，這種紅外增溫異?？煞譃槌跏荚鰷?加強(qiáng)增溫-相對(duì)平靜3個(gè)階段，這一過程與巖石力應(yīng)力加載-破裂過程中輻射變化的過程相吻合(吳立新等，2004;強(qiáng)祖基等，1990;徐秀登，2001))，這為我們開展工作提供理論依據(jù)。

基于潮汐周期(圖2)和(6)式，提取衛(wèi)星數(shù)據(jù)OLR的變化情況(對(duì)聶榮地震、都江堰地震、爐霍地震和騰沖地震分別以2010年3月16日、5月17日、4月8日和8月5日為背景，連續(xù)相減，獲得的OLR的連續(xù)日變化(圖3～6)。

圖3 西藏聶榮M S 5.7地震增溫異常時(shí)空演化圖像 圖中紅色圓點(diǎn)為震中，世界時(shí)12:00

對(duì)于聶榮地震(圖3):震區(qū)附近OLR日輻射場(chǎng)自2010年3月17～25日連續(xù)增強(qiáng)，3月17日(引潮力處于周期低峰相位點(diǎn)附近)開始，OLR日平均增量場(chǎng)的增強(qiáng)中心從震中區(qū)附近西移，并在震前一天即3月23日(引潮力處于周期高峰相位點(diǎn)附近)達(dá)到最高，3月24日(引潮力處于周期高峰相位點(diǎn)附近并在這天達(dá)到峰值后逐漸減小)10時(shí)06分，聶榮發(fā)生5.7級(jí)地震。10時(shí)44分，聶榮再次發(fā)生5.5級(jí)地震后，OLR日平均輻射的增強(qiáng)中心區(qū)域完全消失。結(jié)合圖2可以看出，伴隨著引潮力由低谷向高峰連續(xù)增強(qiáng)，輻射也不斷增強(qiáng)，輻射所反映出的構(gòu)造應(yīng)力不斷增強(qiáng)，在引潮力接近最高峰的時(shí)候，輻射也達(dá)到最強(qiáng)，然后發(fā)生地震，發(fā)震時(shí)刻在引潮力值的最大振幅相位附近。

圖4 四川都江堰 M S 5.0地震長(zhǎng)波輻射增量場(chǎng)分布(圖中紅色圓點(diǎn)為震中，世界時(shí)12:00)

同理，用該方法我們處理了該地區(qū)其他3個(gè)地震，結(jié)果具有相似的演化過程，地震發(fā)生在引潮力由低谷向高峰連續(xù)增長(zhǎng)并接近最大振幅相位時(shí)刻，長(zhǎng)波輻射經(jīng)歷起始-增強(qiáng)-高峰-震后快速衰減的過程。4次地震發(fā)生在引潮力高峰相位點(diǎn)，反映引潮力對(duì)地應(yīng)力達(dá)到臨界點(diǎn)的活動(dòng)構(gòu)造具誘發(fā)地震的作用;通過分析潮汐周期背景下的遙感OLR輻射異常變化(圖3～6)看出，依據(jù)引潮力獲得的長(zhǎng)波輻射OLR異常增強(qiáng)區(qū)域的分布與地質(zhì)構(gòu)造，特別是與活動(dòng)斷裂的關(guān)系密切，同時(shí)潮汐的變化與輻射強(qiáng)度的增加具有一定的同步性，經(jīng)歷了增長(zhǎng)-高峰-衰減的演變過程，也表明了天體引潮力對(duì)地應(yīng)力處于臨界狀態(tài)的活動(dòng)斷層具有誘發(fā)地震的可能。

4 結(jié)論和討論

圖5 四川爐霍M S 5.3地震長(zhǎng)波輻射增量場(chǎng)分布(圖中紅色圓點(diǎn)為震中，世界時(shí)12:00)

目前在利用遙感資料研究地震構(gòu)造活動(dòng)時(shí)，經(jīng)常由于云層的干擾，阻礙了對(duì)震前溫度異常的觀測(cè)。由于長(zhǎng)波輻射(OLR)表征了地-氣系統(tǒng)向外層空間發(fā)射的電磁波能量密度，是最直接反映下墊面屬性、能量變化參量的輻射物理量，而且其波段(10.5～12.5μm)集中在大氣窗口，受云層干擾小(馬未宇，2008)，因此選擇地面長(zhǎng)波輻射(OLR)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。而上述4例地震中，OLR的影像變化也展示其在震前存在的明顯異常變化，表明OLR可能發(fā)展成為地震短臨預(yù)測(cè)中進(jìn)行發(fā)震地區(qū)判定的有效數(shù)據(jù)源。

由以上4個(gè)震例可見，依據(jù)潮汐值變化周期獲得OLR震前輻射增強(qiáng)圖像經(jīng)歷連續(xù)的震前起始-加強(qiáng)-高峰-震后衰減-平靜的演變過程，而這一過程與巖石應(yīng)力加載-破裂過程中輻射變化的過程相吻合(劉善軍等，2009;崔承禹等，1993)。由此推斷:震前OLR輻射變化過程是活動(dòng)地震構(gòu)造初始微破裂-擴(kuò)大微破裂-主震構(gòu)造大破裂(發(fā)震)-牽動(dòng)各向活動(dòng)構(gòu)造破裂-構(gòu)造調(diào)整-趨近穩(wěn)定的發(fā)震過程中宏觀輻射的表征。

天體引潮力附加構(gòu)造應(yīng)力對(duì)地應(yīng)力的處于臨界狀態(tài)(即長(zhǎng)波輻射OLR異常高峰-衰退期)的活動(dòng)斷層具有明顯的誘震作用。但這僅是誘發(fā)地震的外部因素，而不是決定因素(陳聞晨等，2010)。決定地震發(fā)生的內(nèi)部因素是地殼構(gòu)造活動(dòng)。引潮力的變化究竟如何調(diào)制、誘發(fā)地震的發(fā)生，如何影響長(zhǎng)波輻射OLR的異常，其機(jī)理還不清楚，需要積累更多的震例分析和更加深入的研究。但這種現(xiàn)象的存在以及研究中取得的一些認(rèn)識(shí)表明，利用遙感衛(wèi)星技術(shù)獲取地表輻射信息，并通過輻射場(chǎng)的動(dòng)態(tài)化數(shù)值分析提取區(qū)域強(qiáng)震異常指征將是提高地震預(yù)測(cè)水平的新技術(shù)途徑。

圖6 云南騰沖M S 5.3地震長(zhǎng)波輻射增量場(chǎng)分布(圖中紅色圓點(diǎn)為震中，世界時(shí)12:00)