于田7.3級地震前MODIS衛(wèi)星熱紅外異常分析

文 翔 陳梅花 閻春恒 周 斌

1)廣西壯族自治區(qū)地震局，南寧 530022

2)浙江師范大學(xué)，金華 321004

3)中國地震局地球物理研究所，北京 100081

0 引言

衛(wèi)星遙感熱紅外異常是指地球大氣系統(tǒng)輻射的能量信息，通過反演后得到的地面溫度異常，包含著地球內(nèi)部的熱信息(強(qiáng)祖基等，1992)。通過對衛(wèi)星熱紅外異常的時空分析，不僅可以識別已有的地質(zhì)構(gòu)造，而且還可能依據(jù)熱紅外異常的變化過程分析地質(zhì)構(gòu)造的活動狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害前兆。20世紀(jì)90年代開始，國內(nèi)外不少地震學(xué)者(李茂瑋等，1996;孔令昌等，1997;劉德富等，1997;Gabrielov et al.，2000;馬瑾等，2000，2006;徐秀登等，2000;張元生等，2002;Freund et al.，2003;鄧志輝等，2003;陳梅花等，2003，2007;康春麗等，2003;郭曉等，2005;單新建等，2005a，b;Arun et al.，2005;Tramutoli et al.，2005;Ouzounov et al.，2006;方穎等，2012)分別對不同地區(qū)中強(qiáng)構(gòu)造地震前的地表溫度、亮溫、長波輻射等異常進(jìn)行了研究，試圖找出異常與地震“時、空、強(qiáng)”三要素之間的對應(yīng)關(guān)系。目前，地震前紅外異常與活動斷裂的熱活動狀態(tài)研究取得了大量有意義的成果，但就現(xiàn)實存在的問題，也有學(xué)者提出一些值得討論的問題(郭衛(wèi)英等，2004，2006，2008;馬瑾等，2005;屈春燕等，2006)。一是地物紅外輻射異常的成因復(fù)雜;二是地形地貌、大氣狀況、巖石含水性和導(dǎo)電性、植被長勢、風(fēng)雨雪、緯度和季節(jié)變化等自然因素都會給正確判識震兆異常帶來困難。因此，客觀認(rèn)識各種非震因素的干擾，提取真正與斷層活動有關(guān)的熱信息，是利用衛(wèi)星紅外遙感技術(shù)進(jìn)行地震預(yù)報的前提條件之一。本文在前人研究工作基礎(chǔ)上，以2014年2月12日新疆于田MS7.3地震為例，基于連續(xù)的MODIS衛(wèi)星遙感熱紅外數(shù)據(jù)，反演得到震中附近地表溫度場的變化圖像，分析地震前后地表溫度異常時間演化過程及其異?？臻g分布與活動斷裂的關(guān)系，并討論了震中附近地形地貌、季節(jié)性氣候以及雨雪天氣等非構(gòu)造因素對地溫異常的影響。

1 研究區(qū)域概況

新疆維吾爾自治區(qū)是中國多震省區(qū)之一，據(jù)不完全統(tǒng)計，在最近200多年里，新疆地區(qū)發(fā)生的強(qiáng)震(MS≥7)就有20多次，地震的發(fā)生多與地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)，其空間分布多位于活動斷裂和差異性構(gòu)造活動顯著的復(fù)合部位，而且受區(qū)域性活動斷裂帶控制(周曉麗等，2008)。

2014年2月12日于田地震發(fā)生在于田縣南側(cè)的昆侖山區(qū)，截至2014年2月17日8時，共記錄到余震總數(shù)超過3 000個，其中最大余震5.7級，5.0～5.9級地震1個，4.0～4.9級地震16個，3.0～3.9級地震40個，余震序列大致沿NE向展布。根據(jù)余震分布和主震定位結(jié)果判斷，地震發(fā)生在阿爾金斷裂西南尾端的貢嘎錯斷裂帶北段，地表破裂長度為30～40km(任俊杰等，2014)，如圖1所示。

圖1 2014年于田地震發(fā)震構(gòu)造Fig.1 Seismogenic fault for the 2014 Yutian earthquake.

2 MODIS數(shù)據(jù)與反演過程

近年來，用于衛(wèi)星遙感熱紅外地震短臨前兆研究的數(shù)據(jù)大多來自GMS－5、AVHRR靜止氣象衛(wèi)星和MODIS極軌衛(wèi)星的遙感資料。三者相比較，GMS－5數(shù)據(jù)除時間分辨率較高之外，其探測精度和空間分辨率都低于AVHRR，而MODIS數(shù)據(jù)又明顯優(yōu)于AVHRR(劉放等，2007)，三者的性能參數(shù)比較見表1。

與AVHRR相比較，MODIS除了空間分辨率(250M/500M/1 000M)和信息量化(12bit)明顯占優(yōu)勢外，對于地震監(jiān)測預(yù)報研究所要求的數(shù)據(jù)源而言，還具有以下特點:

(1)MODIS儀器中有13個通道是探測陸地信息的，其中有6個熱紅外通道(通道20、21、22、23、31、32相應(yīng)的波段范圍分別為 3.660～ 3.840μm、3.929～ 3.989μm、3.929 ～ 3.989μm、 4.020 ～ 4.080μm、10.780～11.280μm、11.770～12.270μm)可以用于探測地表溫度;而AVHRR儀器的5個通道中(通道3a/3b為白天/黑夜相互切換)，用于探測地表溫度的熱紅外通道為3個。

(2)MODIS各個通道的帶寬都小于AVHRR相應(yīng)通道的帶寬，這在理論上說明MODIS儀器探測的精度高于AVHRR，不易受到其他輻射體的影響。

(3)MODIS熱紅外各通道的信噪比高于AVHRR，即實際探測精度高于AVHRR各個通道。

(4)由于MODIS儀器是陣列掃描方式，在定標(biāo)方面與AVHRR的線掃描方式完全不同，這使得星上定標(biāo)更加精確。

本文MODIS數(shù)據(jù)來源于美國航空航天局(NASA)網(wǎng)站(http:∥ladsweb.nascom.nasa.gov/data/search.html)，MODIS影像空間分辨率為1km，根據(jù)熱紅外輻射在大氣中傳輸?shù)奶攸c，MODIS熱紅外數(shù)據(jù)的第31和32波段最適合反演地表溫度?？紤]到在凌晨05:00前后，太陽輻射造成的影響最小，最能反映地表溫度場的狀況，故本文選用凌晨05:00前后過境的熱紅外波段31和32數(shù)據(jù)，利用毛克彪(2004)提出的劈窗算法反演震中附近的溫度場變化圖像。劈窗算法表達(dá)式為

式(1)中，TS為地表溫度，T31和T32分別為MODIS第31和32波段的亮度溫度，A0、A1和A2為分裂窗算法參數(shù)(毛克彪，2004)，具體算法流程見圖2。

2.1 熱紅外數(shù)據(jù)去云處理

衛(wèi)星遙感熱紅外波段信息應(yīng)用于地震前兆異常分析的難點之一是來自云層的干擾，這是由于熱紅外波段的遙感特性所致。MODIS數(shù)據(jù)中36個光譜通道信息遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于一般氣象衛(wèi)星(如GMS和 NOAA衛(wèi)星)，多光譜聯(lián)合應(yīng)用是 MODIS數(shù)據(jù)的特點。例如，波段0.65μm、0.85μm、1.38μm、1.6μm、8.6μm、11μm的組合應(yīng)用可以比較準(zhǔn)確地得到不同云層的特性;多光譜研究應(yīng)用可以將1軌數(shù)據(jù)的云和晴空分為多個不同類別，云和雪在0.65μm波段看起來極其相似，而在1.6μm的圖像中卻大不相同;位于對流層之上的1.38μm波段圖像對于高空的冰晶云特別敏感;8.6μm和11μm的組合應(yīng)用可以區(qū)分卷云和低空的可降水云(路茜，2006)。綜上所述，MODIS數(shù)據(jù)不同通道的組合應(yīng)用衍生出許多虛擬通道，構(gòu)成了MODIS數(shù)據(jù)的應(yīng)用特色;根據(jù)這一特色以及云檢測產(chǎn)品數(shù)據(jù)包、高分辨率MODIS可見光通道數(shù)據(jù)，對連續(xù)2～3d同星同時段的多軌實測資料逐點進(jìn)行自動云層識別及拼接，從而得到較高晴空率的數(shù)據(jù)資料，這就是本文對實測遙感熱紅外數(shù)據(jù)采用“數(shù)據(jù)置換法”進(jìn)行云層處理以得到高晴空率數(shù)據(jù)的去云方法(劉放等，2007)。該方法的具體處理過程及結(jié)果是:分別截取同一監(jiān)視區(qū)域內(nèi)不同天的同星同時段數(shù)據(jù)(例如3d的數(shù)據(jù)，見圖3a，b，c)，經(jīng)計算機(jī)處理后，可得到圖3d所示的晴空數(shù)據(jù)。

表1 3種衛(wèi)星熱紅外信息接收設(shè)備的參數(shù)比較Table 1 The characteristics of three kinds of satellite thermal infrared data receiving instruments

2.2 地表溫度反演及異常分析

衛(wèi)星遙感觀測到的熱紅外地表溫度非常復(fù)雜，它在空間分布上受地形、地貌以及介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)等方面的影響，即使在正常氣象條件和無地震活動的情況下，紅外地溫背景也是不均一的(徐秀登等，2000);在時間上它同時受氣象和構(gòu)造活動的影響，震前紅外異常往往疊加了氣象因素引起的地溫變化，這為震前紅外異常識別增加了難度。對紅外增溫機(jī)制目前也無統(tǒng)一的認(rèn)識，研究區(qū)域越廣，下墊面差異就越大，影響因子也越多;就目前的研究水平而言，還沒法做到面面俱到。將研究區(qū)域局限于活動斷裂帶附近，可以在一定程度上簡化影響因子。因此，本文以震中附近活動斷裂區(qū)域(35°～36°N，82°～83°E)為研究對象，選取2014年1月1日至2014年2月25日的MODIS數(shù)據(jù)進(jìn)行地表溫度反演，分析地震前后熱紅外異常時間演化過程，并將提取的異常圖像與活動斷裂疊加，探討熱紅外異?？臻g分布與活動斷裂的關(guān)系，反演結(jié)果見圖4。

(1)1月1—5日在NEE向呈雁行狀排列的阿什庫勒斷裂、貢嘎錯斷裂中段以及貢嘎錯斷裂北段存在個別點增溫現(xiàn)象，溫度場變化范圍為1～3℃(圖4a，b);1月5—10日阿什庫勒斷裂、貢嘎錯斷裂中段以及貢嘎錯斷裂北段出現(xiàn)多個熱源點，并逐步擴(kuò)展成片(圖4c)。1月20日開始阿什庫勒斷裂、貢嘎錯斷裂中段以及震區(qū)附近溫度值迅速上升，從1月25日溫度場圖像明顯反映出熱源點擴(kuò)展成片，面積增大，區(qū)域顏色發(fā)黃(圖4f)。

(2)1月29日開始阿什庫勒斷裂、貢嘎錯斷裂中段以及震區(qū)附近異常升溫強(qiáng)度逐步增大，紅色增溫區(qū)域開始靠近震中區(qū)。2月3日震中區(qū)及周邊大面積區(qū)域顏色發(fā)紅且偏深，呈條帶狀發(fā)育(圖4h)，主要分布在35°50'～36°20'N、82°10'～83°E，升溫異常條帶呈NE 向分布;2 月5日震中區(qū)升溫現(xiàn)象更為顯著，達(dá)到峰值(圖4i)，平均溫度值為12℃，而正常地區(qū)平均溫度值為5℃，9d后地震發(fā)生。

圖2 基于MODIS數(shù)據(jù)地表溫度反演的劈窗算法流程Fig.2 Flow chart of retrieving LST from MODIS with split-window algorithm.

圖3 數(shù)據(jù)拼接處理過程及結(jié)果Fig.3 Sketch map showing the process and result of data mosaic.

(3)地震發(fā)生后震中區(qū)局部范圍溫度值迅速回落，2月13日的圖像反映出震中紅色增溫區(qū)域減少，色彩偏淡，熱源由震中向四周擴(kuò)散。從2月17日開始阿什庫勒斷裂、貢嘎錯斷裂中段以及震區(qū)附近溫度低值區(qū)域逐漸增多，2月21日后異常增溫區(qū)域基本消失，具體異常升溫描述見表2。

3 討論

3.1 震區(qū)地溫異常與地形地貌因子的關(guān)系

圖4 于田地震前后熱紅外異常演化圖像Fig.4 The evolution patterns of thermal infrared anomaly before and after the Yutian M S 7.3 earthquake.

表2 于田地震前異常升溫統(tǒng)計表Table 2 Statistic of anomalous increase of land surface temperature before Yutian M S 7.3 earthquake

地形因子是正確判識震兆異常的干擾因素之一，單新建等(2004)認(rèn)為高原、山脈等海拔較高地區(qū)地表溫度整體背景偏低，盆地和低海拔地區(qū)地表溫度整體背景偏高，它們之間有較好的對應(yīng)關(guān)系。特別要注意溝谷和山脈，由于溝谷地勢較低，水系縱橫，地表含水量高，即使正常情況地表溫度也往往比附近山脈地區(qū)高出5～10℃左右。但在一定的區(qū)域、時間段內(nèi)，地溫背景與地形是穩(wěn)定的，通過跟蹤時間演化過程及對比其他年份，可以有效地提取熱紅外異常信息。本文利用震區(qū)附近數(shù)字高程柵格數(shù)據(jù)與熱紅外地表溫度場疊加，研究活動斷裂附近地形地貌與熱異常的動態(tài)關(guān)系。從地形溫度場可以明顯看出，與2013年無震時段相比，于田地震前震區(qū)附近盆地區(qū)域出現(xiàn)明顯的高溫異常，呈粉紅色;而震區(qū)附近海拔較高區(qū)域升溫不顯著，呈淡藍(lán)色(圖5c)。為了更直觀地認(rèn)識此現(xiàn)象，利用數(shù)字高程地形圖在震中附近沿SE向繪制2條長50～60km的地形剖面(剖面線位置見圖5a中的A—A'、B—B')，剖面A—A'橫跨康西瓦斷裂東段、普魯斷裂東段、貢嘎錯斷裂北段，兩側(cè)地形切割較強(qiáng)烈，高差約2 400m;剖面B—B'橫跨阿什庫勒斷裂、貢嘎錯斷裂中段，高差約1 900m。分別讀取剖面線A—A'、B—B'同名像素點震前、無震時期的地表溫度均值，繪制地溫剖面圖(圖6a，b中的紅色、綠色曲線)，與地形剖面圖(圖6a，b中的黑色曲線)對比發(fā)現(xiàn)，隨著地形抬升，與地形同名像素點紅外地溫隨之降低，二者表現(xiàn)出良好的負(fù)相關(guān)性。同時從同名像素點2013年1月28日至2月12日無震時段地溫均值曲線可以看出，地溫背景較為穩(wěn)定，而震前地溫值高于無震時期4～5℃左右。與地形地貌因子的相關(guān)分析表明，震區(qū)附近地溫總體呈現(xiàn)出隨地形海拔上升而下降的趨勢，此次地震斷裂附近反映出較明顯的震前構(gòu)造“升溫”信息。

3.2 震區(qū)地溫異常與季節(jié)性氣候因子的關(guān)系

氣候因子是正確判識震兆異常另一個干擾因素，因此，對震區(qū)正常氣候年變形態(tài)的了解是判別地表溫度異常的必要前提。本文選取震中附近(34°～36°N，81°～83°E)2000—2014年、1月28日至2月12日實測平均地溫進(jìn)行縱向?qū)Ρ?，從圖7可以看出，在地震活動平靜年份，震中附近的平均地溫保持在－2～2℃，與于田高海拔春季氣候相符;而在此次地震發(fā)生前，震區(qū)附近的平均地溫明顯增強(qiáng)，增溫幅度達(dá)到4～5℃，表明震前在一定程度上反映出反季節(jié)變化的熱紅外“增溫”現(xiàn)象。

3.3 雨雪天氣對震區(qū)異常升溫的影響

圖5 震中附近無震、震前時段地形溫度場反演圖像Fig.5 The inversion image of terrain temperature field near the Yutian epicenter region in the aseismic and pre-earthquake periods.

屈春燕等(2006a，b)認(rèn)為，云、雨雪和冷熱空氣運(yùn)移等突發(fā)性非震因素都會嚴(yán)重改變熱紅外圖像的溫度格局，這些非震因素造成的溫度變化幅度往往很大，通?？梢猿^或掩蓋地震引起的增溫變化。因此，在處理和識別地震引起的增溫異常區(qū)時，即使選擇的都是無云圖像，還必須參考?xì)庀笥^測資料來排除非震因素。此次地震前的2月6日至2月9日時段出現(xiàn)異常升溫減緩的現(xiàn)象(圖4 j)，降溫是否受雨雪、冷熱空氣的影響?結(jié)合于田縣氣象局實測資料對比分析，發(fā)現(xiàn)此時段內(nèi)震區(qū)附近遭受強(qiáng)冷空氣入侵，出現(xiàn)明顯的降雪、降溫、大風(fēng)天氣，導(dǎo)致震區(qū)附近大范圍降溫，短時間內(nèi)掩蓋了異常增溫變化。

3.4 異常增溫為何是從外圍向震中遷移?

熱紅外異常時空演化與斷層現(xiàn)今活動關(guān)系密切。震前背景增溫區(qū)面積巨大，一般在數(shù)十萬到數(shù)百萬km2，其條帶形狀和走向一般與大尺度的構(gòu)造樣式有關(guān)。臨震前的強(qiáng)增溫區(qū)面積較小，面積在幾萬到十萬km2范圍內(nèi)，一般能覆蓋發(fā)震斷層以及與其有關(guān)的數(shù)條斷層。單新建等(2004)認(rèn)為隨著地震的臨近，強(qiáng)增溫區(qū)開始由外圍向發(fā)震構(gòu)造部位遷移或在震中附近的幾條相關(guān)斷層上遷移。程萬正(1984)也認(rèn)為一些處于拐折部位、雁列部位和交會部位的斷裂往往位于應(yīng)力狀態(tài)變化復(fù)雜的敏感部位，易發(fā)生前兆異?；顒印挠谔锏卣鸬乇頊囟确囱萁Y(jié)果可以看出(圖4)，異常增溫區(qū)域起始于震區(qū)附近西南部的谷地、盆地，并隨著發(fā)震時間臨近，逐步向震中遷移，產(chǎn)生此現(xiàn)象可能有3個原因:一是震中附近斷層處于閉鎖狀態(tài)，斷層錯動較晚;二是西側(cè)斷層為西構(gòu)造結(jié)，作為構(gòu)造運(yùn)動的主動源，異常由西向東發(fā)展;三是西側(cè)地質(zhì)地層含水量豐富，易將熱能傳到地表。

圖6 剖面地形高差與地溫值關(guān)系圖Fig.6 The relationship between the elevation and land surface temperature in the topographic profiles.

3.5 異常升溫條帶是否為于田地震的“前兆信息”?

所謂的地震前兆異常，是相對于正常而言。從1月1日至2月25日整個異常演化過程可以看出:1)升溫面積上，隨著發(fā)震時間臨近，升溫面積明顯擴(kuò)大;2)升溫幅度上，為了形象直觀地進(jìn)行分析，本文在每一景數(shù)據(jù)的震中附近采集溫度數(shù)據(jù)，結(jié)合于田縣氣象資料繪制溫度隨時間變化曲線對比圖(圖8)，可以看出，熱紅外遙感反演的震中溫度與于田縣氣象局實測溫度①http:∥lishi.tianqi.com/yutian1/index.html?；鞠喾?，1月10—20日升溫幅度不大，1月21日開始升溫幅度逐漸增大，發(fā)震前9d達(dá)到最高值;3)升溫區(qū)域上，沿阿什庫勒斷裂、貢嘎錯斷裂的震前構(gòu)造活動確有明顯的熱紅外異常升溫出現(xiàn)，異常區(qū)域呈條帶狀，與宏觀考察的NE向主破裂帶一致(任俊杰，2014)。充分考慮地形地貌、季節(jié)性氣候、雨雪天氣等非構(gòu)造因素對異常升溫的影響，認(rèn)為此次熱紅外升溫可能是于田地震前的短臨異常現(xiàn)象。

圖7 震中附近2000—2014年地表溫度變化曲線Fig.7 Curve of surface temperature in February from 2000 to 2014 in epicentral area.

4 結(jié)論

圖8 震中區(qū)溫度隨時間變化圖像Fig.8 Curve of daily temperature change with time in epicentral area.

于田地震的例子說明，雖然地殼活動產(chǎn)生的地表溫度異常隱藏于地形地貌、季節(jié)性氣候以及雨雪天氣等非構(gòu)造因素產(chǎn)生的復(fù)雜變化之中，但通過分析它們之間的相互關(guān)系，從而去除非構(gòu)造因素干擾，是有可能獲得地殼活動的某些信息的。應(yīng)指出的是，利用地表溫度獲取地震前兆熱信息，一方面需要去除非構(gòu)造因素的影響;另一方面，獲得的與地震前兆有關(guān)的熱信息，還應(yīng)與其他手段獲得的信息(如潛熱通量、亮溫、長波輻射、氣象資料)能夠形成相互解釋的邏輯鏈，關(guān)鍵是熱場空間展布應(yīng)與斷層活動方式及其力學(xué)模式相符。后者相當(dāng)于結(jié)果驗證，只有經(jīng)過檢驗才能提高可信度。