基于地表亮溫的山東省地震活動性分析

馬俊飛李 煒史 雯

1）中國山東266300 膠州市地震局

2）中國山東266034 青島市地震監(jiān)測中心

基于地表亮溫的山東省地震活動性分析

馬俊飛1）李 煒2）史 雯2）

1）中國山東266300 膠州市地震局

2）中國山東266034 青島市地震監(jiān)測中心

利用MODIS數(shù)據(jù)研究山東省地表亮溫時空變化及與地震震例和斷裂帶活動的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果表明，山東省2015年存在4個明顯的地表亮溫增溫帶，可能預(yù)示著未來地震活動性的增強(qiáng)區(qū)域；長島震群與乳山震群在陸地上均有亮溫增溫帶與之對應(yīng)；風(fēng)儀店、乳山—海陽斷裂帶在2015年地表亮溫明顯升高，沂沭、聊城—蘭考斷裂帶則無明顯變化?？傊?20°E以東的膠東半島地區(qū)地表亮溫升高明顯，預(yù)示著未來膠東半島地區(qū)地震活動性可能強(qiáng)于魯中、魯西地區(qū)。

地震活動性；地表亮溫；MODIS；遙感

0 引言

臨震前往住出現(xiàn)大面積增溫異常，利用衛(wèi)星熱紅外技術(shù)可以確定溫度異常的范圍和幅度，從而進(jìn)行地震預(yù)測。這一科學(xué)思想于20世紀(jì)80年代末由前蘇聯(lián)科學(xué)家提出，ГOPHЫЙ BИ（1990）在分析宇航熱紅外衛(wèi)片時發(fā)現(xiàn)，1984年在蘇聯(lián)塔姆得—托克勞與塔拉斯—費(fèi)爾干斷裂帶交匯部位，多數(shù)4級以上地震伴隨熱紅外異?，F(xiàn)象。隨后，Tronin等（1996，2004）用10 000景NOAA衛(wèi)星熱紅外影像對中亞地震活動帶進(jìn)行研究，得出熱紅外異常與中亞地震活動帶之間具有統(tǒng)計(jì)相關(guān)性的結(jié)論。中國熱紅外遙感地震前兆監(jiān)測始于20世紀(jì)90年代初。強(qiáng)祖基等（1990）用NOAA衛(wèi)星紅外觀測數(shù)據(jù)研究1990年4月24日青海共和MS7.0等地震前出現(xiàn)的大規(guī)模地面增溫現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)地震前7—9天孕震區(qū)及周圍可出現(xiàn)幾萬至100多萬km2、累積2℃—10℃的持續(xù)增溫異常，往往沿?cái)嗔褬?gòu)造帶向四周成帶狀、片狀展布，在多組斷裂構(gòu)造帶的交匯部位，異常顯著增強(qiáng)?？琢畈龋?003）進(jìn)一步對熱紅外增溫的理論基礎(chǔ)及與其他異常的關(guān)系進(jìn)行探討，論述了震前衛(wèi)星熱紅外增溫的普遍性。根據(jù)此溫度異常，目前成功實(shí)現(xiàn)了某些地區(qū)的地震活動性監(jiān)測（呂琪琦等，2000；康春麗等，2003）。監(jiān)測溫度為根據(jù)普朗克公式計(jì)算出的亮溫，亮溫非地物真實(shí)溫度，但能反映地物熱輻射能的相對強(qiáng)度，由于計(jì)算簡單，在震前溫度異常研究中廣為使用。本研究以MODIS數(shù)據(jù)為主數(shù)據(jù)源，結(jié)合地震目錄，研究山東省行政區(qū)地表亮溫時空變化，以期預(yù)測山東省地震活動性。

1 數(shù)據(jù)處理

采用紅外遙感及地震目錄數(shù)據(jù)，其中紅外遙感數(shù)據(jù)采用美國地球觀測衛(wèi)星系統(tǒng)（EarthObservation System，EOS） 的中分辨率成像光譜儀（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）數(shù)據(jù)。美國地球觀測衛(wèi)星系列發(fā)射于1999年，現(xiàn)包括Terra和Aqua太陽同軌道衛(wèi)星，分別用于陸地和海洋觀測，其中Terra在地方時上午過境，而Aqua在地方時下午過境，二者結(jié)合可實(shí)現(xiàn)晝夜觀測。MODIS傳感器具有36個波段，覆蓋可見光到遠(yuǎn)紅外的光譜范圍（0.4 μm—14 μm），分辨率為250 m（2個波段）、500 m（5個波段）和1 km（29個波段），掃描寬度為2 330 km，1—2天可覆蓋全球。本研究使用下載自美國地質(zhì)調(diào)查局地表數(shù)據(jù)存儲分發(fā)中心網(wǎng)站（https://lpdaac.usgs.gov/）的MOD11A2數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集利用MODIS 31、32波段以分裂窗算法獲取，空間分辨率1 km，時間分辨率8天；包含白天和夜間2套地表亮溫?cái)?shù)據(jù)，并配有相應(yīng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、觀測時間、觀測角等配套數(shù)據(jù)。在晝夜數(shù)據(jù)的選擇上，考慮到膠東半島三面被海包圍而魯西、魯中地區(qū)處于內(nèi)陸，三者受海陸風(fēng)影響明顯不同，夜間由海至陸的海風(fēng)使膠東半島降溫幅度超過魯西、魯中地區(qū)，從而導(dǎo)致與地震無關(guān)的地表亮溫變化，因此本研究僅使用晝間數(shù)據(jù)。本研究采用MTR工具，將原始數(shù)據(jù)投影至UTM，并將晝夜數(shù)據(jù)分開，而后用最大值算法（Max Value Calculation, MVC），對每4景8日數(shù)據(jù)進(jìn)行合成取得月數(shù)據(jù)。通過MVC算法可以較大程度地減小云、雪等的影響，但仍有某些像元（5%左右）質(zhì)量達(dá)不到要求并被設(shè)為空值（NoData）。為避免在后續(xù)計(jì)算中相互影響導(dǎo)致空值區(qū)過大，本研究統(tǒng)一將空值設(shè)為0。而后各像元乘以0.02，將數(shù)據(jù)由象元值轉(zhuǎn)化為開爾文溫度，減去273最終轉(zhuǎn)化為攝氏度。經(jīng)此方法獲取2008年、2009年、2012年、2015年山東省逐月日間地表亮溫?cái)?shù)據(jù)，并將各年度逐月數(shù)據(jù)進(jìn)行平均計(jì)算，最終獲取年度地表亮溫?cái)?shù)據(jù)。

2 地表亮溫變化計(jì)算

2.1 山東半島地區(qū)地震活動背景年確定

為獲取山東省地表亮溫的時間變化，需要確定一個地震活動相對平靜的年份作為背景值。衡量某一年份地震活動程度有多種指標(biāo)，本研究采用地震活動度（S）作為指標(biāo)，該指標(biāo)采用模糊數(shù)學(xué)方法，綜合考量地震頻度、平均震級或平均釋放能量、最大震級、地震空間分布集中度及記憶效應(yīng)等因素，可以比較全面的對震活動性進(jìn)行定量化（谷繼成等，1987）?？紤]到EOS衛(wèi)星首發(fā)于1999年，2000年才形成全年觀測數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)時間匹配，本研究選取2000—2015年山東省陸域地震目錄進(jìn)行時間掃描，計(jì)算逐年地震活動度（S），結(jié)果見圖1。

圖1 山東省2000—2015年地震活動度Fig.1 Seismic activity of Shandong Province between 2000 and 2015

由圖1可見，在2000—2015年期，山東省陸域地震活動度在2000年、2006年、2008年、2009年呈現(xiàn)低值，代表較低的地震活動性?？紤]到時間間隔較久會因地表土地利用變化等因素對地表亮溫產(chǎn)生影響，并且2008年、2009年連續(xù)兩年地震活動度均處低值，代表地震活動性在一段較長時間內(nèi)處于穩(wěn)定低值，而2009年值更低于2008年，因此選定2009年作為基準(zhǔn)年，同時為了進(jìn)行比較，選擇2008年及2012年做為參考年。

2.2 山東省地表亮溫變化

在ArcGIS 10軟件環(huán)境中使用區(qū)間統(tǒng)計(jì)（zonal statistic）方法，對山東省2008年、2009年、2012年、2015年每個季節(jié)的代表月份（1月、4月、7月、10月）及年平均地表亮溫進(jìn)行計(jì)算，獲得此4年度代表月份及年平均地表亮溫空間統(tǒng)計(jì)均值，見表1。

表1 山東省2008年、2009年、2012年、2015年代表月份及年平均地表亮溫Table 1 Monthly land surface temperature in the symbol month and average annual land surface temperature of Shandong Province in the year of 2008, 2009, 2012 and 2015

地震孕育、發(fā)生過程中伴隨的地殼活動，如：斷層面摩擦、地層蠕動、巖石微隙破裂乃至巖層應(yīng)力聚集，產(chǎn)生放熱效應(yīng)，熱能對地表加熱從而加強(qiáng)地表長波輻射，并表現(xiàn)為地表亮溫的增加。這種亮溫增加受氣候因子影響較小，而更多反映地殼活動。由表1可見，2009年7月、10月及年平均地表亮溫在選擇的對比年中均較低，與使用地震目錄計(jì)算獲得的該年度地震活動性低可以互相印證。而2015年地震活動性的增強(qiáng)也被地表亮溫增加所反映。因此，以2015年度地表亮溫?cái)?shù)據(jù)與2009年數(shù)據(jù)進(jìn)行相減運(yùn)算，獲取2015年相對于2009年的地表亮溫變化，以此揭示山東地震活動性，見圖2。

圖2 山東省2015年地表亮溫變化及地震分布Fig.2 Land surface bright temperature variation and earthquakes of Shandong Province, 2015

由圖2可見，2015年山東省相對于2009年地表亮溫有4個顯著升高帶（見圖中標(biāo)注數(shù)字的橢圓區(qū)域），分別為：①膠州市北部往東經(jīng)城陽、即墨延伸至海陽市；②蓬萊與龍口交界處；③青州、淄博交界處；④濟(jì)寧、兗州區(qū)域。其中，以膠州北部至海陽市的增溫條帶規(guī)模最大，呈北東東走向，延伸約130 km，最寬處約30 km，升溫幅度普遍在3℃以上，部分地區(qū)達(dá)4℃—6℃；位于120°E以東的膠東半島地區(qū)地表亮溫明顯升高，而120°E以西的魯中、魯西大部分地區(qū)地表亮溫變化很小甚至下降。

3 地表亮溫變化與地震活動性

3.1 地表亮溫變化與地震關(guān)系

為確定地表亮溫變化與山東省地震活動性關(guān)系，將山東省2015年ML1.0以上地震與地表亮溫變化圖疊加（圖2），可以發(fā)現(xiàn)，增溫區(qū)域3、4在空間上無重合或相近的地震震例，說明該增溫區(qū)可能由非地震活動引起，但也可能是本區(qū)域地震活動增強(qiáng)的前兆。位于膠東半島北部的蓬萊—龍口增溫帶在陸域上有多處地震與之對應(yīng)，如：2015年5月21日位于煙臺的2次ML2.0以上地震、6月6日位于煙臺的2.1級地震，均與該增溫帶距離不超過30 km；多處2.0級以下地震發(fā)生在該區(qū)域周邊；特別是該區(qū)附近海域，2015年發(fā)生7月22日ML4.5長島地震及多處ML≥2.0地震，均位于該區(qū)域周邊50 km范圍內(nèi)。從時間與空間上判斷，該增溫帶應(yīng)該與長島震群有關(guān)，是長島震群活動在陸地上的反映。膠州北部—海陽增溫帶規(guī)模最大、增溫幅度最高，但在時間與空間上只有其北端的乳山震群與之鄰近，其中2015年5月22日乳山ML5.0地震與該增溫帶相距不過26 km。

3.2 地表亮溫變化與斷裂帶關(guān)系

為進(jìn)一步判斷增溫帶與地震活動性關(guān)系，將山東省主要斷裂帶與地表亮溫變化圖疊加，見圖3。

圖3 山東省斷裂帶分布及2015年地表亮溫變化Fig.3 Fracture zone distribution and land surface bright temperature variation of Shandong Province, 2015

由圖3 可以發(fā)現(xiàn)，膠州北部—海陽增溫帶與乳山—海陽斷裂在走向、分布空間上基本保持一致，與唐家莊—即墨斷裂雖有重合但分布并不一致。通過空間分布關(guān)系判斷，該增溫帶應(yīng)更多與乳山—海陽斷裂活動有關(guān)，可以作為乳山震群地震活動的一個反映。同樣，蓬萊—龍口增溫帶與風(fēng)儀店斷裂的空間分布大致吻合。青州—淄博增溫帶與濟(jì)寧—兗州增溫帶均處于多組斷裂帶交匯處，如：青州—淄博增溫帶位于益都斷裂、上五井?dāng)嗔?、淄河斷裂的交匯處；濟(jì)寧—兗州增溫帶位于嘉祥斷裂與鄆城斷裂交匯處。這與強(qiáng)祖基（1990）關(guān)于地震前多組斷裂構(gòu)造帶的交匯部位經(jīng)常有亮溫顯著增強(qiáng)的論述吻合，此兩處增溫區(qū)與地震活動性有關(guān)的可能性較大，可能是孕震區(qū)。由圖3還可以發(fā)現(xiàn)，相對于2009年，沂沭斷裂帶和聊城—蘭考斷裂帶2015年的地表亮溫?zé)o明顯升高，可能表明山東省兩條主要斷裂帶在2015年地震活動性無明顯增強(qiáng)趨勢。

4 結(jié)論

地表亮溫作為地殼內(nèi)熱釋放的一個重要指標(biāo)，與地震活動性具有密切關(guān)系，與地震震例、斷裂帶分布在時空上關(guān)系復(fù)雜。通過對山東省2015年地表亮溫變化與地震活動性的時空分布關(guān)系進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)部分震例，如：膠東半島北部及長島震群震例，與地表亮溫增溫帶在空間上接近，而乳山震群與相應(yīng)地表亮溫增溫帶在空間分布上并不完全一致，而是通過斷裂帶分布聯(lián)系在一起。就震例震級而言，ML2.0以上地震與地表亮溫增溫帶的空間對應(yīng)關(guān)系好于ML2.0以下地震，可能與較小震級的能量釋放不足以大幅增強(qiáng)地表亮溫有關(guān)。2015年120°E以東膠東半島地區(qū)地表亮溫升高明顯，而魯中、魯西地區(qū)則只有兩個較小規(guī)模的增溫帶，特別是沂沭斷裂帶與聊城—蘭考斷裂帶均無明顯增溫，可能預(yù)示著未來膠東半島地區(qū)地震活動性強(qiáng)于魯中、魯西地區(qū)。應(yīng)該承認(rèn)，由于影響地表亮溫的因子較多，氣候、土地利用等因子變化也可能導(dǎo)致地表亮溫發(fā)生變化，如何將非映震因子影響剔除出去，應(yīng)該是熱紅外遙感地震監(jiān)測的重要研究方向。

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Analysis of seismic activity in Shandong Province based on land surface bright temperature

Ma Junfei1)，Li Wei2)and Shi Wen2)
1)Earthquake Administration of Jiaozhou County,Shandong Province266300,China
2)Qingdao Earthquake Monitor Center,Shandong Province266034,China

Based on MODIS data, the temporal and spatial variation of Shandong province’s land surface bright temperature are studied to find out the relationship between it and the seismic activity.Results show that 4 obvious bright temperature rising zones where seismic activity may enhance exist in Shandong Province in the year of 2015.Both the Rushan and Changdao earthquake swarm can be reflected by land bright temperature rising zone.The Fengyidian, Rushan and Haiyang fault got obvious increasement in bright temperature, whereas the Yishu, Liaocheng—Lankao fault did not.On the whole, the surface temperature of the east part of Shandong province which located east to the 120° E longitude increased more than that of the central and the west part, which probably foreshow more seismic activities in the Jiaodong Peninsula in the future.

seismic activity，land surface bright temperature，MODIS，remote sensing

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.06.013

馬俊飛（1976—），男，理學(xué)博士，主要從事遙感與地震監(jiān)測研究工作

青島市地震局地震監(jiān)測、防御、應(yīng)急專項(xiàng)課題“衛(wèi)星遙感多源數(shù)據(jù)與多元方法在地震監(jiān)測預(yù)測中的應(yīng)用”；山東省地震局合同制科研項(xiàng)目“地震前后遙感紅外亮溫變化研究”

本文收到日期：2015-10-22