2012年新疆洛浦M S 6.0地震前衛(wèi)星熱紅外亮溫時(shí)空演變特征分析

邵楠清 孟慶巖 魏鳴 盧顯 張穎

1）南京信息工程大學(xué)，南京市寧六路219號(hào) 210044

2）中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京市海淀區(qū)鄧莊南路9號(hào) 100101 3）中國地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045

0 引言

北京時(shí)間2012年3月9日6時(shí)50分4.7秒在新疆維吾爾自治區(qū)和田地區(qū)洛浦縣（39.4°N、81.3°E）發(fā)生了MS6.0地震。洛浦縣位于新疆西南部，北鄰塔克拉瑪干沙漠，南連昆侖山；地形南高北低，整體成條形，南部為山脈，海拔3300m以上，北部為沙漠區(qū)，海拔約1300m以下；震區(qū)位于塔里木盆地腹地海拔1200～1500m的沖積扇和沖、洪積平原地區(qū)，地勢(shì)較為平坦；地震震中位于巴楚隆起與阿瓦提斷陷之間的圖木舒克隱伏斷裂帶上，此斷裂帶西段為NW走向，東段為近EW走向，全長(zhǎng)約250km（朱治國等，2013）。此次地震震源深度30km，震感范圍廣，阿克蘇、喀什、和田、巴音郭楞、伊犁等地均有震感（馮英等，2012）。

由于巖層受力摩擦、CH4等氣體溢出、瞬時(shí)電場(chǎng)變化等影響，導(dǎo)致地震前出現(xiàn)短臨前兆，地表熱輻射出現(xiàn)異常。對(duì)這種異?，F(xiàn)象的研究始于20世紀(jì)80年代，前蘇聯(lián)科學(xué)家Gornyi等（1988）和Tronin（1996）研究了中亞地區(qū)地震活動(dòng)帶和東地中海地區(qū)的衛(wèi)星熱紅外遙感影像，發(fā)現(xiàn)很多地震前都出現(xiàn)了明顯的熱紅外異?，F(xiàn)象，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)其與地震活動(dòng)帶之間具有相關(guān)性。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的飛速發(fā)展，利用紅外亮度溫度開展地震前熱輻射異常的研究已全面展開。強(qiáng)祖基等（1998）對(duì)多個(gè)地震前的亮溫增溫異常進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)增溫區(qū)溫度比周圍高出2～6℃，震級(jí)越大則亮溫增溫面積也越大，且一般在亮溫異常發(fā)展到最強(qiáng)時(shí)期后幾天～60天內(nèi)發(fā)震。徐秀登等（2001）總結(jié)分析了中國及周邊40多次地震的衛(wèi)星熱紅外圖像，發(fā)現(xiàn)震級(jí)在MS5.0以上的地震均有較為明顯的震前紅外異常。屈春燕等（2007）等探討了地形地貌、地物類型、氣象要素等非震因素對(duì)地表熱紅外亮溫的影響及其去除方法，并提出了地震異常的識(shí)別和提取方法，進(jìn)一步提高了地震異常判斷的準(zhǔn)確性。吳立新等（2008）、Zhang等（2010）、張鐵寶等（2013）也對(duì)近年來中國發(fā)生的汶川8.0級(jí)地震、玉樹7.1級(jí)地震的震前熱紅外亮溫時(shí)空變化特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)震前均存在不同程度的亮溫異常增強(qiáng)現(xiàn)象。

由于印度板塊與歐亞大陸的不均勻擠壓碰撞，青藏高原和天山先后隆起，使得新疆塔里木盆地周緣成為板內(nèi)構(gòu)造變形最強(qiáng)烈、地震活動(dòng)最頻繁的地區(qū)之一。對(duì)該地區(qū)進(jìn)行紅外輻射遙感信息的研究，對(duì)于提高該地區(qū)地震活動(dòng)預(yù)測(cè)水平具有十分重要的意義（郭衛(wèi)英等，2006）。本文對(duì)發(fā)生在塔里木盆地的新疆洛浦MS6.0地震震前地表紅外亮溫的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，并考慮氣象因素影響，從異常信息的空間分布、強(qiáng)度變化等方面入手，進(jìn)一步提取與此地震活動(dòng)有關(guān)的熱異常信息。

1 資料收集與處理方法

由于靜止衛(wèi)星高度高、視野廣、觀測(cè)范圍大，且可以對(duì)某一固定區(qū)域進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，這對(duì)于地震熱異常研究，特別是震前熱輻射在一定時(shí)間范圍內(nèi)的連續(xù)變化研究更具優(yōu)勢(shì)。本文選取FY-2E靜止氣象衛(wèi)星熱紅外亮溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，其遠(yuǎn)紅外觀測(cè)波段分別為10.3～11.3μm和11.5～12.5μm，熱紅外亮溫觀測(cè)每小時(shí)進(jìn)行1次，星下點(diǎn)空間分辨率約5.00km，觀測(cè)精度較高。本文以新疆地區(qū)為研究區(qū)，選取2012年2～3月，空間范圍為34°～46°N、77°～89°E內(nèi)的熱紅外亮溫資料進(jìn)行分析。

由于白天的太陽輻射會(huì)影響地表的觀測(cè)亮溫值，故選取夜間地方時(shí)22：00～06：00數(shù)據(jù)取平均做為日均值序列。為了去除部分云層遮蔽造成的亮溫值偏低的影響，處理時(shí)采用補(bǔ)窗法（張璇等，2013a、2013b），將第i個(gè)時(shí)次受云層干擾的低值設(shè)為下限，將同一時(shí)次的錯(cuò)值和不符合黑體輻射公式的高值設(shè)為上限，利用此閾值范圍對(duì)每一個(gè)像元的值進(jìn)行篩選，從而達(dá)到簡(jiǎn)單的去云目的，可在一定程度上消除云層對(duì)亮溫反演的干擾，然后計(jì)算每天不同時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)相同像元的平均值，從而得到亮溫的日均值。

2 紅外亮溫異常變化特征

2.1 震前紅外亮溫異常時(shí)空演化特征

圖1 洛浦MS6.0地震前紅外亮溫異常時(shí)空分布（藍(lán)星處為震中）

按照上述數(shù)據(jù)處理方法處理新疆洛浦MS6.0地震前后2012年2月12日～3月12日共30天的紅外亮溫?cái)?shù)據(jù)，得到研究區(qū)內(nèi)對(duì)應(yīng)時(shí)間的地表紅外亮溫分布情況。圖1（a）～（o）給出2月21日～3月6日洛浦地震前紅外亮溫分布特征。

震區(qū)地處塔里木盆地腹地，該盆地深處大陸內(nèi)部，中心是塔克拉瑪干沙漠，周圍又有高山阻礙濕潤空氣進(jìn)入，故極為干旱，氣溫受地形影響較大。由于沙的比熱較小，白天太陽照射下導(dǎo)致盆地內(nèi)地表溫度快速升高，夜間雖然沙漠的釋熱快，但由于四周高山阻擋，盆地內(nèi)空氣不易流動(dòng)，故氣溫降低較慢而形成了一定的溫室環(huán)境，保證地表熱量不會(huì)大量散失，所以整體來看，盆地內(nèi)的地表溫度明顯要高于周邊地區(qū)。

如圖1所示，2012年2月21日～2012年3月6日期間研究區(qū)紅外亮溫的變化具有明顯異常特征，具體可分為3個(gè)階段。

第1階段為平穩(wěn)發(fā)展階段。在2月24日前，研究區(qū)紅外亮溫的分布基本符合地形地貌特征及季節(jié)性變化規(guī)律，即盆地內(nèi)亮溫?cái)?shù)值高于周邊區(qū)域，隨著時(shí)間推移，整體亮溫呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)。由于受到2月21～23日1次中亞低渦天氣系統(tǒng)的影響，震中地以北的阿克蘇、伊犁河谷以及西側(cè)的山區(qū)等地先后出現(xiàn)中到大雪、局部暴雪的天氣，其它地區(qū)也相繼受到影響，部分地區(qū)的降雪量達(dá)到了3～12mm（李圓圓等，2014）。由于降雪和云層的影響，2012年2月21～23日，震中附近的亮溫?cái)?shù)值呈現(xiàn)條帶狀無規(guī)律分布，有零散的高值區(qū)域，但其它地區(qū)亮溫?cái)?shù)值較低。

第2階段為異常增強(qiáng)階段。2月24～25日，研究區(qū)內(nèi)亮溫高值區(qū)域范圍明顯擴(kuò)大，數(shù)值與之前相比有較大幅度上升，其中震中周圍出現(xiàn)連續(xù)成片的異常高值區(qū)，特別是在震中以西的巴楚縣附近亮溫異常尤為明顯；塊狀異常整體沿東-西方向分布，條帶狀異常呈西北-東南走向，這與巴楚縣附近多條斷裂帶的分布位置及斷裂帶走向相一致（圖2）。故可以推斷這種熱量異常與這些斷裂帶活動(dòng)以及洛浦MS6.0地震的孕育發(fā)展有關(guān)。

2月26～27日，連續(xù)的亮溫高值區(qū)域出現(xiàn)異常，特別是巴楚附近斷裂帶區(qū)域的亮溫值異常偏低，由于26～27日巴楚附近地區(qū)為晴好天氣，故判斷這種亮溫偏低的現(xiàn)象是上1次（2天前）亮溫異常爆發(fā)后的回落，標(biāo)志著熱量釋放的完成，并有可能孕育著下1次異常爆發(fā)。

2月28日研究區(qū)內(nèi)再1次出現(xiàn)亮溫異?，F(xiàn)象，與第1次異常現(xiàn)象相比，亮溫高值區(qū)域范圍進(jìn)一步擴(kuò)大且連接成片，亮溫?cái)?shù)值大幅度升高，異常特征更加明顯且持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，異常呈條帶狀，沿西北-東南方向伸展，與鄰近斷裂帶分布和走向進(jìn)一步吻合。同時(shí)，巴楚西南方，即盆地西部的山區(qū)也出現(xiàn)大范圍團(tuán)狀亮溫異常高值區(qū)，但由于其位置與震中相距近400km，且異常形狀與斷裂帶走向不吻合，故推斷其為非地震引起的。2月29日，由于新疆西北部及沿天山地區(qū)的大范圍降雪，亮溫值稍有回落，但整體分布特征不變。此次異常一直持續(xù)到3月3日，連接成片的大面積亮溫高值區(qū)幾乎覆蓋塔里木盆地，其中以震中西北緣巴楚附近斷裂帶區(qū)域的異常最為明顯，該區(qū)域亮溫平均值為261.93K，亮溫異常值最高達(dá)到268.56K，超出平均值6.63K。

第3階段為異常消失階段。從3月3日開始，研究區(qū)亮溫高值區(qū)域范圍逐漸縮小，亮溫異常值回落并消失。3月3～5日，由于巴楚地區(qū)受到降雪影響，伴隨熱量釋放完畢導(dǎo)致的亮溫急劇回落，使研究區(qū)的亮溫值大幅度降低，但在3月5日之后逐漸恢復(fù)正常；從3月6日至3月9日MS6.0地震發(fā)生，研究區(qū)的亮溫分布處于平穩(wěn)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，符合地形地貌特征。此階段的亮溫在數(shù)值上與第1階段相比偏高，但考慮到30天內(nèi)季節(jié)性變化規(guī)律導(dǎo)致亮溫升高的必然性以及余震的影響，增量控制在正常波動(dòng)范圍內(nèi)，說明此次地震導(dǎo)致的亮溫異常已經(jīng)消失。

圖2巴楚地區(qū)構(gòu)造區(qū)劃和斷裂體系（丁文龍等，2008）

由上述分析可見，2012年2月23日前，研究區(qū)無明顯異常信息出現(xiàn)，2月24～25日出現(xiàn)第1次異常，異常信息分布連續(xù)，最高值位于巴楚附近斷裂帶區(qū)域且與斷裂帶走向一致。26～27日異常出現(xiàn)回落，并在28日再1次上升，這一過程十分明顯，異常信息強(qiáng)度進(jìn)一步提高，斷裂帶附近異常值達(dá)到最大。第2次異常一直持續(xù)到3月3日，之后快速減弱，直至異常消失。

2.2 基于亮溫日值變化提取亮溫異常

為進(jìn)一步探討洛浦MS6.0地震前紅外亮溫異常特征，選取地震震中以西巴楚附近圓形區(qū)域（39°～41°N、78°～80°E）為研究區(qū)，其中圓心位于巴楚縣東北（40°N、79°E），區(qū)域半徑為1km。統(tǒng)計(jì)研究區(qū)地震前后30天每天的亮溫平均值，得到圖3所示的亮溫日均值時(shí)間序列圖。

圖3 研究區(qū)（39°～41°N、78°～80°E）2012年2月12日～3月12日亮溫日均值

表1巴楚2012年2月12日～3月12日歷次降雪天氣統(tǒng)計(jì)表

由圖3可知，2012年2月12日～3月12日，受到氣候季節(jié)性變化規(guī)律的影響，研究區(qū)亮溫平均值呈現(xiàn)穩(wěn)定的振蕩上升趨勢(shì)，振蕩幅度保持在5.00K的閾值范圍以內(nèi)，存在個(gè)別極低值點(diǎn)。表1列出了巴楚縣2012年2月12日～3月12日期間的歷次降雪天氣，可以看出，降雪的日期與圖3中亮溫極低值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的日期基本吻合。本文綜合考慮天氣系統(tǒng)影響范圍、運(yùn)移以及站點(diǎn)數(shù)據(jù)的覆蓋范圍，認(rèn)為研究區(qū)亮溫極低值的出現(xiàn)與該地區(qū)的降雪天氣因素有關(guān)。

圖3顯示，2月24～25日研究區(qū)出現(xiàn)第1次異常，亮溫?cái)?shù)值明顯升高，24日亮溫平均值為258.07K，25日上升至260.11K。26日熱量釋放完畢后，異常迅速消失，在沒有氣象因素干擾情況下，亮溫值持續(xù)2天處于低值。2月28日研究區(qū)出現(xiàn)第2次異常，亮溫值上升至263.70K，并在3月1日達(dá)到最高值264.37K，即使受到2月29日降雪天氣影響，亮溫值在被削弱后仍然能達(dá)到257.68K；此次異常持續(xù)到3月2日，當(dāng)日亮溫值高達(dá)263.98K，隨后異常迅速消失，并受到降雪影響，3月3～4日的亮溫值均大幅降低至243K左右。3月5日以后，研究區(qū)亮溫值恢復(fù)正常，呈現(xiàn)小幅度振蕩上升趨勢(shì)，振蕩幅度也保持在閾值范圍內(nèi)。

3 討論與結(jié)論

2012年3月9日洛浦MS6.0地震紅外亮溫異常特征主要有：

（1）從異常信息空間分布來看，異常主要分布在震中西北方向，異常高值區(qū)位于巴楚縣鄰近區(qū)域，與發(fā)震斷裂帶位置吻合；異常主要呈條帶狀分布，走向與斷裂帶方向一致，似可以推斷，異常信息與發(fā)震斷裂帶活動(dòng)以及洛浦MS6.0地震的孕育發(fā)展有關(guān)。

（2）從異常信息隨時(shí)間演變來看，異常出現(xiàn)在洛浦MS6.0地震前14天，時(shí)間上經(jīng)歷較強(qiáng)-弱-強(qiáng)-弱的變化過程，第1次異常持續(xù)時(shí)間較短，并很快衰減，第2次異常持續(xù)達(dá)4天，之后迅速消失，2次異常爆發(fā)前后間隔2天，異常消失6天后地震發(fā)生，之后再未出現(xiàn)類似異?，F(xiàn)象。

（3）從亮溫異常強(qiáng)度來看，亮溫值隨時(shí)間推移呈振蕩上升的趨勢(shì)，振蕩幅度保持在5.00K的閾值范圍以內(nèi)，受到降雪天氣因素的影響會(huì)出現(xiàn)個(gè)別超出閾值范圍的極低值。亮溫異常的持續(xù)高值出現(xiàn)在第2次異常期間，最高值出現(xiàn)在3月1日；異常出現(xiàn)期間亮溫平均值超出閾值上限4.21K，亮溫最高值超出閾值上限5.98K，異?，F(xiàn)象十分明顯。

綜前所述，此次亮溫異?，F(xiàn)象在時(shí)空演變的各個(gè)方面均似與洛浦MS6.0地震似具有明顯的相關(guān)性。