2017年新疆精河MS6.6地震遙感大氣溫度變化特征分析

劉軍 馬未宇 姚琪 康春麗 岳沖

1)防災(zāi)科技學院,河北三河 065201 2)中國地震臺網(wǎng)中心,北京 100045

0 引言

地震發(fā)生前伴隨的熱異?，F(xiàn)象早已為國內(nèi)外所關(guān)注(Mogi,1984；強祖基等,1997；葉秀薇等,2010)。20世紀80年代前蘇聯(lián)學者Gorny 等(1988)發(fā)現(xiàn)中亞加茲利地震震前出現(xiàn)了大面積衛(wèi)星熱紅外(10.5～12.5μm)輻射增強異?，F(xiàn)象,開辟了利用衛(wèi)星熱紅外遙感技術(shù)研究地震的新途徑。衛(wèi)星遙感技術(shù)為瞬時探測大范圍近地空間熱紅外異常的動態(tài)變化提供了技術(shù)可能,具有常規(guī)地表定點測量手段無法比擬的優(yōu)勢。震前衛(wèi)星熱異常研究已成為地震學界和遙感學界共同關(guān)心的研究熱點(Tronin et al，2002；Tramutoli et al，2001；Ouzounov et al，2004；屈春燕等,2006；Saraf et al，2008；張元生等,2010)。但是,由于紅外輻射穿過大氣層時,會受大氣運動、云量等因素的干擾,僅利用紅外輻射無法準確獲得震前熱異常變化。相對應(yīng)地,大氣作為地-氣能量交換的介質(zhì),其溫度綜合反映近地表的熱量變化(李召良等,2016),美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)提供的近地表大氣溫度數(shù)據(jù)可有效反映下墊面熱力變化,能夠準確捕獲地表的熱信息。另外,地震是地球構(gòu)造應(yīng)力積累達到一定強度后,突破了巖石彈性破裂臨界值,快速釋放的過程,具有孕震過程持續(xù)性和短臨突發(fā)性的特征(李延興等,2001)。因此,從不同時間尺度(年、日)認識地震熱異常變化,對地震預(yù)測有重要意義。本文在年度預(yù)測基礎(chǔ)上,將天體引潮力變化與遙感大氣溫度相結(jié)合,對2017年8月9日新疆精河MS6.6地震前后大氣溫度變化特征進行討論。

1 構(gòu)造背景及年度預(yù)測危險區(qū)域介紹

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定,2017年8月9日7時27分52秒,新疆博爾塔拉蒙古自治州精河縣(44.27°N,82.89°E)發(fā)生MS6.6地震,震源深度約11km,震中距精河縣城約37km,震源機制解顯示該地震屬逆沖型(白蘭淑等,2017)。地震發(fā)生在中國地震臺網(wǎng)中心2016年底利用熱紅外遙感技術(shù)(大氣溫度、地面長波輻射參量)預(yù)測的2017年新疆西部MS6.6±0.2潛在地震危險區(qū)內(nèi)(圖1)(康春麗等,2016)。從構(gòu)造背景上來說,該地震發(fā)生在博樂盆地南緣的庫松木契克山前斷裂向東延伸地帶(圖1)。該地區(qū)處于準噶爾板塊與塔里木-天山板塊之間的逆沖-褶皺構(gòu)造活動帶,為褶皺沖斷構(gòu)造自山前向盆地擴展的區(qū)域,具有極高的地震風險性,歷史上曾發(fā)生過1812年尼勒克8.0級地震和1944年新疆新源MS7.2地震。2011年以來,這個區(qū)域發(fā)生過3次6級以上地震,分別為2011年尼勒克MS6.0地震、2012年新源MS6.6地震以及2017年精河MS6.6地震。

圖 1 精河地震震區(qū)構(gòu)造與地震震前預(yù)測區(qū)域分布F1:庫松木契克斷裂；F2:庫松木契克山前斷裂；F3:科古琴斷裂；F4:喀什河斷裂；F5:阿吾拉勒山南緣斷裂；F6:博羅科努斷裂

2 數(shù)據(jù)獲取與處理方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取

由于大氣作為地-氣系統(tǒng)熱能交換的中間介質(zhì),其溫度變化綜合反映了下墊面的熱量變化。為此,本文在數(shù)據(jù)上選取近地表50m高度范圍內(nèi)的地表溫度為研究對象,選用NOAA系列衛(wèi)星提供的地面大氣溫度產(chǎn)品數(shù)據(jù)[注]https://www.esrl.noaa.gov/。,該數(shù)據(jù)空間分辨率為1°×1°,覆蓋全球共360×180個格點,時間范圍為1948年至2019年3月13日,時間分辨率為4次/天(UTC 00：00,06：00,12：00,18：00),具有空間分布廣、數(shù)據(jù)連續(xù)、不受云層影響等特點(支星等,2014),因此,在地震監(jiān)測研究中具有較大優(yōu)勢。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

為提取地震大氣溫度每日變化特征,本文采用氣溫日增量值分析方法,即地震前后每日大氣溫度與背景日同時次大氣溫度值相減,得到該區(qū)域發(fā)震前后異常增溫變化圖像。公式如下

ΔTi(x，y)=Ti(x，y)-Tbackground(x，y)

(1)

式中,ΔTi(x，y)代表格點(x，y)上的氣溫數(shù)值增量；Ti(x，y)代表格點(x，y)上的氣溫數(shù)值；Tbackground(x，y)代表固定背景日格點(x，y)上的溫度數(shù)值；x為緯度；y為經(jīng)度；i為日期。

圖 2 2017年8月9日新疆精河MS6.6地震前后天體引潮力時序變化

從式(1)可以看出,利用氣溫日增量值分析方法在提取溫度異常時,背景日的選擇非常關(guān)鍵。因此,為減少多年統(tǒng)計處理方法中,由于數(shù)據(jù)處理背景時間長度差異(5、15、30年)帶來的不確定性(屈春燕等,2006；任靜等,2015),引入天體引潮力變化周期為背景日的選擇提供時間指導(dǎo)。主要考慮如下：首先,天體引潮力是已知作用于地球最大的周期性變化的力,當?shù)卣鹪杏龢?gòu)造應(yīng)力達到臨震階段,被認為有可能觸發(fā)地震(Blackett et al，2011；Ma et al,2012、2015、2018)，將其引入地震前后大氣溫度演化特征的研究中,可探索引潮力與遙感大氣溫度變化間可能存在的關(guān)聯(lián)性；其次,天體引潮力是目前唯一可預(yù)先準確計算的確定物理力學參量,能夠為熱異常研究提供明確的具有力學含義的時間指示,而熱異?？蔀橐绷φT發(fā)的地震提供應(yīng)力狀態(tài)監(jiān)視。

圖 3 2017年8月2～13日新疆精河MS6.6地震增溫異常時空演化紅色圓圈為震中

為此本文根據(jù)美國USGS提供的震源機制解,采用Ma 等(2007)的方法計算并繪制了本次地震震中位置的引潮力隨時間(2017年7月15日～9月15日)連續(xù)變化的曲線(圖2),如圖2 所示,從2017年7月15日始,天體引潮力經(jīng)歷了3個連續(xù)的由高峰—低谷—高峰的明顯變化周期(A,B,C)。8月9日發(fā)生地震(箭頭所指處),引潮力處于低谷相位,顯示引潮力誘發(fā)地震區(qū)域的構(gòu)造應(yīng)屬逆沖斷層(馬未宇等,2006),這與精河地震震源機制解結(jié)論一致,顯示引潮力對該地震具有一定的誘發(fā)作用。

根據(jù)以上方法步驟,在本次地震中,選取2017年8月1日(圖2 中引潮力變化周期最臨近的高點的轉(zhuǎn)折點,也是引潮力作用轉(zhuǎn)折點)的大氣溫度數(shù)據(jù)為背景,將2017年8月2～13日,空間范圍為17°～55°N、72°～135°E的相同時次的地面大氣溫度值與該背景大氣溫度值相減,獲得地震前后逐日連續(xù)變化圖像,作為本次地震臨震異常分析的依據(jù)。

3 精河地震前后大氣溫度時空變化特征分析

圖 3為新疆精河MS6.6地震增溫異常時空演化圖。圖3 顯示,在中國大陸范圍內(nèi),僅震中及其鄰近位置,地震前后大氣溫度發(fā)生明顯變化。8月2日處于平靜狀態(tài),8月3日在震中北部異常出現(xiàn),增幅達到6℃,8月4日異常增強并向西南擴散,于8月7日異常進一步增強,增幅達到8℃,8月8日再次衰減,8月9日發(fā)震當天,輻射增強再次出現(xiàn),達到8℃,8月10～11日,受到地震影響,地表破裂,產(chǎn)生大量地表熱。震后8月12日異常開始消減。8月13日異常完全消失?？梢钥闯霰敬蔚卣疬^程中,大氣溫度異常演化在時間上經(jīng)歷了起始增溫—加強—衰減—高峰—快速衰減—平靜的演化過程；在空間上呈現(xiàn)出不均勻、孤立的團塊分布。另外,本次地震中,大氣溫度熱異常位于震中位置的右側(cè),這主要是由于這段時間的地表主控風向為西北風,造成了大氣熱流擴散遷移。另外,在無地震發(fā)生的A、C周期,則沒有觀測到明顯的增溫過程(圖4、5)。

圖 4 2017年7月18～23日新疆精河MS6.6地震震前A潮汐周期溫度時空演化

圖 5 新疆精河MS6.6地震震后C潮汐周期溫度時空演化(2017.8.31～2017.9.5)

以上分析表明本次增溫與地震存在一定的關(guān)聯(lián)性。本次地震前大氣溫度變化過程,基本符合巖石受力破裂在空間上經(jīng)歷擠壓—巖石微破裂—巖石破裂擴展—應(yīng)力閉鎖—破裂終止的演化特征(吳立新等,2004),為本次地震過程應(yīng)力狀態(tài)演化提供遙感解釋(Ma et al，2018)。

4 結(jié)論與討論

基于引潮力變化周期獲得的精河地震前后大氣溫度演化過程顯示，在全國大范圍內(nèi),僅震中附近震前增溫,且具有唯一性,說明大氣溫度變化與地震存在關(guān)聯(lián)性。結(jié)果表明：將引潮力引入到地震熱異常識別中,一方面,可能為地震遙感短臨監(jiān)測提供可預(yù)先計算的、確定的震前時間背景指示,為震前熱異常識別增添力學依據(jù),消除由于遙感數(shù)據(jù)處理背景選擇的不同所造成的遙感地震監(jiān)測結(jié)論的不確定性；另一方面,遙感熱異常變化也可能為引潮力誘發(fā)地震提供應(yīng)力狀態(tài)指示。但引潮力的變化究竟是如何觸誘發(fā)地震的發(fā)生,如何影響發(fā)震構(gòu)造區(qū)域熱異常,特別是在復(fù)雜下墊面條件下的地震,由于受到地物、地貌以及大氣環(huán)流等非震因素的影響,其機理還不清楚。未來需要深入研究引潮力誘震模式的物理機制,探索熱異常的前兆性與規(guī)律性特征,以便提高特定區(qū)域強震前的早期預(yù)測能力。

另外,本次地震預(yù)測的實踐結(jié)果也表明：將中、短臨時間尺度的地震熱異常變化研究結(jié)合,不僅體現(xiàn)地震孕震過程的持續(xù)性,也兼顧短臨突發(fā)性特征,對地震預(yù)測有重要意義。

最后,本次地震震前8月8日大氣溫度增溫出現(xiàn)一次相對衰減的過程,其表征的巖石應(yīng)力閉鎖期與蘆山地震前熱異常變化具有相似性(解滔等,2015；Ma et al，2015),這一現(xiàn)象可能為地震的最終到來提供指示。

致謝：感謝申旭輝研究員在寫作思路上的指導(dǎo),感謝審稿專家的建設(shè)性修改意見。