震前衛(wèi)星紅外亮溫異常時(shí)空演化特征分析

閆麗莉, 高文晶, 王建國, 張孟怡

(天津市地震局, 天津 300201)

0 引言

衛(wèi)星熱紅外遙感具有精度高、覆蓋范圍廣,準(zhǔn)實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì),在地震研究中被廣泛應(yīng)用,同時(shí)在研究成果上取得一定進(jìn)展[1-10]。如:陳梅花、郭衛(wèi)英等[1-2]分別研究瑪尼7.9級(jí)地震、昆侖山口西8.1級(jí)地震,發(fā)現(xiàn)紅外亮溫增溫異常與斷裂帶存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系,在異常表現(xiàn)很強(qiáng)烈的時(shí)段,斷裂帶內(nèi)外亮溫差值比相鄰年份同期高2～3 ℃;張?jiān)萚3]用小波變換和傅里葉變換的數(shù)據(jù)處理方法,研究汶川MS8.0地震,表明大地震發(fā)生前亮溫變化存在明顯熱異常特征周期和特征幅值;張鐵寶等[4]指出在汶川地震和廬山地震前,巴顏碦拉地塊中東段都有紅外亮溫升溫異常;馬瑾、單新建等[5]探索研究了瑪尼地震前后斷層相互作用,從區(qū)域構(gòu)造背景方面分析瑪尼地震前的增溫異常原因,并分析了變形異?！獢鄬蝇F(xiàn)今活動(dòng)—地震三者間的關(guān)系。

從已有的成果看,地震活動(dòng)引起熱紅外異常毋庸置疑,但是地震活動(dòng)引起的紅外異常,相對(duì)于地表熱輻射的自然變化可能是微弱的?？梢?要從復(fù)雜的熱紅外遙感信息中將深部斷裂活動(dòng)引起的熱異常監(jiān)測(cè)出來,就要掌握無震情況下的熱紅外亮溫正常背景動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,以此作為判別異常的背景和基準(zhǔn),進(jìn)一步提取與地震活動(dòng)相關(guān)的紅外前兆異常。

2012年在天津及其周邊地區(qū)發(fā)生了2次4級(jí)以上地震,分別是2012年5月28日唐山4.8級(jí)地震和2012年6月18日寶坻4.0級(jí)地震。本文基于建立華北地區(qū)多年紅外亮溫動(dòng)態(tài)月背景場(chǎng),利用基于同期亮溫偏移指數(shù)法(即K值法)研究這兩次地震。

1 華北地區(qū)及數(shù)據(jù)介紹

本文選取華北地區(qū)的范圍為 (110°～123°E,34°～43°N),其地質(zhì)活動(dòng)構(gòu)造圖如圖1所示。華北地區(qū)是一個(gè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜和斷裂活動(dòng)強(qiáng)烈的地區(qū),包括山西斷裂帶和太行山山前斷裂帶,其中山西斷裂帶幾乎縱貫了華北地區(qū)的南北向,由北向南對(duì)接組成的地塹—裂谷系呈“S”形雁形排列,地塹內(nèi)部存在一系列與盆地邊緣大斷裂平行、垂直、斜交的隱伏斷裂[11-12];太行山山前斷裂帶位于太行山山脈與華北平原的過渡地帶,不僅是地形地貌分區(qū)的界線,而且也是區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和地球物理場(chǎng)中一條重要的邊界[13]。一系列受伸展正斷層控制的掀斜塊體在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的作用下,形成了典型的盆—嶺式構(gòu)造,一系列NEE向的盆地和斷裂分布與強(qiáng)震活動(dòng)密切相關(guān),形成了以燕山山脈隆起為背景、面對(duì)華北平原廣大沉降帶強(qiáng)烈活動(dòng)的格局[14-16]。

圖1 華北地區(qū)地質(zhì)活動(dòng)構(gòu)造圖Fig.1 Tectonic map of geological activity in North China

NOAA是由美國于20世紀(jì)60年代開始發(fā)射的系列極軌氣象衛(wèi)星,目前在軌運(yùn)行的NOAA系列衛(wèi)星上裝載的AVHRR探測(cè)器星下點(diǎn)空間分辨率為1.1 km,有5個(gè)探測(cè)通道,其數(shù)據(jù)參數(shù)見表1所列。其中,第1,2通道(0.58～1.1 μm )為可見光和近紅外通道,主要反映地氣系統(tǒng)物體的反照率。第3通道(3.93～3.95 μm )為中紅外通道,對(duì)高溫目標(biāo)敏感,適合對(duì)下墊面的異常高溫點(diǎn)進(jìn)行探測(cè),如森林火點(diǎn)、草原火災(zāi)等。第4,5通道(10.5～12.5 μm)為熱紅外通道,反映常溫下(約300 K)地氣系統(tǒng)的長(zhǎng)波輻射[17],為研究地面熱場(chǎng)分布提供了豐富的數(shù)據(jù)源,其數(shù)據(jù)計(jì)算精度為0.1 K。陸面和海面溫度的反演主要用這兩個(gè)波段,與地震及斷裂活動(dòng)相關(guān)熱紅外異常的分析與提取也是利用這兩個(gè)波段的數(shù)據(jù)。本文選用NOAA18衛(wèi)星接收2004—2012年8月的原始數(shù)據(jù),為避免太陽輻射的影響,選取夜間凌晨01～03時(shí)數(shù)據(jù)。

表1 NOAA/AVHRR 數(shù)據(jù)參數(shù)

2 紅外亮溫異常提取方法

2.1 背景場(chǎng)建立方法

正常動(dòng)態(tài)亮溫背景場(chǎng)以華北地區(qū)多年相同時(shí)相觀測(cè)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差作為表征量。計(jì)算時(shí)對(duì)多年累積的數(shù)據(jù)按地理坐標(biāo)進(jìn)行時(shí)間序列上的統(tǒng)計(jì)分析,具體計(jì)算方法如下[18]:

設(shè)N為可用數(shù)據(jù)年限,Ti(x,y,t)為研究區(qū)位置(x,y)處第i年t時(shí)刻的亮溫觀測(cè)值,T(x,y,t)和σ(x,y,t)分別為研究區(qū)位置(x,y)處t時(shí)刻N(yùn)年內(nèi)由與研究區(qū)地震活動(dòng)不相關(guān)的自然噪聲源影響下的亮溫平均值和標(biāo)準(zhǔn)差,則T(x,y,t)和σ(x,y,t)可用下式求得:

(1)

(2)

2.2 基于歷年同期亮溫偏移指數(shù)K值

基于歷年同期亮溫偏移指數(shù)K值可作為異常的表征量。K值從空間上反映日值相對(duì)于歷年同期背景值發(fā)生的偏移,并表征為紅外亮溫異常,在時(shí)間上可獲得異常出現(xiàn)的日期。故該方法可從空間和時(shí)間兩個(gè)方面發(fā)現(xiàn)震前的紅外亮溫異常。

亮溫偏移指數(shù)K值的具體計(jì)算公式如下:

設(shè)N為可用數(shù)據(jù)年限,Ti(x,y,t)為研究區(qū)位置(x,y)處第i年t時(shí)刻的亮溫觀測(cè)值,T(x,y,t)和σ(x,y,t)分別為研究區(qū)位置(x,y)處t時(shí)刻N(yùn)年內(nèi)由與研究區(qū)活動(dòng)不相關(guān)自然噪聲源影響下的亮溫平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。上述兩個(gè)參數(shù)可用來描述研究區(qū)亮溫的正常動(dòng)態(tài)背景值。定義K為亮溫偏移指數(shù),則K表達(dá)式為:

(3)

3 背景場(chǎng)建立

為了避免太陽輻射的影響,本文篩選并截取華北地區(qū)2004—2012年夜間凌晨01～03時(shí)的熱紅外影像。同時(shí),對(duì)每幅影像按等經(jīng)緯度投影進(jìn)行重采樣,生成研究區(qū)范圍內(nèi)的局地投影文件。然后,對(duì)圖像進(jìn)行幾何校正和輻射定標(biāo),生成帶有準(zhǔn)確地理位置信息的紅外亮溫圖像。最后利用《衛(wèi)星紅外地震信息處理軟件》進(jìn)行紅外亮溫月背景場(chǎng)的計(jì)算,建立了華北地區(qū)多年同期的紅外亮溫月背景場(chǎng),其結(jié)果見圖2。

圖2 華北地區(qū)2004—2012年8月同期紅外亮溫月背景場(chǎng)Fig.2 Monthly background field of infrared brightness temperature in North China from 2004 to August 2012

從圖2可以看出,華北地區(qū)月背景場(chǎng)亮溫值的變化主要受季節(jié)和地形的控制及斷裂帶的影響。在時(shí)間序列上,最高亮溫出現(xiàn)于7月份,最低亮溫出現(xiàn)于1月份,月亮溫背景場(chǎng)整體表現(xiàn)出明顯的夏高冬低年變特征,符合季節(jié)變化規(guī)律。在空間上,月亮溫背景場(chǎng)整體表現(xiàn)為東南部華北平原的亮溫高于西北部山區(qū),為了進(jìn)行更好的分析紅外亮溫與高程的關(guān)系,選取了一條從山區(qū)經(jīng)過華北平原進(jìn)入渤海海域的剖面線(見圖3中的紅色線)。從圖4中可以看出,剖面線處的亮溫與高程呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系,即隨著高程的增加紅外亮溫逐漸降低;相反,隨著高程的降低紅外亮溫逐漸升高。活動(dòng)構(gòu)造斷裂帶在紅外亮溫影像上清晰可見。

圖3 華北地區(qū)DEM及所選剖面圖Fig.3 DEM and the selected profile in North China

圖4 剖面高程與紅外亮溫對(duì)比圖Fig.4 Comparison chart of elevation and infrared brightness temperature of the profile

4 紅外亮溫偏移指數(shù)K值

對(duì)華北地區(qū)2012年的亮溫?cái)?shù)據(jù)提取了亮溫偏移指數(shù),即K值,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷,當(dāng)紅外亮溫偏移指數(shù)K>2的部分,認(rèn)為存在衛(wèi)星紅外亮溫異常,計(jì)算結(jié)果見圖5。

從提取的亮溫偏移指數(shù)中可以知道,2012年1—3月華北地區(qū)的衛(wèi)星紅外亮溫表現(xiàn)的比較平靜,從4月份中旬開始出現(xiàn)了紅外亮溫異?，F(xiàn)象,但到5月份又恢復(fù)平靜,直到5月27日,在次日的唐山4.8級(jí)地震震中附近及華北平原地區(qū)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的紅外亮溫異常,在5月28日,這種異常達(dá)到最大,呈現(xiàn)出片狀的“異常橢圓”,其長(zhǎng)軸約980 km,短軸約260 km,異常面積約40萬km2(見圖5),就在8小時(shí)后,也即5月28日的10時(shí),發(fā)生了唐山4.8級(jí)地震。也就是說,在震前1天,甚至幾小時(shí)在唐山斷裂以南存在明顯的紅外亮溫異常現(xiàn)象,震后恢復(fù)平靜。與2011年同期相比,并沒有出現(xiàn)如此強(qiáng)烈的片狀異常橢圓現(xiàn)象。

同樣利用亮溫偏移指數(shù)法計(jì)算了2012年6—8月份的紅外亮溫?cái)?shù)據(jù),得到結(jié)果見圖6所示。從圖中可以看出,2012年6月18日的寶坻4.0級(jí)地震震前的1天(6月17日)存在紅外亮溫異?，F(xiàn)象,但是異常的范圍要小于唐山地震前的。此后,2012年的7、8月份的衛(wèi)星紅外亮溫都表現(xiàn)的比較平靜。

5 紅外亮溫偏移指數(shù)K值統(tǒng)計(jì)曲線

這里選取范圍為(117°～119°E,38°～39°N)研究區(qū),并統(tǒng)計(jì)該研究區(qū)的紅外亮溫偏移指數(shù)K值,見圖7,可以看出,2012年來,一直處于平靜時(shí)期,K值均小于2,未見明顯的紅外亮溫異常。從4月中旬到5月份,K值接近2,紅外亮溫高于歷史同期的變化。到了5月27日K值達(dá)到2.6,出現(xiàn)了明顯的紅外亮溫異常,到了5月28日,K值趨于增大,達(dá)到3.3。這些異?，F(xiàn)象可能與唐山4.8級(jí)地震的構(gòu)造活動(dòng)有關(guān)。在6月18日寶坻4.0級(jí)地震震前一天的紅外亮溫偏移指數(shù)K值約為2.2,其異常與唐山4.8級(jí)地震比不太明顯。

同時(shí)統(tǒng)計(jì)2011年1—12月同一研究區(qū)的紅外亮溫偏移指數(shù)K值,見圖8所示?？梢钥闯?在2011年該區(qū)域內(nèi)沒有出現(xiàn)K值大于2的情況,說明在該范圍內(nèi)沒有亮溫異?，F(xiàn)象存在,2011年天津及其周邊地區(qū)沒有發(fā)生4級(jí)以上地震。得到的結(jié)果與客觀事實(shí)相符。

6 結(jié)論與討論

(1) 紅外亮溫背景場(chǎng)方面:華北地區(qū)熱紅外亮溫背景場(chǎng)變化具有空間相關(guān)性、時(shí)間延續(xù)性和年變周期性,不同地質(zhì)構(gòu)造單元,尤其線性斷裂構(gòu)造在熱紅外圖像上表現(xiàn)清晰。時(shí)間上,呈現(xiàn)出夏高冬低年變特征,符合季節(jié)變化規(guī)律;空間上,紅外亮溫與高程呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(2) 基于同期亮溫偏移指數(shù)K值:2012年5月28日唐山4.8級(jí)地震震前在唐山斷裂帶以南存在明顯強(qiáng)烈的K值異常,在震前8 h達(dá)到最大約3.3。6月18日寶坻4.0級(jí)地震在震前也存在紅外亮溫異?，F(xiàn)象,但是較弱。2012年7—8月華北地區(qū)的亮溫偏移指數(shù)K值沒有出現(xiàn)明顯的亮溫異常現(xiàn)象,可以說明華北區(qū)相對(duì)平靜。

(3) 異常機(jī)理討論:90年代初就有學(xué)者開始探索震前紅外熱異常的機(jī)理研究[19-22],耿乃光等[19]認(rèn)為由于巖石受壓破裂的過程中,斷層蠕動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?或地磁輻射能(包括紅外輻射)轉(zhuǎn)化為熱能引起了震前的熱異常。徐秀登等[20-21]的觀點(diǎn)是臨震地球放氣導(dǎo)致局部大氣效應(yīng),且發(fā)現(xiàn)近地表大氣電場(chǎng),對(duì)大氣增溫效應(yīng)具有推波助瀾的作用。強(qiáng)祖基等[22]提出了“地球放氣說”,地球放氣是種普遍存在的自然現(xiàn)象,地下深部氣體作為地球內(nèi)部物理化學(xué)場(chǎng)變化的產(chǎn)物,從斷裂帶巖石裂隙或土壤直接向外逸散或經(jīng)過熱循環(huán)的地下水被帶出地表,活動(dòng)斷裂是地殼放氣的主要部位之一,特別是在構(gòu)造活動(dòng)比較強(qiáng)烈的時(shí)期。而且通過實(shí)驗(yàn)研究證明CH4和CO2等氣體在瞬變電場(chǎng)中可獲得能量并引起2～6 ℃的增溫,并初步認(rèn)為在中強(qiáng)地震前熱紅外的增溫異常需要同時(shí)滿足氣體突然釋放和靜電場(chǎng)突變的兩個(gè)條件。許多地震的熱紅外圖像具有復(fù)雜性,有些是有增溫異常而無地震,有些則是有地震而無增溫異常。到目前為止,還不能完全解釋這種現(xiàn)象,在機(jī)理研究方面還需深入探索。

圖6 華北地區(qū)2012年6—9月亮溫偏移指數(shù)K值圖Fig.6 K-value of the brightness temperature in North China from June to September 2012

圖7 華北地區(qū)2012年1月1日—9月3日的紅外亮溫偏移指數(shù)K值曲線Fig.7 K-value of the brightness temperature in North China from January 1 to September 3, 2012

圖8 華北地區(qū)2011年1月1日—12月28日的紅外亮溫偏移指數(shù)K值曲線Fig.8 K-value of the brightness temperature in North China from January 1 to December 28 2011