基于MODIS數(shù)據(jù)的伽師—阿圖什交界MS5.8地震熱紅外異常檢測研究

買合木提江·維吉旦, 玉素甫江·如素力,2, 仇忠麗, 迪里胡瑪爾·阿汗木江(. 新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 新疆 烏魯木齊 830054;

2. 新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 新疆 烏魯木齊 830054)

0 引言

地震是常見的一種自然現(xiàn)象。地震預(yù)測精度的提高和改進(jìn)對防災(zāi)減災(zāi)具有重大意義。地震預(yù)測是難以解決的世界性問題之一。地震預(yù)測困難的原因,一是現(xiàn)有的科學(xué)認(rèn)識水平有限,從理論上來看還不能清楚地認(rèn)識地震孕育、發(fā)生的規(guī)律,其二是由于地震活動的監(jiān)測技術(shù)手段的局限性[1]。因此,從多角度對地震進(jìn)行監(jiān)測與預(yù)報(bào)一直是國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)之一。在一定程度上地震熱紅外異?？梢岳斫鉃閺?qiáng)干擾和復(fù)雜背景下的弱信息[2]。衛(wèi)星遙感觀測擁有高覆蓋率、連續(xù)性好、時(shí)空可比性強(qiáng),而且不易受地面條件限制等優(yōu)勢,更為廣泛地應(yīng)用于地震相關(guān)的異常檢測研究[3]。當(dāng)前,地表溫度LST(Land Surface Temperature)主要利用衛(wèi)星遙感反演獲取,不僅能反映出溫度變化的大小,還能從宏觀上理解地表熱能量的空間分布[4]。 “Tronin”等[5]利用不同衛(wèi)星獲取遙感資料對地震前出現(xiàn)的熱紅外異常進(jìn)行了深層研究,發(fā)現(xiàn)了更多強(qiáng)震前產(chǎn)生的熱紅外異常現(xiàn)象。張?jiān)萚6]采用不同于前人的方法,應(yīng)用時(shí)頻相對功率譜法和小波變換法,分析靜止衛(wèi)星熱紅外遙感資料研究汶川等地震,發(fā)現(xiàn)地震發(fā)生前存在明顯的地震熱異常特征周期和特征幅值。這個(gè)方法現(xiàn)在適用于很多關(guān)于熱紅外異常檢測的研究當(dāng)中。熱紅外異常識別多采用斷裂帶內(nèi)外亮溫差值法等方法[7]。馬瑾等[8]在探索1997年瑪尼7.9級地震前后發(fā)現(xiàn),在發(fā)震前20天阿爾金斷裂的東段開始產(chǎn)生增溫現(xiàn)象,逐漸擴(kuò)大為顯著的條帶,這一條帶持續(xù)到11月8日瑪尼強(qiáng)震的產(chǎn)生,發(fā)震后此條帶逐步消失,從而引發(fā)瑪尼地震的瑪爾蓋茶卡斷層在發(fā)震前兩天才開始出現(xiàn)地表溫度增溫異常。如今,各位學(xué)者在地震發(fā)生前熱紅外異?，F(xiàn)象和斷裂帶熱活動變化情況的研究中取得了一定成果[9]。正確識別熱紅外異常信息、排除各類非地震要素的干擾和提取與斷層運(yùn)動相關(guān)的熱異常信息是采用衛(wèi)星紅外遙感技術(shù)進(jìn)行地震預(yù)測的前提[10]。

本文利用2008年1月1日至2012年12月30日的MODIS的LST產(chǎn)品,通過STL(Seasonal and Trend decomposition using Loess)分解法逐像元地去除數(shù)據(jù)的變化趨勢和季節(jié)因素周期性的影響,對其殘余項(xiàng)運(yùn)用GESD(Generlized Extreme Studentized Deviate Test)檢驗(yàn)進(jìn)行異常檢測。結(jié)合震中區(qū)域的構(gòu)造活動,根據(jù)地震熱異常監(jiān)測結(jié)果,研究震中及周圍地震前后熱異常及其時(shí)空分布特征。喀什—阿圖什是地震頻發(fā)地區(qū),2011年8月11日伽師縣和阿圖什市交界處發(fā)生了5.8級地震,破壞程度較為嚴(yán)重,受災(zāi)人口約 47 606人。截至2011年9月25日共記錄地震序列98次余震。雖然此次地震震級不高,但地震帶來的損害較為嚴(yán)重,且包含的信息在同級地震中更為豐富,因此進(jìn)一步研究此次地震發(fā)生的各種因素具有一定的理論意義,對提高預(yù)報(bào)檢測、減少地震帶來的災(zāi)害方面可能具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

1.1 地震基本參數(shù)及震區(qū)概況

本文以2011年8月11日18點(diǎn)6分在新疆伽師縣—阿圖什市交界處發(fā)生的MS5.8地震為研究對象。此次地震震中位于39.9°N、77.2°E(圖1),震源深度8 km,其發(fā)震構(gòu)造為柯坪斷裂?？缕簲嗔炎呦騈E,沿柯坪山前分布,為左旋逆斷層,垂直向活動速率0.23～2.94 mm/a[11]。該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,新構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈,不僅表現(xiàn)出地震活動性強(qiáng)、頻度高的特點(diǎn),而且出現(xiàn)了多種類型的地震,主要有主余型、孤立型、雙主震、震群型[12]。此次地震序列顯示,截至2011年9月 25日24時(shí),共記錄到余震98次,其中0～0.9級47次,1.0～1.9級40 次,2.0～2.9級 9 次,3.0～3.9級2次,最大余震為MS3.2,余震具有向北散開的分布特征(圖1)。 因此此次地震為主-余震型地震。

圖1 伽師—阿圖什交界MS5.8地震區(qū)域地震構(gòu)造圖Fig.1 Regional seismotectonic map of the MS5.8 earthquake at the Jiashi-Atushi junction

地貌上,震區(qū)位于喀什地區(qū)東北部,喀什葛爾河流域中下游,喀什喀爾套山北麓沖積、洪積平原區(qū),區(qū)內(nèi)平均海拔1 190 m,沿山前地形為平坦開闊盆地,地勢由北向南微傾斜,坡降為3‰。極震區(qū)西克爾庫勒鎮(zhèn)位于山前洪積平原,地基土由砂礫石層組成,地下水埋藏較深;喀什葛爾河中下游沖積和泛濫平原區(qū)為主要受災(zāi)區(qū)域,地勢平坦開闊,地下水位高,平均1～3 m,局部地帶地下水以沼澤濕地或沼澤直接出露地表,地表土層鹽漬化程度高,地基土層以飽和松散砂、亞砂土和亞黏土軟弱土層為主,人口相對密集[13]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

MODIS也被稱之為中分辨率成像光譜儀(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer),具有高輻射分辨率(36通道)、中等空間分辨率及高飽和度,覆蓋范圍廣、時(shí)間分辨率為8天,具有較高的地震熱異常監(jiān)測精度。用于研究的LST數(shù)據(jù)來自于美國航空航天局(NSIDC,http://nsidc.org/NASA/MODIS)網(wǎng)站下載的MODIS/Terra 8d合成的MOD11A2白天LST產(chǎn)品,空間分辨率為1 km,時(shí)間范圍為2008—2012年(230幅圖像)。擁有隔8天的日夜數(shù)據(jù)。搭載在太陽同步極軌衛(wèi)星 TERRA和AQUA 衛(wèi)星上的中等分辨率成像光譜儀(MODIS)有36個(gè)波段,頻段分布分布范圍為0.405～14.38 μm,空間分辨率有 250、500 m和1 000 m[14]。

2 數(shù)據(jù)處理方法

2.1 STL分解法

STL是非參數(shù)的統(tǒng)計(jì)方法,此方法把時(shí)間序列數(shù)據(jù)分成三項(xiàng),分別是低頻率的趨勢項(xiàng),高頻率的周期項(xiàng)(季節(jié)項(xiàng)),不規(guī)則變化的趨勢項(xiàng):

Remainder(ri,t)=Δ(ri,t)=Y(ri,t)-

(Trend(ri,t)+Seasonal(ri,t))

(1)

式中:Remainder(ri,t)(或Δ(ri,t))、Y(ri,t)、Trend(ri,t)和Seasonal(ri,t)依次為ri位置處t時(shí)刻的殘余項(xiàng)、觀測值、趨勢項(xiàng)以及周期項(xiàng)。一般表示低頻率的變化趨勢的是趨勢項(xiàng),表示高頻變化得是周期項(xiàng),而隨機(jī)擾動形成的無規(guī)律的一些變化所表示的是殘余項(xiàng)。STL方法一次的遞歸過程需要進(jìn)行3次Loess和滑動平均。Loess過程是對于不同位置的點(diǎn)及不同權(quán)重進(jìn)行一定的局部加權(quán)回歸。此過程假設(shè)其基于距離越近,相關(guān)性越強(qiáng),并且包含選擇局部回歸的窗口長度、權(quán)重函數(shù)及回歸方程階數(shù)[15-16]。本研究為了有效地去除LST的季節(jié)性變化和趨勢變化,應(yīng)用STL分解法,分解提取時(shí)空遙感數(shù)據(jù)集的周期項(xiàng)、趨勢項(xiàng)和殘余項(xiàng)信息。采用式(1)逐像元分解出殘余項(xiàng)時(shí)空分布數(shù)據(jù)集(操作流程如圖2所示)。

圖2 基于STL的地震熱異常分解流程Fig.2 Decomposition process of seismic thermal anomalies based on STL

2.2 GESD檢驗(yàn)

大多數(shù)情況下數(shù)據(jù)集中異常值不止一個(gè),因此Rosner[17]提出了GESD檢驗(yàn)(泛化版ESD)。GESD是Rosner教授基于Grubb's Test(或ESD)改進(jìn)的識別離散值方法;此方法中比較統(tǒng)計(jì)量Rj與臨界值λj,若Rj>λj,該點(diǎn)為異常點(diǎn)。

(2)

(3)

式中:λj為第i大的數(shù)據(jù)臨界值；n為離散點(diǎn)數(shù)量；tn-i-1,p是(n-i-1) 自由度的t分布右側(cè)尾概率為p時(shí)的值。

3 分析和研究

3.1 熱紅外異常時(shí)空變化過程及其特征

2011年8月11日伽師—阿圖什地震發(fā)生在柯坪斷裂上,利用2008年1月1日至2013年1月1日的LST數(shù)據(jù)運(yùn)用STL分解法進(jìn)行異常提取,通過時(shí)空演化圖可以明顯識別震前熱紅外異常,獲得的空間變化數(shù)據(jù)如圖3所示。異?？臻g演化特征可以看出:震前2011年1月1日發(fā)震斷層附近開始出現(xiàn)異常,但異常面積較小,2011年2月1日發(fā)震斷層周圍異常面積進(jìn)一步擴(kuò)大,2011年2月26日和2011年3月14日發(fā)震區(qū)發(fā)震斷層出現(xiàn)大面積熱異常,然后熱異常面積逐漸減少。4月23日震區(qū)斷層周圍再次出現(xiàn)大面積熱異常,之后熱異常面積減少。8月5日出現(xiàn)熱異常但異常面積較小,之后2011年8月11日研究區(qū)發(fā)生MS5.8地震。地震發(fā)生后到9月14日出現(xiàn)熱異常,隨后熱異常逐漸消失。通過此次震例分析并結(jié)合歷史震例發(fā)現(xiàn),熱異常演化過程經(jīng)歷 “出現(xiàn)-擴(kuò)大-分散增溫-增溫幅度達(dá)到極值-消失-發(fā)震”等幾個(gè)階段,震中位于異常最集中出現(xiàn)的斷層上。從發(fā)震位置來看,熱異常與本次伽師縣—阿圖什斷層分布有較大的相關(guān)性。

圖3 伽師—阿圖什交界MS5.8地震熱紅外異常時(shí)空演化圖Fig.3 Temporal and spatial evolution of thermal infrared anomalies of the MS5.8 earthquake at the Jiashi-Atushi junction

2011年8月11日至9 月28 日地震序列共記錄了89次余震。從伽師MS5.8地震的余震分布、構(gòu)造斷裂特征上可以看出,此次地震的余震主要分布在主震以北,且分布在主震相同的斷裂帶周圍(如圖1所示),出現(xiàn)的熱紅外異常的區(qū)域大部分余震跟主震在同一個(gè)斷層上。根據(jù)熱異常分布和余震分布圖可以看出,余震發(fā)生前四個(gè)月余震發(fā)生區(qū)域同樣出現(xiàn)熱紅外異常,出現(xiàn)余震區(qū)域和熱異常出現(xiàn)的位置基本相同,余震主要分布于出現(xiàn)熱紅外異常的構(gòu)造帶附近,出現(xiàn)熱紅外異常的大部分區(qū)域在主震發(fā)生后伴隨一系列余震,大部分余震主要分布在主震發(fā)生的震前出現(xiàn)熱紅外異常斷裂帶附近。通過分析可以看出余震分布與發(fā)震構(gòu)造、熱異常分布相關(guān)。從余震出現(xiàn)位置來看,余震分布與主震發(fā)生的斷裂帶和熱異常分布相關(guān)。

3.2 地震熱紅外區(qū)域時(shí)間變化特征

震前異常區(qū)域的時(shí)間序列反映異常區(qū)域熱紅外異常的總體變化情況。為了分析伽師縣—阿圖什交界MS5.8的地震熱紅外異常變化過程,對5年異常值時(shí)間序列進(jìn)行分析和研究,其異常時(shí)間變化序列如圖4所示。可以看出從2011年2月開始研究區(qū)異常數(shù)值開始巨增,3月1日異常值達(dá)到極值,3 000多個(gè)像元出現(xiàn)異常,隨后異常值出現(xiàn)不穩(wěn)定狀況,有增大和減少的交替趨勢,至5月1日出現(xiàn)大面積異常隨后異常逐漸消失,異常消失后研究區(qū)于8月11日發(fā)生MS5.8地震,地震發(fā)生后研究區(qū)出現(xiàn)小面積異常。根據(jù)時(shí)間序列分析可以看出震前出現(xiàn)熱異常,異常消失后發(fā)震時(shí)刻時(shí)間間隔較長,即異常明顯出現(xiàn)后半年內(nèi)是發(fā)震的可能時(shí)段。另外,在圖4中的地震熱紅外異常時(shí)間序列曲線中2008年2月、2009年2月和2010年6月均出現(xiàn)了顯著異常值,由于伽師縣是地震頻繁區(qū),2008—2010年均有地震出現(xiàn)。根據(jù)地震臺記錄數(shù)據(jù)看出2010年年內(nèi)出現(xiàn)80多次小震,同樣2008年和2009年也發(fā)生大量小震,地震熱紅外異常時(shí)間序列曲線中出現(xiàn)的異常值都于地震相關(guān)。

圖4 地震熱紅外異常時(shí)間序列曲線 (區(qū)域范圍為39°36′～40°30′N,76°48′～77°52′E)Fig.4 Time series curve of seismic thermal infrared anomalies (Regional range is 39°36′～40°30′N,76°48′～77°52′E)

3.3 同地區(qū)地震類比分析

熱紅外震例積累及類比工作可為正確識別與地震或斷層活動相關(guān)的熱信息提出更多判別指標(biāo),更大程度地排除非震因素引起的熱異常變化?？紤]發(fā)震區(qū)域及時(shí)間尺度,本文選擇2018年9月4日伽師縣MS5.5地震與本次地震作類比分析,并采用相同的數(shù)據(jù)處理方法和流程。兩次地震震中相距不足40 km,通過利用STL分解法對其進(jìn)行熱異常提取(圖5)。2018年2月26日出現(xiàn)熱紅外異常,主要集中在震中區(qū)斷層周圍,然后異常逐漸消失,隨后5月17日震中東北區(qū)域出現(xiàn)大量熱紅外異常,隨后快速減弱直至完全消失,隨后研究區(qū)2018年9月4日發(fā)生MS5.5地震,異常消失后發(fā)震時(shí)刻時(shí)間間隔較長,出現(xiàn)大面積異常和發(fā)震時(shí)間間隔是4個(gè)月,熱異常出現(xiàn)后總體演化過程與伽師—阿圖什MS5.8地震基本一致,同樣增溫現(xiàn)象經(jīng)歷了“出現(xiàn)-擴(kuò)大-分散增溫-增溫幅度達(dá)到極值-消失-發(fā)震”等幾個(gè)階段。對2014年1月1日—2019年1月1日期間熱紅外異常時(shí)間序列曲線的分析表明(圖6),地震熱紅外異常出現(xiàn)和發(fā)震時(shí)間間隔4個(gè)月,熱紅外異常時(shí)間序列變化特征跟伽師—阿圖什MS5.8地震基本一致,異常消失后發(fā)震時(shí)刻時(shí)間間隔較長,進(jìn)一步證明異常明顯出現(xiàn)后半年內(nèi)是發(fā)震的可能時(shí)段。

圖5 伽師2018年9月6日MS5.5地震熱紅外異常時(shí)空演化圖Fig.5 Temporal and spatial evolution of thermal infrared anomalies of the Jiashi MS5.5 earthquake on September 6,2018

圖6 伽師MS5.5地震熱紅外異常時(shí)間序列曲線 Fig.6 Time series curve of thermal infrared anomalies of Jiashi MS5.5 earthquake

相同地區(qū)的震例進(jìn)行類比可以有效地排除地質(zhì)環(huán)境、大氣環(huán)境和地理位置等條件帶來的干擾,對提高區(qū)域熱紅外異常預(yù)報(bào)指標(biāo)的可信度有一定幫助。這兩次地震由于震中位置相近,熱紅外異常表現(xiàn)出許多共同點(diǎn):首先,地震發(fā)生前均存在突出的熱紅外異常;第二,受震級大小和震級類型影響,異常值雖有所差異,但都在發(fā)震前4個(gè)月出現(xiàn)熱異常;最后,兩次地震震中在異常最集中區(qū)域邊緣的斷層附近。上述共同點(diǎn)或可為該區(qū)域熱紅外異常信息的判定提供一些明確的指標(biāo),特別是相同的發(fā)震特征可表征本地區(qū)的一種固定的物理特性。

通過對兩次地震比較發(fā)現(xiàn),兩者的不同點(diǎn)主要表現(xiàn)在熱異常最大峰值和熱異常范圍,其中最大峰值同時(shí)受地震類型和各種地質(zhì)環(huán)境變化的控制。由于文中對比的地震來自同一地區(qū),因而降低了不同地質(zhì)條件造成的影響,加之兩者發(fā)震時(shí)段所處的季節(jié)較為相近,也減少了氣候因素帶來的干擾,所以地震類型是最大峰值顯示出差異的最主要原因。今后工作中還需進(jìn)一步結(jié)合地質(zhì)科考和實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果,使同地區(qū)熱異常的預(yù)測指標(biāo)更加可信。

4 結(jié)論與討論

地震熱紅外異常時(shí)空演化圖和熱紅外異常時(shí)間序列曲線是研究和分析判斷地震熱紅外異常變化信息的依據(jù)。本文通過嘗試STL分解法逐像元地去除數(shù)據(jù)的變化趨勢和季節(jié)因素周期性的影響,對其殘余項(xiàng)用GESD檢驗(yàn)進(jìn)行異常檢測分析得到了伽師—阿圖什交界MS5.8地震的地震熱紅外異常演化圖和震中時(shí)間序列變化曲線,發(fā)現(xiàn)伽師—阿圖什交界處發(fā)生的5.8級地震前出現(xiàn)了較明顯的熱紅外異常變化。從地震前熱紅外時(shí)空演化圖中可以發(fā)現(xiàn),震前4個(gè)月異常開始明顯,異常范圍變化基本過程是“出現(xiàn)-擴(kuò)大-分散增溫-增溫幅度達(dá)到極值-消失-發(fā)震”的規(guī)律,峰值距發(fā)震時(shí)刻時(shí)間間隔較長。地震發(fā)生在出現(xiàn)異常的斷層區(qū)域,在發(fā)震區(qū)連續(xù)3個(gè)月出現(xiàn)大面積異常后地震發(fā)生。異常分布特征和發(fā)震時(shí)間特征與前人的研究結(jié)果基本一致,即異常出現(xiàn)后的十幾天至半年內(nèi)是地震發(fā)生的可能時(shí)段。伽師縣—阿圖市交界MS5.8地震發(fā)生后根據(jù)余震分布、構(gòu)造帶和熱紅外異常分布特征關(guān)系中可以看出,大部分余震發(fā)生的位置與主震發(fā)生前熱紅外異常的位置具有一致性,都在主震發(fā)震的構(gòu)造帶附近,余震主要分布在出現(xiàn)熱異常的構(gòu)造帶附近,因此可以看出研究區(qū)震后余震分布與地震構(gòu)造、熱異常分布相關(guān)。

同地區(qū)震例對比研究結(jié)果表明,伽師—阿圖什交界5.8級和伽師5.5級地震震前均出現(xiàn)了較明顯的熱紅異常。這兩次同地區(qū)地震的熱紅外異常變化特征有許多相同點(diǎn),主要表現(xiàn)在相同的峰值距發(fā)震時(shí)刻時(shí)間間隔,異常與震中位置的關(guān)系上。伽師—阿圖什交界5.8級地震熱異常峰值明顯高于伽師縣5.5級地震,同時(shí)熱紅外異常覆蓋面積也有所不同,排除區(qū)域地質(zhì)環(huán)境和氣象因素的干擾,可能是地震類型和地震前后能量釋放差別造成的。從比較結(jié)果來看,兩次地震的峰值距發(fā)震時(shí)刻的時(shí)間間隔相同,該參量或可為地震熱紅外異常特征的歸納提供典型的參考信息,為未來建立區(qū)域熱異常統(tǒng)計(jì)模型積累可靠的判定依據(jù)。本次使用的分析方法可以檢測出地震前后熱異常變化驗(yàn)證了此分析方法的適用性和地震判別方面的作用。