2017年8月9日精河MS 6.6地震熱紅外亮溫異常分析

張治廣 張璇 張?jiān)?王在華

1）新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊市新市區(qū)科學(xué)二街338號(hào) 830011

2）甘肅省地震局，蘭州 730000

0 引言

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，2017年8月9日7時(shí)27分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（圖 1），震源深度約 11km，震中距精河縣城約 38km，位于庫(kù)松木契克山前斷裂附近。該斷裂為逆沖性質(zhì)的全新世活動(dòng)斷裂，1900年以來(lái)距震中200km范圍內(nèi)發(fā)生 11次 6級(jí)以上地震。矩張量反演結(jié)果（http：//www.cea-igp.ac.cn/tpxw/275882.html）表明此次地震為逆沖型。

為了盡量減少地震造成的災(zāi)害損失，國(guó)內(nèi)外許多研究人員積極開(kāi)展地震前兆觀測(cè)研究，并對(duì)地震預(yù)測(cè)進(jìn)行探索。自Gorny等（1988）發(fā)現(xiàn)1984年加茲利地震震前衛(wèi)星熱紅外輻射值異常后，震前衛(wèi)星熱紅外異常研究得到了迅速發(fā)展，已成為地震學(xué)、遙感學(xué)研究所關(guān)注的熱點(diǎn)（Tronin et al，2002；Saraf et al，2003、2008；Ouzounov et al，2004；Choudhury et al，2006；Pulinets et al，2006）。我國(guó)的衛(wèi)星熱紅外與地震間關(guān)系的研究始于20世紀(jì)80年代末，馬瑾院士對(duì)前蘇聯(lián)進(jìn)行學(xué)術(shù)訪問(wèn)時(shí)帶回了這方面研究的進(jìn)展情況，隨后強(qiáng)祖基等（1990、1998）、徐秀登等（1990、1994）開(kāi)始了對(duì)這一領(lǐng)域的探索研究。遙感熱紅外技術(shù)在地震預(yù)測(cè)中的應(yīng)用研究主要集中在以下3個(gè)方面：①震前熱紅外增溫異常識(shí)別提取方法研究；②熱紅外異常與地震三要素間關(guān)系的研究；③地震熱紅外增溫的機(jī)制研究。強(qiáng)祖基等（1990、1998）、徐秀登等（1990、1994）的研究主要通過(guò)目視解譯法來(lái)獲得遙感圖像增溫區(qū)域的演變趨勢(shì)，同時(shí)結(jié)合地震地質(zhì)知識(shí)對(duì)震例進(jìn)行總結(jié)，得出衛(wèi)星紅外亮溫增溫異常與地震三要素間的關(guān)系，并提出“地球放氣說(shuō)”的紅外增溫機(jī)制。遙感-巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究（耿乃光等，1992；吳立新等，2004）表明，巖石從受壓到破裂前，以及斷層黏滑失穩(wěn)前的紅外輻射溫度場(chǎng)都出現(xiàn)隨應(yīng)力-應(yīng)變發(fā)展的規(guī)律性升溫現(xiàn)象。Tronin等（2002）、呂琪琦等（2000）對(duì)一些地震進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，紅外影像上的熱異常與地殼線性構(gòu)造和斷裂帶有關(guān)。馬瑾等（2006）利用衛(wèi)星紅外數(shù)據(jù)提取斷層活動(dòng)信息，證明了熱紅外信息可以作為研究斷層相互作用的新的獨(dú)立物理量。荊鳳等（2009a、2009b）對(duì)中國(guó)大陸地區(qū)長(zhǎng)波輻射背景場(chǎng)特征展開(kāi)研究，并將其應(yīng)用到中強(qiáng)震的震例分析中。陳順云等（2004、2009）提出并提取了地表亮溫年變基準(zhǔn)場(chǎng)，為利用熱紅外輻射數(shù)據(jù)提取地殼活動(dòng)信息提供了參考背景。多位學(xué)者（吳立新等，2008；魏樂(lè)軍等，2008；康春麗等，2009；馬未宇，2008；張?jiān)龋?010）分別使用不同的方法和熱紅外數(shù)據(jù)源對(duì)2008年汶川8.0級(jí)地震前熱紅外數(shù)據(jù)變化進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，震前存在熱紅外異常。相關(guān)研究（魏從信等，2013；張鐵寶等，2013；徐秀登等，2013；張璇等，2013；解滔等，2015）也表明，在近幾年中國(guó)大陸7級(jí)以上強(qiáng)震前同樣存在熱紅外異?，F(xiàn)象。

本文應(yīng)用張?jiān)龋?010）、郭曉等（2010）提出的相對(duì)功率譜方法及其開(kāi)發(fā)的FIXSATELLITE軟件對(duì)風(fēng)云靜止氣象衛(wèi)星熱紅外亮溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取地震前后熱紅外數(shù)據(jù)時(shí)空變化圖像，研究精河MS6.6地震前熱紅外亮溫?cái)?shù)據(jù)有無(wú)前兆異常。

圖1 精河MS 6.6地震震中和周邊斷層分布

1 數(shù)據(jù)選取和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)選取

本文使用的衛(wèi)星資料是中國(guó)靜止氣象衛(wèi)星FY-2E、FY-2G（FY-2E的替代衛(wèi)星）的紅外遙感亮溫產(chǎn)品數(shù)據(jù)，來(lái)源于中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心。FY-2E、FY-2G分別發(fā)射于2008年6月15日、2014年12月31日，定點(diǎn)于105°E赤道上空，距地面約35000km，星下點(diǎn)紅外分辨率為5km，有效觀測(cè)范圍為 60°N～60°S、45°～165°E，每30min或1h對(duì)地球約1/3面積觀測(cè)1次。紅外觀測(cè)波段分別為 10.3～11.3、11.5～12.5μm，熱紅外亮溫觀測(cè)每小時(shí)進(jìn)行 1次（http：//www.nsmc.org.cn/NewSite/NSMC/Home/Index.html）。與極軌衛(wèi)星相比，靜止衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)在于衛(wèi)星與觀測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置幾乎是固定的，觀測(cè)點(diǎn)到衛(wèi)星的熱輻射傳播路徑的影響也是固定的。由于白天太陽(yáng)照射會(huì)引起地表溫度的大幅升高，難以將由構(gòu)造活動(dòng)或地震孕育引起的地表溫度小幅變化從周?chē)尘爸袇^(qū)分出來(lái)，并且光照條件的不同也會(huì)造成不同區(qū)域日間地表溫度存在差異，不利于異常識(shí)別，且白天人為活動(dòng)也會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)造成一定的干擾。為了減少太陽(yáng)輻射及人為活動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)的影響，盡可能真實(shí)地反映當(dāng)天地表輻射亮溫，在進(jìn)行大數(shù)據(jù)量運(yùn)算的同時(shí)，為保證數(shù)據(jù)跟蹤分析的時(shí)效性，故選取北京時(shí)間 01：00～05：00（GMT17：00～21：00）時(shí)間段的 5次觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

首先，用補(bǔ)窗法對(duì)各像元每天5個(gè)時(shí)間點(diǎn)的亮溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，去除短時(shí)間范圍內(nèi)云層對(duì)數(shù)據(jù)的部分影響，再取其平均值作為每天該像元的觀測(cè)值，對(duì)所有像元每天數(shù)據(jù)作同樣的處理得到各像元的日均值序列。然后，利用小波變換對(duì)每個(gè)像元進(jìn)行2階尺度函數(shù)與7階尺度函數(shù)相減的處理，以去除連續(xù)亮溫?cái)?shù)據(jù)信息中所包含的地球基本溫度場(chǎng)（直流部分）、年變溫度場(chǎng)、日變溫度場(chǎng)、雨云和寒熱氣流等非震因素引起的溫度變化，保留地震因素引起的溫度微變化信息，得到在時(shí)間域里正負(fù)相間的亮溫相對(duì)變化波形數(shù)據(jù)?？紤]短臨地震異常出現(xiàn)的時(shí)間一般為10～90天，故以n=64天為窗長(zhǎng)、m=1天為滑動(dòng)窗長(zhǎng)對(duì)小波變換后的每個(gè)像元作傅里葉變換，計(jì)算其功率譜，并對(duì)每一像元的所有頻率的功率譜作相對(duì)幅值處理，得到功率譜相對(duì)變化的時(shí)空數(shù)據(jù)（張?jiān)龋?010；郭曉等，2010）。最后，利用計(jì)算得到的時(shí)-頻空間數(shù)據(jù)進(jìn)行全時(shí)空和全頻段掃描，提取并識(shí)別異常區(qū)域時(shí)空變化特征。

2 結(jié)果分析

盡管采用了上述方法對(duì)資料進(jìn)行處理以去除各種干擾因素，但結(jié)果圖像中仍然存在一些離散的高值噪聲異常點(diǎn)。為得到可能與構(gòu)造活動(dòng)、地震等有關(guān)的異常信息，在前人研究的基礎(chǔ)上（解滔等，2015），對(duì)結(jié)果圖像分析時(shí)采用以下4條判別準(zhǔn)則識(shí)別異常信息：①主要異常像元需集聚成一定規(guī)模的異常區(qū)域，而非零星離散分布；②顯著異常需持續(xù)20天以上；③異常區(qū)域需沿構(gòu)造斷裂帶分布，尤其是活動(dòng)斷裂帶；④相對(duì)功率譜值達(dá)到其平均功率譜幅值的4倍以上。

2.1 地震熱紅外異常時(shí)空演化過(guò)程分析

圖2為精河MS6.6地震前后紅外亮溫功率譜異常時(shí)空演化圖。由圖2可見(jiàn)，2017年7月12日在北天山地震帶中、東部和阿爾泰地震帶中部（朱令人，2002）開(kāi)始出現(xiàn)相對(duì)功率譜高值聚集現(xiàn)象，隨后幅值、面積逐漸增大，至7月18日高值區(qū)域集中成片出現(xiàn)，主要分布在北天山地震帶中東部、阿爾泰地震帶和準(zhǔn)噶爾盆地內(nèi)部，7月27日幅值、面積達(dá)到最大值，然后至7月30日高值異常區(qū)域向西遷移且延伸至北天山地震帶西部，隨后逐漸減小，至8月14日高值基本消失，異常持續(xù)約1個(gè)月。異常由最大值逐步恢復(fù)至正常背景值的過(guò)程中，即8月9日在異常區(qū)域邊緣發(fā)生精河MS6.6地震。

圖2 精河MS 6.6地震前后紅外亮溫相對(duì)功率譜異常時(shí)空演化

2.2 亮溫功率譜平均值時(shí)間變化特征

為了分析北天山地震帶紅外亮溫功率譜在精河MS6.6地震前后的變化過(guò)程，對(duì)圖2中紫色四邊形區(qū)域的平均值進(jìn)行研究，其相對(duì)幅值時(shí)間變化序列見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，2010年以來(lái)，研究區(qū)亮溫平均功率譜相對(duì)幅值基本在4倍均值（正常背景值）以下，2010～2016年共達(dá)到4倍均值5次，但持續(xù)時(shí)間較短且幅度較小，未達(dá)到異常判定指標(biāo)。2017年7月16日相對(duì)幅值為4.21，開(kāi)始超過(guò)4倍均值線，7月20日達(dá)到最大值9.34；8月8日降到4倍均值以下，高值異常持續(xù)24天。精河MS6.6地震前，研究區(qū)亮溫平均功率譜相對(duì)幅值變化過(guò)程與圖2整個(gè)異常區(qū)域的時(shí)間演化過(guò)程類(lèi)似，地震發(fā)生在亮溫平均功率譜相對(duì)幅值由最大值恢復(fù)至正常背景值的過(guò)程中。

圖3 精河MS 6.6地震亮溫平均功率譜相對(duì)幅值時(shí)序變化

3 結(jié)論與討論

以上分析結(jié)果表明，精河地震前熱紅外亮溫資料相對(duì)功率譜出現(xiàn)顯著異常。7月12日在北天山地震帶中、東部和阿爾泰地震帶中部開(kāi)始出現(xiàn)相對(duì)功率譜高值聚集現(xiàn)象，隨后幅值、面積逐漸增大，至7月18日高值區(qū)域集中成片出現(xiàn)，主要分布在北天山地震帶中東部、阿爾泰地震帶和準(zhǔn)噶爾盆地內(nèi)部，7月27日幅值、面積達(dá)到最大值，然后逐漸減弱，8月14日后高值基本消失，異常持續(xù)大約1個(gè)月。8月9日在北天山地震帶西部的庫(kù)松木契克山前斷裂發(fā)生精河MS6.6地震。

地震實(shí)際上是在區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用下，應(yīng)變?cè)诨顒?dòng)斷裂帶上某些部位不斷積累并達(dá)到極限狀態(tài)后局部巖層突發(fā)失穩(wěn)破裂的結(jié)果（Molnar et al，1975）。目前，對(duì)于地震熱紅外異常機(jī)理的解釋主要有以下幾個(gè)方面：①應(yīng)力擠壓導(dǎo)致地下流體向地表擴(kuò)散，存在地?zé)岷透缓蜌獾牡貐^(qū)震前更容易出現(xiàn)熱異?，F(xiàn)象（Cicerone et al，2009；張?jiān)龋?010）；②震前裂隙通道增加，深部熱能向上對(duì)流（王洪濤等，1995；Tronin et al，2002）；③巖石變形破裂面錯(cuò)動(dòng)及摩擦導(dǎo)致增溫（吳立新等，2006；徐忠印等，2015）。精河地震前熱紅外相對(duì)功率譜異常在空間上主要分布在北天山地震帶、阿爾泰地震帶和準(zhǔn)噶爾盆地，這可能是在印度洋板塊向北水平推進(jìn)動(dòng)力的作用下（Molnar et al，1975），應(yīng)力沿著塔里木盆地向北傳遞，北天山地震帶、阿爾泰地震帶和準(zhǔn)噶爾盆地內(nèi)部發(fā)生相對(duì)變形，在地震發(fā)生前，應(yīng)力逐漸積累達(dá)到巖層破裂的臨界狀態(tài)，貫通地表的裂隙數(shù)量也逐漸增多，地殼流體成分溢出和斷層裂隙摩擦錯(cuò)動(dòng)造成增溫，同時(shí)，伴隨裂隙增多的過(guò)程，地下巖層與地表的熱對(duì)流也隨之增強(qiáng)，可能是這些因素的共同作用使震前熱紅外異常在上述地區(qū)集中出現(xiàn)，具體哪個(gè)因素占主導(dǎo)地位，目前的研究還無(wú)法判定。

利用相對(duì)功率譜方法對(duì)以往震例的研究結(jié)果表明，地震通常發(fā)生于異常區(qū)域邊緣（張?jiān)龋?010；張治廣等，2017；張璇等，2017）。精河地震發(fā)生在異常區(qū)域的邊緣——北天山地震帶西部，震中位于SWW向的準(zhǔn)噶爾盆地西緣斷裂帶與北天山地震帶交匯部位，而不是異常幅度大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的北天山地震帶中東部和阿爾泰地震帶，這可能與斷裂帶的構(gòu)造環(huán)境、動(dòng)力環(huán)境、巖石成分性質(zhì)及裂隙發(fā)育度、應(yīng)力積累狀態(tài)和區(qū)域大氣環(huán)境等因素有關(guān)。震前異常過(guò)程表現(xiàn)為異常出現(xiàn)—增強(qiáng)—達(dá)到極大值—衰減—異常消失—發(fā)震的過(guò)程，與巖石實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似（徐忠印等，2015），即紅外輻射呈現(xiàn)初始階段變化很小、彈性階段緩慢增加、塑性階段快速增加以及臨破裂前回落的變化特征。綜上所述，本文討論的熱紅外亮溫相對(duì)功率譜異?？赡苁蔷覯S6.6地震的前兆異常，該項(xiàng)異?？赡軐?duì)發(fā)震時(shí)間、震中具有一定的指示意義。

致謝：感謝中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心免費(fèi)提供熱紅外亮溫資料，感謝兩位審稿專(zhuān)家的建設(shè)性修改意見(jiàn)。