2021年8月26日阿克塞MS5.5地震熱紅外亮溫異常研究

張桉赫　李越帥

摘要：基于相對功率譜方法分析2021年8月26日阿克塞M_S5.5地震前紅外亮溫相對功率譜時空演化特征。結(jié)果表明：阿克塞M_S5.5地震前震中西側(cè)出現(xiàn)明顯亮溫相對功率譜增強，增強區(qū)域沿阿爾金斷裂與柴達(dá)木北緣斷裂分布，持續(xù)大約1個月后消失，地震在異常消失8 d后發(fā)生。相對功率譜值呈現(xiàn)上升—下降—再上升—再下降的變化過程，地震在功率譜值回落之后發(fā)生。根據(jù)震例統(tǒng)計結(jié)果顯示，2008年以來新疆地區(qū)共有15次熱紅外亮溫異常，熱紅外異常出現(xiàn)后3個月內(nèi)，在異常區(qū)周邊及附近250 km范圍內(nèi)發(fā)生7組M_S≥5.0 地震，且異常面積與對應(yīng)地震震級存在正相關(guān)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：? 阿克塞M_S5.5地震； 熱紅外亮溫； 相對功率譜

doi：10.16256/j.issn.1001-8956.2023.02.003

地震是世界上破壞性最強的自然災(zāi)害之一，地震前兆信息的提取和地震預(yù)測研究始終是研究的難點［1-2］。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的快速發(fā)展，大尺度、全天候、高分辨率的海量衛(wèi)星遙感資料為地震預(yù)測研究提供了機會。地震前衛(wèi)星熱紅外異常首先由前蘇聯(lián)科學(xué)家Gorny等［3］在1984年加茲利地震前發(fā)現(xiàn)，之后地震熱異常迅速成為地震和遙感交叉領(lǐng)域的研究熱點［4］。巖石力學(xué)實驗研究表明［5-6］，機械能能夠直接激發(fā)固體物質(zhì)分子的振動態(tài)能級之間躍遷，物理變形會導(dǎo)致溫度場變化，這為用衛(wèi)星紅外遙感觀測地殼表層應(yīng)力場分布并預(yù)測地震奠定了理論基礎(chǔ)。中國關(guān)于地震熱異常的研究開始于20世紀(jì)80年代末［7-8］。呂琪琦等［9］發(fā)現(xiàn)張北地震前出現(xiàn)過較大范圍的熱紅外溫度異常，且異常與區(qū)域性構(gòu)造背景有一定關(guān)聯(lián)性。荊鳳等［10］通過研究玉樹M_S7.1地震前后甘孜—玉樹斷裂帶的亮溫演化特征，指出斷裂帶亮溫的顯著變化對構(gòu)造活動有一定指示作用。張鐵寶等［11］回顧汶川M_S8.0地震和廬山M_S7.0地震時發(fā)現(xiàn)，2次地震前巴顏喀拉塊體東段均有紅外亮溫升溫異常。張元生等［12］提出了使用相對功率譜方法對熱紅外亮溫數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。相關(guān)研究表明在2次于田M_S7.3地震、米林M_S6.9地震、皮山M_S6.5地震、松原M_S5.7地震和聶榮M_S5.1地震前震中附近均出現(xiàn)了相對能譜值超出背景值的異常現(xiàn)象［13-18］。

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，北京時間2021年8月26日7時38分，甘肅酒泉市阿克塞縣（95.50°E，38.88°N）發(fā)生M_S5.5地震，震源深度15 km。本文中使用熱紅外相對功率譜方法對阿克塞M_S5.5地震前衛(wèi)星熱紅外數(shù)據(jù)時空演化過程進(jìn)行研究。相關(guān)研究結(jié)果對于地球物理觀測臺站密度較為稀疏的新疆地區(qū)有重要意義［19］。通過新疆地區(qū)熱紅外亮溫異常震例梳理，總結(jié)異常與地震之間的關(guān)系，是對新疆地區(qū)現(xiàn)有地震預(yù)報方法的一種補充。

1數(shù)據(jù)源與研究方法

1.1數(shù)據(jù)源

阿克塞縣隸屬甘肅省酒泉市，位于甘肅河西走廊西陲，青藏高原北緣，屬大陸性干旱氣候，平均海拔2 800 m（圖1）。阿克塞縣屬塔里木地臺—敦煌地塊與柴達(dá)木—祁連板塊結(jié)合帶，區(qū)域褶皺構(gòu)造發(fā)育，其中阿爾金古陸邊緣地塊構(gòu)成基底，由線狀褶皺組成；斷裂構(gòu)造主要為阿爾金大斷裂及伴生斷裂，具有韌性—韌脆性特征［20-21］。1900年以來，震中100 km范圍內(nèi)發(fā)生了7次M_S≥5.0地震（M_S≥6.0地震1次），最大地震為1951年12月27日肅北M_S6.0地震。

本文中使用中國靜止氣象衛(wèi)星風(fēng)云二號G星（FY-2G衛(wèi)星）的紅外遙感亮溫產(chǎn)品作為數(shù)據(jù)源。FY-2G衛(wèi)星于2014年12月31日成功發(fā)射，2015年1月6日定點于東經(jīng)99.5°赤道上空，2015年6月1日，F(xiàn)Y-2G衛(wèi)星漂移至東經(jīng)105°，取代超期服役的E星成為主業(yè)務(wù)衛(wèi)星。FY-2G搭載的掃描輻射計包括1個可見光和4個紅外通道，可實現(xiàn)每小時或每半小時獲取覆蓋地球表面約33.3%的全圓盤圖像。紅外波段分布分別為10.3～11.3 μm和11.5～12.5 μm［22］。為避免由于太陽照射導(dǎo)致的地表溫度升高對觀測數(shù)據(jù)的干擾，選取北京時間01：00—05：00（GMT17：00—21：00）時間段5次觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.2小波變換

1.3功率譜估計與相對處理

2結(jié)果與分析

2.1地震熱紅外異常時空演化過程分析

通過上述方法對紅外遙感亮溫產(chǎn)品進(jìn)行處理后，可得到研究區(qū)域亮溫相對功率譜圖像。但是，所得到的相對功率譜圖像往往會存在離散的高值異常點，這些高值異常點通常為與地震無關(guān)的噪聲。為了更好地提取與構(gòu)造活動和地震有關(guān)的異常信息，根據(jù)前人的研究結(jié)果［15］，將以下4條判別標(biāo)準(zhǔn)作為判定亮溫相對功率譜異常的條件：（1）相對功率譜異常區(qū)域需聚集成一定的規(guī)模，零星的高值點不作為異常；（2）相對功率譜高值需至少持續(xù)20 d以上；（3）相對功率譜異常區(qū)域需分布在活動斷裂帶附近并沿斷裂發(fā)展；（4）相對功率譜值需達(dá)到其年均功率譜幅值4倍以上。

從圖1可以看出，阿克塞M_S5.5地震前，震中西側(cè)出現(xiàn)過明顯的熱紅外亮溫相對功率譜異常。相對功率譜增強開始于2021年7月19日，首先在阿爾金斷裂帶與柴達(dá)木北緣斷裂帶交匯處出現(xiàn)離散高值點，隨后離散高值點逐漸擴(kuò)大，7月25日匯聚成高值異常區(qū)，并沿阿爾金斷裂帶呈NE向分布。此后，異常區(qū)域沿阿爾金斷裂帶延伸拓展，面積持續(xù)擴(kuò)大，并在8月6日左右面積達(dá)到峰值，大約為104 km2。隨后異常區(qū)面積不斷減小，并在8月18日完全消失。8 d后，在距離異常區(qū)大約80 km處發(fā)生8月26日甘肅阿克塞MS5.5地震。

2.2亮溫相對功率譜平均值時間變化特征

熱紅外異常區(qū)域平均亮溫時序曲線通?？梢苑从车卣甬惓r間信息，為了分析阿克塞M_S5.5地震前熱紅外亮溫功率譜的變化過程，以異常區(qū)域為中心，取0.5°×0.5°區(qū)域日均亮溫相對功率譜值進(jìn)行研究，做出其時間變化序列圖（圖2）。2018年1月至2021年5月，在2018年和2019年出現(xiàn)過2次短暫高值過程，但這一區(qū)域附近并未發(fā)生MS≥5.0地震，其他時間幅值均在4倍以下正常背景值。而從2021年5月開始，異常區(qū)附近相對功率譜幅值先出現(xiàn)一個短暫上升又回落的過程，回落結(jié)束后相對功率譜幅值迅速上升并超過4倍正常背景值，并于7月21日達(dá)到7.96倍的最高值，然后波動下降至4倍正常背景值以下，整個異常過程大約持續(xù)30 d。在高值異常結(jié)束后即發(fā)生了8月26日甘肅阿克塞MS5.5地震，該變化過程與圖2反映出的亮溫相對功率譜時空演化過程基本一致。

2.3歷史震例分析

根據(jù)以往對熱紅外亮溫相對功率譜異常的分析，其對新疆及周邊地區(qū)M_S≥6.5強震具有一定指示意義，其對應(yīng)關(guān)系見表1。2008年以來，新疆及周邊地區(qū)共發(fā)生M_S≥6.5地震7次，4次地震前震中附近區(qū)域出現(xiàn)熱紅外亮溫相對功率譜異常。

由于阿克塞M_S5.5地震前震中附近出現(xiàn)了顯著熱紅外亮溫相對功率譜異常，因此梳理2008年以來滿足異常判定標(biāo)準(zhǔn)的相對功率譜異常（表2）。2008年以來，新疆共出現(xiàn)15次熱紅外亮溫相當(dāng)功率譜異常，其中7組在異常發(fā)展過程中或異常結(jié)束后發(fā)生M_S≥5.0地震，對應(yīng)率為47%，最大地震為2008年3月21日于田M_S7.3地震。對應(yīng)的7組14次地震中，8次地震發(fā)生在異常開始3個月內(nèi)，6次地震發(fā)生在異常結(jié)束后2個月內(nèi)。為進(jìn)一步判定異常發(fā)生后地震可能的發(fā)生位置，統(tǒng)計地震發(fā)震位置與異常區(qū)域面積的距離（0表示發(fā)震位置位于異常區(qū)的內(nèi)部或邊緣），14個地震中僅有5個地震發(fā)生在異常區(qū)域的內(nèi)部或邊緣，其余9個地震多發(fā)生在異常區(qū)周邊250 km以內(nèi)。因此，熱紅外亮溫相對功率譜出現(xiàn)異常后，優(yōu)勢發(fā)震地點位于異常區(qū)周邊250 km范圍內(nèi)。

為分析異常面積大小與對應(yīng)地震震級的關(guān)系，將異常面積與震級大小做散點圖，結(jié)果如圖3所示。熱紅外亮溫相對功率譜異常面積與震級大小呈現(xiàn)不顯著的正比關(guān)系（R²=0.135 5，P（0.05）=0.532），y=0.006 5x+5.628 3.（5）

雖然異常面積與震級的關(guān)系未通過顯著性檢驗，但異常面積對震級大小具有一定的指示意義。

3結(jié)論與討論

熱紅外亮溫相對功率譜方法對于中強地震的發(fā)震時間和發(fā)震地點具有一定的指示意義，但目前總結(jié)的規(guī)律都是經(jīng)驗性的，對于地震熱紅外成因機理的認(rèn)識還不夠完善。植被覆蓋、地形地貌、河流水系、巖石導(dǎo)熱性等地理因素和天氣變化等氣候因素均會引起地表熱異常，同時，屈春燕等［26］還發(fā)現(xiàn)山區(qū)和盆地邊緣的山地逆溫現(xiàn)象也會造成亮溫異常升高，而通過衛(wèi)星熱紅外資料判定地震前兆異常時容易將逆溫現(xiàn)象也視為前兆異常。從現(xiàn)有的震例來看，多數(shù)地震并未發(fā)生在異常區(qū)域的內(nèi)部，而且異常區(qū)域也往往并不是沿著活動斷裂發(fā)展。Yao等［27］通過對全球幾次M_S≥8.0強震的熱紅外異常進(jìn)行梳理，也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象，一種可能的解釋就是熱紅外異常不僅僅指示即將到來的一次地震，也可能是未來某次地震的一個孕震過程。

由于巖石的導(dǎo)熱率隨溫度的升高而減小，隨壓力的增大而增大［28］，在地殼數(shù)千米至數(shù)十千米高溫高壓的環(huán)境中，由構(gòu)造活動引起的額外熱量有多少能夠傳遞至地表很難量化。對于油氣儲量較高和地?zé)豳Y源較為豐富的地區(qū)，巖石微破裂產(chǎn)生的地下水汽、CO2和CH4等逸出的溫室氣體增多，引起溫室效應(yīng)，地殼內(nèi)部熱傳導(dǎo)加強，使地表及底層大氣溫度顯著上升。因此，震前熱紅外出現(xiàn)異常升高不僅是巖石本身產(chǎn)生的熱量，流體也在升溫過程中扮演著重要角色。熱紅外亮溫相對功率譜方法雖然已應(yīng)用十余年，但目前積累的震例還是極為有限的，特別是震前無異常和有異常無地震現(xiàn)象還較為普遍，也充分說明了地震孕育的復(fù)雜性和地震熱異常的局限性。今后，不僅要加強物理機理的研究，也還需要持續(xù)積累數(shù)據(jù)，從而提高地震熱異常預(yù)報方法的準(zhǔn)確性。目前，關(guān)于地震熱異常的研究并未區(qū)分不同板塊內(nèi)、不同震源深度、不同震源機制解類型地震發(fā)震前熱異常的變化，探究這些因素與熱異常變化的關(guān)系也是今后地震熱異常研究的一個方向。

本文中分析阿克塞M_S5.5地震前震中附近熱紅外亮溫相對功率譜異常，該異常幅值顯示為上升—下降—再上升—再下降的變化過程，地震發(fā)生在幅值回落之后，其變化過程與亮溫相對功率譜時空演化過程基本一致。進(jìn)一步梳理新疆地區(qū)震例，統(tǒng)計結(jié)果顯示，2008年以來新疆地區(qū)共有15次熱紅外亮溫異常，其后3個月內(nèi)，在異常區(qū)周邊及附近250 km范圍內(nèi)發(fā)生7組M_S≥5.0地震，且異常面積與對應(yīng)地震震級存在正相關(guān)關(guān)系。本研究表明在有地球物理觀測資料的地區(qū)，開展熱紅外亮溫監(jiān)測可以為定點地球物理觀測提供補充，而在沒有地球物理觀測的地區(qū)也可以通過熱紅外亮溫分析，分析研判短期地震趨勢。

參考文獻(xiàn)：

［1］馬曉靜， 鄧志輝， 陳梅花， 等. 從衛(wèi)星紅外亮溫與大地?zé)崃鞯年P(guān)系看地震前的熱紅外異常［J］. 地球物理學(xué)報， 2009， 52（11）： 2 746-2 751.

［2］Saraf A K， Choudhury S. Earthquakes And Thermal Anomalie［J］. Geospatial Today， 2003， 2 （2）： 18-20．

［3］Gorny V L， Salman A G， Tronin A A. The Earth Outgoing IR Radiation As An Indicator Of Seismic Activity［J］. Proceeding of the Academy of Sciences of the USSR， 1988， 301（1）： 67-69.

［4］Saraf A K， Choudhury S. Satellite Detects Surface Thermal Anomalies Associated With The Algerian Earthquakes Of May 2003［J］. International Journal of Remote Sensing， 2005， 26（13）： 2 705-2 713.

［5］尹京苑， 房宗緋， 錢家棟， 等. 紅外遙感用于地震預(yù)測及其物理機理研究［J］. 中國地震， 2000，16（2）： 46-54.

［6］陳順云， 劉力強， 劉培洵， 等. 應(yīng)力應(yīng)變與溫度響應(yīng)關(guān)系的理論與實驗研究［J］. 中國科學(xué)（D輯）， 2009， 39（10）： 1 446-1 455.

［7］徐秀登， 強祖基， 賃常恭. 突發(fā)性地面增溫與臨震前兆——以1988年瀾滄、耿馬7.6，7.2級地震為例［J］. 地震地質(zhì)， 1990，12（3）： 243-250.

［8］李茂瑋， 楊忠東. 衛(wèi)星遙感資料在地震預(yù)報中的應(yīng)用研究［J］. 內(nèi)陸地震， 1996，10（4）： 296-303.

［9］呂琪琦， 丁鑒海， 崔承禹. 1998年1月10日張北6.2級地震前可能的衛(wèi)星熱紅外異?，F(xiàn)象［J］. 地震學(xué)報， 2000，22（2）： 183-188+219.

［10］荊鳳， 申旭輝， 張鐵寶，等. 與地震有關(guān)的活動斷裂帶紅外輻射變化特征［J］. 國土資源遙感， 2013， 25（1）： 56-60.

［11］張鐵寶， 路茜， 辛華， 等. 汶川和蘆山地震前后巴顏喀拉地塊中東段紅外亮溫分析［J］. 中國地震， 2015， 31（2）： 344-352.

［12］張元生， 郭曉， 鐘美嬌， 等. 汶川地震衛(wèi)星熱紅外亮溫變化［J］. 科學(xué)通報， 2010， 55（10）： 900-906.

［13］王在華， 張元生， 張治廣. 近年于田2次7.3級地震熱紅外異常特征分析［J］. 內(nèi)陸地震， 2016， 30（2）： 110-115.

［14］張麗峰， 王培玲， 張朋濤， 等. 2017年西藏米林6.9級地震前的熱紅外異常分析［J］. 地震工程學(xué)報， 2020， 42（2）： 360-367.

［15］張治廣，張元生，王在華.2015年7月3日皮山M_S6.5地震熱紅外亮溫異常分析［J］.高原地震，2019，31（S1）：33-39.

［16］李夢瑩， 張志宏， 孔祥瑞， 等. 2018年5月28日松原M_S5.7地震前熱紅外亮溫異常分析［J］. 地震地磁觀測與研究， 2019， 40（5）： 85-92.

［17］張麗峰， 張朋濤， 馬茹瑩， 等. 2016年12月5日西藏聶榮M_S5.1地震前的熱紅外輻射異常［J］. 內(nèi)陸地震， 2018， 32（1）： 7-11.

［18］王想，張元生，郭曉.利用FY-2C資料研究于田7.4級地震前的紅外增溫異常［J］.內(nèi)陸地震，2009，23（3）：345-350.

［19］錢才， 高歌， 張峰， 等. 2020年6月26日于田M_S6.4地震前于田垂直擺傾斜異常特征及可靠性分析［J］. 內(nèi)陸地震， 2020， 34（3）： 303-309.

［20］曹成雁. 甘肅省阿克塞縣野馬泉鉛鋅礦地質(zhì)特征及找礦潛力分析［J］. 世界有色金屬， 2019，（10）： 95-96.

［21］趙彬彬， 高歌， 李桂榮， 等. 2020年6月26日新疆于田M_S6.4地震前前兆形變異常特征分析［J］. 內(nèi)陸地震， 2020， 34（3）： 286-294.

［22］張璇， 張元生， 田潔， 等. 2016年3月21日甘肅金塔4.7級地震熱紅外亮溫異常分析［J］. 地震工程學(xué)報， 2016， 38（S2）： 212-217.

［23］Kumar P，F(xiàn)oufoula-Georgiou E.Wavelet analysis for geophysical applications［J］.Reviews of Geophysics，1997，35：385-412.

［24］張麗峰， 郭曉， 章鑫，等. 2017年九寨溝M_S7.0地震前熱紅外亮溫異常與盆地效應(yīng)［J］.地震學(xué)報， 2018， 40（6）： 797-808+832.

［25］郭曉， 張元生， 鐘美嬌， 等. 提取地震熱異常信息的功率譜相對變化法及震例分析［J］. 地球物理學(xué)報， 2010， 53（11）： 2 688-2 695.

［26］屈春燕， 馬瑾， 單新建. 一次衛(wèi)星熱紅外地震前兆現(xiàn)象的證偽［J］. 地球物理學(xué)報， 2006， 49（2）： 490-495.

［27］Yao Q L， Qiang Z J. Thermal infrared anomalies as a precursor of strong earthquakes in the distant future［J］. Natural Hazards， 2012， 62（3）： 991-1 003.

［28］陳馳， 朱傳慶， 唐博寧， 等. 巖石熱導(dǎo)率影響因素研究進(jìn)展［J］. 地球物理學(xué)進(jìn)展， 2020， 35（6）： 2 047-2 057.

ANALYSIS OF THERMAL INFRARED BRIGHTNESS

TEMPERATURE ANOMALY CHARACTERISTICS

BEFORE AKSAI M_S5.5 EARTHQUAKE

ON AUGUST 26， 2021

ZHANG An-he，? ? LI Yue-shuai

（Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Urumqi 830011，Xinjiang，China）

Abstract： Based on the relative power spectrum method， this paper uses the FY-2G infrared remote sensing brightness temperature product to analyze the spatiotemporal evolution characteristics of the relative power spectrum of the infrared brightness temperature before Aksai M_S5.5 earthquake on August 26， 2021. The results show that before Aksai M_S5.5 earthquake， there was an obvious increase in the relative power spectrum of the brightness temperature on the west side of the epicenter. The enhanced area was distributed along the Altyn fault and the northern margin of Qaidam fault， which lasted for about one month and then disappeared， and the anomaly disappeared 8 days after the earthquake occurred The relative power spectrum value presents a changing process of rising-falling-rising-rising-falling again， and the earthquake occurs after the power spectrum value falls back. Further sorting out the thermal infrared brightness temperature anomalies in Xinjiang since 2008， the statistical results show that within 3 months after the thermal infrared anomaly occurs， seven groups of earthquakes with M_S≥5.0 have occurred around and within 250 km of the abnormal area， and there is a positive correlation between the abnormal area and the corresponding earthquake magnitude.

Key words： Aksai earthquake; Thermal-infrared brightness temperature; Relative power spectrum