2021年青海瑪多MS7.4地震前后CO異常變化研究

史延飛 辛存林 梁浩東 劉海博

摘要：地震前后氣體地球化學(xué)信息的研究在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。為研究2021年5月22日青?，敹郙S7.4地震與CO時(shí)空變化之間的關(guān)系，在以瓦里關(guān)大氣觀測(cè)站地面數(shù)據(jù)驗(yàn)證大氣紅外探測(cè)儀（AIRS）反演數(shù)據(jù)可靠性的基礎(chǔ)上，提取瑪多MS7.4地震前后AIRS反演的CO數(shù)據(jù)，通過滑動(dòng)均值法、差值法對(duì)瑪多地震前后不同尺度的CO濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。結(jié)果表明：利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提取CO地球化學(xué)信息是可靠的。時(shí)間上，瑪多MS7.4地震前兩個(gè)月CO濃度開始波動(dòng)，出現(xiàn)峰值，地震發(fā)生后恢復(fù)平靜;空間上，震中位置的CO濃度在近地面變化尤其明顯，震中及附近區(qū)域的CO濃度從3月開始逐漸升高，由離散分布逐漸向震中和發(fā)震斷裂帶聚攏靠近，到4月底達(dá)到最大異常18.60×10-9，異常高值中心的連線與發(fā)震斷層江錯(cuò)斷裂走向、地表破裂分布一致。排除背景值和季節(jié)變化的影響，推斷CO濃度異常變化是地震引起的，主要?dú)w因于地下氣體釋放和巖石擠壓碰撞產(chǎn)氣，氣體逸散后在大氣圈中發(fā)生的一系列化學(xué)反應(yīng)起次要作用。

關(guān)鍵詞：青?，敹? MS7.4地震; AIRS傳感器; CO柱濃度; CO體積混合比

中圖分類號(hào)： P315????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號(hào)： 1000-0844（2024）03-0692-12

DOI：10.20000/j.1000-0844.20230105002

CO anomalies before and after the 2021 Maduo MS7.4 earthquake in Qinghai Province

SHI Yanfei1， XIN Cunlin1， LIANG Haodong1， LIU Haibo2

（1. School of Geography and Environmental Science， Northwest Normal University， Lanzhou 730070， Gansu， China;2. School of Earth Sciences， Zhejiang University， Hangzhou 310027， Zhejiang， China）

Abstract：?The investigation of gas geochemical information before and after an earthquake has high application value in earthquake monitoring and prediction. Thus， this paper investigates the relationship between the spatio-temporal variation of CO and the MS7.4 earthquake that occurred in Maduo County， Qinghai Province， on May 22， 2021. The accuracy of CO data obtained from the Atmospheric Infrared Sounder （AIRS） was compared with ground data from the Waliguan atmospheric observation station. The CO data retrieved by AIRS before and after the MS7.4 earthquake were extracted， from which the CO concentrations before and after the earthquake were processed and analyzed using the sliding mean method and difference method. Results indicate the reliability of extracting CO geochemical information from satellite remote sensing data. The CO concentration began to fluctuate and peak two months before the earthquake and then recovered after the earthquake. Furthermore， the change in CO concentration in the epicenter and its vicinity was particularly obvious near the surface. This gradually increased from March， gathered near the epicenter and the seismogenic fault， and eventually reached the maximum value of 18.60×10-9 by the end of April. The line connected to the centers of the abnormally high values is consistent with the strike of the seismogenic fault and the surface rupture distribution. Barring the influence of background value and seasonal change， it is inferred that the abnormal change in CO concentration is caused by the MS7.4 earthquake. The CO anomaly can be mainly attributed to the underground gas release and gas production caused by rock extrusion and collision， while the gas chemical reactions in the atmosphere play a secondary role.

Keywords：Maduo in Qinghai Province; MS7.4 earthquake; ARIS; CO column concentration; CO volume mixing ratio

0 引言

地球是一個(gè)開放的不平衡體系，液態(tài)地核中流體濃度大，含有H2、HF、H2S、CH4、CO、CO2、He、Rn及Ar等氣體，4 500 Ma來從地核向外不斷地排放［1-2］。隨著地震活動(dòng)強(qiáng)烈期構(gòu)造應(yīng)力增加，地球深部流體沿?cái)嗔褞г趲r石圈內(nèi)遷移、聚集或分散，引起水位、水溫、水化學(xué)離子組分以及深部氣體發(fā)生顯著變化［3-4］。構(gòu)造活動(dòng)產(chǎn)生的裂縫為氣體向地表擴(kuò)散提供了良好通道［5］，促使氣體釋放到大氣圈形成局地氣體濃度升高。釋放的氣體還會(huì)通過物理作用（沉降作用、對(duì)流傳輸作用）和化學(xué)反應(yīng)影響區(qū)域大氣成分［6-7］。氣體異常變化是地震前兆的一種表現(xiàn)，斷層氣地球化學(xué)特征異常形態(tài)對(duì)斷層特性有較好的反映［8］，科學(xué)地監(jiān)測(cè)地震前后氣體變化，在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。衛(wèi)星高光譜技術(shù)具有覆蓋范圍廣、觀測(cè)周期短、受地表影響少的優(yōu)勢(shì)［9-10］，彌補(bǔ)了地面觀測(cè)的不足，利用遙感監(jiān)測(cè)地震氣體異常成為研究的熱點(diǎn)之一。

目前，已有研究者利用中分辨率成像光譜儀（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）、對(duì)流層污染測(cè)量儀（Measurement of Pollution in the Troposphere，MOPITT）及大氣紅外探測(cè)儀（Atmospheric InfraRed Sounder，AIRS）等衛(wèi)星高光譜數(shù)據(jù)，提取地表溫度（Land Surface Temperature，LST）、射出長波輻射（Outgoing Longwave Radiation，OLR）、氣溶膠光學(xué)厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）、地表潛熱通量（Surface Latent Heat Flux，SLHF）以及氣體地球化學(xué)等信息，探究其與地震的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)地震前后往往會(huì)存在LST、OLR、AOD、SLHF與氣體地球化學(xué)等眾多信息中的一種或多種異常［11-17］。目前，觀測(cè)到地震前后出現(xiàn)異常的氣體主要有H2、He、Rn、Ar、CH4、CO2、CO、O3等。崔月菊等［18］指出與地震有關(guān)的氣體異常一般表現(xiàn)為地震前后幾天到幾個(gè)月局地氣體濃度升高，大量研究表明地震活動(dòng)會(huì)伴隨CO逸散。姚清林等［19］利用MOPITT數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)2000年4月在青藏高原出現(xiàn)大面積CO濃度升高，分布上與多處孤立升溫具有較高的一致性，推斷異?，F(xiàn)象可能與2000年6月6日甘肅景泰MS5.9地震和同年6月8日緬甸MS6.9地震有關(guān)。Singh等［20］利用MOPITT傳感器數(shù)據(jù)，指出2001年1月26日Gujarat7.6級(jí)地震前，近地面CO濃度顯著升高，是地震前地應(yīng)力集中對(duì)震中區(qū)的水文地質(zhì)邊界產(chǎn)生影響使得地下氣體排放造成的。Cui等［21］利用AIRS資料研究了2010—2012年世界范圍35次7級(jí)以上地震前后的氣體變化，顯示出12次地震前后出現(xiàn)CO濃度異常。劉海博等［22］利用AIRS數(shù)據(jù)通過差值法與異常指數(shù)法研究與2014年2月12日新疆于田MS7.3地震有關(guān)的CO、O3信息時(shí)發(fā)現(xiàn)，兩者均在地震后濃度升高并沿發(fā)震構(gòu)造呈線性分布，氣體濃度在地震當(dāng)月呈最低值，推斷是由于震區(qū)斷裂帶在彈性擠壓狀態(tài)下出現(xiàn)閉鎖造成的，指出氣體逸散與地震構(gòu)造活動(dòng)關(guān)系密切。但是由于不同研究區(qū)受地理因素、構(gòu)造背景等影響，地震前后氣體異常排放信息的提取缺乏針對(duì)性篩選，缺少多角度的分析。

2021年5月22日青?，敹郙S7.4地震（以下簡稱瑪多地震）發(fā)生后，眾多學(xué)者針對(duì)瑪多地震的構(gòu)造背景［23］、震源機(jī)制［24］、地震破裂過程［25］、地震深部環(huán)境［26］以及地下流體［27-29］等進(jìn)行了相應(yīng)研究。鐘駿等［27］分析震中附近地下流體觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn)瑪多地震前震中距500 km范圍內(nèi)存在水溫、水位和氣氡異常。另外瑪多震前存在動(dòng)水位突降，震后采集的水化學(xué)樣品檢測(cè)結(jié)果顯示靠近震中地表破裂帶的泉水存在氫同位素異常［28-29］。然而目前對(duì)瑪多地震的研究，缺乏相關(guān)氣體變化的研討，故本文主要研究與瑪多地震相關(guān)的CO地球化學(xué)信息，在以瓦里關(guān)大氣觀測(cè)站地面數(shù)據(jù)驗(yàn)證AIRS反演數(shù)據(jù)可靠的基礎(chǔ)上，結(jié)合地震區(qū)域地形特征，基于AIRS傳感器的衛(wèi)星監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過差值法和滑動(dòng)均值法分析了CO的時(shí)空變化特征及其與瑪多地震的關(guān)系，并探討了CO異常原因。

1 研究區(qū)概況

2021年5月22日2時(shí)4分，青海果洛藏族自治州瑪多縣發(fā)生MS7.4地震，震中位于黃河鄉(xiāng)（34.59°N，98.34°E），震源深度17 km，同震地表破裂達(dá)210 km，發(fā)震斷層為NW走向的昆侖山口-江錯(cuò)斷裂，以左旋走滑運(yùn)動(dòng)為主［25，30］。江錯(cuò)斷裂北段兼有逆沖性質(zhì)，南段以走滑性質(zhì)為主，余震與主震震源機(jī)制較為一致，多為走滑型，序列活動(dòng)主要受NEE—SWW向近水平擠壓應(yīng)力場(chǎng)控制［31］。江錯(cuò)斷裂屬于從主干斷裂分支、深入巴顏喀拉塊體內(nèi)部的次級(jí)斷裂［32］（圖1），其活動(dòng)性相比于主干斷裂帶明顯更弱，震級(jí)與較小的斷層滑動(dòng)速度之間存在一定矛盾［23］，而且其所屬的巴顏喀拉塊體周圍存在地應(yīng)力顯著增加的地震空區(qū)，至今構(gòu)造變形方式與過程彌散連續(xù)［26］，該區(qū)域存在較高的研究價(jià)值?，敹嗟卣鹫鹬羞h(yuǎn)離工業(yè)和人口稠密區(qū)，CO受人類因素影響小，而且CO的大氣環(huán)境本底濃度較穩(wěn)定，能夠很好地反映局部環(huán)境變化特征［33-34］，是研究地震活動(dòng)與氣體異常關(guān)系的良好案例。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

本文所使用的CO遙感數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）提供的大氣紅外探測(cè)儀（Atmospheric InfraRed Sounder，AIRS）level-3的8天平均、月平均標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品中的降軌數(shù)據(jù)，在戈達(dá)德地球科學(xué)數(shù)據(jù)和信息服務(wù)中心（Goddard Earth Sciences Date and Information Services Center，GESD ISC）下載（http：//disc.sci.gsfc.nasa.gov/AIRS/data-holdings）。AIRS是搭載于NASA 2002年發(fā)射的一顆太陽同步極軌衛(wèi)星AQUA/EOS上的高光譜分辨率傳感器，該衛(wèi)星從2002年9月開始向地面提供觀測(cè)數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)全球85%的地區(qū)每天兩次覆蓋。AIRS紅外探測(cè)器用于CO掃描的通道有36個(gè)，光譜為4.50～4.58 μm，空間分辨率為1°×1°，是迄今為止最為精確和穩(wěn)定的高光譜紅外探測(cè)儀［35］。其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式為NASA標(biāo)準(zhǔn)的磁盤存儲(chǔ)格式HDF（Hierarchical Data Format）類型，利用MATLAB軟件進(jìn)行提取。

本文所使用的CO地面數(shù)據(jù)來源于瓦里關(guān)全球大氣本底站（Waliguan，WLG;36.287°N，100.896°E），距離本次震中約300 km，在世界溫室氣體數(shù)據(jù)中心（World Data Centre for Greenhouse Gases，WDCGG）下載（http：//gaw.kishou.go.jp/）。瓦里關(guān)站是世界氣象組織/全球大氣觀測(cè)（WMO/GAW）32個(gè)大氣本底觀測(cè)站之一，位于歐亞大陸腹地青藏高原東北緣，遠(yuǎn)離人類活動(dòng)密集區(qū)，大氣清潔。該站于1994年開始運(yùn)行，并對(duì)溫室氣體、反應(yīng)性氣體、太陽輻射、氣溶膠等信息進(jìn)行長期的觀測(cè)［36］。

2.2 方法

AIRS反演CO的基本方法是偏導(dǎo)數(shù)趨于零法（Variational Path-Delay，VPD）［37-38］。針對(duì)AIRS通道集，通過改變大氣物理狀態(tài)，反復(fù)迭代計(jì)算獲得觀測(cè)輻射和由大氣狀態(tài)計(jì)算的輻射之間的最小平方和F［式（1）］，F(xiàn)越小則變量越接近真值。隨后對(duì)方程式進(jìn)行全微分，尋找T、q及CO的值，使得F最小，分別求各自的偏導(dǎo)數(shù)趨于0，即可得ΔF→0［式（2）、式（3）］。

∑i［I（Vi）observed-I（Vi，T，q，CO）computed］2?≡F（，T，q，CO）（1）

ΔF=FΤΔT+FqΔq+FCOΔCO+ε（2）

FXi→0 （3）

式中：T、q及CO均為變量，分別代表氣溫、降水量和一氧化碳含量;ε是噪聲。

對(duì)于每個(gè)變量Xi對(duì)輻射殘差貢獻(xiàn)為FXiΔXi。

為研究地震前后CO在垂直方向的分布特征，選取震中位置不同高度層CO體積混合比（Volume Mixing Ratio，VMR）數(shù)據(jù)，鑒于8天體積混合比數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性相對(duì)較差，故運(yùn)用滑動(dòng)均值法進(jìn)行處理，分析地震前后一年時(shí)間段中震中位置在不同高度層的CO體積混合比變化特征。具體計(jì)算公式為：

μCO（l，m）=13∑m+1n=m-1VCO（l，m） （4）

式中：VCO（l，m）為震中m時(shí)段（2020年7月—2021年7月）l層（600～100 hPa大氣）的CO體積混合比;μCO（l，m）為經(jīng)滑動(dòng)均值法處理后地震前后CO體積混合比。

為研究地震前后CO在水平尺度的變化特征，選取2015年及2017—2020年歷史同期8天CO濃度數(shù)據(jù)，以排除2016年10月17日青海玉樹MS6.2地震的影響，采用滑動(dòng)均值法計(jì)算瑪多地震前后各研究時(shí)段內(nèi)的8天CO濃度背景值，以剔除地形地貌、季節(jié)變化等固有非震因素的影響［21］，然后通過差值法計(jì)算各研究時(shí)段CO濃度變化值。其具體計(jì)算公式為：

A（i，j，m，t）=G（i，j，m，t）-Gbac（i，j，m，t）（5）

Gbac（i，j，m，t）=∑t-1n=t-5［VCO（i，j，m-1，n）+VCO（i，j，m，n）+VCO（i，j，m+1，n）］15（6）

式中：VCO（i，j，m，t）為研究區(qū)內(nèi)（i，j）處t年m時(shí)段CO濃度值;Gbac（i，j，m，t）為研究區(qū)內(nèi)（i，j）處t年m時(shí)段的CO背景值;G（i，j，m，t）為地震前后（i，j）處t年m時(shí)段的CO濃度值;A（i，j，m，t）為地震前后（i，j）處t年m時(shí)段的CO濃度變化量。

3 結(jié)果分析

3.1 地面觀測(cè)資料與AIRS反演數(shù)據(jù)的比較驗(yàn)證

由于瑪多地區(qū)平均海拔高達(dá)4 500 m［39］，AIRS反演的月尺度體積混合比數(shù)據(jù)在600 hPa及以上高度大量缺失，所以選擇2014—2021年震中區(qū)域AIRS反演的400 hPa和500 hPa高度層月尺度CO體積混合比數(shù)據(jù)（AIRS-500 hpa、AIRS-400 hPa）和CO柱濃度數(shù)據(jù)（AIRS-Tot CO）與瓦里關(guān)地面觀測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。由圖2可見，AIRS反演的CO濃度與瓦里關(guān)觀測(cè)站CO濃度基本一致，總體上呈現(xiàn)出春夏高、秋冬低的周期變化，與瓦里關(guān)連續(xù)觀測(cè)多年CO春高秋低的變化特征較為吻合［40］。但2015年、2016年和2019年的8、9月，以及2020年的9、10、11月CO濃度較高，究其原因可能與天氣和地震有關(guān)。調(diào)查發(fā)現(xiàn)2015年與2016年的秋季多陰雨天，致使CO光化學(xué)氧化消耗減弱，從而在大氣中得到了一定的積累，因此，推斷2015年CO濃度高值由2015年10月12日34.36°N、98.209°E處MS5.3地震和天氣共同引起，2016年則主要是天氣所致;2019年和2020年CO濃度高值分別與2019年8月9日37.69°N、101.59°E處MS4.9地震和2020年12月24日34.15°N、98.32°E處MS4.5淺源地震有關(guān)。

計(jì)算AIRS反演的CO各濃度數(shù)據(jù)與瓦里關(guān)觀測(cè)站CO濃度的均值、均值差及標(biāo)準(zhǔn)差之差（表1）。結(jié)果顯示AIRS-500 hPa與瓦里關(guān)地面觀測(cè)站的均值差之差為3.49×10-9，月均標(biāo)準(zhǔn)差之差為3.97×10-9，均小于AIRS-400 hPa與瓦里關(guān)地面觀測(cè)站的均值差與月均標(biāo)準(zhǔn)差之差，說明AIRS-500 hPa數(shù)據(jù)比AIRS-400 hPa數(shù)據(jù)的系統(tǒng)誤差小、精度高。相關(guān)性計(jì)算結(jié)果顯示AIRS-Tot CO、AIRS-500 hPa、AIRS-400 hPa數(shù)據(jù)與瓦里關(guān)地面觀測(cè)站數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)分別為0.62、0.56、0.44，其中AIRS-Tot CO、AIRS-500 hPa與瓦里關(guān)觀測(cè)站的相關(guān)系數(shù)較高，一致性較強(qiáng)，表明AIRS反演的柱濃度數(shù)據(jù)與500 hPa壓力層數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確，利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提取的CO氣體地球化學(xué)信息是可靠的。

3.2 CO濃度變化特征

瑪多地震位于青藏高原東北部，震中像元（34°～35°N，98°～99°E）內(nèi)高程梯度較低，底層的CO體積混合比數(shù)據(jù)可較好地表征近地面CO濃度，因此選擇震中像元內(nèi)不同壓力層體積混合比數(shù)據(jù)，分析CO垂直結(jié)構(gòu)變化特征。運(yùn)用滑動(dòng)均值法處理震中不同壓力層的8天CO體積混合比數(shù)據(jù)，得到600～100 hPa等壓面上CO分布，如圖3所示，CO在400 hPa以上變化劇烈，300～100 hPa整體較為穩(wěn)定，這可能與CO的分布特點(diǎn)、研究區(qū)地形等有關(guān)。近地面600 hPa的CO從2月17日開始出現(xiàn)波動(dòng)，3月5日出現(xiàn)小幅度下降后又開始上升，3月21日達(dá)到最大值169.8×10-9，隨后開始逐漸下降并于6月趨于正常變化。400 hPa、500 hPa的CO整體變化趨勢(shì)與600 hPa的CO變化較為一致，在3月5日—5月16日CO呈現(xiàn)較高水平，但無明顯峰值，其余時(shí)間段呈現(xiàn)正常狀態(tài)。300 hPa及以下由于CO很難傳輸?shù)酱颂?，并且受到地形、傳感器敏感度的影響，幾乎無變化，間接證明400 hPa以上CO劇烈變化是近地面貢獻(xiàn)的結(jié)果。Liang等［41］研究2008年3月21日和2014年2月12日于田兩次MS7.3地震前后CO變化，結(jié)果顯示CO主要聚集在近地面，本文所得結(jié)果與其一致。而且圖4顯示，震中CO柱濃度與近地面500 hPa處CO體積混合比變化五角星代表震中，黑色線條表示斷層，藍(lán)色框?yàn)榘l(fā)震時(shí)段趨勢(shì)基本一致，并通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)。這表明CO的增加主要是近地面的貢獻(xiàn)。

為了分析瑪多地震前后CO排放在水平方向上的演化過程，基于地源性CO排放具有近地面濃度升高的特征，底層CO體積混合比數(shù)據(jù)更能反映近地面CO變化情況。由于研究區(qū)域內(nèi)600 hPa及以上高度層8天尺度CO體積混合比數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)空白較多，故選擇500 hPa高度層識(shí)別地源排放信息。首先進(jìn)行去背景場(chǎng)處理，選取2015年及2017—2020年歷史同期數(shù)據(jù)，以排除2016年10月17日青海玉樹MS6.2地震的影響，運(yùn)用滑動(dòng)均值法計(jì)算各研究時(shí)段的背景值，再通過差值法計(jì)算研究區(qū)內(nèi)大氣底層的8天CO體積混合比變化。不同高度層的CO體積混合比變化特征（圖3）顯示，在2021年3月至6月初CO體積混合比在近地面變化明顯，故選取該時(shí)間段內(nèi)震中及附近區(qū)域進(jìn)行時(shí)空變化特征分析。通過普通克里金插值得到近地面CO濃度空間分布圖（圖4），結(jié)果顯示，近地面CO最大異常值出現(xiàn)在地震前的4月份，異常分布于震中附近及斷裂帶沿線。相比于歷史同期背景值，CO濃度在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)較高。地震發(fā)生前，3月CO異常逐漸增大并由離散分布逐漸聚攏到震中附近，到4月初異常幅度變小并向東移動(dòng)，隨后到4月14日異常開始突然增強(qiáng)，主要分布在震中北部和沿?cái)嗔褞а鼐€區(qū)域，延續(xù)到震前一個(gè)月左右異常突然消失，整個(gè)研究區(qū)域的CO恢復(fù)到正常水平。4月末CO異常突然增大達(dá)到地震前后的最大程度，最大異常超出背景值18.60×10-9，異常分布于發(fā)震斷層的南部。隨后異常由震中南部逐漸擴(kuò)散轉(zhuǎn)移到震中東南部及北部地區(qū)，并逐漸減小。直至地震發(fā)生前后一周左右［圖4（j）］，CO在震中的北部又出現(xiàn)明顯的異常，但異常程度相比震前較小。地震發(fā)生后，異常逐漸減小，并在震中附近形成了一個(gè)明顯的低值區(qū)域。

為了排除季節(jié)變化和其他因素對(duì)CO濃度變化的影響，選取震中像元2014-2022年間4月份8天尺度CO柱濃度、500 hPa處CO體積混合比數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果（圖5）顯示，CO柱濃度與CO體積混合比在2021年4月（黑色方框）高于歷史同期值，在4月30日左右達(dá)到最大值，而在其他非地震年的4月CO柱濃度與CO體積混合比濃度值較小。僅2015年4月14日和2016年4月16日兩處（箭頭位置）CO柱濃度與CO的體積混合比較其他值偏高，可能分別與2015年2月4日34.73°N、98.99°E處MS4.1地震和2016年3月21日35.74°N、99.20°E處MS4.1地震有關(guān)。這說明2021年4月CO濃度的異常變化不是由季節(jié)變化引起的，很可能與地震有關(guān)。

4 討論

4.1 CO異常與地震的關(guān)系

對(duì)瑪多地震前后CO濃度變化分析發(fā)現(xiàn)：CO異常最大值出現(xiàn)在震前的4月份;垂直方向主要表現(xiàn)為近地面濃度升高，水平方向上異常主要集中在震中及附近區(qū)域和斷裂帶沿線。地震前后CO異常在空間分布上呈現(xiàn)出分散-聚攏-分散的變化，異常程度由弱增強(qiáng)然后減弱。地震前兩個(gè)月震區(qū)周圍應(yīng)力緩慢加載，到4月位于兩分段傾角變化處的震源位置易于形成應(yīng)力閉鎖區(qū)，在周緣塊體的推擠下自西向東運(yùn)動(dòng)，震源處的應(yīng)力沿?cái)鄬用嫦驏|、向西擴(kuò)展，形成了一個(gè)條帶狀的應(yīng)力集中區(qū)［42］，應(yīng)力的空間分布與CO異常分布一致，氣體異常程度與瑪多地震烈度由西向東逐漸減小的分布［32］具有較好的對(duì)應(yīng)性。地震前一個(gè)月左右，CO異常達(dá)到最大，整體分布于震中南部，空間上與斷裂帶不完全重合，但與地下流體異常分布相似［27］，可能由深部流體運(yùn)動(dòng)、地形特征和氣體運(yùn)移等因素造成。Qi等［39］運(yùn)用微波亮度溫度（Microwave Brightness Temperature，MWBT）數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，瑪多地震有關(guān)的MWBT異常在地震前出現(xiàn)，空間上分布于震中的南部及西南部，本文中CO異常分布特征與Qi等［39］發(fā)現(xiàn)的MWBT空間分布結(jié)果相似。發(fā)震時(shí)段，整個(gè)研究區(qū)CO異常程度較小，發(fā)震后在震中形成了低值區(qū)域，推測(cè)是因?yàn)楝敹嗟卣鸬陌l(fā)生使得震源區(qū)積累的應(yīng)力得到了充分的釋放［43］，CO也得以釋放，故而震后氣體的釋放量大大減小。Jing等［44］通過異常指數(shù)法處理與瑪多地震有關(guān)的MWBT和OLR數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)MWBT的異常變化從3月開始出現(xiàn)于巴顏喀拉塊體及震中西南部，4月異常逐漸增大，并在空間上分布于發(fā)震斷裂帶周圍;OLR的變化在震前的5月出現(xiàn)于震中的西南部，隨后不斷向震中移動(dòng)并向北擴(kuò)散，最后在發(fā)震前半個(gè)月消失。綜上所述，瑪多地震相關(guān)的異常信息多出現(xiàn)在震前，空間上分布于震中及周圍，并與斷裂帶的走向存在較高的一致性。

4.2 CO背景含量及來源分析

大氣中CO的來源主要有地殼活動(dòng)、海洋釋放、化石燃料燃燒、化學(xué)反應(yīng)（甲烷氧化、非甲烷碳?xì)浠衔镅趸凸饣瘜W(xué)反應(yīng)）和植被自燃等［22，45-46］。首先，此次瑪多地震區(qū)域處于寒溫帶高原區(qū)，該地遠(yuǎn)離人口和工業(yè)稠密區(qū)，海洋、森林火災(zāi)的發(fā)生率低［33］，所以CO濃度不受海洋釋放、化石燃料燃燒與植被自燃的影響。其次，周凌晞［47］和Zhou等［48］在研究瓦里關(guān)觀測(cè)站CO來源時(shí)發(fā)現(xiàn)，來自東北方約100 km處青海西寧市和東北方約500 km處黃河峽谷工業(yè)及人口集中地帶的污染氣團(tuán)對(duì)該地CO濃度存在影響，但這種污染源對(duì)該區(qū)域的CO柱濃度造成抬升的現(xiàn)象大多發(fā)生在冬季，故此次CO異?，F(xiàn)象受大氣傳輸?shù)挠绊戄^小。其次，Granier等［45］指出CH4氧化作用所產(chǎn)生的CO占對(duì)流層中CO含量的28%，因而大氣CO柱濃度變化與CH4的氧化作用關(guān)系密切。而本研究選取震中區(qū)2020—2021年間CH4柱濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性驗(yàn)證的結(jié)果表明，這期間CO與CH4柱濃度相關(guān)系數(shù)為-0.132，在地震前后短時(shí)間內(nèi)（2021年3—7月）兩者的相關(guān)系數(shù)為-0.149，不存在相關(guān)性，所以瑪多地震前后CO異常不受CH4氧化作用的影響。然后，非甲烷碳?xì)浠衔镏饕ó愇於?、乙烷、丙烷、乙烯、丙烯等，異戊二烯的排放一般出現(xiàn)在熱帶區(qū)域，其余幾種主要產(chǎn)生于工業(yè)生產(chǎn)和生物質(zhì)燃燒［45］，所以非甲烷碳?xì)浠衔锏难趸瘜?duì)此次CO異常也不產(chǎn)生影響。最后，瑪多地震發(fā)生時(shí)間為5月，一般來說OH自由基濃度在夏季最高，CO作為OH自由基最主要的消耗者［49］，通常表現(xiàn)為春季達(dá)到最大、夏季降至最小。然而該區(qū)域夏季大氣光化學(xué)過程較弱，秋冬季晴好天氣相對(duì)較多［50］，所以瑪多地震區(qū)及附近OH自由基對(duì)CO柱濃度的影響較小。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)地震前后CO濃度受外界環(huán)境的干擾較小，種種跡象表明此次CO濃度異常主要與地震活動(dòng)有關(guān)。

4.3 CO異常原因分析

瑪多地震前CO異常主要?dú)w因于地下氣體釋放、巖石擠壓產(chǎn)氣和14N化學(xué)反應(yīng)。首先，地球作為一個(gè)復(fù)雜體，在地震這個(gè)復(fù)雜過程中，往往表現(xiàn)出不盡相同的地球內(nèi)部氣體釋放類型與強(qiáng)度［51］。構(gòu)造演化和地震孕育過程中地球內(nèi)部物質(zhì)遷移、能量釋放及應(yīng)力變化可能導(dǎo)致活動(dòng)斷裂帶釋放氣體，進(jìn)而出現(xiàn)氣體地球化學(xué)異?，F(xiàn)象［52］。地質(zhì)深部構(gòu)造顯示，巴顏喀拉塊體的N向俯沖與瑪多地下的特殊鍥狀形態(tài)導(dǎo)致區(qū)域內(nèi)深部地殼軟物質(zhì)流擠壓、垂直上涌變形［23］。孕震過程中，地下流體中的水化學(xué)類型和水-巖作用程度發(fā)生顯著變化［28-29］，隨著構(gòu)造應(yīng)力的不斷積累，貫穿地表裂隙數(shù)量增多，地球內(nèi)部碳質(zhì)氣體（CO或CO2）的排放增強(qiáng)［44］，氣體在巖石圈和大氣圈的作用下導(dǎo)致了不同海拔氣體異常的強(qiáng)度不同［53］。在瑪多地震前表現(xiàn)為震中附近局部地區(qū)尤其是近地面的CO濃度升高，因此推斷由地下作用釋放的氣體為CO異常的主要貢獻(xiàn)者。水平方向上異常高值的空間分布與發(fā)震斷層走向一致，與地下流體東北部與西南部的異常具有較高的對(duì)應(yīng)性［27］。表明活動(dòng)斷裂帶為地球深部氣體的集中釋放地帶，地震前后的氣體異?，F(xiàn)象與地震本身有密不可分的聯(lián)系，并由地震活動(dòng)觸發(fā)［54］。其次，研究表明起源于地幔超基性巖礦物包裹體和地球深部的巖漿噴出地表所形成的火山巖玻璃包裹體中會(huì)含有部分CO［51］。該地區(qū)存在的流紋巖［55］在摩擦擠壓、碰撞過程中，會(huì)產(chǎn)生CO并通過地殼裂隙釋放到大氣中。最后，大氣圈中時(shí)刻在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，瑪多地震發(fā)生前后存在地震電磁擾動(dòng)［56-57］，導(dǎo)致電離層物質(zhì)和電磁波輻射增強(qiáng)，引起等離子體（電子、離子）化學(xué)、物理參數(shù)發(fā)生變化［58-59］，促進(jìn)14N的生成，14N經(jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生CO，反應(yīng)機(jī)制為n+14N→14C+H、214C+O2→214CO［60］。

5 結(jié)論

通過分析2021年5月22日青?，敹郙S7.4地震前后震中附近的CO異常變化，得到以下結(jié)論：

（1） AIRS反演結(jié)果與瓦里關(guān)地面觀測(cè)站的CO月尺度濃度變化均表現(xiàn)出春夏高秋冬低的周期變化，反演的CO柱濃度與500 hPa壓力層體積混合比與地面觀測(cè)結(jié)果的相關(guān)性較高。表明利用AIRS反演的CO數(shù)據(jù)提取地球化學(xué)信息是可靠的。

（2） CO異常在地震前兩個(gè)月左右出現(xiàn)異常，震后逐漸恢復(fù)平靜，主要表現(xiàn)為近地面濃度升高?；诓钪捣ㄈケ尘皥?chǎng)處理的結(jié)果顯示，震中及附近區(qū)域近地面CO在地震前兩個(gè)月濃度逐漸升高并由離散分布逐漸向震中聚斂靠近，到4月底沿?cái)嗔褞W向分布在震中南部，達(dá)到最大異常18.60×10-9，震后逐漸恢復(fù)平靜。氣體異常高值的空間分布與地震烈度分布對(duì)應(yīng)性較好，和發(fā)震斷裂帶江錯(cuò)斷裂走向具有一致性。

（3） 地震孕育過程中地下流體中的氣體以及巖石擠壓與破裂產(chǎn)生的氣體會(huì)通過地裂縫逸散至大氣圈，引起近地面CO濃度升高，此外14N在大氣圈發(fā)生化學(xué)反應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生CO。推斷瑪多地震前CO的異常為巖石圈和大氣圈綜合作用的結(jié)果，地下釋放為主要因素，大氣圈的作用為次要因素。

本文在結(jié)合地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與衛(wèi)星監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的同時(shí)考慮了研究區(qū)域的地形特征，表明地震前后震中附近CO出現(xiàn)異常的特征可用于地震前兆研究，豐富了地球化學(xué)信息在地震預(yù)報(bào)與監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，對(duì)地震的監(jiān)測(cè)具有一定的意義。同時(shí)還有利于對(duì)江錯(cuò)斷裂帶構(gòu)造活動(dòng)的研究，為巴顏喀拉塊體地震空區(qū)的進(jìn)一步研究提供了參考數(shù)據(jù)。但是本文選擇的氣體參數(shù)較為單一，在今后的研究中需要結(jié)合多參量信息，以便更準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)地震。

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（本文編輯：張向紅）

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41262001）

第一作者簡介：史延飛（1997-），女，碩士研究生，主要從事地質(zhì)工程。E-mail：syf18693271702@163.com。

通信作者：辛存林（1967-），男，博士，教授，主要從事地質(zhì)環(huán)境與地質(zhì)礦產(chǎn)等方面研究。E-mail：xincunling@163.com。

史延飛，辛存林，梁浩東，等.2021年青海瑪多MS7.4地震前后CO異常變化研究［J］.地震工程學(xué)報(bào)，2024，46（3）：692-702.DOI：10.20000/j.1000-0844.20230105002

SHI Yanfei，XIN Cunlin，LIANG Haodong，et al.CO anomalies before and after the 2021 Maduo MS7.4 earthquake in Qinghai Province［J］.China Earthquake Engineering Journal，2024，46（3）：692-702.DOI：10.20000/j.1000-0844.20230105002