崔月菊 杜建國, 荊 鳳 李新艷

1) 中國北京100036中國地震局地震預(yù)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(地震預(yù)測(cè)研究所)2) 中國銀川750001寧夏回族自治區(qū)地震局

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2008年汶川MS8.0地震前后川西含碳?xì)怏w衛(wèi)星高光譜特征*

1) 中國北京100036中國地震局地震預(yù)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(地震預(yù)測(cè)研究所)2) 中國銀川750001寧夏回族自治區(qū)地震局

2008年汶川地震導(dǎo)致了大量地下含碳?xì)怏w釋放． 本文基于衛(wèi)星高光譜數(shù)據(jù)采用差值法獲取了汶川地震前后川西地區(qū)含碳?xì)怏w異常的時(shí)空分布特征． 結(jié)果顯示汶川地震前后不同含碳?xì)怏w異常的時(shí)空分布特征不同． 空間分布上， CH4， CO2和CO異常分布于震中附近且受斷裂控制明顯， 與熱紅外異常特征類似； CO和CO2異常的范圍較CH4大， CO除沿?cái)嗔褞Х植纪猓?在四川盆地也大面積出現(xiàn)． 異常出現(xiàn)時(shí)間上， CO2異常最早， 其次為CH4和CO． 氣體來源上， CO2和CH4主要來源于地球內(nèi)部沿?cái)嗔褞п尫牛?在地球內(nèi)部還原條件下， CH4還可由CO2還原形成； CO異常除了沿?cái)嗔褞п尫藕陀蓴嗔褞п尫诺腃H4氧化生成外， 還由四川盆地滲漏的CH4氧化生成． 本文結(jié)果可用于地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)研究， 不僅提供了新的地震前兆觀測(cè)參數(shù)， 還為地震熱紅外異常機(jī)制“地球放氣溫室效應(yīng)”提供了科學(xué)依據(jù)， 同時(shí)對(duì)地震引起的地質(zhì)碳排放研究也有重要意義．

汶川地震 衛(wèi)星高光譜 氣體地球化學(xué)異常 CO2CH4CO

引言

地球內(nèi)部流體是富C-H-O-S體系(Pasteris， 1987)， 超基性巖礦物包裹體、 火山巖玻璃包裹體以及火山氣體氣相組分均間接或直接地證明了地球深部存在大量的CO2， CH4， CO和水汽等氣體(Bergman， 1987； Matveevetal, 1997； 鄭樂平， 1998)． 地下氣體不斷沿活動(dòng)板塊邊界或其它活動(dòng)斷裂等地殼薄弱地帶向大氣中釋放(King, 1986； 朱宏任等， 1991； 強(qiáng)祖基， 杜樂天， 2001)． 在地震孕育和發(fā)生過程中， 巖石應(yīng)力變化會(huì)產(chǎn)生大量貫通地表的裂隙， 使得地下氣體沿破裂帶及周邊的微小裂隙逸出到大氣中， 此外巖石受擠壓、 摩擦也會(huì)釋放大量的CO2和CH4(Martinelli, Plescia, 2005)． 每年由于地震而排出的含碳?xì)怏w(CO2， CH4)約100—300億m3(Gold, 1979)． 2008年5月12日汶川MS8.0大地震發(fā)生在龍門山斷裂帶上， 產(chǎn)生了長約300 km的地表破裂帶(Fuetal, 2011)， 大量含碳?xì)怏w沿該斷裂帶及川西前陸盆地釋放在大氣中(Faminetal, 2008; Singhetal, 2010； Zhouetal, 2010； 張景廉等， 2011； 岳中琦， 2013； Zhengetal, 2013)． 地震釋放的含碳?xì)怏w在大氣中會(huì)產(chǎn)生局部溫室效應(yīng)， 使孕震區(qū)溫度升高， 因此在衛(wèi)星紅外遙感圖像上呈現(xiàn)出熱紅外異常(魏樂軍等， 2008； Zhangetal, 2010)． 強(qiáng)祖基等(1997)對(duì)CO2和CH4等溫室氣體的試驗(yàn)研究顯示， 混合氣體在瞬變電場(chǎng)的作用下能夠達(dá)到3℃—6℃增溫．

本文擬利用衛(wèi)星高光譜數(shù)據(jù)研究汶川地震前后所釋放含碳?xì)怏w的時(shí)空變化特征及其與熱紅外異常的關(guān)系， 以便提供一種新的快速獲取大范圍地震氣體地球化學(xué)異常的方法， 為地震前兆監(jiān)測(cè)和熱紅外異常提供參考依據(jù)， 同時(shí)也可用于地震引起的碳排放研究．

1 數(shù)據(jù)與方法

本文所使用的CO2， CH4和CO數(shù)據(jù)均引自美國宇航局(National Aeronautics and Space Administration， 簡(jiǎn)寫為NASA)大氣紅外探測(cè)儀(the atmospheric infra-red sounder， 簡(jiǎn)寫為AIRS)數(shù)據(jù)反演的CO2體積混比(volume mixing ratio, 簡(jiǎn)寫為VMR)、 CH4總含量和CO總含量產(chǎn)品(Goddard Earth Sciences Data and Information Services Center, 2015)． AIRS是搭載在美國對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)EOS/AQUA上的高光譜傳感器， 從2002年9月開始向地面提供觀測(cè)數(shù)據(jù)， 基于其所獲取數(shù)據(jù)反演的CO2， CH4和CO總含量的數(shù)據(jù)精度分別為0.5%， 1%和15%， 相應(yīng)的空間分辨率分別為2.5°×2.5°， 1°×1°和1°×1°(Susskindetal, 2003； Barnetetal, 2004； Won, 2008)． 本文選取2003—2012年三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)中的8天平均和月平均CO2體積混比、 CH4總含量和CO總含量降軌(晚上)數(shù)據(jù)．

由于衛(wèi)星高光譜技術(shù)是用于監(jiān)測(cè)大氣中的氣體含量變化， 所以含碳?xì)怏w的來源受生物圈和大氣圈的影響不可忽視． 建立背景場(chǎng)可部分去除季節(jié)變化、 地表植被等固有來源的影響， 有效地捕獲地震等突發(fā)事件信息， 為地震異常信息提取提供判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)． 為了識(shí)別汶川地震前后的氣體異常， 本文選取2003—2012年的CO2體積混比、 CH4總含量和CO總含量數(shù)據(jù)計(jì)算得到的氣體總含量算術(shù)平均值作為月背景場(chǎng)Gbac(Cuietal, 2013)， 即

(1)

式中，Gi(x,y,t)為i(2003—2012)年t(1—12)月份經(jīng)緯度坐標(biāo)為(x，y)處的氣體總含量值，N為總年數(shù), 此處取為10． 通過分析地震發(fā)生年(2008年)不同時(shí)間尺度(8天平均、 月平均)的氣體數(shù)據(jù)與月背景場(chǎng)的差值(差值法)變化來描述地震異常的分布特征； 由于氣象變化、 人為活動(dòng)等影響仍然存在， 所以為了有效地提高異常的可靠性， 同時(shí)研究多種參數(shù)(CO2, CH4和CO)的異常分布特征．

2 結(jié)果

2.1 川西地下氣體逸散

川西地區(qū)受印度洋板塊向歐亞板塊俯沖作用的影響， 地殼形變和斷裂錯(cuò)動(dòng)強(qiáng)烈， 發(fā)育有龍門山、 鮮水河和安寧河等斷裂帶， 地震頻發(fā)(鄧起東等， 1994； 張培震等， 2003)． 龍門山斷裂帶西側(cè)20 km深度上下的地殼中普遍存在中地殼韌性流變層(王緒本等， 2009)， 其中賦存大量高溫高壓狀態(tài)的地質(zhì)流體(周永勝， 何昌榮， 2009)， CO2和CH4等就是其中的重要組分(朱永峰， 1998)． 大陸科學(xué)鉆探(Chinese continental scientific drilling, 簡(jiǎn)寫為CCSD)、 德國大陸鉆探(kontinentales tiefborh programm der bundesrepublik deutschland， 簡(jiǎn)寫為KTB)和汶川地震斷裂帶科學(xué)鉆探(Wenchuan fault scientific drilling, 簡(jiǎn)寫為WFSD)也都在地殼深部發(fā)現(xiàn)了CO2和CH4等流體富存現(xiàn)象(劉舒波等， 2012)． 地球內(nèi)部氣體不斷地通過地震和火山活動(dòng)以突發(fā)或陣發(fā)的方式向大氣中釋放． 斷裂為地殼的不連續(xù)處， 其垂直方向的滲透率高于錯(cuò)斷巖石的滲透率， 是地殼及更深部氣體向上逸出的有利通道(Irwin, Barnes, 1980)． 2008年汶川MS8.0地震(31.01°N， 103.42°E)就發(fā)生在四川省西部的龍門山斷裂帶上． 龍門山斷裂帶末端的青川縣東河口地震遺址公園出現(xiàn)地表蒸汽溫度達(dá)45℃的溫泉以及多處CH4體積分?jǐn)?shù)達(dá)66%的天然氣逸出， 這充分說明汶川地震所導(dǎo)致的地質(zhì)構(gòu)造破裂為地下熱水和天然氣提供了上升通道(王成善等， 2009)， 震后沿地震地表破裂帶逸出的氣體釋放量也顯著增加(Zhouetal, 2010)．

此外， 地下氣體還可以彌散的方式緩慢釋放， 在地層中形成大量的氣藏． 位于龍門山造山帶東緣和四川盆地西部的川西前陸盆地就是我國重要的致密砂巖含氣區(qū)(王金琪， 2000)． 圖1給出了2008年每個(gè)季度中間月份CO和CH4總含量的月背景場(chǎng)變化． 可以看出， 以龍門山造山帶為界， 東部四川盆地的CO和CH4總含量呈明顯高值， 這是由于四川盆地內(nèi)存在數(shù)千米厚的生烴地層和大量高壓天然氣田(岳中琦， 2013)， 儲(chǔ)存于氣田的地下氣體不斷地以彌散的方式向大氣中釋放所致． 同時(shí)， 由于四川盆地也是重要的水稻產(chǎn)區(qū)以及油氣石油化工和水泥建材基地， 故稻田和工業(yè)排放的含碳?xì)怏w不可忽視．

圖1 2008年2， 5， 8和11月CO(上)和CH4(下)總含量的月背景場(chǎng)變化

2.2 汶川地震前后含碳?xì)怏w地球化學(xué)特征

汶川大地震發(fā)生前， 巖石在構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)作用下發(fā)生變形、 破壞， 使得貫穿地表的裂隙增多， 深部流體在壓力驅(qū)動(dòng)下沿?cái)嗔鸭氨∪醯貛г趲r石圈內(nèi)遷移、 聚集或分散， 釋放到大氣中， 形成氣體地球化學(xué)異常． 同時(shí)， 隨著斷層蠕動(dòng)、 摩擦， 泥質(zhì)巖石也會(huì)釋放出CO2, H2O和CH4(Martinelli, Plescia, 2005)．

2.2.1 CO2異常特征

圖2給出了2008年2—5月CO2體積混比的月平均值變化和去背景場(chǎng)后CO2體積混比的月平均值變化． 可以看出， 2008年3月CO2體積混比(圖2上)和去背景場(chǎng)CO2體積混比的月平均值(圖2下)沿龍門山斷裂帶在汶川地震震中的SW和NE方向均出現(xiàn)明顯的極大值異常， 且最大異常出現(xiàn)在震中附近的SW方向， 與2008年5月長波輻射渦度變化場(chǎng)異常分布特征(Jingetal, 2013)類似． 此外， 震中區(qū)CO2體積混比在2005—2007 年(期間無M>5.0地震)以每年約2×10-6的速率增長， 這是由于全球溫室效應(yīng)引起的年變， 而在發(fā)生汶川地震的2008年， CO2體積混比突破年變， 3， 4月份出現(xiàn)高值異常， 如圖3所示．

2.2.2 CH4異常特征

圖4給出了2008年3—6月去背景場(chǎng)CH4總含量的月平均值變化. 可以看出, 5月份去背景場(chǎng)后的月平均CH4總含量高值異常區(qū)明顯地受到斷裂控制， 且沿NE向龍門山斷裂帶和NW向滎經(jīng)—馬邊斷裂帶分布， 在兩條斷裂帶交匯處異常幅度最大， 這與2013年蘆山MS7.0地震前的CH4釋放濃度分布特征(王杰等， 2013)類似， 也與2008年5月長波輻射渦度變化場(chǎng)的異常分布特征(Jingetal, 2013)一致． 此外， 大氣水汽濃度增高異常也明

圖2 2008年2—5月CO2 體積混比(VMR)的月平均值變化(上)和去背景場(chǎng)

圖3 2005—2008年CO2體積混比(VMR)的月平均值變化Fig.3 Monthly variations of CO2 VMR from 2005 to 2008

顯地受到構(gòu)造控制(崔麗華， 2009)． 2010年4月5日發(fā)生在墨西哥下加利福尼亞南部的MW7.1 地震前的3月份去背景場(chǎng)后的CO總含量異常也沿圣安德列斯斷裂帶分布(崔月菊等， 2011； Cuietal, 2013)．

圖5給出了2008年3—5月去背景場(chǎng)CH4總含量的8天平均值變化． 可以看出， CH4異常同樣受到斷裂控制， 其零星散布于斷裂帶附近， 4月10日CH4異常極大值開始集中， 5月12日異常范圍達(dá)到最大， 并在震中附近集中， 沿龍門山斷裂帶NE向異常面積減小， 至5月20日異常范圍減小， 之后異常幅度減弱．

圖4 2008年3—6月去背景場(chǎng)CH4總含量的月平均值變化

2.2.3 CO異常特征

圖6給出了2008年3—6月去背景場(chǎng)CO總含量的月平均值變化． 可以看出， 汶川地震

圖5 2008年3—5月去背景場(chǎng)CH4總含量的8天平均值變化

圖6 2008年3—6月去背景場(chǎng)CO總含量的月平均值變化

發(fā)生月出現(xiàn)CO異常， 且強(qiáng)異常集中在震中附近， 弱異常受龍門山斷裂帶和滎經(jīng)—馬邊斷裂帶控制． 從臨震更短尺度(圖7)來看， CO異常從3月9日開始出現(xiàn)， 4月10日其異常強(qiáng)度和范圍均達(dá)到最大， 且集中于四川盆地， 之后消失； 至5月12日汶川地震發(fā)生， 異常再次出現(xiàn)沿?cái)嗔褞Х植嫉默F(xiàn)象， 之后減弱； 至5月20日集中在震中位置， 5月28日消失． 而對(duì)于亮溫功率譜而言， 4月25日異常明顯， 且持續(xù)至5月底， 之后向震中收縮， 6月底消失(Zhangetal, 2010)．

3 討論與結(jié)論

汶川地震導(dǎo)致了大量的含碳?xì)怏w釋放， 通過分析這些含碳?xì)怏w的異常時(shí)空分布特征， 對(duì)不同氣體的異常形成機(jī)制進(jìn)行討論． CH4和CO2異常分布受斷裂控制明顯， CO2異常出現(xiàn)時(shí)間(3月)早于CH4異常(4月)， 斷裂帶為地下氣體逸散提供了通道． Martinelli和

圖7 2008年3—5月去背景場(chǎng)CO總含量的8天平均值變化

Plescia(2005)的試驗(yàn)研究表明， 石灰質(zhì)、 泥質(zhì)巖石在壓力作用下擠壓、 摩擦?xí)尫糯罅緾O2和CH4． 無論CO2和CH4源于沿裂隙釋放還是由巖石擠壓摩擦產(chǎn)生， 因斷裂帶附近裂隙多且摩擦充分， 所以CH4和CO2異常分布受斷裂控制明顯． 另一方面， 因?yàn)镃H4在地球內(nèi)部的含量比CO2低很多， 可由CO2還原生成且易氧化， 所以CH4異常遲于CO2出現(xiàn)， 且幅度較小． 逸出到大氣中的CH4和CO2發(fā)生溫室效應(yīng)， 引起4月和5月的長波輻射異常(Jingetal, 2013)． 此外， CO2還原過程中除了產(chǎn)出CH4， 還同時(shí)產(chǎn)出H2O， 因此大氣水汽濃度增高異常明顯地受到構(gòu)造控制(崔麗華， 2009)．

CO主要來源于油氣藏和斷裂帶逸出及CH4氧化， 其異常分布于龍門山斷裂帶和滎經(jīng)—馬邊斷裂帶及四川盆地地區(qū)． CO異常沿?cái)嗔褞Х植颊f明震中附近及沿?cái)嗔褞虼髿庵嗅尫帕薈O， 此外沿?cái)嗔褞п尫诺腃H4在釋放過程中由于氧化還原條件的變化發(fā)生氧化反應(yīng)也可生成CO(CH4+4O2→CO+H2+H2O+2O3)， 使得CH4異常出現(xiàn)(4月10日， 圖5)后一個(gè)月(5月12日， 圖7)CO異常集中于震中附近且沿?cái)嗔褞Х植迹?而龍門山東南部的四川盆地是油氣藏豐富的致密砂巖含氣區(qū)和水稻產(chǎn)區(qū)， 儲(chǔ)藏有大量的CH4天然氣， 背景值高(圖1)． 汶川地震使得CH4彌漫式擴(kuò)散加快， 到大氣中被氧化生成CO， 導(dǎo)致該地震孕育過程中該區(qū)域的CO總含量去掉背景場(chǎng)后仍為高值； CH4被氧化的同時(shí)釋放熱量， 引起溫度升高． 地球放氣溫室效應(yīng)指地下深部釋放到大氣中的大量CO2， CH4， CO和水汽等溫室氣體混合作用引起溫室效應(yīng)， 這是熱紅外異常的基本成因機(jī)理(Zhangetal, 2010)． CH4在大氣中的溫室效應(yīng)約為CO2的25倍， 含有CH4的混合氣體在太陽輻射或瞬變電場(chǎng)的作用下可以升溫3℃—6℃(強(qiáng)祖基等， 1997)． 龍門山斷裂帶東南部含有大量CH4的天然氣釋放到大氣中發(fā)生溫室效應(yīng)， 使大氣溫度升高， 同時(shí)CH4被氧化的過程也是放熱的過程． 因此， 在龍門山斷裂帶及其東南區(qū)域出現(xiàn)長波輻射渦度場(chǎng)或亮溫功率譜的異常．

本文利用衛(wèi)星高光譜數(shù)據(jù)對(duì)該地區(qū)地震前后的含碳?xì)怏w異常時(shí)空分布特征進(jìn)行了分析， 得到以下結(jié)論：

1) 地震前后固體地球向大氣中釋放了大量的CH4， CO2和CO氣體， 利用衛(wèi)星高光譜遙感技術(shù)可以監(jiān)測(cè)到這些含碳?xì)怏w的變化. 由于數(shù)據(jù)分辨率的限制， 目前還無法確定可以監(jiān)測(cè)到多大震級(jí)地震的異常．

2) CH4和CO2主要來自震中附近及沿?cái)嗔褞п尫牛?CO除了源于沿?cái)嗔褞п尫藕脱財(cái)嗔褞п尫诺腃H4氧化外， 還源于四川盆地滲漏的CH4氧化．

本文研究結(jié)果可用于地震前兆研究， 為地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)提供了新的監(jiān)測(cè)參數(shù)和方法， 還為地震熱紅外異常機(jī)制“地球放氣溫室效應(yīng)”提供了直接參考數(shù)據(jù)． 氣體異常的空間分布特征還說明本研究對(duì)斷裂帶的構(gòu)造活動(dòng)研究也有一定的意義， 但僅限于大的地震帶． 此外， 含碳?xì)怏wCO2， CH4和CO是大氣中3種主要的溫室氣體， 其時(shí)空變化特征可用于地震引起的地質(zhì)碳排放研究， 為大氣碳排放政策的制定提供依據(jù)．

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Mapping emission of carbon-bearing gases from the satellite hyperspectral data in western Sichuan before and after the 2008 WenchuanMS8.0 earthquake

1)CEAKeyLaboratoryofEarthquakePrediction(InstituteofEarthquakeScience),ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100036，China2)EarthquakeAdministrationofNingxiaHuiAutonomousRegion,Yinchuan750001,China

Carbon-bearing gases underground strongly emitted before and after theMS8.0 Wenchuan earthquake in 2008. This paper obtained the temporal and spatial distribution characteristics of carbon-bearing gases anomalies by using the differential method with the satellite hyperspectral data. The data showed that CO2, CH4and CO anomalies occurred before and after Wenchuan earthquake, which were spatially controlled by the faults obviously and were similar with the thermal infrared anomaly distribution. CO and CO2anomalies had a larger range than CH4. CO anomaly distributed not only along the Longmenshan fault but also in the Sichuan basin. The order of carbon-gas anomaly appearance was CO2, CH4and CO. CO2and CH4gases mainly emitted from the inner earth along the Longmenshan fault, and CH4also may be the reduction products of CO2under the reduce condition. CO can be controlled not only by the gas emission along the fault but also by the emitted CH4oxidation, and CO anomaly in the Sichuan basin was caused by the oxidation of CH4which seepes from the oil and gas field. The results not only provide new monitoring parameters of earthquake precursor but also a scientific basis for the mechanism of thermal infrared anomaly associated with “earth degassing and greenhouse effect”， and can be used in the study of earthquake prediction. At the same time, the results play an important role in the study of geological carbon-emission caused by earthquake.

Wenchuan earthquake; satellite hyperspectrum; gas geochemistry anomaly; carbon dioxide; methane; carbon monoxide

國家自然科學(xué)基金(41403099, 41373059)、 中國地震局地震預(yù)測(cè)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(2015IES0402)和高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)重大專項(xiàng)(31-Y30B09-9001-13/15)共同資助.

2015-11-02收到初稿， 2016-02-26決定采用修改稿.

e-mail: jianguodu@hotmail.com

10.11939/jass.2016.03.012

P315.72

A

崔月菊， 杜建國， 荊鳳， 李新艷. 2016. 2008年汶川MS8.0地震前后川西含碳?xì)怏w衛(wèi)星高光譜特征. 地震學(xué)報(bào), 38(3): 448--457. doi:10.11939/jass.2016.03.012.

Cui Y J, Du J G, Jing F, Li X Y. 2016. Mapping emission of carbon-bearing gases from the satellite hyperspectral data in western Sichuan before and after the 2008 WenchuanMS8.0 earthquake.ActaSeismologicaSinica, 38(3): 448--457. doi:10.11939/jass.2016.03.012.