王 瑩， 張?jiān)?2*， 魏從信,2

(1. 中國地震局 蘭州地震研究所， 甘肅 蘭州 730000；2.中國地震局 地震預(yù)測研究所蘭州創(chuàng)新基地， 甘肅 蘭州 730000)

Gornyi等[1,2]在1988年首次提出將熱紅外遙感數(shù)據(jù)用于地震異常研究，大量研究發(fā)現(xiàn)地震前后有溫度異常現(xiàn)象，通過紅外遙感手段能定性地分析熱紅外異常。近年來，許多學(xué)者應(yīng)用遙感數(shù)據(jù)在地震熱紅外異常提取方法和地震熱紅外異常成因機(jī)理方面進(jìn)行了深入研究和探索，不斷優(yōu)化地震熱紅外信息提取方法，取得了一定的成果[3-12]。強(qiáng)祖基、馬瑾等[13-17]探討了熱紅外異常成因和機(jī)理，提出了熱紅外異常在時(shí)、空、強(qiáng)等方面的特征，及熱紅外信息可以反映區(qū)域斷層活動(dòng)的時(shí)空過程。郭曉等[18]提出了地震熱紅外異常提取方法-“相對功率譜法”，該方法可有效地去除非震因素，提高異常識別的準(zhǔn)度。郭曉、魏從信等[19-24]應(yīng)用該方法分析了一定數(shù)量的震例，獲得了一些新的認(rèn)識，如異常演化過程、特征周期等。張璇等[25,26]討論了甘肅東南及鄰近地區(qū)活動(dòng)斷層帶與該地區(qū)熱紅外資料時(shí)空變化之間的關(guān)系，給出了活動(dòng)斷層的時(shí)空動(dòng)態(tài)分布。

以前的研究大多重點(diǎn)討論單個(gè)地震異常特征信息[19-29]，而對于多次地震異常的對比研究較少。云南省內(nèi)地震活動(dòng)頻發(fā)，活動(dòng)構(gòu)造復(fù)雜，該處地震活動(dòng)一直受到學(xué)者們廣泛關(guān)注。1996年麗江地震[30]、2000年姚安地震[31]、2012年彝良地震[32]、2014年景谷地震[33]均發(fā)現(xiàn)震前有明顯的增溫異常。2008年至今該區(qū)域共發(fā)生5.5級以上地震8次，這些地震樣本為對比分析地震熱紅外異常特征異同提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

本文運(yùn)用相對功率譜方法對風(fēng)云衛(wèi)星TBB數(shù)據(jù)進(jìn)行熱紅外異常信息提取，結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造、斷層信息及雨熱信息，對比分析了8次地震熱紅外異常在異常形態(tài)、震中與異常相對位置、特征周期等方面的異同，探討了異常特征與構(gòu)造活動(dòng)、天氣等因素的關(guān)系，結(jié)合這些影響因素可更好地判別該區(qū)域震前異常。

1 研究區(qū)概況

云南省地處川滇地塊和華南地塊過渡帶，西接青藏高原地塊，東鄰華南地塊。一方面，由于青藏高原羌塘塊體整體隆起、向東擠出的作用，造成了川滇地區(qū)強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和復(fù)雜的構(gòu)造環(huán)境。另一方面，受印度板塊對歐亞板塊的擠壓影響，該區(qū)域地震頻發(fā)，且主要以板內(nèi)地震和板緣混合型地震為主，中強(qiáng)震主要沿著菱形塊體邊緣的斷裂發(fā)生[34]。

2008年至今，云南省共發(fā)生了8次5.5級以上地震，圖1為震中分布，地震多沿菱形塊體邊緣斷裂發(fā)生。滇西南和滇西在印度板塊和亞歐板塊邊界東緣，受作用力較大，地殼較破碎，在一定的內(nèi)外力作用下這些破碎地殼易產(chǎn)生地震活動(dòng)，是該地區(qū)小震頻發(fā)的原因。云南東部和云南西南部不是主受力區(qū)，地殼內(nèi)形成小裂紋，把地殼分成了較大的塊體，在一般應(yīng)力作用下不易活動(dòng)，因而地震活動(dòng)較少。云南中部和滇東南地區(qū)，分別屬于作用力回旋和遠(yuǎn)離作用力地區(qū)，形成的塊體更大，外力作用無法使其活動(dòng)，地震較少。

圖1 研究區(qū)5.5級以上地震震中分布圖Epicenter distribution of earthquakes (Ms≥5.5) in the survey region

云南省內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，斷裂發(fā)育，上述8次地震多位于重要的斷裂帶或者次級斷裂帶。表1為地震目錄及地震發(fā)生的主要斷裂及參數(shù)。

2 數(shù)據(jù)及處理方法

由于靜止衛(wèi)星數(shù)據(jù)具有位置可比性強(qiáng)和時(shí)間一致性高的優(yōu)勢，本文選擇中國氣象靜止衛(wèi)星風(fēng)云系列的相當(dāng)黑體溫度TBB數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，通過小波變換濾波及相對功率譜處理方法提取識別與地震有關(guān)的熱紅外異常信息。本文所采用的小波濾波方法可以有效分離基本地球溫度場(背景場)、日變溫度場、雨云、冷熱氣流等因素(噪聲)引起的溫度場變化，利用相對功率譜方法可以得到時(shí)頻域異常特征(能量與周期的關(guān)系)。經(jīng)過小波變換濾波和相對功率譜方法得到了頻率和振幅的時(shí)頻空間數(shù)據(jù)，從而有效地去除非地震異常因素，突出了地震熱輻射異常，稱之為“時(shí)頻相對功率譜”[18]。數(shù)據(jù)處理具體流程見圖2。

(1)預(yù)處理：選取TBB每天午夜5個(gè)時(shí)間段的觀測數(shù)據(jù)(UTC 17:00～UTC 21:00)，區(qū)域范圍在55° E～150° E、5° N～50° N，數(shù)據(jù)空間分辨率為0.05°×0.05°，以二進(jìn)制格式順序存儲數(shù)據(jù)入庫。

(2)小波變換濾波：首先通過補(bǔ)窗法去除部分云和雨的影響，計(jì)算數(shù)據(jù)的均值得到日值，采用Daubecheies(dbN)小波系中的db8小波基對亮溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行小波變換，用二階部分減去七階部分，去除云雨、冷熱氣流及地球年變溫度場等高頻和低頻影響因素，得到了每個(gè)像素在時(shí)域內(nèi)具有正負(fù)相位的亮度溫度數(shù)據(jù)的波形。

(3)相對功率譜處理：采用時(shí)間窗長(n=64天)和滑動(dòng)窗長(n=1天)計(jì)算快速傅里葉變換的功率譜，為了提取地震前后優(yōu)勢頻譜和幅值，對每個(gè)象元所有頻率的功率譜做相對幅值處理，計(jì)算地震前后功率譜與其它時(shí)段相對變化幅值。

(4)異常掃描及提?。簰呙柩芯繀^(qū)時(shí)空和全頻段的時(shí)頻空間數(shù)據(jù)，提取異常信息。該方法能有效地去除非地震因素，突出地震熱紅外信息。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程圖Data process diagram

3 結(jié)果分析與討論

本文分析了2008年至今云南省內(nèi)發(fā)生震級在5.5級以上的地震事件，除去前震、余震，有效地震共計(jì)8次，其中6級以上地震共發(fā)生4次，5.5級～6級地震共4次，如表2所示。我們提取了上述8次地震的熱紅外異常，根據(jù)震級、地震類型及發(fā)震時(shí)間等方面的不同，對比分析地震熱紅外異常特征。

研究區(qū)內(nèi)地震主要分布在滇西和滇西南，以主震余震型和雙震型為主，其中滇東、滇西和滇西北地區(qū)地震類型主要為主震余震型，滇西南地區(qū)主要為雙震型。

3.1 地震熱紅外異常特征信息提取結(jié)果

對震中位置為中心10°×10°范圍內(nèi)進(jìn)行異常時(shí)空掃描，分別提取上述震例的地震熱紅外異常信息、異常時(shí)空演化圖(圖3、圖4)及相對功率譜時(shí)序曲線圖(圖5、圖6)。如圖所示：其中有3次地震特征周期是32天，2次地震的特征周期為64天；最大幅值均在5倍以上，6級以上地震峰值大多在11倍以上，5.5級地震相對功率譜峰值較6級地震的峰值?。划惓Ｑ莼w呈現(xiàn)出“出現(xiàn)-增大-減弱-消失”的過程，有沿?cái)鄬幼兓臈l狀異常，也有未沿著斷層走向展布的不規(guī)則片狀異常，震中多位于異常邊緣或者不連續(xù)異常交匯部位；異常持續(xù)時(shí)間多在38天以上，只有一次異常持續(xù)時(shí)間為16天，發(fā)震時(shí)刻多位于異常減弱階段。

表2 地震目錄

圖3 6級以上地震熱紅外異常時(shí)空演化圖Temporal and spatial evolution maps of thermal infrared anomaly ofMs≥6 earthquakes

2009年7月9日云南姚安6.3級地震的震中位于(101° E，25.6° N)，屬主震余震型地震，發(fā)震斷裂為NWW-SEE向右旋走滑斷層，震中位于云南中部，近紅河斷裂和程海斷裂交界。此次地震發(fā)生在夏季，該地區(qū)全年溫差較小，四季氣溫適宜。如圖3c所示，6月底在NWW方向出現(xiàn)小范圍異常，7月初在震中SE方向出現(xiàn)大片異常，異常向震中方向持續(xù)擴(kuò)大，直到地震發(fā)生后，沿著西北方向也出現(xiàn)異常，一直呈現(xiàn)出增大的趨勢，直到8月底，異常向震中兩側(cè)減弱收縮。

在圖5c所示姚安地震相對功率譜曲線中，特征周期為32天，幅值大于4倍的持續(xù)天數(shù)超過60天。從時(shí)序曲線可以看出，地震發(fā)生前后功率譜幅值高于無震時(shí)期幅值，有明顯的高值異常。地震發(fā)生前時(shí)序曲線有小幅度的上升，7月19日后，出現(xiàn)小范圍回落，之后幅值再次增大，相對幅值達(dá)到近期最大近14倍。整個(gè)時(shí)序曲線呈現(xiàn)出“增大-稍微回落-增大-回落”的過程。

圖4 6級以下地震熱紅外異常時(shí)空演化圖Temporal and spatial evolution maps of thermal infrared anomaly ofMs≤6 earthquakes

3.2 異常分析對比結(jié)果

結(jié)合上述地震熱紅外異常時(shí)空演化圖、相對功率譜時(shí)序曲線、震級、發(fā)震斷層的性質(zhì)、天氣以及構(gòu)造背景狀況等數(shù)據(jù)，對異常形態(tài)、特征周期、特征幅值等異常特征進(jìn)行對比(見表3)，分析如下：

(1)不同震級對比

對比不同震級功率譜峰值：6級以上地震相對功率譜峰值高于6級以下地震，3次6級以上地震中峰值在11倍以上，而2014年盈江地震的功率譜峰值比相同地點(diǎn)2008年發(fā)生地震的峰值低。比較相同震級的功率譜峰值：彝良和寧蒗地震、盈江和香格里拉地震震級分別相同，其中盈江地震和彝良地震的異常持續(xù)時(shí)間、異常面積和相對幅值都較大。結(jié)合這8次地震異常演化圖與震級，就異常持續(xù)時(shí)間、異常面積與震級而言無明顯的聯(lián)系，但異常持續(xù)時(shí)間和異常面積有很好的對應(yīng)關(guān)系：異常面積大的地震所對應(yīng)的異常持續(xù)時(shí)間也較長。

圖5 6級以上地震相對功率譜時(shí)序曲線Relative power spectra time series ofMs≥6 earthquakes

(2)斷層性質(zhì)

研究區(qū)內(nèi)地震發(fā)震斷層多為走滑斷層，多數(shù)地震熱紅外異常分布形態(tài)跟發(fā)震斷層走向一致。發(fā)震斷層多為走滑斷裂，走滑斷裂有右旋走滑和左旋走滑，但在此方面沒有明顯的規(guī)律性特征異常。異常的展布形態(tài)與斷層走向有明顯的一致性，但有的地震異常出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，并沒有沿著一個(gè)方向發(fā)展(震例3和震例6)。震中位于異常幅值較小一側(cè)邊緣或者異常交匯位置。

(3)不同地震類型對比

8次地震的地震類型主要有兩種：主震余震型和雙震型。分析主震余震型地震熱紅外異常演化過程：其中有2次地震(姚安、魯?shù)榈卣?發(fā)震時(shí)刻位于異常持續(xù)增強(qiáng)階段，余震發(fā)生當(dāng)天異常較主震發(fā)生當(dāng)天的異常強(qiáng)度、面積都大。其余主震余震型地震均發(fā)生在異常減小階段，異常面積、異常幅值都較小。本文中主震余震型地震發(fā)震時(shí)間距異常最大處時(shí)間間隔較長。彝良地震屬于雙震型地震，兩次主震發(fā)生時(shí)異常面積較大，發(fā)生時(shí)間距異常最大處時(shí)間間隔較短。

(4)不同發(fā)震時(shí)間(季節(jié))

云南省北部氣溫較高，地勢呈北高南低。夏季東部南部距海不遠(yuǎn)，受海洋氣流的影響，云雨較多，夏季無酷熱。文中的8次地震特征周期有一定的差異：3次地震特征周期為32天，2次地震特征周期為64天，其余為11天、14天和22天。云南省北部香格里拉是云南省海拔最高的地區(qū)，發(fā)震時(shí)段彝良?xì)鉁馗呓涤晟?，魯?shù)闅鉁馗呓涤晟?，而寧蒗降雨較多氣溫不高。位于云南省南部的盈江，在異常出現(xiàn)的4月份，氣溫較高降雨少；姚安在6、7月份降雨多并且溫度較高(均溫25 ℃以上)；而景谷8、9月份氣溫高(均溫30 ℃左右)降雨多。結(jié)合各地海拔氣溫降雨等條件，特征周期整體上呈現(xiàn)出：降雨較多的地區(qū)特征周期較短，高溫干旱、降雨較少、海拔較高地區(qū)特征周期較長。

圖6 6級以下地震相對功率譜時(shí)序曲線Relative power spectra time series ofMs≤6 earthquakes

時(shí)間震級地點(diǎn)峰值特征周期/天異常出現(xiàn)季節(jié)異常持續(xù)時(shí)間/天異常形態(tài)201410076.6景谷1211秋季38片狀小范圍異常,震中位于左側(cè)邊緣201408036.5魯?shù)?132夏季51異常分布與斷層方向一致,震中位于異常邊緣200907096.3姚安1432夏季65北西、南西向異常,震中位于兩方向異常交匯邊緣201405306.1盈江632春季39北、東北向異常,震中位于異常南側(cè)邊緣200808215.9盈江922夏季16西南方向異常,震中位于幅值較小一側(cè)邊緣201308315.9香格里拉564夏季52北西、南西方向異常,震中位于兩方向異常中間201206245.7寧蒗914夏季46近東西方向異常,震中位于異常突出邊緣201209075.7彝良1164夏季55北東方向條狀異常,震中位于異常交匯一側(cè)邊緣

3.3 討論

本文對8次地震前后熱紅外異常特征進(jìn)行了對比分析，相對功率譜峰值、異常面積、異常持續(xù)時(shí)間因多種因素影響有一定的差異。地震震級越大，表示孕震過程中積聚的能量越大，相應(yīng)地震級較大，相對功率譜的幅值也應(yīng)該比較大。但由于地震活動(dòng)過程中受多種因素影響，震級和功率譜峰值并不一致，例如發(fā)震時(shí)間、地震活動(dòng)、當(dāng)?shù)氐臉?gòu)造環(huán)境等都會(huì)影響孕震過程。構(gòu)造環(huán)境相同，也會(huì)出現(xiàn)震級小峰值較大的情況，這可能與一次地震過后改變了當(dāng)?shù)氐脑姓瓠h(huán)境有關(guān)。相對功率譜幅值與整個(gè)孕震階段和發(fā)震階段能量的釋放以及應(yīng)力不斷地調(diào)整有關(guān)。

構(gòu)造活動(dòng)受一定范圍內(nèi)區(qū)域應(yīng)力場的共同影響，而區(qū)域應(yīng)力場會(huì)影響其他斷層活動(dòng)[35]，可能會(huì)引起其他斷層的異常出現(xiàn)，使異常并不一定沿著主要發(fā)震斷裂展布。而異常面積的不同也可能與區(qū)域應(yīng)力場及斷層活動(dòng)有一定的關(guān)系。異常連續(xù)成片時(shí)，震中往往位于異常一側(cè)邊緣，異常不連續(xù)時(shí)，震中位置往往位于異常交匯處邊緣，結(jié)合斷層信息、異常演化過程及地震活動(dòng)性特征，能夠較準(zhǔn)確地判斷出發(fā)震位置。雙震型地震能量釋放集中，相應(yīng)地，異常面積和異常幅值較大，地震發(fā)生時(shí)刻距峰值時(shí)間間隔較短；而主震余震型地震發(fā)震時(shí)間距峰值出現(xiàn)時(shí)間間隔較長，這應(yīng)該與雙震型和主震余震型地震能量釋放過程不同有關(guān)，兩者聯(lián)系還需進(jìn)一步確認(rèn)。

相同區(qū)域震例熱紅外異常特征有一定的相似性，熱紅外異常特征與震級、發(fā)震斷層、發(fā)震時(shí)間、地震孕育過程等因素有明顯的相關(guān)性，今后應(yīng)進(jìn)一步探究異常強(qiáng)度和面積與震級、震源深度及地下結(jié)構(gòu)等多種影響因素的相關(guān)性，不斷深入探究異常特征與各影響因素之間的關(guān)系。

4 結(jié)論

應(yīng)用時(shí)頻相對功率譜方法分析了研究區(qū)內(nèi)8次5.5級以上地震，得到了該系列地震熱紅外異常特征：特征周期以32天和64天較多；6級以上地震的相對功率譜峰值在6倍以上，6級以下地震的相對功率譜峰值在5倍以上；異常持續(xù)時(shí)間多在30天以上；發(fā)震時(shí)間位于相對功率譜幅值回落階段；震中位于異常邊緣或者異常過渡位置。特征信息明顯且具有規(guī)律性。

本文從不同震級、斷層的性質(zhì)、不同地震類型和不同發(fā)震時(shí)間對8次地震異常特征進(jìn)行了對比分析，得到以下結(jié)論：①本文中不同震級的地震，相對功率譜峰值會(huì)有所不同，震級較高的地震有較高的幅值；②整個(gè)異常時(shí)空演化過程中，異常形態(tài)展布與斷層的走向具有較好的一致性，震中位置往往位于異常的一側(cè)邊緣或者異常交匯的位置；③雙震型地震和主震余震型地震，孕震及發(fā)震過程中主震余震能量分配及能量釋放不同，本文中的震例在異常演化過程中雙震型地震異常面積較大，峰值距發(fā)震時(shí)刻時(shí)間間隔較短；④發(fā)震季節(jié)不同，當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境有所差異，特征周期也有所差異，降雨較多的地區(qū)特征周期較短，高溫干旱降雨較少地區(qū)特征周期較長。

致謝：感謝中國氣象局國家氣象中心提供靜止衛(wèi)星數(shù)據(jù)，感謝中國地震局預(yù)測研究所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(2015IESLZ02)資助。