閆麗莉, 高文晶, 王建國, 張孟怡

(天津市地震局, 天津 300201)

0 引言

衛(wèi)星熱紅外遙感具有精度高、覆蓋范圍廣,準(zhǔn)實時獲取數(shù)據(jù)的優(yōu)勢,在地震研究中被廣泛應(yīng)用,同時在研究成果上取得一定進(jìn)展[1-10]。如:陳梅花、郭衛(wèi)英等[1-2]分別研究瑪尼7.9級地震、昆侖山口西8.1級地震,發(fā)現(xiàn)紅外亮溫增溫異常與斷裂帶存在著對應(yīng)關(guān)系,在異常表現(xiàn)很強(qiáng)烈的時段,斷裂帶內(nèi)外亮溫差值比相鄰年份同期高2～3 ℃;張元生等[3]用小波變換和傅里葉變換的數(shù)據(jù)處理方法,研究汶川MS8.0地震,表明大地震發(fā)生前亮溫變化存在明顯熱異常特征周期和特征幅值;張鐵寶等[4]指出在汶川地震和廬山地震前,巴顏碦拉地塊中東段都有紅外亮溫升溫異常;馬瑾、單新建等[5]探索研究了瑪尼地震前后斷層相互作用,從區(qū)域構(gòu)造背景方面分析瑪尼地震前的增溫異常原因,并分析了變形異?！獢鄬蝇F(xiàn)今活動—地震三者間的關(guān)系。

從已有的成果看,地震活動引起熱紅外異常毋庸置疑,但是地震活動引起的紅外異常,相對于地表熱輻射的自然變化可能是微弱的?？梢?要從復(fù)雜的熱紅外遙感信息中將深部斷裂活動引起的熱異常監(jiān)測出來,就要掌握無震情況下的熱紅外亮溫正常背景動態(tài)變化規(guī)律,以此作為判別異常的背景和基準(zhǔn),進(jìn)一步提取與地震活動相關(guān)的紅外前兆異常。

2012年在天津及其周邊地區(qū)發(fā)生了2次4級以上地震,分別是2012年5月28日唐山4.8級地震和2012年6月18日寶坻4.0級地震。本文基于建立華北地區(qū)多年紅外亮溫動態(tài)月背景場,利用基于同期亮溫偏移指數(shù)法(即K值法)研究這兩次地震。

1 華北地區(qū)及數(shù)據(jù)介紹

本文選取華北地區(qū)的范圍為 (110°～123°E,34°～43°N),其地質(zhì)活動構(gòu)造圖如圖1所示。華北地區(qū)是一個內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜和斷裂活動強(qiáng)烈的地區(qū),包括山西斷裂帶和太行山山前斷裂帶,其中山西斷裂帶幾乎縱貫了華北地區(qū)的南北向,由北向南對接組成的地塹—裂谷系呈“S”形雁形排列,地塹內(nèi)部存在一系列與盆地邊緣大斷裂平行、垂直、斜交的隱伏斷裂[11-12];太行山山前斷裂帶位于太行山山脈與華北平原的過渡地帶,不僅是地形地貌分區(qū)的界線,而且也是區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和地球物理場中一條重要的邊界[13]。一系列受伸展正斷層控制的掀斜塊體在區(qū)域應(yīng)力場的作用下,形成了典型的盆—嶺式構(gòu)造,一系列NEE向的盆地和斷裂分布與強(qiáng)震活動密切相關(guān),形成了以燕山山脈隆起為背景、面對華北平原廣大沉降帶強(qiáng)烈活動的格局[14-16]。

圖1 華北地區(qū)地質(zhì)活動構(gòu)造圖Fig.1 Tectonic map of geological activity in North China

NOAA是由美國于20世紀(jì)60年代開始發(fā)射的系列極軌氣象衛(wèi)星,目前在軌運(yùn)行的NOAA系列衛(wèi)星上裝載的AVHRR探測器星下點空間分辨率為1.1 km,有5個探測通道,其數(shù)據(jù)參數(shù)見表1所列。其中,第1,2通道(0.58～1.1 μm )為可見光和近紅外通道,主要反映地氣系統(tǒng)物體的反照率。第3通道(3.93～3.95 μm )為中紅外通道,對高溫目標(biāo)敏感,適合對下墊面的異常高溫點進(jìn)行探測,如森林火點、草原火災(zāi)等。第4,5通道(10.5～12.5 μm)為熱紅外通道,反映常溫下(約300 K)地氣系統(tǒng)的長波輻射[17],為研究地面熱場分布提供了豐富的數(shù)據(jù)源,其數(shù)據(jù)計算精度為0.1 K。陸面和海面溫度的反演主要用這兩個波段,與地震及斷裂活動相關(guān)熱紅外異常的分析與提取也是利用這兩個波段的數(shù)據(jù)。本文選用NOAA18衛(wèi)星接收2004—2012年8月的原始數(shù)據(jù),為避免太陽輻射的影響,選取夜間凌晨01～03時數(shù)據(jù)。

表1 NOAA/AVHRR 數(shù)據(jù)參數(shù)

2 紅外亮溫異常提取方法

2.1 背景場建立方法

正常動態(tài)亮溫背景場以華北地區(qū)多年相同時相觀測的均值和標(biāo)準(zhǔn)差作為表征量。計算時對多年累積的數(shù)據(jù)按地理坐標(biāo)進(jìn)行時間序列上的統(tǒng)計分析,具體計算方法如下[18]:

設(shè)N為可用數(shù)據(jù)年限,Ti(x,y,t)為研究區(qū)位置(x,y)處第i年t時刻的亮溫觀測值,T(x,y,t)和σ(x,y,t)分別為研究區(qū)位置(x,y)處t時刻N(yùn)年內(nèi)由與研究區(qū)地震活動不相關(guān)的自然噪聲源影響下的亮溫平均值和標(biāo)準(zhǔn)差,則T(x,y,t)和σ(x,y,t)可用下式求得:

(1)

(2)

2.2 基于歷年同期亮溫偏移指數(shù)K值

基于歷年同期亮溫偏移指數(shù)K值可作為異常的表征量。K值從空間上反映日值相對于歷年同期背景值發(fā)生的偏移,并表征為紅外亮溫異常,在時間上可獲得異常出現(xiàn)的日期。故該方法可從空間和時間兩個方面發(fā)現(xiàn)震前的紅外亮溫異常。

亮溫偏移指數(shù)K值的具體計算公式如下:

設(shè)N為可用數(shù)據(jù)年限,Ti(x,y,t)為研究區(qū)位置(x,y)處第i年t時刻的亮溫觀測值,T(x,y,t)和σ(x,y,t)分別為研究區(qū)位置(x,y)處t時刻N(yùn)年內(nèi)由與研究區(qū)活動不相關(guān)自然噪聲源影響下的亮溫平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。上述兩個參數(shù)可用來描述研究區(qū)亮溫的正常動態(tài)背景值。定義K為亮溫偏移指數(shù),則K表達(dá)式為:

(3)

3 背景場建立

為了避免太陽輻射的影響,本文篩選并截取華北地區(qū)2004—2012年夜間凌晨01～03時的熱紅外影像。同時,對每幅影像按等經(jīng)緯度投影進(jìn)行重采樣,生成研究區(qū)范圍內(nèi)的局地投影文件。然后,對圖像進(jìn)行幾何校正和輻射定標(biāo),生成帶有準(zhǔn)確地理位置信息的紅外亮溫圖像。最后利用《衛(wèi)星紅外地震信息處理軟件》進(jìn)行紅外亮溫月背景場的計算,建立了華北地區(qū)多年同期的紅外亮溫月背景場,其結(jié)果見圖2。

圖2 華北地區(qū)2004—2012年8月同期紅外亮溫月背景場Fig.2 Monthly background field of infrared brightness temperature in North China from 2004 to August 2012

從圖2可以看出,華北地區(qū)月背景場亮溫值的變化主要受季節(jié)和地形的控制及斷裂帶的影響。在時間序列上,最高亮溫出現(xiàn)于7月份,最低亮溫出現(xiàn)于1月份,月亮溫背景場整體表現(xiàn)出明顯的夏高冬低年變特征,符合季節(jié)變化規(guī)律。在空間上,月亮溫背景場整體表現(xiàn)為東南部華北平原的亮溫高于西北部山區(qū),為了進(jìn)行更好的分析紅外亮溫與高程的關(guān)系,選取了一條從山區(qū)經(jīng)過華北平原進(jìn)入渤海海域的剖面線(見圖3中的紅色線)。從圖4中可以看出,剖面線處的亮溫與高程呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系,即隨著高程的增加紅外亮溫逐漸降低;相反,隨著高程的降低紅外亮溫逐漸升高?；顒訕?gòu)造斷裂帶在紅外亮溫影像上清晰可見。

圖3 華北地區(qū)DEM及所選剖面圖Fig.3 DEM and the selected profile in North China

圖4 剖面高程與紅外亮溫對比圖Fig.4 Comparison chart of elevation and infrared brightness temperature of the profile

4 紅外亮溫偏移指數(shù)K值

對華北地區(qū)2012年的亮溫數(shù)據(jù)提取了亮溫偏移指數(shù),即K值,根據(jù)經(jīng)驗判斷,當(dāng)紅外亮溫偏移指數(shù)K>2的部分,認(rèn)為存在衛(wèi)星紅外亮溫異常,計算結(jié)果見圖5。

從提取的亮溫偏移指數(shù)中可以知道,2012年1—3月華北地區(qū)的衛(wèi)星紅外亮溫表現(xiàn)的比較平靜,從4月份中旬開始出現(xiàn)了紅外亮溫異常現(xiàn)象,但到5月份又恢復(fù)平靜,直到5月27日,在次日的唐山4.8級地震震中附近及華北平原地區(qū)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的紅外亮溫異常,在5月28日,這種異常達(dá)到最大,呈現(xiàn)出片狀的“異常橢圓”,其長軸約980 km,短軸約260 km,異常面積約40萬km2(見圖5),就在8小時后,也即5月28日的10時,發(fā)生了唐山4.8級地震。也就是說,在震前1天,甚至幾小時在唐山斷裂以南存在明顯的紅外亮溫異常現(xiàn)象,震后恢復(fù)平靜。與2011年同期相比,并沒有出現(xiàn)如此強(qiáng)烈的片狀異常橢圓現(xiàn)象。

同樣利用亮溫偏移指數(shù)法計算了2012年6—8月份的紅外亮溫數(shù)據(jù),得到結(jié)果見圖6所示。從圖中可以看出,2012年6月18日的寶坻4.0級地震震前的1天(6月17日)存在紅外亮溫異?，F(xiàn)象,但是異常的范圍要小于唐山地震前的。此后,2012年的7、8月份的衛(wèi)星紅外亮溫都表現(xiàn)的比較平靜。

5 紅外亮溫偏移指數(shù)K值統(tǒng)計曲線

這里選取范圍為(117°～119°E,38°～39°N)研究區(qū),并統(tǒng)計該研究區(qū)的紅外亮溫偏移指數(shù)K值,見圖7,可以看出,2012年來,一直處于平靜時期,K值均小于2,未見明顯的紅外亮溫異常。從4月中旬到5月份,K值接近2,紅外亮溫高于歷史同期的變化。到了5月27日K值達(dá)到2.6,出現(xiàn)了明顯的紅外亮溫異常,到了5月28日,K值趨于增大,達(dá)到3.3。這些異常現(xiàn)象可能與唐山4.8級地震的構(gòu)造活動有關(guān)。在6月18日寶坻4.0級地震震前一天的紅外亮溫偏移指數(shù)K值約為2.2,其異常與唐山4.8級地震比不太明顯。

同時統(tǒng)計2011年1—12月同一研究區(qū)的紅外亮溫偏移指數(shù)K值,見圖8所示?？梢钥闯?在2011年該區(qū)域內(nèi)沒有出現(xiàn)K值大于2的情況,說明在該范圍內(nèi)沒有亮溫異常現(xiàn)象存在,2011年天津及其周邊地區(qū)沒有發(fā)生4級以上地震。得到的結(jié)果與客觀事實相符。

6 結(jié)論與討論

(1) 紅外亮溫背景場方面:華北地區(qū)熱紅外亮溫背景場變化具有空間相關(guān)性、時間延續(xù)性和年變周期性,不同地質(zhì)構(gòu)造單元,尤其線性斷裂構(gòu)造在熱紅外圖像上表現(xiàn)清晰。時間上,呈現(xiàn)出夏高冬低年變特征,符合季節(jié)變化規(guī)律;空間上,紅外亮溫與高程呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(2) 基于同期亮溫偏移指數(shù)K值:2012年5月28日唐山4.8級地震震前在唐山斷裂帶以南存在明顯強(qiáng)烈的K值異常,在震前8 h達(dá)到最大約3.3。6月18日寶坻4.0級地震在震前也存在紅外亮溫異常現(xiàn)象,但是較弱。2012年7—8月華北地區(qū)的亮溫偏移指數(shù)K值沒有出現(xiàn)明顯的亮溫異常現(xiàn)象,可以說明華北區(qū)相對平靜。

(3) 異常機(jī)理討論:90年代初就有學(xué)者開始探索震前紅外熱異常的機(jī)理研究[19-22],耿乃光等[19]認(rèn)為由于巖石受壓破裂的過程中,斷層蠕動的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?或地磁輻射能(包括紅外輻射)轉(zhuǎn)化為熱能引起了震前的熱異常。徐秀登等[20-21]的觀點是臨震地球放氣導(dǎo)致局部大氣效應(yīng),且發(fā)現(xiàn)近地表大氣電場,對大氣增溫效應(yīng)具有推波助瀾的作用。強(qiáng)祖基等[22]提出了“地球放氣說”,地球放氣是種普遍存在的自然現(xiàn)象,地下深部氣體作為地球內(nèi)部物理化學(xué)場變化的產(chǎn)物,從斷裂帶巖石裂隙或土壤直接向外逸散或經(jīng)過熱循環(huán)的地下水被帶出地表,活動斷裂是地殼放氣的主要部位之一,特別是在構(gòu)造活動比較強(qiáng)烈的時期。而且通過實驗研究證明CH4和CO2等氣體在瞬變電場中可獲得能量并引起2～6 ℃的增溫,并初步認(rèn)為在中強(qiáng)地震前熱紅外的增溫異常需要同時滿足氣體突然釋放和靜電場突變的兩個條件。許多地震的熱紅外圖像具有復(fù)雜性,有些是有增溫異常而無地震,有些則是有地震而無增溫異常。到目前為止,還不能完全解釋這種現(xiàn)象,在機(jī)理研究方面還需深入探索。

圖6 華北地區(qū)2012年6—9月亮溫偏移指數(shù)K值圖Fig.6 K-value of the brightness temperature in North China from June to September 2012

圖7 華北地區(qū)2012年1月1日—9月3日的紅外亮溫偏移指數(shù)K值曲線Fig.7 K-value of the brightness temperature in North China from January 1 to September 3, 2012

圖8 華北地區(qū)2011年1月1日—12月28日的紅外亮溫偏移指數(shù)K值曲線Fig.8 K-value of the brightness temperature in North China from January 1 to December 28 2011