郭 晓, 张元生, 魏从信, 钟美娇, 张 旋

1)中国地震局兰州地震研究所, 甘肃兰州 730000;

2)中国地震局地震预测研究所兰州创新基地, 甘肃兰州 730000

汶川8.0级和仲巴6.8级地震中波红外热辐射异常

郭 晓1,2), 张元生1,2), 魏从信1), 钟美娇1), 张 旋1)

1)中国地震局兰州地震研究所, 甘肃兰州 730000;

2)中国地震局地震预测研究所兰州创新基地, 甘肃兰州 730000

本文以静止卫星中波红外亮温为数据源, 应用小波变换和计算功率谱方法对汶川 8.0级地震和仲巴6.8级地震进行了分析研究。结果表明, 这两次地震震前均出现了明显的短临热异常现象。这与长波辐射通量和热红外亮温资料的研究结果基本一致。在时间演化过程中热异常现象在震前存在一次明显的变化,这种变化有短临预测意义。地震前后热异常分布可能反映了区域应力集中和调整变化, 根据异常的演化方向和异常消失区域可以估计发震的可能区域范围。

地震; 小波变换; 功率谱; 热异常

地震是对人类生存安全危害最大的自然灾害之一, 我国又是世界上地震活动最强烈和地震灾害最严重的国家之一。2008年5月12日汶川发生了Ms8.0级地震, 造成近 9万人死亡和巨大的财产损失。这次地震引起了地震工作者的极大关注, 同时也开展了一系列的震后研究(张培震等, 2008; 徐锡伟等, 2008; Xu et al., 2008; 张希等, 2011; 唐力君等, 2013; Xu et al., 2008), 地震预报问题也成了社会关注的焦点。关于地震预报, 虽有过成功的实例(如1975年中国海城Ms7.3级地震), 但绝大多数地震是没有做出过预报的。其主要原因是人类对地震孕育过程无监测能力。随着卫星遥感技术的发展,全天候的卫星遥感资料给地震预测研究创造了良好监测条件和实践机会。

随着卫星遥感技术的发展, 人类对卫星热红外遥感信息与地震的关系研究始于20世纪80年代(崔承禹等, 1993; Cui et al., 1993; 邓志辉等, 2003; 耿乃光等, 1998; 康春丽等, 2008; 强祖基等, 1990, 1998;徐秀登等, 1995; 吴立新等, 2006; 张元生等, 2002;Gabrielov et al., 2000; Saraf et al., 2008)。近几年来,全球都在开展地震热辐射方面的研究(Yao et al.,2012; Saraf et al., 2012), 中国是较早开展此项研究的国家之一, 在地震热信息提取方法方面已取得进展(郭晓等, 2010; 马瑾等, 2006; 屈春燕等, 2006;Zhang et al., 2010), 应用该些方法对热红外与长波辐射资料进行的震例研究结果表明强震前后确实存在不同程度的热辐射异常现象。应用静止卫星中波红外遥感亮温资料研究在强震发生前能否观测到热辐射异常变化, 这是本研究的目的。为此, 本文应用小波分析与功率谱估计对静止卫星中波红外亮温资料进行处理, 研究汶川8.0级地震和仲巴6.8级地震的亮温表现特征。研究区位于青藏高原及其周边地区, 研究区现今地质构造格局是多旋回造山作用的产物, 最新的喜马拉雅造山作用奠定了研究区域现今构造格架。受印度地盾向北挤压俯冲影响, 青藏高原强烈隆升, 并向北向东滑移挤出, 在青藏高原各构造块体边缘深大断裂及内部断裂上产生相对运动, 形成强烈的构造活动与地震。北边界受塔里木准地台和中朝准地台的阻挡, 形成阿尔金大型左旋走滑断裂及祁连山逆冲兼左旋走滑断裂系, 东边界受扬子准地台阻挡, 形成龙门山断裂系。同时,青藏高原内部各地块边界深大断裂与缝合带也强烈变形, 形成挤压逆冲断层或大型走滑断裂。仲巴地震发生于青藏高原南部拉萨地块中部逆断裂带上,受力来自印度地块向北挤压的正作用力; 汶川地震则发生于松潘甘孜造山带与杨子准地台的接触带,也是松潘甘孜造山带向东挤压逆冲的前锋地带龙门山断裂带上, 为青藏高原挤压变形的应力转换区(图 1)。

图1 研究区域地质构造图Fig. 1 Geological structure of the study area

1 中波红外亮温数据

FY-2C(FY-2E)卫星主要有效载荷为红外和可见光自旋扫描辐射器(Visible and infrared Spin Scan Radiometer , 简称为VISSR), VISSR可直接观测到地物的热辐射强度, 经定标处理和几何校正后的数据称之为相应通道(波段)的辐射亮度, 应用普朗克辐射定理的黑体(比辐射率为1)辐射公式进行计算获得辐射物的辐射温度(张元生等, 2010), 为了区别于物体的真实辐射温度, 称这种温度为亮温, 即亮温代表的是把辐射物体当着黑体时的辐射温度, 用BT表示(单位: K)。热辐射强度除了依赖于物体的温度和比辐射率外, 还与辐射物体表面曲率有关。在短时间内, 同一物体在同一方向上的热辐射强度变化主要取决于物体的温度。

本研究使用的基础数据是静止气象卫星FY-2C(E)中波红外亮温数据(数据来源于兰州地球物理国家野外科学观测研究站和中国气象局国家卫星气象中心)。FY-2C于 2004年 10月 19日发射,FY-2E星于2008年6月15日发射(2009年11月24日替代FY-2C), 定位于东经105º赤道上空, 距地面3万5千多km, C和E星的有效观测范围为45º E—165º E, 60º S—60º N, 中波红外波段为 3.5～4.0 μm。相邻两次观测的时间间隔为30分钟或1小时, 每天至少进行24次观测。可使用的有效数据起始时间为2005年7月1日。为了减少太阳的影响, 选择北京时间23:00时至次日4:00时的多次观测数据, 用补窗法进行简单处理可去除部分云影响, 对相同像元计算其平均值, 构成亮温日值, 这就为下一步数据处理准备好了数据源。由于数据量大, 我们只选择地理范围为 5º—50ºN、55º—150ºE 内的数据进行了处理。

2 方法

2.1 小波变换

通过卫星遥感可获得亮温数据(卫星接收站可提供亮温数据产品), 连续亮温数据信息中应包括地球基本温度场(直流部分)、年变温度场、日变温度场、雨云和寒热气流引起的温度变化以及其他因素(包括地震)引起的温度微变化信息。小波分析在信号分析方面却有着独特的优势, 可以在几乎不损失信息的情况下进行重构(陈顺云等, 2006)。本文采用Daubechies(dbN)小波系中的db8小波基对亮温资料进行了小波变换处理(郭晓等, 2010)。应用小波变换可以去除地球基本温度场和年变温度场, 即舍去小波7阶的尺度部分(图 2f)。由于雨云和寒热气流引起的温度变化时间较短, 一般为几小时至几天,这种信息经小波变换可基本去除, 即舍去小波 2阶的细节部分(图2e)。对每个像元而言, 经以上处理(2阶尺度函数与 7阶尺度函数相减)后的数据在时间域里是正负相间的亮温相对变化波形数据(单位:℃)(图 2g)。

图2 小波变换信息提取Fig. 2 Information extraction through wavelet transformation

2.2 计算功率谱

信号的频谱分析是研究信号特性的重要手段之一, 对于确定性信号, 可以用傅里叶变换来考察其频谱性质。功率谱反映了随机信号各频率成分功率能量的分布情况, 可以揭示信号中隐含的周期性及靠得很近的谱峰等有用信息。面对这样海量的亮温相对变化波形数据, 我们采用了波形数据处理常用的数学方法, 即功率谱估计。应用功率谱估计可以获得优势频率和幅值, 目的在于研究地震前后热辐射变化的功率谱与其他时段的功率谱有何异同。考虑短临地震异常出现的时间一般在 10～90天内,以n(n=64, 128; 本文中n=64)天为窗长,m(m=1, 2, 3,4, 5; 本文中m=1)天为滑动窗长作傅里叶变换, 计算其功率谱, 对每个像元的时程数据滑动一次可获得一组功率谱, 时间约定为窗内数据的最新时间,这样就获得了时频空间数据。计算功率谱时得到的相应周期为64天, 32天, 21天, 16天, 13天, 11天, 9天, 8天, 7天, 6天, …。根据前人的热红外亮温地震异常的研究结果(刘德富等, 1999; Qiang et al., 1999;Xu et al., 1995), 异常持续时间一般大于10天, 我们在资料处理时不考虑10天以下周期的信息。为了更好地反映地震前后中红外亮温变化的功率谱与其他时段的功率谱有何不同, 我们对每一像元的所有频率的功率谱作相对幅值处理, 具体相对幅值(即比值Rate)处理过程详见《提取地震热异常信息的功率谱相对变化法及震例分析》中的公式(1)和(2), 生成时频相对功率谱变化空间数据。利用通过计算获得的时频空间数据进行全时空和全频段扫描, 寻找幅值变化较大的对应频率(即特征周期)、时间和区域位置参数, 再根据特征周期和时间参数作平面图和时序曲线图, 易于提取有用信息和开展震例分析。

3 结果和分析

对时频相对功率谱变化空间数据进行扫描, 获得了汶川 8.0级地震和仲巴6.8级地震发生前后的中波红外图像(图3, 5)。

3.1 汶川8.0级地震热辐射异常分析

2008年5月12日汶川Ms8.0级地震发生于NE走向的龙门山断裂, 该断裂位于青藏地块与四川盆地地块的缝合部位, 这次地震断层破裂长度近300 km。地震前后热异常主要分布于破裂带及其以南含天然气较丰富的盆地(图 3), 在断裂带的中北段更加明显, 地震当天特征功率谱幅值是近 5年来的相对极值(图4), 约为平均值的12倍(图4), 震后4天(即5月16日)达到最大值(约为平均值的18倍)。图3显示了地震前后一个多月的中波红外亮温变化分布特征, 从图像中可以看到, 从4月中下旬开始,在龙门山断裂带北段逐渐开始出现功率谱信息增强现象, 至 5月上旬逐渐扩展到龙门山断裂带中北段及断裂带东南的四川盆地, 地震后异常达到极值,主要集中在龙门山断裂带及整个四川盆地内, 异常幅值达到平均值的18倍。随后异常逐渐开始出现减弱, 并转移到震中区西部地区, 到 6月下旬震中区及其附近功率谱信息异常现象基本消失。地震前后功率谱异常幅值大于2倍的持续时间近65天(图4)。

3.2 仲巴6.8级地震热异常分析

2008年8月25日在西藏仲巴发生了Ms6.8级地震, 震中位于北纬 31°、东经 83.6°, 震源深度约12 km, 属浅源地震。2008年7月下旬开始出现中波红外热辐射异常, 主要分布于西藏自治区南部(仲巴—日喀则—当雄一带), 异常持续扩展到 8月中旬, 异常明显向南移动, 8月中旬异常幅度达到最大(即8月17日功率谱相对变化率为近16倍), 地震后异常区迅速缩小减弱, 消失在仲巴 6.8级地震震中的东南部地区(图5, 6)。地震前后功率谱异常幅值大于2倍的持续时间近65天(图6)。

图3 汶川8.0级地震中波红外亮温相对功率谱异常时空演化Fig. 3 Abnormal temporal evolution of relative power spectrum of medium wave infrared brightness for the 2008 Ms8.0 Wenchuan earthquake

图4 异常区小范围的相对功率谱平均值时序曲线(区域为 31.8—32.3°N, 104.5—105°E)Fig. 4 Time history plot of mean value of relative power spectrum in small regions (31.8°—32.3°N, 104.5°—105°E)

在时间演化过程中中波红外亮温在临震前存在一次明显的变化。这两次地震前的热异常分布可能反映了区域应力集中和调整变化, 根据异常的演化方向和异常消失区域可以估计发震的可能区域范围。至今为止, 中波红外亮温震例研究很少, 从有限几个震例分析中难以看出震级大小与异常存在怎样的关系, 地震大小可能与异常区域分布大小、异常幅度、区域地质环境和区域大气环境都存在一定联系, 是一个很复杂的问题。

4 讨论与结论

4.1 讨论

图5 仲巴6.8级地震中波红外亮温相对功率谱异常时空演化Fig. 5 Abnormal temporal evolution of relative power spectrum of medium wave infrared brightness for the 2008 Ms6.8 Zhongba earthquake

图6 异常区小范围的相对功率谱平均值时序曲线(区域为 30°—30.5°N, 83.5°—84°E)Fig. 6 Time history plot of mean value of relative power spectrum in small regions (30°—30.5°N, 83.5°—84°E)

一次强烈地震的孕育和发生过程, 是地壳运动,内部应力积累并在某些构造部位集中增强, 最终使局部岩层突然错断的结果。岩石压力实验证实, 岩石受压直至破裂的过程中, 确有红外辐射的显著增强现象。地球内部(壳层)含有大量的水汽、二氧化碳和其他少量气体。在大地震发生前地壳应力持续增大, 贯通地表的裂隙数量就会明显增多, 导致地下逸出气增多, 大量水汽、二氧化碳和甲烷等其他温室气体混合作用引起温室效应, 地壳内部热传导加强, 使地表及底层大气温度显著上升, 热异常现象明显增强。这可能是汶川地震热异常主要分布于破裂带及其以南含天然气较丰富的四川盆地和仲巴地震热异常主要分布于有着丰富地热资源的西藏自治区南部(仲巴—日喀则—当雄一带)的最直接原因(徐纪人等, 2005)。

热异常表现为异常区域大小差异较大, 与地震大小的关系不明确, 这可能与地质环境、大气环境等条件有关, 还有待于深入研究。由于地质环境、大气环境等条件的复杂性, 该方法可能对地震大小的判定存在困难, 但值得庆幸的是大地震发生之前存在热异常现象。一次大地震前的热异常分布面积比较大, 至少存在上万 km2的异常区域。因此, 较准确地判定未来可能的发震区域除本文提到的判定方法外, 还要结合活动构造做进一步判定, 尽可能使预测的发震区域与实际的强破坏区域基本相符。热异常提供的可能发震时段是十几天到半年尺度,这与临震预报要求还有较大的差距。因此, 临震预报时间的确定还要依赖于其他短临前兆方法, 这样可能会获得临震时间信息。

4.2 结论

本文以静止卫星中波红外资料为数据源, 应用小波变换和计算功率谱方法对 2008年发生的汶川8.0级地震和西藏仲巴6.8级地震进行了分析研究。结果表明, 这两次地震震前均出现了明显的短临中波红外热异常现象。汶川8.0级地震热异常主要分布于龙门山破裂带及其以南含天然气较丰富的四川盆地, 地震前一天功率谱幅值是近 5年来的相对极值(约为平均值的12倍), 地震前后功率谱异常幅值大于2倍的持续时间近65天。西藏仲巴6.8级地震热异常主要分布于西藏自治区南部(仲巴—日喀则—当雄一带), 异常持续扩展到8月中旬, 异常明显向南移动, 地震前8天异常幅度达到最大(约为平均值的近 16倍), 功率谱异常幅值大于 2倍的持续时间近65天。这些表现特征与长波辐射通量和热红外亮温资料的研究结果基本一致(魏乐军等, 2008;Wei et al., 2009; 郭晓等, 2010; 张元生等, 2010)。就这两次地震中波红外亮温异常与热红外亮温和长波辐射通量的异常相比, 长波辐射通量异常面积相对集中且位于震中附近, 热红外异常幅值与面积相对较大, 且热红外预测时间指标比长波辐射通量和中波红外亮温更加准确。总体而言, 中波红外亮温异常表现略逊于热红外亮温和长波辐射通量, 由于震例有限, 所得结论是初步的。进一步开展中波红外亮温在地震中的应用研究可为将来实现多波段同时监测热辐射变化进行地震预测提供参考。

在时间演化过程中热异常现象在临震前存在一次明显的变化, 这种变化有短临预测意义。地震前后热异常分布可能反映了区域应力集中和调整变化, 根据异常的演化方向和异常消失区域可以估计发震的可能区域范围。地震异常是复杂的, 本文开展的中波红外方面的地震研究属于尝试性工作, 需要深入研究的问题还很多。

致谢:感谢中国气象局国家卫星气象中心提供了静止卫星遥感资料。

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Medium Wave Infrared Brightness Anomalies of Wenchuan 8.0 and Zhongba 6.8 Earthquakes

GUO Xiao1,2), ZHANG Yuan-sheng1,2), WEI Cong-xin1), ZHONG Mei-jiao1), ZHANG Xuan1)
1)Lanzhou Institute of Seismology, China Earthquake Administration, Lanzhou, Gansu730000;
2)Lanzhou Base of Institute of Earthquake Prediction, China Earthquake Administration,Lanzhou, Gansu730000

Based on the Medium Wave Infrared Brightness data of geostationary satellite, the authors applied wavelet transform and power spectrum estimation to an analytical study of thermal anomalies for Wenchuan 8.0 and Zhongba 6.8 earthquakes. The results indicate that short-term and impending thermal anomaly phenomena arose distinctly before the two earthquakes. The short-impending anomaly distributions of both earthquakes were basically consistent with the previous results of outgoing long-wave radiation and thermal infrared brightness temperature data studies. The obvious change of thermal anomaly before the two earthquakes in the time evolution has the short-term and impending significance of earthquake forecast prediction. The thermal anomalies of the two earthquakes might have reflected the changes in stress concentration and adjustment. The authors estimated the possible earthquake region according to the direction of abnormal evolution and the anomaly disappearance of the seismogenic zone.

earthquake; wavelet transform; power spectrum; thermal anomaly

P315.73; P407.6

A

10.3975/cagsb.2014.03.09

本文由中央级基本科研业务专项(编号: 2011IESLZ06)和高分辨对地观测重大专项(编号: E0311/1112/JD3-1)联合资助。

2013-08-19; 改回日期: 2013-10-19。责任编辑: 闫立娟。

郭晓, 男, 1974年生。硕士, 高级工程师。主要从事卫星遥感应用与地震学研究。通讯地址: 730000, 兰州市东岗西路450号。电话: 0931-8277661。E-mail: guox@gssb.gov.cn。