玉樹(shù)地震前NCEP異常現(xiàn)象*

周 波，馬未宇，陳 聰

(1.南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210046;2.中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京100045;3.浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，浙江杭州310058)

玉樹(shù)地震前NCEP異常現(xiàn)象*

周 波1，馬未宇2，陳 聰3

(1.南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210046;2.中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京100045;3.浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，浙江杭州310058)

利用天體引潮力周期變化計(jì)算模型和NCEP多源綜合溫度數(shù)據(jù)資料，分析了2010年4月14日青海玉樹(shù)MS7.1地震的誘因。結(jié)果表明:在玉樹(shù)地震前，天體引潮力經(jīng)歷低谷—高峰—低谷—高峰的連續(xù)變化，NCEP遙感數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出起始增溫—加強(qiáng)增溫—高峰增溫—增溫衰減的規(guī)律，由此證明以NCEP溫度為主導(dǎo)，以天體引潮力構(gòu)造附加應(yīng)力變化為參考，是一種有希望的預(yù)測(cè)思路。

玉樹(shù)地震;天體引潮力;NCEP遙感數(shù)據(jù);異常增溫

0 引言

地震是地球內(nèi)部快速而劇烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，是一種力學(xué)過(guò)程。不同學(xué)者從天體引潮力的誘震作用 (Tramutoli et al，2005)和震前溫度變化角度對(duì)地震進(jìn)行了大量的研究 (Gorny et al，1988;Friedemann，2002;Qiang et al，1999;Tronin et al，2002;Milne，John，1913)，結(jié)果表明:當(dāng)震源系統(tǒng)巖石中的構(gòu)造應(yīng)力達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)，天體引潮力變化是觸、誘發(fā)地震的重要外部因素之一 (馬未宇 等，2006，2008;Ma et al，2007)。Heaton(1975)從理論上證實(shí):由于地球介質(zhì)的不均勻性，潮汐應(yīng)力在地球內(nèi)部的分布也是不均勻的，地殼中的實(shí)際潮汐應(yīng)力值往往大于平均值，而潮汐應(yīng)力的積累速度通常比構(gòu)造應(yīng)力大兩個(gè)數(shù)量級(jí)，當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力處于臨界狀態(tài)時(shí)，迭加上這樣快速的脈沖應(yīng)力，從力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看完全有可能加速破裂過(guò)程而觸發(fā)地震。但天體引潮力具有明顯的周期性，不是每個(gè)周期都會(huì)發(fā)生地震，如何判斷地應(yīng)力強(qiáng)度是否達(dá)到發(fā)震的臨界狀態(tài)，是這一問(wèn)題的關(guān)鍵 (馬未宇等，2008)。另一方面，早期地面站點(diǎn)記錄向衛(wèi)星遙感技術(shù)觀測(cè)發(fā)展，大震前地溫的異常變化研究而更趨廣域、快捷、高效，但存在許多問(wèn)題 (Kalnay et al，1996)，如:紅外線不能有效穿透云層，無(wú)法獲得云下地面溫度;地震引起的增溫過(guò)程和氣象增溫疊加，直接、單一利用衛(wèi)星紅外技術(shù)將無(wú)法有效獲取異常增溫信息;尤其是采用統(tǒng)計(jì)方法獲取異常溫度，長(zhǎng)期平均溫度可能掩蓋地震引起的短臨增溫波動(dòng)，而且由于不同研究者采用的統(tǒng)計(jì)年時(shí)間域長(zhǎng)短不一樣等原因也會(huì)造成增溫背景選擇的不確定性，引起異常增溫判識(shí)的歧義性。探究震前增溫與天體引潮力變化，其所揭示的物理特性與地震活動(dòng)表現(xiàn)出的增溫異常現(xiàn)象，在本質(zhì)上是一致的，反映的都是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)達(dá)到一定程度發(fā)生突變—短臨地震活動(dòng)發(fā)生這一臨界點(diǎn)的判定問(wèn)題，二者具有明顯的互補(bǔ)性。天體引潮力作為目前唯一能夠預(yù)先計(jì)算出的地球形變現(xiàn)象，在時(shí)間域上具有一定指示作用，而熱異常表現(xiàn)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)為地應(yīng)力強(qiáng)度判識(shí)提供支持。因此本文將天體引潮力計(jì)算和多源遙感數(shù)據(jù)結(jié)合提取異常增溫信息，對(duì)青海玉樹(shù)地震進(jìn)行初步研究。

1 天體引潮力附加構(gòu)造應(yīng)力的作用分析

2010年4月14日青海省玉樹(shù)縣 (33.1°N，96.6°E)發(fā)生MS7.1地震，該地震發(fā)生在印度板塊向北東方向運(yùn)動(dòng)的前緣和受歐亞板塊、揚(yáng)子板塊阻擋形成的斷裂破碎帶前沿，為構(gòu)造應(yīng)力集中區(qū)域(錢(qián)曉東，秦嘉政，2010)。圖1所示為中國(guó)西南地區(qū)的地殼斷裂圖。從圖中可以看到，玉樹(shù)MS7.1地震發(fā)生于甘孜—玉樹(shù)—風(fēng)火山斷裂上。在一系列近SEE走向的平行斷裂中，甘孜—玉樹(shù)—風(fēng)火山斷裂是一條走向南偏東約70°的走滑斷裂，斷層傾角較陡，為晚更新世—全新世、距今約10～20萬(wàn)年的活動(dòng)斷裂，該斷裂以左旋水平運(yùn)動(dòng)為主 (聞學(xué)澤等，2003)，伴有各處不等但量值較小的垂直運(yùn)動(dòng)，且斷裂的南西側(cè)地塊相對(duì)抬升 (張希等，2010)。

圖1 玉樹(shù)地區(qū)附近地質(zhì)構(gòu)造Fig.1 Geological structure in Yushu and its adjacent area

本文根據(jù)美國(guó)USGS提供震源機(jī)制解，采用Ma等 (2007)的方法，計(jì)算了天體引潮力沿發(fā)震構(gòu)造主壓應(yīng)力軸?P與主張應(yīng)力軸?T的引潮力分量并繪制成圖2，圖中T1表示熱異常起始觀測(cè)時(shí)間，T2表示玉樹(shù)地震發(fā)震時(shí)間。由圖2可以看出，玉樹(shù)地震過(guò)程中，引潮力沿主壓應(yīng)力軸方向分量變化不明顯，而其沿主張應(yīng)力軸分量變化劇烈，且有很強(qiáng)的周期性:每個(gè)周期經(jīng)歷低谷—高峰—低谷的過(guò)程。地震發(fā)生的周期B中，天體引潮力由高向低連續(xù)變化接近最低值，表明此次地震過(guò)程中引潮力對(duì)發(fā)震構(gòu)造的作用主要表現(xiàn)為加速斷層面的滑動(dòng)，與該地區(qū)構(gòu)造滑動(dòng)為主的左旋走滑運(yùn)動(dòng)特征吻合，使斷層失穩(wěn)，釋放已有的構(gòu)造應(yīng)變能而誘發(fā)地震。

圖2 玉樹(shù)地震前后天體引潮力變化圖Fig.2 Variation of astro-tidal-triggering before and after Yushu earthquake

2 NCEP增溫異常狀況分析

為了解決紅線外不能穿透云層、以及地震引起的增溫過(guò)程和氣象增溫疊加干擾而無(wú)法有效獲取異常增溫信息的問(wèn)題，消減干擾因子的作用，本文采用NCEP全球再分析溫度數(shù)據(jù) (由Global Rawinsonde Data、COADS Surface Marine Data、Aircraft Data、 Surface Land Synoptic Data、 Satellite Sounder Data、SSM/I surface wind speeds 6類(lèi)數(shù)據(jù)組成)，并對(duì)幾乎所有的觀測(cè)資料進(jìn)行同化處理，能夠較綜合、準(zhǔn)確反映多因素作用下的實(shí)際溫度狀況。

同時(shí)為了避免由統(tǒng)計(jì)算法可能帶來(lái)背景選擇時(shí)間域的不確定性問(wèn)題，本文根據(jù)天體引潮力周期提取時(shí)間信號(hào)，以2010年4月8日 (天體引潮力主張應(yīng)力分量開(kāi)始減小)為背景溫度，對(duì)2010年4月8～16日共9天的NCEP逐日數(shù)據(jù)減背景溫度，獲得了玉樹(shù)地震前后的地區(qū)逐日增溫圖像，如圖3所示。

玉樹(shù)附近地區(qū)于2010年4月8日出現(xiàn)異常增溫現(xiàn)象，較背景值高5℃ ～6℃，4月9日震中持續(xù)增溫，甘孜—玉樹(shù)斷裂帶方向增溫明顯，增溫6℃～7℃，表明溫度場(chǎng)在空間上正在朝東特別是東南方向，且孕震體中變形的范圍正在變大;4月10日異常增溫面積有所縮小，但異常增溫幅度明顯，且主要向甘孜—玉樹(shù)斷裂遷移匯集，在震中以東方向增溫幅度高達(dá)9℃，異常在空間上呈現(xiàn)間斷分布;4月11日震中附近保持7℃ ～8℃增溫，而震中往東方向異常增溫帶沿甘孜—玉樹(shù)斷裂走向繼續(xù)擴(kuò)大并沿?cái)嗔堰B續(xù)貫通;4月12日，震中增溫達(dá)到峰值接近10℃，此時(shí)由于羌塘地塊向東運(yùn)動(dòng)的速率加大而巴顏喀拉地塊速率不變，故2個(gè)地塊交匯處的甘孜—玉樹(shù)—風(fēng)火山斷裂表現(xiàn)為帶有左旋性質(zhì)的走滑斷裂，且增溫帶面積達(dá)到最大，與東南方向的增溫帶合并;4月13日，震中附近出現(xiàn)異常減溫現(xiàn)象，與前一天相比減溫達(dá)到5℃～6℃。增溫面積迅速減小;4月14日異常增溫面積減小到震中附近，溫度保持在前一天的異常減溫溫度，表明最終的斷層破裂起始點(diǎn)集中在一個(gè)較小的空間范圍內(nèi)，此時(shí)天體引潮力張力方向分量達(dá)到低谷，對(duì)板塊運(yùn)動(dòng)起促滑作用，地震爆發(fā);4月15日和16日，異常增溫趨于正常化并逐漸消失。玉樹(shù)地震前異常增溫過(guò)程與遙感巖石力學(xué)試驗(yàn)中巖石受力破裂的紅外熱像變化過(guò)程 (Wu，Cui，2000)相似 (加載初期紅外輻射上升—加載另一端遷移擴(kuò)展—主破裂發(fā)生前增溫衰減—破裂—趨于平靜)，體現(xiàn)了構(gòu)造運(yùn)動(dòng)擠壓—巖石微破裂—能量積累—巖石破裂加強(qiáng)—能量釋放—發(fā)震的物理過(guò)程。更值得一提的是異常前端，西藏自治區(qū)那曲地區(qū)聶榮縣 (32.5°N，92.8°E)，在北京時(shí)間2010年4月17日發(fā)生MS5.2地震，該區(qū)域也是熱異常延伸的最西端，再次表明震前熱異常區(qū)域可能是強(qiáng)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的一種熱表現(xiàn)。

天體引潮力變化A、C周期相同但未出現(xiàn)與B周期類(lèi)似的溫度變化過(guò)程，也說(shuō)明天體引潮力是使壓應(yīng)力處于高臨界狀態(tài)的構(gòu)造帶誘發(fā)地震的外部因素，溫度變化的過(guò)程正是天體引潮力使巖石連續(xù)積累地應(yīng)力的過(guò)程。而臨失穩(wěn)前出現(xiàn)了短暫的降溫，是巖石破裂失穩(wěn)的重要晚期前兆，其出現(xiàn)意味巖石即將發(fā)生宏觀破裂和失穩(wěn)災(zāi)變，可以做出臨期災(zāi)變預(yù)報(bào)。

圖3 玉樹(shù)地震前震中附近地區(qū)異常增溫變化特征Fig.3 Variation characteristic of abnormal warming near the epicenter region before Yushu earthquake

3 結(jié)論和探討

(1)通過(guò)對(duì)反映地應(yīng)力強(qiáng)度的NCEP增溫異常與天體附加構(gòu)造應(yīng)力時(shí)序變化關(guān)系的研究，可以得出地應(yīng)力是內(nèi)因根據(jù)，天體引潮力附加構(gòu)造應(yīng)力是觸發(fā)地震外因條件的發(fā)震機(jī)理。

(2)震前異常增溫一般呈現(xiàn)起始—加強(qiáng)—高峰—衰減—發(fā)震—平靜的過(guò)程，與巖石受力破裂的過(guò)程具有相似性。尤其當(dāng)?shù)卣鸩皇前l(fā)生在異常增溫達(dá)到高峰時(shí)，而是發(fā)生在異常增溫衰退的時(shí)段，將對(duì)地震的短臨預(yù)測(cè)具有積極作用。

(3)從玉樹(shù)地震的發(fā)生時(shí)段與天體引潮力附加構(gòu)造應(yīng)力時(shí)序變化圖的所在位置看，該次地震發(fā)生在低谷時(shí)段。表明天體引潮力觸發(fā)、誘發(fā)高應(yīng)力活動(dòng)斷裂帶的地震機(jī)理有減壓促滑現(xiàn)象存在，其本質(zhì)是使處于高應(yīng)力狀態(tài)的活動(dòng)斷層失穩(wěn)破裂，說(shuō)明研究引潮力與地震關(guān)系不能脫離構(gòu)造環(huán)境。

(4)地震短臨期間，紅外增溫異常實(shí)質(zhì)是地應(yīng)力急劇增加的表現(xiàn)，通過(guò)紅外增溫異常可較直觀地顯示地震構(gòu)造活動(dòng)狀況，圈定增溫異常區(qū);根據(jù)天體引潮力附加構(gòu)造應(yīng)力在不同方向、深度的斷裂帶上的大小和時(shí)間演變與發(fā)震時(shí)刻的關(guān)系，可以推斷可能發(fā)震的斷裂和發(fā)震時(shí)間。因此以NCEP溫度為主導(dǎo)，以構(gòu)造附加應(yīng)力變化為誘導(dǎo)，以地震地質(zhì)為基礎(chǔ)這種面中求線、線中求點(diǎn)的地震捕捉戰(zhàn)術(shù)，是一種很有價(jià)值的預(yù)測(cè)思路。

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Abnormal Phenomenon of NCEP Before Yushu Earthquake

ZHOU Bo1，MA Wei-Yu2，CHEN Cong3
(1.Key Laboratory of Virtual Geographic Environment，Ministry of Education，Nanjing Normal University，Nanjing 210046，Jiangsu，China)
(2.China Earthquake Networks Center，Beijing 100045，China)
(3.College of Computer Science and Technology，Zhejiang University，Hangzhou 310058，Zhejiang，China)

Using the cycle process model of the astro-tidal-triggering and according to the NCEP integrated multisource temperature data，we analyzed the triggering factors of Yushu MS7.1 earthquake in Qinghai occurred on Apr.14 in 2010.The result indicated that astro-tidal-triggering went through a continuous change between peak and trough，such as“trough-peak-trough-peak”，and the NCEP remote sensing data showed the law of“original temperature rise-enhancement-reaching peak-attenuation”before Yushu MS7.1 earthquake.Thus，under the dominant of temperature variation in the NCEP remote sensing data and taking the tectonic additional stress variation of astro-tidal-triggering as the reference is a promising idea to predict the earthquake.

Yushu earthquake; astro-tidal-triggering; NCEP remote sensing data; abnormal temperature rise

P315.728

A

1000－0666(2012)03－0330－05

2011－05－13.

中國(guó)博士后基金項(xiàng)目 (20090460403)、江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目 (CXZZ11_0878)和南京師范大學(xué)研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目聯(lián)合資助.