蘇門答臘2004、2005年兩次大地震前后CO和O3遙感信息

孫玉濤，崔月菊，2，劉永梅，杜建國，張煒斌，張冠亞

（1.中國地震局地震預測重點實驗室（中國地震局地震預測研究所），北京 100036；2.中國地質大學（北京），北京 100083；3.內蒙古自治區地震局西山咀地震臺，內蒙古巴彥淖爾市烏拉特前旗 014400）

1 引 言

在大地震的孕育期、震時和震后，震中及鄰區斷層帶、井和泉常有大量氣體（CO2、CH4、H2S、H2、N2、O2、He、Ar等）逸出的異?，F象［1－5］。地下流體監測數據表明，大地震前后出現的氣體濃度異常持續時間多數在幾小時到幾個月的范圍內［1－2］。

從衛星遙感數據提取地震前兆信息具有覆蓋范圍廣、不受地面觀測條件限制等優點。因此，衛星遙感技術在地震監測研究中的應用引起了越來越多的關注。譬如，利用 MODIS、MOPITT等遙感數據提取與地震有關的熱紅外增溫［6－7］、潛熱通量（SLHF）［8－9］和長波輻射值（OLR）［10］異常信息以及利用高光譜衛星遙感數據提取與地震有關的氣體地球化學異常信息等［11－14］。

2004年12月26日蘇門答臘島Ms 8.9地震（地震1）的震中（3.2°N，95.8°E）位于巽他海溝東側。地震引發了強烈的海嘯，造成了巨大的人員傷亡和財產損失。隨后，2005年3月28日，在Ms 8.9地震震中東南約200km處（2.0°N，97.0°E）發生 Ms 8.6地震（地震2），震源深度30km。兩次大地震后共發生7級以上的余震11次（http：／／www.ceic.ac.cn）。在約3個月內同一地區發生兩次8級地震實屬罕見（圖1）。因此，本文利用AIRS高光譜衛星遙感數據提取了兩次地震前后大氣CO和O3的異常信息，并研究了氣體地球化學異常與兩個大地震之間的關系。

圖1 蘇門答臘地震構造略圖

2 數據和處理方法

大氣紅外探測儀（AIRS）是搭載于Aqua衛星平臺上的高光譜分辨率傳感器。AIRS擁有2378個連續的紅外光譜通道（3.7μm～15.4μm）以及4個可見光／近紅外通道（0.4μm～1.0μm），掃描帶寬1650km，天底點空間分辨率13.5km，總視場角（FOV）±49.5°［15］。

AIRS數據可從NASA戈達德地球科學數據和信息服務中心（GES DISC，http：／／disc.sci.gsfc.nasa.gov／AIRS／data－holdings）獲取。本次研究中所使用的數據為AIRS降軌數據中Level－3 8－天平均標準產品數據。數據空間分辨率1°×1°，采用HDF（Hierarchical Data Format）格式（NASA采用的用于EOS數據存儲的標準文件格式）存儲，可通過MATLAB軟件直接讀取。

根據 Qiang等［16］和 Tronin［17］指出的溫度異常與地震時空的關系，遙感異常一般分布在距震中500km～1000km范圍之內，異常時間一般在地震前后6個月內。由于兩次地震發生時空相近，所以將其歸為一個時空段。2004年～2005年作為衛星遙感數據處理的時間窗；以震中為中心的40°×40°范圍作為空間窗。

將標準產品數據中提取的2003年～2011年相同時段震中區附近4個像元CO總量（CO total column）和O3總量（TotO3）月平均值分別作為CO和O3的背景值。從8－天標準產品數據中提取相同像元的CO總量和O3總量。采用差值方法對CO、O3總量的8－天和月平均數據進行計算，求得其與背景值的差值，消除背景值對結果的影響。將CO和O3含量偏離該地區背景含量或打破多年變化規律均視為CO和O3地球化學遙感信息異常，然后分析其隨時間的變化情況。

3 結 果

用AIRS 8－天降軌數據提取的震中區附近CO總量及標準差顯示，CO總量在地震前后有明顯異常變化。CO總量出現變化時，CO總量的標準差也相應增大（圖2）。用地震前后震中區相應時間段CO總量月均值與背景值進行差值運算得到的兩次大地震前后CO總量的差值分布圖展示了兩次大地震前后異常的時空分布特征和異常強度（圖3）。

圖2 震中區8－天CO總量及其標準偏差變化

用AIRS 8－天降軌數據提取的震中區附近O3總量在地震前后也有明顯異常（圖4）。用地震前后震中區相應時間段O3總量月均值與背景值進行差值運算得到的兩次大地震前后CO總量的差值分布圖展示了O3總量異常強度和時空變化（圖5）。

圖3 蘇門答臘兩次大地震前后CO總量的月均值與9年月均值的差值分布圖（單位：mole／cm2）

圖4 震中8－天O3總量變化

4 討 論

4.1 CO、O3異常特征及其與地震的關系

CO總量在地震1發生前4個月打破年變，出現異常變動。CO總量異常值變化范圍5.71～25.8（1018mole／cm2）。CO總量異常范圍和強度在地震發生前2個月達到最大，最高值（2.47×1018mole／cm2）出現在2004年10月24日，震后異常減小。CO總量在地震2發生前約2個月出現異常，異常范圍和強度明顯增大，8－天CO總量最高達2.77×1018mole／cm2，異常襯度為1.29。在異常時段，CO總量顯示高低波動，在發震時刻CO總量明顯降低（圖2）。這種現象可能是孕震過程中地應力作用下使地殼中地下氣體逸散增量由大變小形成的。

圖5 蘇門答臘兩次大地震前后O3總量的月均值與9年月均值的差值分布圖（單位：DU）

異常出現的時間段內CO的標準偏差顯著增大（圖4）。地震1、2發生前CO的最大標準偏差分別約為正常時段標準偏差的4倍、10倍。兩次地震中，CO異常出現時標準偏差增大主要是因為AIRS降軌數據得到的CO總量標準偏差是8－天多個像元算術平均值。標準偏差變化增大說明，CO數據離散性增大，即CO氣體排放的時空不均一性增大。兩次地震中CO總量異常均出現在震中及附近區域。2005年6月震中西北地區CO總量高于多年平均值，可能與2005年6月印度安達曼群島地區一系列Ms 4.0級以上地震有關（圖3）。

O3總量在地震1發生前8個月出現異常，O3總量迅速升高至276.25DU（Dobson Unit，1DU≈2.7×1016molecules／cm2），高出背景值32.9675DU。地震發生月份及震后1個月震中區O3總量降低，震中的北部地區O3總量異常升高。這可能與地震發生時氣象因素有關。地震1發生后2個月，異常的范圍和強度又逐漸增大，在地震2發生當月，震中及附近異常的范圍和強度達到最大（268.6875DU），高出背景值36.1925DU。震后異常消失，O3總量恢復至背景值水平（圖3、圖5）。

CO和O3總量在地震前后的異常變化表明，地震前后氣體的異常變化是由地球排氣作用造成的。CO和O3的這種異?，F象很可能是臨震異常，當然尚需更多資料予以證明。

此外，對震中區CO總量和O3總量相關性計算結果表明，二者在整個研究的時間段內（2004年～2005年）是不相關的（r＝0.021），而在異常時段（2004年12月～2005年3月）二者的相關性顯著（r＝0.77）。這表明地震前后地下逸出的CO增大了CO總量，大氣中CO的氧化使O3總量增大。用多種傳感器對蘇門答臘2004年Ms 8.9地震研究發現，2004年蘇門答臘地震前后地表潛熱通量（SLHF）和水汽含量等參數也出現了與地震活動有關的異常［22］。從CO和O3差值分布圖（圖3、圖5）可以看出，O3總量異常出現比CO總量異常出現早5個月，結束時間一致；并且兩種異常在空間上對應性較好，只是強度部分對應性一般。這可能歸因于引起O3總量變化的原因是多元的，而不僅僅是CO氧化一種因素。

4.2 CO、O3 異常的成因

地球是多個圈層相互作用的復雜整體。從衛星遙感數據獲取的氣體地球化學遙感信息主要包括3部分：大氣中氣體的背景含量、地下氣體的逸出量及其與大氣中其他氣體發生化學反應生的生成量。

衛星遙感觀測到的兩次大地震前后CO總量異常主要歸因于孕震和發震過程中地下CO氣體逸出量的增加。兩次大地震中氣體異常高值均出現在震中及其附近。地質構造上，兩次大地震所在區域位于東南亞太平洋板塊和印度－澳大利亞板塊之間，由許多小板塊組成，板塊邊界為碰撞和俯沖帶。蘇門答臘陸緣位于東南亞的西緣，受地質作用該區存在多條斷裂，多火山活動和地震［18］。孕震過程中，在地應力作用下不僅使巖石產生了新的裂隙通道而且增大了地球內部氣體（CO、CH4、CO2、H2等）的壓力，從而導致地球深部大量氣體沿著斷層向地表擴散，在震中及其附近地區出現了氣體異常。同樣，2000年6月6日甘肅景泰 Ms 5.9地震［6］、2000年6月8日緬甸北部 Ms 6.9地震［7］、2010年玉樹地震［14］、2001年1月26日印度古吉拉特（Gujarat）地震［19］等都出現了與地震有關的CO異常。

對流層中O3主要是大氣光化學反應的結果［29］。地震前后地下逸出的CO氧化可生成O3，導致大氣中 O3升高（式（1））。

地震活動強烈時地球內部排放出大量CH4氣體［1，23－27］。對震中區8－天CH4體積混合比變化情況進行了分析。由于CH4在大氣中的背景量高，地下逸出的CH4增量有限，所以CH4的相對變化不明顯，在地震前似乎有所升高。由此，CO與O3異常的一個可能來源是CH4被氧化導致CO和O3含量的增多（式（2））［28－30］，因此在兩次地震發生時段 CO和O3相關性較好。

震孕育和發生過程中，存在于巖石圈的地震前兆信息在地殼內部會以壓電效應、摩擦電效應或動電效應等方式激發電場和磁場由地殼內部向外輻射。此外還可通過巖石圈－大氣層－電離層（LAI）之間的耦合存在電離層，引起ULF、ELF、VLF、LF電磁場和電磁波輻射異常以及TEC電離層等離子體參數等發生改變，從而改變了電離層的狀態［31－32］。2004年12月26日Ms 8.9地震以及2005年3月28日Ms 8.6地震電離層電磁場和電離層等離子體參數在震前存在變化［33－34］。低頻電磁輻射和電離層擾動促使14N 衰變形成 CO（式（3）、式（4））［13］。此外，電離層狀態的改變有利于14C的生成，從而導致CO總量的升高（式（4））：

地震前CO、O3異常已在多個震例中發現［6－7，11，13－14，19－21］。這種的原因可能是從孕震到發 震地應力作用下使得地下氣體逸散增量由大變小形成的。在孕震應力場作用，地震孕育前期固體地球排氣量顯著增大；臨震期隨巖石中的氣體量降低，排氣量也降低；地震發生后排氣量逐漸降低。

5 結束語

利用衛星高光譜數據提取的蘇門答臘兩次大地震前后CO和O3遙感信息，發現CO和O3遙感信息異?？赡芘c地震活動存在密切關系。

（1）研究區在兩次地震前均出現了CO和O3總量異常。異常出現時段CO總量標準偏差增大表明震中及其附近區域在地震前后地下氣體逸出增量在時空上是不均勻的。

（2）地震孕育過程中，地應力作用使巖石產生裂隙，空隙流體壓力增大，導致地下氣體逸出，形成了地震前后氣體異常。巖石圈逸出的氣體（CO，CH4，H2O）在大氣圈中發生化學反應是導致地震前后CO和O3異常的另一原因。

（3）CO和O3總量震前由高變低的異?，F象可能屬于臨震異常。利用衛星高光譜分辨率遙感數據提取與地震有關的氣體地球化學異常信息尚需開展更深入的研究。

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