汶川8.0級和蘆山7.0級地震前衛星熱紅外異常現象對比

路 茜，張鐵寶，辛 華，劉 放

(四川省地震局，四川成都 610041)

2008年5月12日位于龍門山斷裂帶的汶川發生了M8.0級地震，相隔5后的2013年4月20日，又在龍門山斷裂帶南端的蘆山發生了M7.0級地震。兩次大地震的發生造成了重大的人員傷亡和財產損失，同時也為強震前的前兆異常研究提供了寶貴的震例。近年來，許多學者、專家研究發現，強震前的震區或相關地區會出現衛星熱紅外異常。本文研究小組也在地震預報研究實踐中發現幾次大地震前有不同程度的衛星熱紅外升溫異常，其中包括了汶川8.0級地震和蘆山7.0級地震。這是兩個發生在相互聯系的發震構造，卻又相對獨立的地震［1］，發震前的衛星熱紅外升溫異常是否相似，其出現的時間，優勢分布和演化過程有何不同，本文將作較為詳盡的介紹。

1 數據概況及方法介紹

四川MODIS接收站從2004年3月開始接收美國地球觀測系統(EOS)Terra衛星搭載的MODIS遙感傳感器數據資料。MODIS數據包含36個光譜通道，覆蓋了可見光、近紅外、遠紅外在內的從0.4到14μm范圍的電磁波譜。其中有6個通道探測的物理量信息來自地球表面的輻射量［2］，分別是20通道、21通道、22通道、23通道、31通道和32通道。劉放等在2010年MODIS亮溫與氣溫及地溫的相關性分析中的研究表明，20通道和21通道與地溫有較好的相關性，且2個通道的形態比較一致［3］。在此采用高頻成分較少且數據較為穩定的21通道數據作分析。分析區域范圍為20°～40°N，90°～110°E，空間分辨率為1 km。由于在該分析區域內，在汶川8.0級地震和蘆山7.0級地震之間，還發生過2010年4月14日青海玉樹7.1級地震(此處指M≥7級的地震)，為了排除期間所出現的異常與玉樹地震關系的干擾，汶川8.0級地震異常分析的資料采用2004年3月至2008年6月;而蘆山7.0級地震異常分析的資料采用2010年5月至2013年5月。所用數據在運算、分析之前均經過數據預處理。首先去除bow-tie效應，并根據1B數據自帶的地理信息進行幾何校正。然后利用普朗克公式將熱紅外通道輻射率轉換為輻射亮度溫度［4］。之后經過數據拼接置換、云檢測使數據達到較高的晴空利用率，并去除云覆蓋數據的干擾。

熱紅外影像的異常提取是在正常背景場基礎上進行的。首先對數據庫中的空間數據進行背景場計算，即計算每年同一時間段內各像元數據的歷史均值。對于異常的提取，在此使用距平的方法［5］，計算每個像元同一時間段的均值與其歷史背景場的差，從而得到空間上的距平。因為受到云覆蓋數據的影響，使得每日的晴空有效數據減少，數據使用率低，容易受不穩定的大氣和環境影響而產生突變。在此側重于中短期異常的提取，對數據時間分辨率要求不高。在本研究中計算該研究區域的亮溫月背景場和亮溫月距平。計算結果顯示:亮溫月背景場圖像具有明顯的地形地貌特征和夏高冬低的季節變化特征，距平處理能在很大程度上去掉季節和地形地貌的影響。

2 兩次地震前距平異常對比分析

2.1 汶川8.0級地震前距平異常

前人利用不同的衛星遙感熱紅外數據、采用不同方法研究大震前熱紅外異常的結果顯示獲取的異常信息幾乎都是升溫異常［6-14］，因此本研究只提取大面積大幅度的升溫異常。

根據對2004年3月至2008年6月的資料處理，設定距平的亮溫值大于3.5K的作為異常升溫，大于20萬km2集中異常升溫作為大面積的異常升溫，因為小面積異常升溫的形成可能是受到環境、人為等隨機因素的影響。分析結果顯示2004年、2005年、2006年、2007年、2008年出現大面積大幅度增溫異常的頻次分別為2月次、2月次、4月次、6月次、1月次，這期間異常出現頻次的均值為3月次/年，增溫異常集中的時間段為2006～2007年這兩個高于異常平均年頻次的年份。由于篇幅所限，在此以2006年1月至2008年6月的距平圖像作異常分析。

圖1 亮溫月距平圖像(2006年1月至2008年6月，黑點為汶川地震震中)

從2006年1月至汶川地震后1個月，即2008年6月的距平圖像顯示(圖1)，該時段出現了11月次異常，分別為:2006年2月，大面積異常升溫區域位于川青交界、青海南部和西藏部分地區，面積約50×104km2;2006年7月，大面積異常升溫區域位于青海西南部與西藏的交界地區以及川藏交界地區，面積約40×104km2;2006年8月，大面積異常升溫區域位于青藏交界一帶，四川盆地也有升溫，面積約50×104km2;2006年11月，大面積異常升溫區域位于川青交界一帶，甘肅、寧夏也有分布，成帶狀，面積約50×104km2;2007年2月，大面積異常升溫區域位于甘肅和寧夏一帶及青海南部部分地區，面積約40×104km2。2007年3月，大面積異常升溫區域位于川藏交界一帶，面積約20×104km2。2007年4月，大面積異常升溫區域位于龍門山斷裂帶以西的川西地區、川青藏交界地區以及青藏交界一帶，面積約75×104km2。2007年5月，大面積異常升溫區域位于川青藏交界一帶、青藏交界一帶以及青海的東部，面積約75×104km2。2007年10月，大面積異常升溫區域位于川青藏交界一帶、青藏交界一帶以及四川盆地內部，面積約40×104km2。2007年11月，大面積異常升溫區域位于川青藏交界一帶以及青藏交界一帶，面積約30×104km2。2008年5月，大面積升溫區域位于川青交界地區以及青海部分地區，面積約50×104km2。

從2006年1月到汶川地震前的距平異常演化過程看出，2006年出現異常較少，2007年異常出現增多，2008年開始至地震前一個月較為平靜，直至汶川地震當月再次出現異常。異常升溫總體分布在汶川地震震中以西的川青藏交界和青藏交界地區。2007年出現的個別月異常面積較2006年和2008年的異常面積更大。

2.2 蘆山7.0級地震前距平異常

根據對2010年5月至2013年5月的資料處理(2010年12月、2011年1月缺數)，異常判定指標與汶川地震一致。

圖2 亮溫月距平圖像(2010年5月至2013年5月，黑點為蘆山地震震中)

蘆山地震前，即2010年5月至2013年4月間(如圖2所示)，只有2010年5月、2011年9月及10月、2012年5月、2013年3月及4月出現了6次大面積異常升溫。其中，2010年5月，大面積異常升溫區域位于境外緬甸地區，面積約為30×104km2。2011年9月，大面積異常升溫區域位于青藏交界、川青藏交界地區，面積約40×104km2。2011年10月，大面積異常升溫區域位于拉薩地區和川藏交界地區，及青海中北部地區，面積約20×104km2。2012年5月，大面積異常升溫區域位于四川西部、川藏交界地區和川滇交界西側地區，面積約35×104km2。2013年3月，大面積異常升溫區域位于龍門山斷裂帶以西的川西地區、青藏交界、整個青海以及甘肅大部分地區，面積約80×104km2。2013年4月，大面積異常升溫區域位于青海東部、甘肅中北部，面積約40×104km2。

就整個異常升溫演化過程來看，異常年頻次沒有增加、減少的跡象。2010年、2011年和2012年的異常升溫區遠離蘆山地震的震中區，后兩年升溫總體分布在川藏交界一帶，面積也不大。到震前一個月異常升溫開始靠近龍門山斷裂帶，分布在龍門山以西的川西地區、青藏交界、整個青海以及甘肅大部分地區，且異常面積也增大，達到80×104km2。而在蘆山地震發生當月，亮溫月距平圖像異常升溫開始消散，面積縮減，異常區位于青海和甘肅地區。

3 結果與討論

根據上述內容可以看出，在汶川8.0級地震前長、中期和蘆山7.0級地震前長、中、短期內MODIS熱紅外均出現了不同程度的大面積異常升溫現象，而異常的演化過程、異常分布、異常升溫面積等之間存在差異。

表1 兩次地震前熱紅外異常特征對比

由上述異常特征對比看出:①兩次地震前異常升溫面積都很大，達到幾十萬 km2，可能是由于強震的孕育存在較大的空間尺度。②兩次強震前的異常優勢分布區域并不在震中區域或發震斷裂。GPS研究表明，龍門山斷裂帶在汶川地震前長時間處于應變速率很低的全線閉鎖狀態［15］，而龍門山南端在汶川地震以后仍然處于閉鎖狀態［16］。巖石實驗研究表明，巖石破裂前彈性變形階段，溫度變化與體積變化有關，體積收縮升溫［16］。發震斷裂的閉鎖狀態可能是震前未出現異常升溫的重要原因。③與蘆山地震前的異常情況對比，汶川地震前的短期異常不突出，特別在震前半年內只出現了1次異常，且該異常與地震發生相隔5個月。這與程萬正等在2011年的研究有一定的一致性，即:2007年4月后半月至2008年4月在四川震情會商中提出的前兆觀測異常項明顯偏少，特別是2008年1～4月異常測項數更低，低于平均值一半左右。在四川地區各類異常測項持續數月很少的情況下發生汶川地震，認識之一是汶川地震前近震源區閉鎖，所以四川地區觀測前兆異常少［17］。兩次強震前的異常特征顯示大范圍的熱紅外空間異常對強震有1～2年內的中長期指示意義，個別強震也存在短期異常。由于強震的孕育和發生涉及較大范圍的空間尺度，且復發周期都很長，本文所用到的資料時間還較短，有待更長時間的數據累積和更多震例的驗證。

［1］杜方，龍鋒，阮祥，等.四川蘆山7.0級地震及其與汶川8.0級地震的關系［J］.地球物理學報，2013，56(5):1772-1783.

［2］劉玉潔，楊忠東.MODIS遙感信息處理原理與算法［M］.北京:科學出版社，2001.

［3］劉放，呂弋培，江利明，等.MODIS亮溫與氣溫及地溫的相關性分析［J］.地震地質，2010，32(1):127-137.

［4］Wan Zheng-Ming.MODIS Land-Surface Temperature Algorithm Theoretical Basis Document(LST ATBD)Version 3.3［OL］.http://modis.gsfc.nasa.gov/data/atbd/atbd_mod11.pdf，1999.

［5］劉德富，康春麗.地球長波輻射(OLR)遙感與重大自然災害預測［J］.地學前緣，2003，10(2):427-435.

［6］強祖基，賃常恭，李玲芝，等.衛星熱紅外圖像亮溫異常—短臨震兆［J］.中國科學(D輯)，1998，28(6):564-573.

［7］徐秀登，鐘韻.南黃海6.1級地震前熱紅外異常［J］.地震學刊，2002，22(4):1-6.

［8］劉德富，康春麗.蘇門答臘島8.7級大地震前的輻射異常現象［J］.國際地震動態，，2005，313(1):37-39.

［9］馬瑾，陳順云，扈小燕，等.大陸地表溫度場的時空變化與現今構造活動［J］.地學前緣，2010，17(4):1-14.

［10］張元生，沈文榮，徐輝.新青8.1級地震前衛星熱紅外異常［J］.西北地震學報，2002，24(1):1-4.

［11］鄧志輝，陳梅花，王煜，等.地震前衛星紅外異常特征分析［J］.地球學報，2003，24(增刊):323-328.

［12］康春麗，張艷梅，劉德富，等.汶川8.0 級大地震的長波輻射征象［J］.地震，2009，29(1):116-120.

［13］屈春燕，單新建，馬瑾.紅河斷裂熱紅外高溫條帶的成因及其與地震活動性關系的探討［J］.地震學報，2006，28(1):91-97.

［14］劉放，辛華，任越霞，等.MODIS亮溫增溫異常點比值的時序分析方法及其在臺灣一些5級以上地震前的異常變化［J］.地震地質，2007，29(1):172-179.

［15］江在森，方穎，武艷強，等.汶川8.0級地震前區域地殼運動與變形動態過程［J］.地球物理學報，2009，52(2):505-518.

［16］馬瑾，陳順云，扈小燕，等.大陸地表溫度場的時空變化與現今構造活動［J］.地學前緣，2010，17(4):1-14.

［17］程萬正，官致君，蘇琴，等.汶川MS8.0地震前四川地區前兆異常及其統計分析［J］.地震學報，2011，33(3):304-318.