1998年廣西環(huán)江MS 4.9地震前衛(wèi)星熱紅外異常分析*

文 翔，周 斌，2，閻春恒，畢熙榮

(1.廣西壯族自治區(qū)地震局，廣西南寧530022;2.中國地震局地球物理研究所，北京100081)

0 引言

衛(wèi)星遙感熱紅外異常是指地球大氣系統(tǒng)輻射的能量信息，通過反演后得到的地面溫度包含著地球內(nèi)部的熱信息 (強(qiáng)祖基等，1992)。通過對(duì)衛(wèi)星熱紅外異常的時(shí)空分析，不僅可以識(shí)別已有的地質(zhì)構(gòu)造，而且還可能依據(jù)熱紅外異常的變化過程分析地質(zhì)構(gòu)造的活動(dòng)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害前兆。20世紀(jì)90年代開始，國內(nèi)外不少地震學(xué)者 (馬瑾等，2000，2006;徐秀登等，2000;李茂瑋，楊忠東，1996;孔令昌，強(qiáng)祖基，1997;單新建等，2005a，b;鄧志輝等，2003;陳梅花等，2003，2007;劉德富，羅灼禮，1997;張?jiān)龋?002;康春麗等，2003;Ouzounov et al.，2006;Tramutoli et al.，2005;Arun，Swapnamita，2005;郭 曉等，2005;方穎，張艷梅，2012;Freund，2003;Gabrielov et al.，2000)分別對(duì)不同地區(qū)中強(qiáng)構(gòu)造地震震前熱紅外地溫、亮溫、長波輻射等異常進(jìn)行了研究，試圖找出異常與地震“時(shí)、空、強(qiáng)”三要素之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

目前，地震前紅外異常與活動(dòng)斷裂的熱活動(dòng)狀態(tài)研究已取得了大量有意義的成果，但就現(xiàn)實(shí)存在的問題，也有學(xué)者提出一些值得討論的難點(diǎn)問題 (馬瑾等，2005;郭衛(wèi)英等，2004，2006，2008;屈春燕等，2006a，b)。一是地物紅外輻射異常的成因復(fù)雜;二是地形地貌、大氣狀況、巖石含水性和導(dǎo)電性、植被長勢、風(fēng)雨雪、緯度和季節(jié)變化等自然因素都會(huì)給我們正確判識(shí)震兆異常帶來困難。因此，客觀認(rèn)識(shí)各種非震因素的干擾，提取真正與斷層活動(dòng)有關(guān)的熱信息，是利用衛(wèi)星紅外遙感技術(shù)進(jìn)行地震預(yù)報(bào)的前提條件之一。本文在前人研究工作基礎(chǔ)上，以1998年4月16日廣西環(huán)江MS4.9地震為例，基于NOAA/AVHRR衛(wèi)星遙感熱紅外數(shù)據(jù)，反演得到震中附近地表溫度場變化圖像，分析地震前、后地表溫度異常時(shí)間演化過程及其異常空間分布與活動(dòng)斷裂關(guān)系，并討論了震中附近地形地貌、季節(jié)性氣候等非構(gòu)造因素對(duì)地溫異常的影響。

1 研究區(qū)域概況

1998年 4月 16日廣西環(huán)江 (25.12°N，107.98°E)發(fā)生MS4.9地震，震源深度11 km。地震等烈度線長軸走向?yàn)楸北蔽飨颍瑯O震區(qū)包括廣西環(huán)江縣和貴州荔波縣部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)，烈度達(dá)Ⅵ度。1970年有儀器記錄以來，距震中100 km范圍內(nèi)共記錄到15次MS≥2.5地震，其中MS≥3.0地震5次，此次環(huán)江地震是這一地區(qū)迄今為止所發(fā)生的最大地震。震區(qū)一帶分布有三組斷裂，分別為北西向 (F1)、北東向 (F2)和北北東向 (F3)斷裂。其中F3斷裂最為密集，長度最大;F2斷裂次之;F1斷裂數(shù)量最少，長度最短。現(xiàn)場考察認(rèn)為F1是發(fā)震斷裂，稱為水源—木論斷裂，長約20 km，地震發(fā)生在斷裂西北端部，地震發(fā)震構(gòu)造如圖1所示。

圖1 1998年環(huán)江M S4.9地震發(fā)震構(gòu)造圖Fig.1 Seismogenic tectonic for the Huanjiang M S4.9 earthquake in 1998

2 NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)與反演過程

美國國家海洋和大氣局 (NOAA)的極軌氣象衛(wèi)星系列已在太空運(yùn)行30多年，與MODIS等衛(wèi)星相比，NOAA/AVHRR地面分辨率較低 (星下點(diǎn)像元面積為1.1 km2)，但它免費(fèi)接收、地表覆蓋范圍大以及每日兩次的高重復(fù)率等優(yōu)點(diǎn)，已使這一衛(wèi)星數(shù)據(jù)得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)熱紅外輻射在大氣中傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，NOAA/AVHRR第4和第5熱通道(分別為10.5～11.3和11.5～12.5)最適合反演地表溫度，并考慮到夜間時(shí)段太陽輻射造成的影響最小，最能反映地表溫度場狀況，故本文選用當(dāng)?shù)匾归g時(shí)段NOAA/AVHRR第4和第5通道熱紅外數(shù)據(jù)，利用覃志豪等 (2001)提出的劈窗算法(Split window algorithm)反演震中附近溫度場變化圖像。劈窗算法表達(dá)式為

式中，TS為地面溫度;A和B為劈窗算法參數(shù);T4、T5分別為AVHRR第4、第5通道的亮度溫度(覃志豪等，2001)。

衛(wèi)星遙感觀測到的熱紅外地表溫度非常復(fù)雜，它在空間分布上受地形、地貌、介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)等影響，即使在正常氣象條件和無地震活動(dòng)情況下，紅外地溫背景也是不均一的 (徐秀登等，2000)。在時(shí)間上它同時(shí)受氣象和構(gòu)造活動(dòng)的影響，震前紅外異常往往疊加了氣象因素引起的地溫變化，這為震前紅外異常識(shí)別增加了難度。對(duì)紅外增溫機(jī)制目前也無統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，研究區(qū)域越廣，下墊面差異就越大，影響因子也越多。因此，將研究區(qū)域局限于活動(dòng)斷裂帶附近，可以在一定程度上簡化影響因子。本文以環(huán)江MS4.9地震附近活動(dòng)斷裂區(qū)域 (24°～26°N，106°～109°E)為研究對(duì)象，選取1998年2月7日～7月7日NOAA/AVHRR數(shù)據(jù)進(jìn)行地表溫度反演，分析地震前后熱紅外異常時(shí)間演化過程，并將提取的異常圖像與活動(dòng)斷裂疊加，探討熱紅外異常空間分布與活動(dòng)斷裂關(guān)系，反演結(jié)果見圖2。

從圖2可以看出，從3月12日開始震中及周邊區(qū)域異常熱源面積逐步增大，擴(kuò)展成片，異常區(qū)域顏色發(fā)黃 (圖2d);4月11日至發(fā)震當(dāng)天的溫度場反演圖像顯示震中附近地表溫度達(dá)到峰值，異常升溫主要分布于北東向 (F2)、北北東向(F3)斷裂與水源—木論斷裂 (F1)共軛交匯區(qū)域(圖2g);地震發(fā)生后，震區(qū)附近地表溫度逐步下降，震中深棕色增溫區(qū)域減少，色彩偏淡，熱源由震中向四周擴(kuò)散 (圖2h)。4月27日之后，震區(qū)附近異常增溫區(qū)域基本消失 (圖2i)，具體異常描述見表1。

圖2 環(huán)江M S4.9地震前后熱紅外異常演化圖像Fig.2 The evolution patterns of thermal infrared anomaly before and after the Huanjiang M S4.9 earthquake

表1 環(huán)江M S4.9級(jí)地震前異常升溫統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistic of anomalous of land surface temperature increasing before Huanjiang M S4.9 earthquake

3 討論

3.1 震區(qū)地溫異常與地形地貌因子關(guān)系

地形因子是正確判識(shí)震兆異常的干擾因素之一，單新建和屈春燕 (2004)認(rèn)為高原、山脈等海拔較高地區(qū)地表溫度整體背景偏低，盆地和低海拔地區(qū)地表溫度整體背景偏高，它們之間有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系;特別要注意溝谷和山脈，由于溝谷地勢較低，水系縱橫，地表含水量高，即使正常情況地表溫度也往往比附近山脈地區(qū)高出約5～10℃。但在一定的區(qū)域、時(shí)間段內(nèi)，地溫背景與地形是穩(wěn)定的，通過跟蹤時(shí)間演化過程及對(duì)比其他年份，可以有效地提取熱紅外異常信息。筆者利用震區(qū)附近數(shù)字高程?hào)鸥駭?shù)據(jù)與熱紅外地表溫度場疊加，研究活動(dòng)斷裂附近地形地貌與熱異常動(dòng)態(tài)關(guān)系。從地形溫度場可以明顯看出，與1997年3月16日～4月16日無震時(shí)段 (圖3a)相比，環(huán)江MS4.9地震前震區(qū)附近出現(xiàn)明顯高溫異常，呈棕紅色 (圖3b)。為了更直觀認(rèn)識(shí)此現(xiàn)象，利用數(shù)字高程地形圖在震中附近跨水源—木論斷裂沿北北東向繪制1條長約16 km地形剖面 (剖面線位置見圖3c中A-A')，讀取剖面線A-A'同名象素點(diǎn)震前 (1998年3月16日～4月16日)、無震時(shí)期(1997年3月16日～4月16日)熱紅外地溫均值，繪制地溫剖面圖 (圖3d中藍(lán)色曲線為1997年3月16日～4月16日無震時(shí)段同名像素點(diǎn)地溫均值，紅色曲線為1998年3月16日～4月16日環(huán)江MS4.9地震前同名像素點(diǎn)地溫均值)，與地形剖面圖 (圖3d中黑色曲線為高程值)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著地形抬升，與地形同名像素點(diǎn)紅外地溫隨之降低，二者表現(xiàn)出良好的負(fù)相關(guān)性;同時(shí)從同名像素點(diǎn)無震時(shí)段地溫均值曲線看出，地溫背景較為穩(wěn)定，而環(huán)江MS4.9地震前地溫均值高于無震時(shí)期3～4℃。與地形地貌因子相關(guān)分析表明，震區(qū)附近地溫總體呈現(xiàn)出隨地形海拔上升而下降趨勢，并且此次環(huán)江地震附近斷裂反映出較明顯的震前構(gòu)造“升溫”信息。

圖3 震中附近地形溫度場反演圖像及其剖面地形高差與地溫值關(guān)系圖像Fig.3 The inversion image of terrain temperature field near the epicenter region of Huanjiang earthquake and the relationship between the terrain elevation and land surface temperature for the A-A'profile

3.2 震區(qū)地溫異常與季節(jié)性氣候因子關(guān)系

氣候因子是正確判識(shí)震兆異常另一個(gè)干擾因素，因此，對(duì)震區(qū)正常氣候年變形態(tài)的了解是判別熱紅外地溫異常的必要前提。本文選取震中附近 (23°～27°N，105°～109°E)1990 ～2014 年每一年的3月16日～4月16日實(shí)測平均地溫進(jìn)行縱向?qū)Ρ龋瑥膱D4可以看出，在地震活動(dòng)平靜年份，震區(qū)附近平均地溫保持在19～21℃之間，與環(huán)江低緯亞熱帶季風(fēng)氣候相符;而在環(huán)江MS4.9地震發(fā)生前，震區(qū)附近平均地溫明顯增強(qiáng)，增幅達(dá)到3～4℃，表明震前在一定程度上反映出反季節(jié)變化的熱紅外“增溫”現(xiàn)象。

3.3 異常增溫為何由震中沿共軛斷裂發(fā)育

章光月等 (1980)和程萬正 (1984)認(rèn)為構(gòu)造活動(dòng)不是某一條斷裂的單獨(dú)活動(dòng)，而是在一定范圍內(nèi)受區(qū)域應(yīng)力場共同影響。因此，除前兆異常、前震以及余震受控于主震斷層外，區(qū)域應(yīng)力場也會(huì)影響其它斷層活動(dòng)。這些斷層的分布可以平行于主震斷層面，也可以與主震斷層共軛發(fā)育，而地震前兆異常集中分布區(qū)域往往處于彼此共軛斷裂的交匯帶，這對(duì)于短臨前兆異常場的影響更加顯著。此次環(huán)江MS4.9地震發(fā)震斷層為北西向水源—木論斷裂 (F1)，與北東向 (F2)、北北東向斷裂 (F3)共軛交匯，其共軛交匯斷裂往往處于應(yīng)力狀態(tài)變化復(fù)雜的敏感部位，異常多由交匯部位向幾條相關(guān)斷層上遷移 (單新建，屈春燕，2004)，這較好解釋了此次環(huán)江地震前異常增溫由震中附近沿F1、F2與F3斷裂共軛發(fā)育現(xiàn)象。

圖4 1990～2014年震中附近地表溫度變化曲線Fig.4 Curve of surface temperature in epicenter area from 1990 to 2014

圖5 震區(qū)溫度隨時(shí)間變化圖像Fig.5 Curves of temperature change varied with time in epicenter area

3.4 異常升溫條帶是否為環(huán)江地震“前兆信息”

地震前兆異常，是相對(duì)于正常而言。從1998年2月7日～5月7日環(huán)江MS4.9地震前后整個(gè)異常演化過程可以看出:一是升溫面積。隨著發(fā)震時(shí)間臨近，異常升溫面積明顯擴(kuò)大;二是升溫幅度。為了形象直觀地進(jìn)行分析，本文在每一景數(shù)據(jù)的震中附近采集溫度數(shù)據(jù)，結(jié)合環(huán)江縣氣象資料繪制溫度隨時(shí)間變化曲線對(duì)比圖，從圖5中可以看出，熱紅外遙感反演的震中溫度與環(huán)江縣氣象局實(shí)測溫度基本相符，2月14日～3月20日升溫幅度不顯著，3月21日開始升溫幅度逐步增大，在環(huán)江地震前半個(gè)月達(dá)到峰值;三是升溫區(qū)域。北東向斷裂 (F2)、北北東向斷裂 (F3)與水源—木論斷裂 (F1)共軛交匯區(qū)域震前構(gòu)造活動(dòng)確有明顯的熱紅外異常升溫，異常沿NW與NE向交叉發(fā)育為主，與環(huán)江地震NW向發(fā)震構(gòu)造較吻合。充分考慮地形地貌、季節(jié)性氣候等非構(gòu)造因素對(duì)異常升溫的影響，認(rèn)為此次環(huán)江MS4.9地震前熱紅外升溫可能為震前短臨異常現(xiàn)象。

4 結(jié)論

通過環(huán)江地震的例子說明，雖然地殼活動(dòng)產(chǎn)生的地表溫度異常隱藏于地形地貌、季節(jié)性氣候、雨雪天氣等非構(gòu)造因素產(chǎn)生的復(fù)雜變化之中，但通過分析它們與紅外異常的關(guān)系，去除非構(gòu)造因素干擾，是有可能獲得地殼活動(dòng)某些信息的。應(yīng)指出的是，利用地表溫度獲取地震前兆相關(guān)的熱信息，一方面需要去除非構(gòu)造因素的影響;另一方面，獲得的熱信息，還應(yīng)與其他手段獲得的成果 (如潛熱通量、亮溫、長波輻射、氣象資料)能夠形成相互解釋的邏輯鏈，關(guān)鍵是熱場空間展布應(yīng)與斷層活動(dòng)方式及其力學(xué)模式相符。后者相當(dāng)于結(jié)果驗(yàn)證，只有經(jīng)過檢驗(yàn)才能提高可信度。

本研究得到了陳梅花副教授、徐甫坤工程師的悉心指導(dǎo)，廣西環(huán)江縣氣象局提供了地表溫度數(shù)據(jù)產(chǎn)品，在此一并致謝。

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