2012年新疆洛浦M S 6.0地震前衛星熱紅外亮溫時空演變特征分析

邵楠清 孟慶巖 魏鳴 盧顯 張穎

1）南京信息工程大學，南京市寧六路219號 210044

2）中國科學院遙感與數字地球研究所，北京市海淀區鄧莊南路9號 100101 3）中國地震臺網中心，北京 100045

0 引言

北京時間2012年3月9日6時50分4.7秒在新疆維吾爾自治區和田地區洛浦縣（39.4°N、81.3°E）發生了MS6.0地震。洛浦縣位于新疆西南部，北鄰塔克拉瑪干沙漠，南連昆侖山；地形南高北低，整體成條形，南部為山脈，海拔3300m以上，北部為沙漠區，海拔約1300m以下；震區位于塔里木盆地腹地海拔1200～1500m的沖積扇和沖、洪積平原地區，地勢較為平坦；地震震中位于巴楚隆起與阿瓦提斷陷之間的圖木舒克隱伏斷裂帶上，此斷裂帶西段為NW走向，東段為近EW走向，全長約250km（朱治國等，2013）。此次地震震源深度30km，震感范圍廣，阿克蘇、喀什、和田、巴音郭楞、伊犁等地均有震感（馮英等，2012）。

由于巖層受力摩擦、CH4等氣體溢出、瞬時電場變化等影響，導致地震前出現短臨前兆，地表熱輻射出現異常。對這種異常現象的研究始于20世紀80年代，前蘇聯科學家Gornyi等（1988）和Tronin（1996）研究了中亞地區地震活動帶和東地中海地區的衛星熱紅外遙感影像，發現很多地震前都出現了明顯的熱紅外異常現象，經統計分析發現其與地震活動帶之間具有相關性。隨著衛星遙感技術的飛速發展，利用紅外亮度溫度開展地震前熱輻射異常的研究已全面展開。強祖基等（1998）對多個地震前的亮溫增溫異常進行了研究，發現增溫區溫度比周圍高出2～6℃，震級越大則亮溫增溫面積也越大，且一般在亮溫異常發展到最強時期后幾天～60天內發震。徐秀登等（2001）總結分析了中國及周邊40多次地震的衛星熱紅外圖像，發現震級在MS5.0以上的地震均有較為明顯的震前紅外異常。屈春燕等（2007）等探討了地形地貌、地物類型、氣象要素等非震因素對地表熱紅外亮溫的影響及其去除方法，并提出了地震異常的識別和提取方法，進一步提高了地震異常判斷的準確性。吳立新等（2008）、Zhang等（2010）、張鐵寶等（2013）也對近年來中國發生的汶川8.0級地震、玉樹7.1級地震的震前熱紅外亮溫時空變化特征進行了研究，發現震前均存在不同程度的亮溫異常增強現象。

由于印度板塊與歐亞大陸的不均勻擠壓碰撞，青藏高原和天山先后隆起，使得新疆塔里木盆地周緣成為板內構造變形最強烈、地震活動最頻繁的地區之一。對該地區進行紅外輻射遙感信息的研究，對于提高該地區地震活動預測水平具有十分重要的意義（郭衛英等，2006）。本文對發生在塔里木盆地的新疆洛浦MS6.0地震震前地表紅外亮溫的時空變化特征進行分析，并考慮氣象因素影響，從異常信息的空間分布、強度變化等方面入手，進一步提取與此地震活動有關的熱異常信息。

1 資料收集與處理方法

由于靜止衛星高度高、視野廣、觀測范圍大，且可以對某一固定區域進行連續觀測，這對于地震熱異常研究，特別是震前熱輻射在一定時間范圍內的連續變化研究更具優勢。本文選取FY-2E靜止氣象衛星熱紅外亮溫數據進行分析，其遠紅外觀測波段分別為10.3～11.3μm和11.5～12.5μm，熱紅外亮溫觀測每小時進行1次，星下點空間分辨率約5.00km，觀測精度較高。本文以新疆地區為研究區，選取2012年2～3月，空間范圍為34°～46°N、77°～89°E內的熱紅外亮溫資料進行分析。

由于白天的太陽輻射會影響地表的觀測亮溫值，故選取夜間地方時22：00～06：00數據取平均做為日均值序列。為了去除部分云層遮蔽造成的亮溫值偏低的影響，處理時采用補窗法（張璇等，2013a、2013b），將第i個時次受云層干擾的低值設為下限，將同一時次的錯值和不符合黑體輻射公式的高值設為上限，利用此閾值范圍對每一個像元的值進行篩選，從而達到簡單的去云目的，可在一定程度上消除云層對亮溫反演的干擾，然后計算每天不同時間點數據相同像元的平均值，從而得到亮溫的日均值。

2 紅外亮溫異常變化特征

2.1 震前紅外亮溫異常時空演化特征

圖1 洛浦MS6.0地震前紅外亮溫異常時空分布（藍星處為震中）

按照上述數據處理方法處理新疆洛浦MS6.0地震前后2012年2月12日～3月12日共30天的紅外亮溫數據，得到研究區內對應時間的地表紅外亮溫分布情況。圖1（a）～（o）給出2月21日～3月6日洛浦地震前紅外亮溫分布特征。

震區地處塔里木盆地腹地，該盆地深處大陸內部，中心是塔克拉瑪干沙漠，周圍又有高山阻礙濕潤空氣進入，故極為干旱，氣溫受地形影響較大。由于沙的比熱較小，白天太陽照射下導致盆地內地表溫度快速升高，夜間雖然沙漠的釋熱快，但由于四周高山阻擋，盆地內空氣不易流動，故氣溫降低較慢而形成了一定的溫室環境，保證地表熱量不會大量散失，所以整體來看，盆地內的地表溫度明顯要高于周邊地區。

如圖1所示，2012年2月21日～2012年3月6日期間研究區紅外亮溫的變化具有明顯異常特征，具體可分為3個階段。

第1階段為平穩發展階段。在2月24日前，研究區紅外亮溫的分布基本符合地形地貌特征及季節性變化規律，即盆地內亮溫數值高于周邊區域，隨著時間推移，整體亮溫呈現緩慢上升趨勢。由于受到2月21～23日1次中亞低渦天氣系統的影響，震中地以北的阿克蘇、伊犁河谷以及西側的山區等地先后出現中到大雪、局部暴雪的天氣，其它地區也相繼受到影響，部分地區的降雪量達到了3～12mm（李圓圓等，2014）。由于降雪和云層的影響，2012年2月21～23日，震中附近的亮溫數值呈現條帶狀無規律分布，有零散的高值區域，但其它地區亮溫數值較低。

第2階段為異常增強階段。2月24～25日，研究區內亮溫高值區域范圍明顯擴大，數值與之前相比有較大幅度上升，其中震中周圍出現連續成片的異常高值區，特別是在震中以西的巴楚縣附近亮溫異常尤為明顯；塊狀異常整體沿東-西方向分布，條帶狀異常呈西北-東南走向，這與巴楚縣附近多條斷裂帶的分布位置及斷裂帶走向相一致（圖2）。故可以推斷這種熱量異常與這些斷裂帶活動以及洛浦MS6.0地震的孕育發展有關。

2月26～27日，連續的亮溫高值區域出現異常，特別是巴楚附近斷裂帶區域的亮溫值異常偏低，由于26～27日巴楚附近地區為晴好天氣，故判斷這種亮溫偏低的現象是上1次（2天前）亮溫異常爆發后的回落，標志著熱量釋放的完成，并有可能孕育著下1次異常爆發。

2月28日研究區內再1次出現亮溫異常現象，與第1次異常現象相比，亮溫高值區域范圍進一步擴大且連接成片，亮溫數值大幅度升高，異常特征更加明顯且持續時間更長，異常呈條帶狀，沿西北-東南方向伸展，與鄰近斷裂帶分布和走向進一步吻合。同時，巴楚西南方，即盆地西部的山區也出現大范圍團狀亮溫異常高值區，但由于其位置與震中相距近400km，且異常形狀與斷裂帶走向不吻合，故推斷其為非地震引起的。2月29日，由于新疆西北部及沿天山地區的大范圍降雪，亮溫值稍有回落，但整體分布特征不變。此次異常一直持續到3月3日，連接成片的大面積亮溫高值區幾乎覆蓋塔里木盆地，其中以震中西北緣巴楚附近斷裂帶區域的異常最為明顯，該區域亮溫平均值為261.93K，亮溫異常值最高達到268.56K，超出平均值6.63K。

第3階段為異常消失階段。從3月3日開始，研究區亮溫高值區域范圍逐漸縮小，亮溫異常值回落并消失。3月3～5日，由于巴楚地區受到降雪影響，伴隨熱量釋放完畢導致的亮溫急劇回落，使研究區的亮溫值大幅度降低，但在3月5日之后逐漸恢復正常；從3月6日至3月9日MS6.0地震發生，研究區的亮溫分布處于平穩發展狀態，符合地形地貌特征。此階段的亮溫在數值上與第1階段相比偏高，但考慮到30天內季節性變化規律導致亮溫升高的必然性以及余震的影響，增量控制在正常波動范圍內，說明此次地震導致的亮溫異常已經消失。

圖2巴楚地區構造區劃和斷裂體系（丁文龍等，2008）

由上述分析可見，2012年2月23日前，研究區無明顯異常信息出現，2月24～25日出現第1次異常，異常信息分布連續，最高值位于巴楚附近斷裂帶區域且與斷裂帶走向一致。26～27日異常出現回落，并在28日再1次上升，這一過程十分明顯，異常信息強度進一步提高，斷裂帶附近異常值達到最大。第2次異常一直持續到3月3日，之后快速減弱，直至異常消失。

2.2 基于亮溫日值變化提取亮溫異常

為進一步探討洛浦MS6.0地震前紅外亮溫異常特征，選取地震震中以西巴楚附近圓形區域（39°～41°N、78°～80°E）為研究區，其中圓心位于巴楚縣東北（40°N、79°E），區域半徑為1km。統計研究區地震前后30天每天的亮溫平均值，得到圖3所示的亮溫日均值時間序列圖。

圖3 研究區（39°～41°N、78°～80°E）2012年2月12日～3月12日亮溫日均值

表1巴楚2012年2月12日～3月12日歷次降雪天氣統計表

由圖3可知，2012年2月12日～3月12日，受到氣候季節性變化規律的影響，研究區亮溫平均值呈現穩定的振蕩上升趨勢，振蕩幅度保持在5.00K的閾值范圍以內，存在個別極低值點。表1列出了巴楚縣2012年2月12日～3月12日期間的歷次降雪天氣，可以看出，降雪的日期與圖3中亮溫極低值點對應的日期基本吻合。本文綜合考慮天氣系統影響范圍、運移以及站點數據的覆蓋范圍，認為研究區亮溫極低值的出現與該地區的降雪天氣因素有關。

圖3顯示，2月24～25日研究區出現第1次異常，亮溫數值明顯升高，24日亮溫平均值為258.07K，25日上升至260.11K。26日熱量釋放完畢后，異常迅速消失，在沒有氣象因素干擾情況下，亮溫值持續2天處于低值。2月28日研究區出現第2次異常，亮溫值上升至263.70K，并在3月1日達到最高值264.37K，即使受到2月29日降雪天氣影響，亮溫值在被削弱后仍然能達到257.68K；此次異常持續到3月2日，當日亮溫值高達263.98K，隨后異常迅速消失，并受到降雪影響，3月3～4日的亮溫值均大幅降低至243K左右。3月5日以后，研究區亮溫值恢復正常，呈現小幅度振蕩上升趨勢，振蕩幅度也保持在閾值范圍內。

3 討論與結論

2012年3月9日洛浦MS6.0地震紅外亮溫異常特征主要有：

（1）從異常信息空間分布來看，異常主要分布在震中西北方向，異常高值區位于巴楚縣鄰近區域，與發震斷裂帶位置吻合；異常主要呈條帶狀分布，走向與斷裂帶方向一致，似可以推斷，異常信息與發震斷裂帶活動以及洛浦MS6.0地震的孕育發展有關。

（2）從異常信息隨時間演變來看，異常出現在洛浦MS6.0地震前14天，時間上經歷較強-弱-強-弱的變化過程，第1次異常持續時間較短，并很快衰減，第2次異常持續達4天，之后迅速消失，2次異常爆發前后間隔2天，異常消失6天后地震發生，之后再未出現類似異常現象。

（3）從亮溫異常強度來看，亮溫值隨時間推移呈振蕩上升的趨勢，振蕩幅度保持在5.00K的閾值范圍以內，受到降雪天氣因素的影響會出現個別超出閾值范圍的極低值。亮溫異常的持續高值出現在第2次異常期間，最高值出現在3月1日；異常出現期間亮溫平均值超出閾值上限4.21K，亮溫最高值超出閾值上限5.98K，異常現象十分明顯。

綜前所述，此次亮溫異常現象在時空演變的各個方面均似與洛浦MS6.0地震似具有明顯的相關性。