震前衛星紅外亮溫異常時空演化特征分析

閆麗莉, 高文晶, 王建國, 張孟怡

(天津市地震局, 天津 300201)

0 引言

衛星熱紅外遙感具有精度高、覆蓋范圍廣,準實時獲取數據的優勢,在地震研究中被廣泛應用,同時在研究成果上取得一定進展[1-10]。如:陳梅花、郭衛英等[1-2]分別研究瑪尼7.9級地震、昆侖山口西8.1級地震,發現紅外亮溫增溫異常與斷裂帶存在著對應關系,在異常表現很強烈的時段,斷裂帶內外亮溫差值比相鄰年份同期高2～3 ℃;張元生等[3]用小波變換和傅里葉變換的數據處理方法,研究汶川MS8.0地震,表明大地震發生前亮溫變化存在明顯熱異常特征周期和特征幅值;張鐵寶等[4]指出在汶川地震和廬山地震前,巴顏碦拉地塊中東段都有紅外亮溫升溫異常;馬瑾、單新建等[5]探索研究了瑪尼地震前后斷層相互作用,從區域構造背景方面分析瑪尼地震前的增溫異常原因,并分析了變形異常—斷層現今活動—地震三者間的關系。

從已有的成果看,地震活動引起熱紅外異常毋庸置疑,但是地震活動引起的紅外異常,相對于地表熱輻射的自然變化可能是微弱的。可見,要從復雜的熱紅外遙感信息中將深部斷裂活動引起的熱異常監測出來,就要掌握無震情況下的熱紅外亮溫正常背景動態變化規律,以此作為判別異常的背景和基準,進一步提取與地震活動相關的紅外前兆異常。

2012年在天津及其周邊地區發生了2次4級以上地震,分別是2012年5月28日唐山4.8級地震和2012年6月18日寶坻4.0級地震。本文基于建立華北地區多年紅外亮溫動態月背景場,利用基于同期亮溫偏移指數法(即K值法)研究這兩次地震。

1 華北地區及數據介紹

本文選取華北地區的范圍為 (110°～123°E,34°～43°N),其地質活動構造圖如圖1所示。華北地區是一個內部結構復雜和斷裂活動強烈的地區,包括山西斷裂帶和太行山山前斷裂帶,其中山西斷裂帶幾乎縱貫了華北地區的南北向,由北向南對接組成的地塹—裂谷系呈“S”形雁形排列,地塹內部存在一系列與盆地邊緣大斷裂平行、垂直、斜交的隱伏斷裂[11-12];太行山山前斷裂帶位于太行山山脈與華北平原的過渡地帶,不僅是地形地貌分區的界線,而且也是區域地質構造和地球物理場中一條重要的邊界[13]。一系列受伸展正斷層控制的掀斜塊體在區域應力場的作用下,形成了典型的盆—嶺式構造,一系列NEE向的盆地和斷裂分布與強震活動密切相關,形成了以燕山山脈隆起為背景、面對華北平原廣大沉降帶強烈活動的格局[14-16]。

圖1 華北地區地質活動構造圖Fig.1 Tectonic map of geological activity in North China

NOAA是由美國于20世紀60年代開始發射的系列極軌氣象衛星,目前在軌運行的NOAA系列衛星上裝載的AVHRR探測器星下點空間分辨率為1.1 km,有5個探測通道,其數據參數見表1所列。其中,第1,2通道(0.58～1.1 μm )為可見光和近紅外通道,主要反映地氣系統物體的反照率。第3通道(3.93～3.95 μm )為中紅外通道,對高溫目標敏感,適合對下墊面的異常高溫點進行探測,如森林火點、草原火災等。第4,5通道(10.5～12.5 μm)為熱紅外通道,反映常溫下(約300 K)地氣系統的長波輻射[17],為研究地面熱場分布提供了豐富的數據源,其數據計算精度為0.1 K。陸面和海面溫度的反演主要用這兩個波段,與地震及斷裂活動相關熱紅外異常的分析與提取也是利用這兩個波段的數據。本文選用NOAA18衛星接收2004—2012年8月的原始數據,為避免太陽輻射的影響,選取夜間凌晨01～03時數據。

表1 NOAA/AVHRR 數據參數

2 紅外亮溫異常提取方法

2.1 背景場建立方法

正常動態亮溫背景場以華北地區多年相同時相觀測的均值和標準差作為表征量。計算時對多年累積的數據按地理坐標進行時間序列上的統計分析,具體計算方法如下[18]:

設N為可用數據年限,Ti(x,y,t)為研究區位置(x,y)處第i年t時刻的亮溫觀測值,T(x,y,t)和σ(x,y,t)分別為研究區位置(x,y)處t時刻N年內由與研究區地震活動不相關的自然噪聲源影響下的亮溫平均值和標準差,則T(x,y,t)和σ(x,y,t)可用下式求得:

(1)

(2)

2.2 基于歷年同期亮溫偏移指數K值

基于歷年同期亮溫偏移指數K值可作為異常的表征量。K值從空間上反映日值相對于歷年同期背景值發生的偏移,并表征為紅外亮溫異常,在時間上可獲得異常出現的日期。故該方法可從空間和時間兩個方面發現震前的紅外亮溫異常。

亮溫偏移指數K值的具體計算公式如下:

設N為可用數據年限,Ti(x,y,t)為研究區位置(x,y)處第i年t時刻的亮溫觀測值,T(x,y,t)和σ(x,y,t)分別為研究區位置(x,y)處t時刻N年內由與研究區活動不相關自然噪聲源影響下的亮溫平均值和標準差。上述兩個參數可用來描述研究區亮溫的正常動態背景值。定義K為亮溫偏移指數,則K表達式為:

(3)

3 背景場建立

為了避免太陽輻射的影響,本文篩選并截取華北地區2004—2012年夜間凌晨01～03時的熱紅外影像。同時,對每幅影像按等經緯度投影進行重采樣,生成研究區范圍內的局地投影文件。然后,對圖像進行幾何校正和輻射定標,生成帶有準確地理位置信息的紅外亮溫圖像。最后利用《衛星紅外地震信息處理軟件》進行紅外亮溫月背景場的計算,建立了華北地區多年同期的紅外亮溫月背景場,其結果見圖2。

圖2 華北地區2004—2012年8月同期紅外亮溫月背景場Fig.2 Monthly background field of infrared brightness temperature in North China from 2004 to August 2012

從圖2可以看出,華北地區月背景場亮溫值的變化主要受季節和地形的控制及斷裂帶的影響。在時間序列上,最高亮溫出現于7月份,最低亮溫出現于1月份,月亮溫背景場整體表現出明顯的夏高冬低年變特征,符合季節變化規律。在空間上,月亮溫背景場整體表現為東南部華北平原的亮溫高于西北部山區,為了進行更好的分析紅外亮溫與高程的關系,選取了一條從山區經過華北平原進入渤海海域的剖面線(見圖3中的紅色線)。從圖4中可以看出,剖面線處的亮溫與高程呈現負相關的關系,即隨著高程的增加紅外亮溫逐漸降低;相反,隨著高程的降低紅外亮溫逐漸升高。活動構造斷裂帶在紅外亮溫影像上清晰可見。

圖3 華北地區DEM及所選剖面圖Fig.3 DEM and the selected profile in North China

圖4 剖面高程與紅外亮溫對比圖Fig.4 Comparison chart of elevation and infrared brightness temperature of the profile

4 紅外亮溫偏移指數K值

對華北地區2012年的亮溫數據提取了亮溫偏移指數,即K值,根據經驗判斷,當紅外亮溫偏移指數K>2的部分,認為存在衛星紅外亮溫異常,計算結果見圖5。

從提取的亮溫偏移指數中可以知道,2012年1—3月華北地區的衛星紅外亮溫表現的比較平靜,從4月份中旬開始出現了紅外亮溫異常現象,但到5月份又恢復平靜,直到5月27日,在次日的唐山4.8級地震震中附近及華北平原地區表現出強烈的紅外亮溫異常,在5月28日,這種異常達到最大,呈現出片狀的“異常橢圓”,其長軸約980 km,短軸約260 km,異常面積約40萬km2(見圖5),就在8小時后,也即5月28日的10時,發生了唐山4.8級地震。也就是說,在震前1天,甚至幾小時在唐山斷裂以南存在明顯的紅外亮溫異常現象,震后恢復平靜。與2011年同期相比,并沒有出現如此強烈的片狀異常橢圓現象。

同樣利用亮溫偏移指數法計算了2012年6—8月份的紅外亮溫數據,得到結果見圖6所示。從圖中可以看出,2012年6月18日的寶坻4.0級地震震前的1天(6月17日)存在紅外亮溫異常現象,但是異常的范圍要小于唐山地震前的。此后,2012年的7、8月份的衛星紅外亮溫都表現的比較平靜。

5 紅外亮溫偏移指數K值統計曲線

這里選取范圍為(117°～119°E,38°～39°N)研究區,并統計該研究區的紅外亮溫偏移指數K值,見圖7,可以看出,2012年來,一直處于平靜時期,K值均小于2,未見明顯的紅外亮溫異常。從4月中旬到5月份,K值接近2,紅外亮溫高于歷史同期的變化。到了5月27日K值達到2.6,出現了明顯的紅外亮溫異常,到了5月28日,K值趨于增大,達到3.3。這些異常現象可能與唐山4.8級地震的構造活動有關。在6月18日寶坻4.0級地震震前一天的紅外亮溫偏移指數K值約為2.2,其異常與唐山4.8級地震比不太明顯。

同時統計2011年1—12月同一研究區的紅外亮溫偏移指數K值,見圖8所示。可以看出,在2011年該區域內沒有出現K值大于2的情況,說明在該范圍內沒有亮溫異常現象存在,2011年天津及其周邊地區沒有發生4級以上地震。得到的結果與客觀事實相符。

6 結論與討論

(1) 紅外亮溫背景場方面:華北地區熱紅外亮溫背景場變化具有空間相關性、時間延續性和年變周期性,不同地質構造單元,尤其線性斷裂構造在熱紅外圖像上表現清晰。時間上,呈現出夏高冬低年變特征,符合季節變化規律;空間上,紅外亮溫與高程呈負相關關系。

(2) 基于同期亮溫偏移指數K值:2012年5月28日唐山4.8級地震震前在唐山斷裂帶以南存在明顯強烈的K值異常,在震前8 h達到最大約3.3。6月18日寶坻4.0級地震在震前也存在紅外亮溫異常現象,但是較弱。2012年7—8月華北地區的亮溫偏移指數K值沒有出現明顯的亮溫異常現象,可以說明華北區相對平靜。

(3) 異常機理討論:90年代初就有學者開始探索震前紅外熱異常的機理研究[19-22],耿乃光等[19]認為由于巖石受壓破裂的過程中,斷層蠕動的機械能轉變為熱能,或地磁輻射能(包括紅外輻射)轉化為熱能引起了震前的熱異常。徐秀登等[20-21]的觀點是臨震地球放氣導致局部大氣效應,且發現近地表大氣電場,對大氣增溫效應具有推波助瀾的作用。強祖基等[22]提出了“地球放氣說”,地球放氣是種普遍存在的自然現象,地下深部氣體作為地球內部物理化學場變化的產物,從斷裂帶巖石裂隙或土壤直接向外逸散或經過熱循環的地下水被帶出地表,活動斷裂是地殼放氣的主要部位之一,特別是在構造活動比較強烈的時期。而且通過實驗研究證明CH4和CO2等氣體在瞬變電場中可獲得能量并引起2～6 ℃的增溫,并初步認為在中強地震前熱紅外的增溫異常需要同時滿足氣體突然釋放和靜電場突變的兩個條件。許多地震的熱紅外圖像具有復雜性,有些是有增溫異常而無地震,有些則是有地震而無增溫異常。到目前為止,還不能完全解釋這種現象,在機理研究方面還需深入探索。

圖6 華北地區2012年6—9月亮溫偏移指數K值圖Fig.6 K-value of the brightness temperature in North China from June to September 2012

圖7 華北地區2012年1月1日—9月3日的紅外亮溫偏移指數K值曲線Fig.7 K-value of the brightness temperature in North China from January 1 to September 3, 2012

圖8 華北地區2011年1月1日—12月28日的紅外亮溫偏移指數K值曲線Fig.8 K-value of the brightness temperature in North China from January 1 to December 28 2011