吉林松原地區(qū)地震前熱紅外亮溫異常研究

張志宏 焦明若 張 麗 李夢瑩 黃明威 楊牧萍

1 遼寧省地震局，沈陽市黃河北大街44號， 110034

關于地震與熱輻射的研究開始于20世紀80年代。強祖基等[1]認為，熱紅外異常是由于地震時構造板塊間的摩擦使巖體內的溫室氣體沿斷裂縫隙逸出所致，也稱作“地球放氣”，惰性氣體被低空電場電離后形成了各種波段的紅外光。國內外學者對某個地區(qū)的單次地震都進行了很好的震例總結[1-7]，但針對某個地區(qū)連續(xù)相當震級的地震前后熱紅外異常特征的研究較少。吉林松原連續(xù)3 a發(fā)生了2017-07-23 MS4.9、2018-05-28 MS5.7和2019-05-18 MS5.1地震，為研究松原地區(qū)地震前后熱紅外異常特征提供了必要的條件。同時，松原地區(qū)又屬于松遼盆地，盆地內油氣資源豐富，基于此，本文利用小波變換和相對功率譜估計法對松原地區(qū)3次地震前后的衛(wèi)星熱紅外亮溫數據進行處理，分析并討論異常演化的過程及區(qū)別。

1 熱紅外亮溫數據

衛(wèi)星熱紅外遙感儀器觀測的是地物的熱輻射強度，經處理后可獲得輻射溫度[8]，為區(qū)分物體的真實輻射溫度，將計算的輻射溫度稱為亮溫。本文使用中國靜止氣象衛(wèi)星FY-2C/E/G亮溫小時數據產品(數據來源于中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心)，選擇的有效數據起止時間為2012-01-01～2020-01-01，為避免太陽直射對數據的干擾，通常選擇北京時間凌晨1～5點整點觀測數據，利用這5個時次的5幅觀測數據，采用補窗法獲得當天的1幅日值數據，形成亮溫日值數據[8]。

2 數據處理及結果

2.1 小波變換

有限時間序列的小波變換公式為：

(1)

以2018-05-28松原MS5.7地震為例，圖1給出震中(45.27°N，124.71°E)處2016～2019年的原始亮溫(brightness temperature，BT)值(圖1(a))及小波變換后的信息(圖1(b)為2階小波尺度部分)。可以看出，7階小波尺度部分(圖1(d))的年變特征突出，因此可將地球年變溫度場等長周期成分通過去除7階小波尺度部分來消除影響，圖1(c)為通過去除2階小波細節(jié)部分來消除云雨等溫度的微變，處理后的數據為亮溫數據(圖1(e))。

圖1 經小波變換的熱紅外亮溫數據信息分離Fig.1 Divorcing information of wavelet transformation with thermal infrared brightness temperature data

2.2 功率譜估計與相對處理

本文的功率譜估計法參考了Welch算法，對N個長度的數據進行分段，再對每段數據加窗求FFT，最后計算各段功率譜的均值[9]。具體計算式為：

i=1，…L

(2)

對衛(wèi)星亮溫數據經小波變換后再計算功率譜，以n=64 d為窗長、m=1 d為滑動窗長作FFT，可以得到每個像元的一組功率譜，再對其進行幅值的相對處理，最后得到各像元的相對功率譜值，功率譜計算及相對處理過程見文獻[9-10]。

2.3 結果與分析

2.3.1 松原MS4.9地震熱紅外時空變化

2017-07-23 松原發(fā)生MS4.9地震，震源深度為12 km，震中為45.3°N、124.81°E。通過對地震前的日常資料(圖2)掃描分析發(fā)現，2017-06-01以來5頻段小波相對功率譜逐漸升高，06-20高值區(qū)域面積擴大，07-05幅值、面積達到最大值，隨后逐漸衰減，07-23發(fā)震至07-27高值基本消失，異常持續(xù)1個多月。分析此次地震前后熱紅外異常的時空演化發(fā)現，熱紅外亮溫資料的相對功率譜出現顯著異常，異常變化持續(xù)時間較長，震前出現熱紅外異常的區(qū)域面積相對較大，形態(tài)較突出，異常過程表現為異常出現-增強-達到極大值-衰減-發(fā)震-異常消失，與巖石實驗結果相似[10]，即紅外輻射呈初始階段變化很小、彈性階段緩慢增加、異常值由最大值逐步恢復至正常背景值的過程，在峰值后第18 d即07-23，在異常區(qū)域邊緣發(fā)生松原MS4.9地震。

從構造空間來看，本次異常最初出現在依蘭-伊通斷裂和密山-敦化斷裂交匯處，于06-20沿依蘭-伊通斷裂和密山-敦化斷裂走向逐漸擴展，異常整體也顯示為增強趨勢，與郯廬斷裂帶北段的展布一致，主要分布于松遼盆地東部邊緣。07-15以后異常伴隨著面積收縮，到07-23發(fā)震后異常面積仍呈縮小趨勢，07-27后異常消失。本次地震前后的熱輻射異常空間演化經歷了從依蘭-伊通斷裂和密山-敦化斷裂交匯處擴展到松遼盆地、最后收縮于依蘭-伊通斷裂和密山-敦化斷裂交匯處的過程。異常隨時間的演變可能與應力的積累變化過程有關，應力持續(xù)變化導致地熱資源豐富的區(qū)域逸出氣體增多[11]，可能是該相似性出現的原因。

2.3.2 松原MS5.7地震熱紅外時空變化

圖2 2017-07-23松原MS4.9地震前后5頻段亮溫相對功率譜異常時空演化Fig.2 Time-space evolution of the 4.9 band RWPS anomalies before Songyuan earthquake on July 23, 2017

圖3 2018-05-28松原MS5.7地震前后5頻段亮溫相對功率譜異常時空演化Fig.3 Time-space evolution of the 5.7 band RWPS anomalies before Songyuan earthquake on May 28, 2018

2018-05-28松原發(fā)生MS5.7地震，震源深度為10 km，震中為45.27°N、124.71°E。通過對地震前的日常資料(圖3)掃描分析發(fā)現，2018-05-25以來5頻段小波相對功率譜逐漸升高，05-27高值區(qū)域面積擴大，06-12幅值、面積達到最大值，隨后逐漸衰減，06-17基本消失。分析此次地震前后熱紅外異常的時空演化發(fā)現，熱紅外亮溫資料的相對功率譜出現異常變化持續(xù)僅3 d就發(fā)生了地震，出現熱紅外異常的最大區(qū)域面積是在地震后的12 d，異常過程表現為異常出現-增強-發(fā)震-達到極大值-衰減-異常消失。從構造空間來看，本次異常最早出現在依蘭-伊通斷裂和第二松花江斷裂的交匯處，于05-27沿第二松花江斷裂走向逐漸擴展，異常整體也顯示為增強趨勢，與郯廬斷裂帶北段的展布一致，主要分布于松遼盆地東南部邊緣。

2.3.3 松原MS5.1地震熱紅外時空變化

2018-05-28松原發(fā)生MS5.7地震，震源深度為10 km，震中為45.30°N、124.75°E。在地震前的日常資料掃描中沒有提取到亮溫異常。

2.3.4 地震熱紅外亮溫平均譜值時序曲線特征

熱紅外異常區(qū)的平均譜值時序曲線能夠反映異常持續(xù)時間及相對變化率，由2次地震重合的異常顯著區(qū)域在2012～2020年44.0°～44.5°N、128°～128.5°E范圍內的相對功率譜均值(圖4)可知：1)2017-07-23 MS4.9地震前相對功率譜幅值大于4的開始時間是06-19，持續(xù)32 d后于07-21幅值降低至1.62，07-23地震發(fā)生當天的幅值為0.63，地震后幅值恢復至背景水平；2)2018-05-28 MS5.7地震前相對功率譜幅值大于4的開始時間是05-10，持續(xù)38 d后于06-17幅值降低至3.25，05-28地震發(fā)生當天的幅值為5.43。

圖4 異常區(qū)小范圍的相對功率譜平均值時序曲線Fig.4 Time series curve of relative power spectrum average value in a small range of abnormal area

根據異常區(qū)的功率譜平均值時序曲線可知，2017-07-23 MS4.9地震是在異常峰值下降至正常范圍的過程中發(fā)生的，而2018-05-28 MS5.7地震是在異常峰值之前發(fā)生的。通過以往的震例結果及相關判斷經驗推斷，2次地震在幅值不同階段發(fā)震可能與震中地區(qū)應力積累的速率相關。

3 對盆地效應的探討

3.1 松原地區(qū)地質概況

松原地區(qū)地處吉林省西北部，屬于平原地貌，其地質構造屬于郯廬斷裂帶北段及松遼盆地中央凹陷帶(圖5，圖中紅色實心圓代表3次松原地震區(qū)域，藍色橢圓代表熱紅外亮溫異常出現的區(qū)域)。郯廬斷裂帶是中國東部中新生代以來長期活動的深大斷裂，長約2 400 km，其北段(肇興-昌圖段)從松原地區(qū)東側穿過，北起黑龍江肇興縣，南至遼寧昌圖縣，走向 NE 40°～45°，延伸約 800 km ，分依蘭-伊通斷裂和密山-敦化斷裂兩條主干斷裂。松原地區(qū)周邊斷裂主要包括扶余-肇東斷裂、扶余北斷裂、第二松花江斷裂、孤店斷裂及查花干-道子井斷裂，地處松嫩平原腹地，地表主要是厚度為 80～100 m的第四系松散沉積物[12-13]。地震導致松原地區(qū)地表沉積物出現液化現象[14]，應力薄弱帶甚至有砂火山噴發(fā)的跡象。

圖5 松遼盆地地形圖Fig.5 Topographic map of Songliao basin

3.2 盆地與其周緣地震熱輻射關系

強祖基等[1]研究發(fā)現，富含油氣區(qū)的熱紅外異常更容易被識別；郭衛(wèi)英等[2]研究發(fā)現，2003年伽師-巴楚MS6.8地震前熱紅外在塔里木盆地西邊緣異常明顯；張麗峰等[9]研究發(fā)現，2017年九寨溝MS7.0地震前熱紅外異常的分布與汶川地震前相似，都是沿著四川盆地的邊緣展布。這些研究都表明，地熱、油氣等自然資源含量豐富的盆地可能與震前觀測到的熱幅射異常有一定關聯。松遼盆地的北部油氣資源非常豐富[15-16]，地質環(huán)境復雜，巖體結構發(fā)育，孕震前后應力的調整使得盆地周緣的巖體裂隙通道擴張或收縮，進而加速了天然氣或溫室氣體的釋放。由圖5可以看出，吉林松原2018-05-28 MS5.7地震和2017-07-23 MS4.9地震前的熱紅外亮溫異常也出現在海拔大于400 m的松遼盆地邊緣位置。

4 結 語

本文以靜止衛(wèi)星資料為數據源，應用小波變換和功率譜估計法對松原地區(qū)2017-07-23 MS4.9地震、2018-05-28 MS5.7地震和2019-05-18 MS5.1地震的熱輻射異常進行研究。結果顯示，前2次地震有明顯的熱輻射異常存在，其空間展布與郯廬斷裂帶北段走向一致，主要分布在油氣資源豐富的松遼盆地東部邊緣；2次地震熱輻射異常的最大面積大致相當，約為1.9×105km2；2次地震都發(fā)生在增溫區(qū)域的西部邊緣，震前的熱輻射異常都從盆地的東部邊緣開始擴展，原因可能是盆地東部邊緣的油氣含量更高、斷裂更加發(fā)育，有利于溫室氣體的釋放。2019-05-18 MS5.1地震前后熱輻射強度表現為正常水平，可能是盆地內二氧化碳和甲烷等溫室氣體在前2次地震前后已經得到了最大量的釋放。

地震時序演化特征顯示，2017-07-23 MS4.9和2018-05-28 MS5.7地震的相對功率譜異常幅值超過了均值的2倍；2017-07-23 MS4.9地震的相對功率譜幅值的異常持續(xù)時間長達32 d，地震發(fā)生在幅值下降時段；2018-05-28 MS5.7地震的相對功率譜的異常持續(xù)時間為38 d，地震發(fā)生在幅值上升的過程中。

綜合異常分析結果可知，松原地區(qū)熱紅外亮溫異常跟以往國內研究的震例相似：1)異常在盆地的邊緣分布；2)地震的震中不在異常區(qū)內；3)在輻射增強或減弱的過程中，地震都有可能發(fā)生。

致謝：熱紅外亮溫資料由中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心提供，甘肅省地震局張元生研究員提供了熱紅外數據分析計算軟件，在此一并表示感謝！