中、強震前川滇塊體遙感紅外輻射異常分析
——以寧蒗M5.7地震和魯甸M6.5地震為例

路 茜,張鐵寶,崔 靜,楊 星

(1.四川省地震局,四川 成都 610041;2.國家自然災害防治研究院,北京 100085)

0 引言

近年來,國內學者在研究中發現中強震前會出現紅外輻射異常現象[1-11]。然而有些研究在數據分析上采用的數據時長較短,缺乏對歷史數據和年變規律的系統梳理和總結分析;有些研究只分析紅外異常現象,對產生的紅外輻射異常與構造環境的關系等問題缺乏深入研究,這使得地震前輻射異常現象研究的可靠性受到一些質疑。

眾所周知,地震孕育與活動構造有關,還與板塊運動、塊體應力累積存在聯系。以汶川地震為例,地震發生最根本動力是青藏高原和華南塊體間的相對運動所積累的能量在龍門山斷裂帶上釋放[12-14]。雖然龍門山斷裂帶的整體滑動速率很小,但汶川—茂縣斷裂向西到若爾蓋草原及整個青藏高原東部,其往東和往北運動速率卻很大[14-15]。青藏高原及其內部塊體運動在汶川地震前累積了能量。馬瑾等[16-17]、劉培洵等[18-19]以及陳順云等[20]通過巖石加壓實驗與熱場理論研究證明:熱場可能是由于應力的能量累積造成的。

在中、強震前,如果能獲取到與發震斷裂的相關塊體、地區由于應力積累產生的紅外輻射增強現象并量化異常判定指標,對紅外地震的前兆機理研究及地震預測而言具有重要的意義。汶川地震和蘆山地震前川西地區、青藏地區出現亮溫差值高于背景場3.5K,面積大于20 000 km2的集中升溫異常[21]。張鐵寶等[22]在研究汶川地震、蘆山地震前異常時將巴顏喀拉塊體均值亮溫差值高于1.5倍標準差定義為異常。

川滇塊體位于南北地震帶中南段,中強震頻發。為遙感紅外的地震前兆研究提供了理想的研究場所。目前對該地區遙感紅外地震前兆異常系統分析和總結的研究還較少。利用MODIS/Terra遙感紅外數據,采用空間距平分析法、輻射亮溫均值低頻時間序列法,并創新了輻射增強閾值面積指數法,對數據時段內(2004年4月—2017年6月)川滇塊體的中、強(M≥5.5)地震進行系統的梳理和分析,并以寧蒗M5.7地震和魯甸M6.5地震為例,總結川滇塊體中、強地震前MODIS紅外輻射異常的判定指標和時空特征。

1 研究資料概況及研究方法介紹

1.1 資料概況

以MODIS/Terra遙感衛星日間紅外亮溫21通道數據作數據源,選取范圍為川滇塊體及鄰區(圖1),數據分析時段為2004年4月—2017年6月。由于高頻信息變化存在諸多干擾因素,因此僅分析低頻信息變化。數據采用多日拼接合成的方法以達到去除云覆蓋數據的效果,數據的時間間隔為2～4天,空間分辨率為1 km。考慮到川滇塊體應變背景主要表現為擠壓[23],而巖石實驗證實巖石受擠壓升溫[19,24],在此將紅外輻射增強現象(即:升溫現象)定為異常,減弱降溫現象暫不考慮為異常現象。本研究對川滇塊體及相關斷裂帶發生的中、強地震前(M≥5.5)的紅外輻射異常現象進行研究,在量化異常指標方面,根據地震前兆常用方法,將超出2倍標準差定義為異常。

1.2 分析方法介紹

(1) 空間距平分析法

距平是遙感紅外亮溫數據某一像元位置點數值與其歷史平均值的差,計算區域范圍內全部像元的距平可得到亮溫空間距平圖像。空間距平圖像可以直觀反映出空間上亮溫相對于歷史背景場的高低分布情況。本研究定義在空間分布中亮溫差值高于背景場3.5 K為異常。

(2) 輻射增強閾值面積指數RHI

已有震例研究表明,強震前紅外亮溫數據距平異常存在大面積的增強現象,異常面積通常可達到數萬平方公里,而異常的幅度通常可達到數K大小的波動[25-26]。采用紅外輻射的月距平圖像,用目前方法難以獲得統一、準確的判定標準。在此為了定量判定遙感紅外亮溫數據距平異常大小,利用簡化的離散數學期望的算法新提出了亮溫輻射增強閾值及所對應面積的乘積的總和(簡稱輻射增強閾值面積指數RHI)作為判定異常的指標,其計算公式為:

(1)

式中:X1、X2、X3,……,Xn為亮溫輻射增強異常的設定閾值,n為認定亮溫輻射增強異常的閾值個數,Ak為出現超過設定閾值范圍的輻射異常面積。由此計算出的輻射增強指數可進行時間序列分析。本研究在時間序列中判定超過2倍標準差為異常。

(3) 亮溫均值低頻時間序列分析

川滇塊體(圖1)亮溫均值曲線具有年變特征,并存在許多高頻信息。為了分析其低頻部分的變化,在此采用30天窗長,1天步長的滑動平均法弱化高頻信息,提取低頻信息。通過計算得到多年低頻信息的年變曲線,進而得出低頻信息與其年變曲線的差值曲線。差值在超過2倍標準差線時判定為異常。

圖1 研究區域及川滇塊體M≥5.5地震分布圖(2004-04-01—2017-06-30,不包含余震)Fig.1 The study area and distribution diagram of M≥5.5 earthquakes in Sichuan-Yunnan Block (from April 1,2004 to June 30,2014,exclusive of aftershocks)

蔣鋒云等[27]通過GPS速度場計算較好反映了川滇塊體的構造特征:隨著印度板塊的推擠,川滇地區主壓應變沿喜馬拉雅東構造結順時針方向運動。青藏高原物質向東移動與阿薩姆角NEE方向楔入造成川滇地區東移,然而受到東部華南塊體的阻擋作用,整個川滇地區沿鮮水河—安寧河—則木河—小江斷裂帶轉向SE向運動。本研究進一步將川滇塊體沿運動方向橫向切分呈8個小區域(圖1),對川滇塊體內部的震前異常進行詳細的時間序列分析。

2 中強地震前川滇塊體紅外輻射異常分析

2.1 川滇塊體地震活動

2004年4月1日—2017年6月30日,川滇塊體及其邊界帶共發生5.5級以上地震12次(不包含余震)(圖1深藍色及淺藍色所示),其中M5.5～5.9地震8次,M6.0～6.9地震4次,最大地震為2014年8月3日云南魯甸M6.5地震(圖1)。另外3次M≥6.0地震分別為2008年8月30日四川攀枝花M6.1地震、2009年7月9日云南姚安M6.0地震和2014年11月22日康定M6.3地震。

2.2 川滇塊體及周邊地區紅外亮溫距平圖像定量分析

分析川滇塊體13年紅外輻射月距平圖像,獲取大面積大幅度輻射增強異常圖像。利用式(1)計算出分析時段每月(2004年4月—2017年6月)輻射增強指數,計算所得輻射增強指數的極大值為2012年5月的輻射112,平均值為15.2,標準偏差19.6。

根據圖2可以統計出列表1中每月距平輻射增強閾值面積指數異常與M5.5以上地震的對應情況。由此看出:在整個分析時段,出現了10次超2倍標準差的異常,異常結束后3個月內有5次對應了M5.5以上地震,且大多成組發生,有些地震發生在異常結束4～6個月內。仍有部分地震前在川滇地區分析范圍內未出現超過2倍標準差的異常,如:汶川M8.0、攀枝花M6.1、盈江M5.8、滄源M5.5。汶川8.0級地震前的異常主要集中在巴顏喀拉塊體,其異常范圍在本文分析區域內只出現較小面積,因此在距平輻射異常中未達到超差異常。如果提高震級檔分析,那么除了攀枝花M6.1地震外,其他M≥6.0地震前6個月內均出現了月距平輻射增強閾值面積指數的超差異常。此外可以看出地震的震級大小與輻射閾值面積指數的大小沒有對應關系。但地震的震中位置與異常的分布區域具有關聯性(表1)。

(閾值為1倍標準偏差與2倍標準偏差)圖2 月距平輻射增強閾值面積指數(RHI)時序圖與M≥5.5、M≥6.0地震M-t圖Fig.2 Time series diagram of monthly departure of RHI and M-t diagram of M≥5.5 and M≥6.0 earthquakes

表1 月距平輻射增強閾值面積指數RHI異常與M≥5.5地震對應情況(閾值2倍標準差)Table 1 The correspondence between monthly anomalies of RHI and M≥5.5 earthquakes

2.3 川滇塊體紅外亮溫低頻信息異常分析

選取川滇塊體(圖1)計算其亮溫均值低頻信息及其與背景場曲線的差值曲線,從川滇塊體差值曲線[圖3(b)]看,2004年4月1日—2017年8月31日,輻射增強異常(即差值超過2倍標準差)過程共4次[圖3(b)],異常時段分別為2009年5月19日至2009年5月22日、2009年11月15日至2009年12月3日、2012年5月24日至2012年5月29日和2014年6月1日至2014年7月16日。2009年5月和11月、2012年7月出現的異常的幅度不大,剛超過2倍標準差,且持續時間短,僅有幾天。2009年5月異常結束后發生了7月9日姚安M6.0地震;2012年5月異常結束后半年內相繼發生了寧蒗M5.7、彝良M5.7和M5.6地震。2014年6月的異常幅度大,超過3倍標準差,為整個數據時段最高值。在異常結束后半年內相繼發生了魯甸M6.5地震和康定M6.3地震。

圖3 川滇塊體紅外亮溫低頻曲線Fig.3 Low-frequency curves of infrared brightness temperature in Sichuan-Yunnan Block

此外,整個分析時段還存在3次輻射差值剛達到2倍標準差線的輻射增強,分別出現在2007年3月、2011年9月和2013年3月,這3次的輻射增強與前面分析的4次異常與2.2中提出的異常基本對應。本研究中僅分析川滇塊體內部的情況,所以在川滇塊體與其他周邊塊體同時出現輻射增強,且川滇塊體部分出現輻射增強時,輻射增強異常會因為川滇塊體內部亮溫低頻信息的均值算法而削弱。

經過2.2、2.3的初步論述,將在下文震例分析中,進一步分析2012年5月與2014年4—6月輻射增強分布集中在川滇塊體的兩次異常(表1、圖3)。

3 川滇塊體紅外輻射異常典型震例分析

重點分析寧蒗M5.7地震和魯甸M6.5地震,這兩次地震分別發生在上述兩次異常之后。

3.1 寧蒗M5.7地震(2012年6月24日,27.7°N,100.7°E)

寧蒗地震前的2012年5月川滇塊體存在大面積顯著輻射增強異常,現需進一步分析更大區域范圍的紅外亮溫空間距平圖像。圖4為2012年5月,范圍為:20°～40°N,90°～110°E的紅外亮溫距平輻射圖像(大范圍的亮溫距平圖像能看到川滇塊體與鄰近塊體紅外輻射異常間的聯系),可以看到紅外輻射增強覆蓋了整個川滇塊體(輻射距平值高于3.5 K的區域范圍為異常)。除此,拉薩塊體和羌塘塊體存在有小面積輻射增強,而其余塊體基本處于距平值正常的狀態。

進一步詳細分析川滇塊體8個小區(圖1)的震前異常。圖5給出了各小區亮溫低頻信息與背景場曲線的差值曲線,可以看出在2012年5月,亮溫輻射增強最明顯,且超過差值2倍標準差的區域為5區、6區。圖6為2012年5月18日至2012年5月30日塊體內部小區輻射增強幅度圖,幅度差最大值為3.34 K,且5區、6區剛好位于震中附近(圖1)。輻射超閾值的異常可能對地震的震中位置有一定指示意義。

圖5 川滇塊體分區亮溫低頻信息差值曲線(2011-01-01—2012-06-30)Fig.5 The difference value of low frequency of brightness temperature and its background in subareas of Sichuan-Yunnan Block (2011-01-01—2012-06-30)

圖6 川滇塊體內部小區輻射增強幅度圖(2012-05-18—2012-05-30)Fig.6 The amplitude diagram of radiation enhancement in subareas of Sichuan-Yunnan Block (2012-05-18—2012-05-30)

3.2 魯甸M6.5地震(2014年8月3日,N27.1°,E103.3°)

由上文分析中可知,魯甸地震前川滇塊體存在紅外輻射異常。圖7為2014年3月至8月的亮溫月距平圖像。由圖7可見:2014年3月川滇塊體北段出現小范圍輻射增強,祁連帶也同時出現了輻射增強。4月川滇塊體北段輻射增強范圍擴大,且幅度增強,同時在拉薩塊體以南、滇西塊體以西的南亞次大陸出現了輻射增強。5月整個川滇塊體均出現輻射增強,同時在羌塘塊體、巴顏喀拉塊體、柴達木塊體及祁連塊體出現了NEE走向的帶狀輻射增強。6月川滇塊體輻射增強范圍進一步擴大,蔓延至羌塘塊體東段和巴顏喀拉塊體南端,且升溫幅度再次增強,與此同時羌塘塊體、巴顏喀拉塊體、柴達木塊體在5月出現的輻射增強依然存在,7月和8月各區域前期出現的輻射增強現象逐漸消失,恢復平靜。由此我們可以看出,川滇塊體出現的輻射增強相對其他區域在時間上比較連續,且呈現了塊體內部由北往南,面積逐漸變大、幅度逐漸增強的變化,其他地塊的輻射增強則相對隨機。

圖7 2014年3—8月亮溫月距平圖像 Fig.7 Monthly departure of brightness temperature from March to August,2014

將距平研究區域出現輻射增強的2014年3—6月的月距平做平均處理得到圖8距平的平均圖像。從圖8可以看出,經過平均處理,川滇塊體的輻射增強異常尤為突出,而羌塘塊體、巴顏喀拉塊體、柴達木塊體及祁連塊體出現的帶狀輻射增強,以及南亞次大陸出現的輻射增強明顯被弱化了。除此,川滇塊體的輻射增強區域在塊體東邊界存在明顯的界限,巴顏喀拉塊體南端也存在這個現象,這可能是川滇塊體和巴顏喀拉塊體在整個運動中受到四川盆地和華南塊體的阻擋,應力累積引起的輻射增強也受到限制的原因。

圖8 亮溫距平平均圖像(2014年3月至2014年6月平均值)Fig.8 Mean value of monthly departure of brightness temperature (from March to June,2014)

同理將川滇塊體進行分區,分析大區內部魯甸M6.5地震前的異常(圖9)。從圖9中可以看出川滇塊體小區差值曲線地震前的異常經歷了兩個峰值,分別為2014年6月1日至6月20日和2014年6月21日至7月16日。圖10為兩個時段塊體內部小區輻射增強幅度圖。第一個峰值時段,3～8區的輻射增強幅度均超過了2倍標準差閾值線,峰值最高區是6、7區,幅度差最大值為2.91 K[圖10(a)];第二個峰值時段,2～8區的幅度均超過了2倍標準差閾值線,6和7區依然為峰值最高區,幅度差最大值為1.63 K[圖10(b)]。經過小區的輻射增強的進一步分析可以看出,魯甸地震震中附近的6區和7區在震前兩個峰值時段[圖10(a)和(b)]中,均出現了最大幅度的輻射增強。該現象可對作為強震地點判定的依據。

圖9 川滇塊體小區亮溫低頻信息差值曲線(2013-01-01—2014-08-30)Fig.9 The difference value of low frequency of smoothing infrared brightness temperature and its background in subareas of Sichuan-Yunnan Block (2013-01-01—2014-08-30)

圖10 川滇塊體內部小區輻射增強幅度圖Fig.10 The amplitude diagram of radiation enhancement in subareas of Sichuan-Yunnan Block

4 結論與討論

研究采用三種分析方法對川滇塊體研究時段M≥5.5地震前的紅外輻射進行分析研究初步,并對寧蒗M5.7地震和魯甸M6.5地震做了較詳細的震例研究,得出以下幾點認識:

(1) 本研究中的個別5.5～5.9級地震在震前3～6個月川滇塊體未出現顯著紅外輻射增強異常,而M≥6.0地震在震前3～6個月基本能發現較為明顯的紅外輻射增強異常。這對該地區出現顯著紅外輻射增強異常后的地震預測震級判定有一定指示意義。

(2) 距離川滇塊體較近的汶川8.0級地震、蘆山7.0級地震前,川滇塊體未出現異常,異常主要集中在巴顏喀拉塊體。這說明孕育地震的紅外異常分布并非隨機分布,而可能是受到相關塊體的控制。

(3) 寧蒗M5.7地震和魯甸M6.5地震震例研究發現,震前輻射增強較高的小范圍區域與震中位置有一定關聯。這可為未來中、強震的地點判定提供了一些依據。

前兆異常與地震的發生并非一一對應[28],研究時段內川滇塊體一些5級地震在震前并未出現顯著輻射增強異常,這可能是因為小地震發震所需要累積的應力在地表無法產生大面積的輻射增強異常,而通常比較小范圍、小幅度的輻射增強可能會被高頻信息或其他干擾因素削弱掉。

寧蒗地震、魯甸地震前顯著輻射增強區域位于川滇塊體,而汶川和蘆山地震前輻射增強區域位于巴顏喀拉塊體[21]的現象表明,在紅外資料跟蹤分析的區域選取時,應選擇較大范圍,不僅應該分析斷裂帶、斷層周邊,還需要更多關注相關地質體。出現異常后應重點關注相關地質體周邊處于閉鎖狀態的斷裂帶及斷層,這可能會是未來強震的優勢發震地點。

致謝:感謝審稿專家提出的寶貴意見和建議。