多參量聯合分析的地震空間探測異常研究進展＊

賈雪璨 龔 川 劉珠妹 李盛樂

（中國地震局地震研究所，地震大地測量重點實驗室，湖北武漢 430071）

引言

地震是影響人們生命財產安全的最為嚴重的自然災害之一。對地震前后可能的異常信號研究是地球動力學和地震學的重要課題[1-3]。衛星遙感技術因其觀測范圍廣、不受地面自然條件限制等優點，在獲取地震異常信息方面具有重要的研究意義和應用前景[4-9]。

早在20世紀80年代末，前蘇聯學者Gornyi等[10]利用NOAA衛星亮度溫度數據，在分析中東的地震活動時發現了地震前紅外輻射異常；此后30多年，俄羅斯、美國、中國、日本、印度等各國專家利用空間遙感、地面觀測和數值模擬等多種手段，對中強地震前的熱異?，F象進行了深入探索，取得了眾多有意義的研究成果[11-26]。

隨著衛星對地觀測技術的發展，越來越多的地震學者認為，地震的發生不僅與震源區的孕震過程有關，還和內（地體環境）外（日地空間）環境因素密切相關[27]。Pulinets等[28-30]提出了地震異常交叉檢驗與綜合分析范式，即巖石圈—大氣圈—電離層耦合（Lithosphere-Atmosphere-Ionosphere Coupling，LAIC）模型，為地震電離層研究提供了物理基礎。大量研究表明，孕震區上空存在電離層異常擾動[31-36]，總電子含量（total electron content，TEC）、電子密度（electron density，Ne）和電子溫度（electron temperature，Te）等參數成為電離層擾動研究中著重分析的對象[37-42]。

但由于地質構造活動、孕震過程的復雜性，地震遙感異常的探索仍面臨著較大的不確定性。正如Mohamed等[43]指出，針對單一遙感參量震前異常的研究多具有偶然性，單參量異常的時空、強度可能會因數據源和處理手段的不同而表現出不同的趨勢。若多個參量在震前均顯示異常，并表現出規律的時間、空間和多圈層耦合作用，則將其聯合異常作為發震的指示可作為預測地震的一種方式。本文利用文獻計量法，對近30年2 556篇國內外地震遙感異常研究文獻中的手段、方法和熱點趨勢進行了詳細的分析，并認為遙感多參量聯合分析已成為當前研究的重要趨勢方向，并通過3個多參量地震遙感異常分析的國際前沿研究成果，進一步驗證多參量聯合分析在地震前兆研究中的優勢和必要性。

1 基于文獻計量分析的遙感地震異常研究趨勢

本文以Web of Science （WOS）和中國知網（CNKI）數據庫為文獻檢索平臺，以 “地震” and “遙感” and “異?！?為主題，并以 “地表溫度” or “潛熱通量” or “總電子含量” 等表1所列參量為關鍵詞，檢索了1991年—2021年7月空間對地觀測技術在地震前兆異常方向的研究成果，得到中/外文研究文獻共2 940篇（其中，中文文獻1 541篇，外文文獻1 399篇）。排除征稿通知、期刊聲明、會議新聞及不相關文獻等無效記錄，篩選得到中/外文研究文獻共2 556篇（其中，中文文獻1 160篇，外文文獻1 396篇），作為計量分析的輸入數據。

表1 文獻檢索關鍵詞表Table 1 Table of literature keywords

借助CiteSpace軟件，結合引用分析與共引分析原理，通過繪制地震遙感異常研究中/外文文獻年發文量折線圖、研究國家和研究機構共現圖譜、國內外研究手段時間發展趨勢圖以及國內外近5年關鍵詞圖譜來展示空間對地觀測技術在地震領域的研究熱點、演進趨勢，進行空間對地觀測技術在地震異常研究中的發展趨勢與應用聯系的具體分析。

1.1 總體趨勢

近30年來，空間對地觀測技術在地震異常分析領域得到迅猛發展（圖1）。自1991年以來，地震遙感異常研究領域的外文年發文量總體來說呈指數上升趨勢，說明利用空間對地觀測手段進行地震前兆異常研究越來越受到研究人員的關注與重視。相較于外文發文量，中文文獻在2008年和2014年有一個較為明顯的發文量峰值（圖1紅色柱體），這與2008年汶川以及2013年蘆山兩次大地震有關，說明這兩次地震很大程度上促進了國內地震遙感領域的研究。在此之后，中文發文量便趨于平穩，而外文發文量依舊迅速增長，大量中國學者將研究成果發表于國際刊物，占據了該領域研究的主導力量，這一點在下文的主要研究國家和研究機構分析中也得到了明顯驗證。

圖1 空間對地觀測技術在地震遙感異常應用領域年發文量情況Fig. 1 Annual publications of earth observation technology in seismic anomaly

通過研究國家和研究機構的發文量可直觀判斷某國家或某機構對空間對地觀測技術在地震遙感異常應用領域的關注程度，圖2是我們對研究國家與研究機構的發文量分析得到的共現圖譜。

由圖2可明顯得知，中國、美國、日本、俄羅斯、印度、意大利對該研究領域的發文做出了較多貢獻，分別占比25%、11%、8%、7%、7%、6%，一方面是由于地震頻發而受到廣泛關注，另一方面與各國空間對地觀測技術的發展水平有關。國內研究機構如中國地震局（Chinese Earthquake Adm.）、臺灣中央大學（Natl. Cent. Univ.）、中國科學院（Chinese Acad. Sci.）、武漢大學（Wuhan Univ.）等貢獻突出。另外，美國加州理工學院（CALTECH）和查普曼大學（Chapman Univ.）、日本千葉大學（Chiba Univ.）、俄羅斯科學院（Russian Acad. Sci.）、印度理工學院（Indian Inst. Technol.）、意大利Ist Nazl Geofis & Vulcanol等國外機構對該領域關注與貢獻也較多。

圖2 地震遙感異常應用研究國家和研究機構共現圖譜Fig. 2 Co-occurrence map of research countries and institutions in the field of seismic anomaly applications using earth observation technology

1.2 研究手段演進分析

遙感技術與GPS應用的空前活躍，很大程度上促進了地震遙感異常領域的發展。由國內外地震遙感異常研究手段時間演進趨勢圖（圖3）可看出，研究初期，國內的地震遙感異常研究手段集中在 “衛星熱紅外” ，國際上的研究手段則分散在 “遙感（remote sensing）” “GPS” “重力波（gravity wave）” 和 “電離層（ionosphere）” 等多方面；2004年 “總電子含量（total electron content）” 關鍵詞的提出，促進了電離層與地震異常之間聯系的研究。2007年之后，國內文獻中 “電離層” 以及 “總電子含量” 等關鍵詞出現爆炸性增長，表明我國開始進入電離層地震異常研究的蓬勃發展階段。

圖3 地震遙感異常應用領域研究手段時間發展趨勢圖Fig. 3 Trend of research methods in the field of seismic anomaly using earth observation technology

1.3 關鍵詞階段性熱點分析

關鍵詞作為學術論文的重要組成部分和精髓，能夠敏銳、直接地反映出某一領域的研究熱點與前沿。關鍵詞在某段時間內出現較多或使用頻率較高可以反映該領域階段性的前沿研究與趨勢。

根據CiteSpace相關分析，圖4展示了自2000年以來國際與國內在不同時期所側重的研究熱點及集中研究階段。階段性關鍵詞圖譜表明， “電離層（ionosphere）” 一詞的相關研究在國際上一直占據重要地位；近年來，國際上 “輻射（radiation）” 一詞的相關研究增長速度較快，其中主要指的是 “熱紅外輻射” 等相關關鍵詞的研究，表明雖然在以研究電離層異常相關的主流下，國際上研究熱紅外異常的文章仍保持著較快的增長量。在國內的相關文獻研究中，近年來頻率增加較快的是 “相對功率譜” 方面的研究，主要是利用小波變換和相對功率譜估計法對地震前后的衛星熱紅外數據進行處理，分析并討論異常演化的過程及區別；此外，2008—2012年期間 “demeter衛星” 一詞的快速增長，恰好契合了國內在2007年之后對電離層地震研究的關注與蓬勃發展的趨勢。值得一提的是，由于學者對文獻關鍵詞的選擇具有很強的主觀性，階段性關鍵詞圖譜并不能完全覆蓋所有的研究熱點。例如，張衡一號衛星（China Seismo-Electromagnetic Satellite，CSES）自2018年發射升空，近三年引起研究學者們的廣泛關注與應用研究，但在該圖譜中沒有得到明顯體現。

圖4 國際/國內階段性關鍵詞圖譜Fig. 4 Map of international/domestic periodical keywords

1.4 關鍵詞共現分析

為更詳細地研究近年來空間對地技術在地震異常研究領域的應用，分析2016—2021年以來的文獻研究熱點，以每個節點代表一個關鍵詞，節點間的連線代表兩個關鍵詞之間有共現關系，繪制了關鍵詞圖譜（圖5）。分析表明，近5年國際上在該應用領域的研究包括2個聚類： ① 與電離層相關的聚類； ② 與熱紅外相關的聚類。其中，與電離層相關的地震研究占主要部分。國內學者除了研究以上2個聚類以外，還包括與大氣層相關的聚類研究。

圖5 地震遙感異常研究關鍵字圖譜Fig. 5 Keywords map of the seismic anomalies research using remote sensing technology

國際上電離層相關聚類中主要包含了 “總電子含量” “擾動” “重力波” “異?！?等關鍵詞，其中有關 “總電子含量” 的研究最多。國內電離層聚類主要包括了 “總電子含量” “電離層” “電離層擾動” 等關鍵詞，此外，還聚集于 “汶川地震” “九寨溝地震” “尼泊爾地震” 等典型地震案例的分析；在研究地震前后電離層擾動探測的過程中，使用較多的異常探測方法為滑動四分位距法。

熱紅外聚類在國際上主要集中于 “長波輻射” 及 “地表潛熱通量” 兩個內容上，并且與 “蓋層” 及 “大氣層” 的其他眾多分量存在緊密聯系。例如聯合微波亮度溫度、近地表空氣溫度和一氧化碳濃度的變化，研究發震前后熱異常從震源區向大氣的轉移過程，將被動微波衛星數據與其他地表和大氣參數相結合，以更好的闡述與解釋熱異常的物理機制。國內熱紅外聚類包含 “亮度溫度” “長波輻射” 等關鍵詞，且集中于熱紅外異常的提取算法，以 “相對功率譜法” “小波變換” 和 “RST算法” 為主。

國內大氣層方面的聚類主要針對的是 “一氧化碳” “二氧化碳” “臭氧” 和 “甲烷” 等氣體的研究，通過了解地震前后氣體的地球化學異常特征及其與地震和構造活動的關系，為地震監測預報提供參考。

值得注意的是，近5年的關鍵詞圖譜中，各參量并不是獨立分析的，由圖中關鍵詞節點間的連線可以看出，雖聚類分類明確但聚類間多個節點相互連接，表明多圈層觀測參量之間緊密聯系，逐漸形成一個綜合的地震異常研究熱點網。

1.5 研究趨勢小結

縱觀地震遙感異常研究發展歷程，可以發現國內外學者研究側重點的不同。國內早期主要是利用熱紅外遙感技術來研究地震異常現象，2007年開始關注電離層相關的地震異常研究，并在2014年后迅速發展，而 “熱紅外地震異常” 研究則貫穿著整個研究階段?？傮w上看，國內針對蓋層的熱紅外地震異常研究相較于電離層與大氣層更豐富。國際上很大部分文獻都圍繞著電離層、總電子含量等參量展開地震方面的研究，形成了與電離層異常相關的較多交叉研究領域，在蓋層與大氣層方面的地震異常研究的發文量相較而言較少。

縱使國內外地震遙感異常研究側重點存在差異，但蓋層、大氣層、電離層多圈層參量之間的聯合分析已引起研究學者廣泛關注，為更進一步推動地震遙感異常的研究發展，多圈層/多參量遙感異常的綜合分析將成為未來研究的主流趨勢。

2 多參量地震遙感異常前沿研究案例

為驗證多參量異常聯合分析的可靠性，本文選取了國際最新的3個地震遙感異常研究案例（表2）：2017年8月8日中國九寨溝發生的MW6.5地震（案例一），2018年2月4日和6日中國臺灣省花蓮縣發生的MW6.1和MW6.4地震（案例二），以及2019年7月4日和6日美國加州里奇克雷斯特鎮發生的MW6.5和MW7.1地震（案例三），分別進行了遙感異常提取及其可靠性檢驗。

我們進一步統計對比了3個研究案例中的不同參量異常變化（表3），包括：各參量異常出現和消逝的時間、各參量異常展布的空間尺度和方位以及各參量的異常變化的同步特征。

從表2、表3可知，3個研究案例在選用數據、異常分析方法、異?，F象以及電離層異常機制方面既有共通性又有特異性：

表2 研究案例基本信息Table 2 Introduction of the research case

表3 各案例地震異常參量時空展布及同步特性Table 3 Temporal and spatial distribution and synchronization characteristics of seismic anomalous parameters in each case

（1）數據源：在多參量地震異常的研究中，電離層TEC常被作為主要的研究參量，此外，還常引入紅外觀測資料（TBB, MIB, OLR），以及其他高空探測數據（Ne，Te等）作為聯合驗證手段，并結合地磁觀測數據（Kp,Dst,F10.7）進行磁暴因素的排除。多圈層觀測資料的聯合分析，可在一定程度上相互檢驗和驗證，排除氣象因素、大氣干擾等因素的影響，增強了遙感異常分析的可靠性與準確性。

（2）分析方法：在3個案例中，針對TEC數據異常提取，均采用了滑動四分位距法，當前多項研究結果表明，該方法對于TEC異常的識別具有較好的效果[31,44-45]。值得注意的是，在案例一和案例三TEC滑動四分位距法分析中，研究者采用的異常閾值為x±1.5IQR（Interquartile Range，IQR，四分位距），但在案例二中TEC滑動四分位距法異常分析中，采用的閾值為x±2IQR?？梢姡诓煌瑘鼍跋驴赏ㄟ^擴大閾值范圍來提高異常標準以提取更加精準的TEC異常值。

（3）異常現象：3個震例均在震前出現了遙感異常，但出現時間不同。案例一地震TEC異常出現在震前10天，震后約1周消失；案例三地震TEC、Ne、Te異常出現在震前15天出現，震后約1周消失；案例一熱異常約在震前1個月出現，震后1個月完全消失。

3個案例多參量異常間都具有時間同步性：案例一中TBB、MIB、OLR 3個參量的功率譜最高值都出現在8月14日；案例二地震所有的異常都是在震前1天出現；案例三地震中Ne和Te異常基本與TEC異常時間同步。

3個案例多參量異常間都具有空間同步性：案例一熱異常分布在震中東南方向，從映秀—北川斷層南部沿華容山斷層展布，TEC異常在震中南部與華容山斷層南部，且華容山斷裂帶有明顯的紅外異常時幾乎與最大的TEC異常區域完全重疊；案例二所有異常均分布在震中西北方向，并且沿著菲律賓板塊的運動方向移動；案例三異常都分布在震中的赤道面（震中東南和西南）。

（4）機制探討：3個案例均對電離層異常進行了與LAIC物理機制相關的探討。案例一電離層異?？煽紤]是由震源產生的電磁輻射從巖石層傳播到大氣和電離層，引起衛星觀測到的電離層擾動，可作為LAIC機制的證據；案例二中認為是震中周圍巖石受力釋放氡使氣體電離進一步引發OLR變化與電離層擾動，LAI耦合現象引發了大氣和電離層綜合異常；案例三中進一步分析發現檢測結果也與使用電離層物理模型（SAMI2或SAMI3）模擬地震前電離層異常電場對電離層等離子體參數的影響實驗吻合較好，電離層異常可能歸因于孕震期的LAIC機制。

以上分析表明，多參量遙感異常的結合分析具有顯著優勢，利用各種數據進行異常檢測、分析和交叉驗證，可以在時間和空間尺度上對數據進行比較和互補，從而能夠準確提取和識別異常。

3 結論與展望

本文利用文獻計量分析法介紹了國內外遙感地震異常的研究進展，并列舉國際前沿震例研究，以揭示當前研究的發展趨勢：

（1）縱觀地震遙感異常研究發展歷程，國際上以電離層手段為主，而國內針對蓋層的熱紅外地震異常研究相較于電離層與大氣層更豐富。最近5年來，越來越多的學者開始關注多圈層、多參量異常的綜合研究。

（2）通過國際前沿案例分析，我們發現：在針對地震多參量異常研究時，電離層數據TEC常被作為研究對象之一，并結合其他圈層如OLR、地表溫度等參量進行研究，以探究不同圈層的地震異常擾動信號的同步性。除了本文案例中用到的OLR、地表溫度等參量外，大氣溫度（AT）、含碳氣體（CO2, CO,CH4）、氣溶膠光學厚度（AOD）、潛熱通量（SLHF）等也常被作為同步異常分析的參量。

（3）在針對TEC的異常分析中，常采用滑動四分位距法，該方法當前應用廣泛且成效明顯，在設置閾值時研究人員根據需求和實際情況來調整閾值系數以提高異常提取的準確度；在針對熱異常（如，OLR,MIB, TBB）的分析中，相對功率譜法和方差分析法經常被使用。

（4）在針對多參量的異常同步性研究中，應考慮在控制變量下（如排除太陽風暴、地磁風暴等氣象條件等干擾因素）各參量之間的時空異常對應關系，而不僅是地震期間的異常分布與對應。例如，為排除太陽風暴和地磁風暴的對TEC擾動的影響，研究中都會引入Dst,Kp,F10.7等指標，確保TEC異常是由地震誘發。

總體來說，多平臺、多參量、多圈層遙感異常的綜合分析在地震前兆的研究中顯示出更可靠的結果。未來可通過對不同圈層的多參數異常進行綜合分析和交叉驗證，這將有益于為地震前兆研究提供更為可靠的觀測指標，并為進一步深入探討LAIC耦合機制和地震孕育機制提供必要的信息支持。