2023年2月6日土耳其兩次強(qiáng)震前衛(wèi)星熱紅外及TEC 趨勢(shì)異常分析＊

唐好叢 廖洪月 吳 佳 王 剛

1) 西安市地震監(jiān)測(cè)預(yù)警中心，陜西西安 710199

2) 西安市地震局，陜西西安 710018

0 引言

利用地球同步衛(wèi)星等現(xiàn)代空間技術(shù)采集到的熱紅外及電磁等相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，較地面觀測(cè)數(shù)據(jù)具有抗干擾強(qiáng)、觀測(cè)范圍廣、測(cè)點(diǎn)分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，吸引著越來(lái)越多的地震研究學(xué)者開(kāi)展深入的專項(xiàng)研究。強(qiáng)祖基等[1-2]使用氣象衛(wèi)星熱紅外資料對(duì)1989年大同6.1 級(jí)地震、1996年麗江7.0 級(jí)地震以及1998年唐山4.7 級(jí)地震等進(jìn)行了實(shí)際監(jiān)測(cè)和試報(bào)，經(jīng)過(guò)對(duì)震例的研究，總結(jié)出衛(wèi)星紅外亮溫增溫異常與地震時(shí)間、空間、強(qiáng)度的關(guān)系與規(guī)律。康春麗等[3]以 NOAA 衛(wèi)星的長(zhǎng)波輻射（Outgoing Long Radiation，OLR）數(shù)據(jù)和日本靜止氣象衛(wèi)星的GMS-5 亮度溫度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了2001年11月14日昆侖山口西8.1 級(jí)地震前后的熱紅外變化特征，結(jié)果顯示在震前1 個(gè)月OLR 出現(xiàn)增溫異常，震前1 周亮度溫度出現(xiàn)異常。Lu 等[4]采用中國(guó)FY-2E 靜止氣象衛(wèi)星的亮溫和OLR 數(shù)據(jù)，研究了2010年1月12日—2015年4月30日西藏地區(qū)20 次中強(qiáng)地震的熱紅外異常變化，大部分震例出現(xiàn)了異常，且異常時(shí)間、位置和振幅均相似。廖洪月等[5]曾對(duì)2008年汶川8.0 級(jí)地震、2013年四川蘆山7.0 級(jí)地震、2017年四川九寨溝7.0 級(jí)地震分析，發(fā)現(xiàn)震前半年內(nèi)均出現(xiàn)了較大規(guī)模的熱紅外趨勢(shì)異常。宋冬梅等[6]針對(duì)趨勢(shì)背景場(chǎng)的地震熱異常進(jìn)行了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)2008年汶川8.0 級(jí)地震前存在明顯的異常增溫現(xiàn)象，提取的異常特征與斷裂帶走向相吻合。

由于板塊間的相互推擠，巖石空間壓縮導(dǎo)致相關(guān)區(qū)域地面熱紅外亮溫發(fā)生升溫現(xiàn)象，因此理論上通過(guò)找到熱紅外亮溫持續(xù)升溫區(qū)域，就可以定位地下巖石擠壓活動(dòng)加劇區(qū)域。但由于熱紅外亮溫值晝夜和季節(jié)變化波動(dòng)較大，通過(guò)研究熱紅外觀測(cè)數(shù)據(jù)直接發(fā)現(xiàn)熱紅外異常較為困難。當(dāng)前學(xué)術(shù)界主要研究方法為小波功率譜分析法、距平法等，主要側(cè)重于短時(shí)間內(nèi)絕對(duì)亮溫升溫異常的研究。本文采取的方法是自主獨(dú)立研發(fā)的年線差值振幅增強(qiáng)比法，主要研究相對(duì)異常，該方法可以較好地提取到強(qiáng)震前相關(guān)區(qū)域的熱紅外趨勢(shì)異常。

近幾十年以來(lái)，從事電子總含量（Total Electron Content，TEC）與地震相關(guān)性研究的學(xué)者也越來(lái)越多。李美[7]研究相關(guān)地震電離層響應(yīng)異常時(shí)空演化統(tǒng)計(jì)特征顯示，相關(guān)電離層擾動(dòng)異常出現(xiàn)頻次隨地震臨近而增高。劉靜和萬(wàn)衛(wèi)星[8]研究顯示6.0 級(jí)以上地震臨震電離層擾動(dòng)現(xiàn)象較為普遍。王剛等[9]研究汶川地震時(shí)也發(fā)現(xiàn)存在震前中長(zhǎng)期趨勢(shì)異常。

大氣中電子濃度變化除受太陽(yáng)活動(dòng)、地磁等因素干擾影響外，可能還受到包括對(duì)應(yīng)區(qū)域地下巖層活動(dòng)的影響。影響過(guò)程理論模型如下：由板塊運(yùn)動(dòng)引發(fā)巖石圈破裂，巖石圈破裂可能產(chǎn)生壓電效應(yīng)，壓電效應(yīng)可能引發(fā)電磁效應(yīng)，電磁耦合到大氣層，再通過(guò)某種方式耦合至電離層影響電離層電子濃度變化。板塊相互推擠運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，可能發(fā)生巖石小規(guī)模破裂現(xiàn)象，時(shí)空表現(xiàn)可能以離散碎片化形式存在，最終引發(fā)相應(yīng)區(qū)域TEC 大氣電離電子濃度發(fā)生的變化也是微小的。尋找和研究這類小規(guī)模巖石破裂事件意義重大，它可以幫助我們直觀了解當(dāng)前或還原相關(guān)時(shí)間段地下活動(dòng)狀況。尋找此類目前地震儀器還很難監(jiān)測(cè)到的地下深處小規(guī)模巖石破裂事件，通過(guò)分析TEC 的變化率特征可能比分析其振幅變化特征更加高效。

本研究有3 個(gè)特點(diǎn)：①以全球觀測(cè)數(shù)據(jù)為依托：通過(guò)全球連續(xù)性網(wǎng)格數(shù)據(jù)，可研究和驗(yàn)證異常時(shí)空影響最大范圍；② 以微異常研究為主：不強(qiáng)調(diào)不注重個(gè)別異常研究，注重異常累積分析，通過(guò)分析和統(tǒng)計(jì)微異常時(shí)空特點(diǎn)以求達(dá)到發(fā)現(xiàn)地震前兆的目的；③利用相關(guān)參數(shù)滑動(dòng)年線數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)：每組年線數(shù)據(jù)包含了一年的相關(guān)信息，意味著也包含了一年中產(chǎn)生的異常總和，年線相對(duì)平穩(wěn)，理論上從年線中更容易提取到趨勢(shì)異常。同時(shí)，個(gè)別實(shí)時(shí)性重大異常事件（含偽異常）對(duì)年線影響是非常有限的，通過(guò)年線方法可屏蔽個(gè)別異常，減少對(duì)個(gè)別異常的關(guān)注和研究，以長(zhǎng)周期（例如周期為1年）數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)研究分析的地震前兆異常研判結(jié)果比實(shí)時(shí)性異常可信度更高。本文利用計(jì)算機(jī)編程技術(shù)將熱紅外及TEC 研究方法程序化，快速對(duì)全球進(jìn)行網(wǎng)格化后的熱紅外及TEC 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，最后綜合判斷是否存在異常。

下面利用熱紅外年線差值振幅增強(qiáng)比法和TEC 微觀異常事件年線法對(duì)2023年2月6日土耳其2 次7.8 級(jí)地震前熱紅外及TEC 異常數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，按照異常原理說(shuō)明、異常現(xiàn)象分析、異常與地震關(guān)系分析、熱紅外與TEC 異常相互關(guān)系分析、結(jié)論與討論順序展開(kāi)討論。

1 震前熱紅外異常研究

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，2023年2月6日9 時(shí)17 分及18 時(shí)24 分，在土耳其連續(xù)發(fā)生2 次7.8 級(jí)地震，震源深度20 km，震中分別位于（37.15°N，36.95°E），（38.00°N，37.15°E）。2 次地震發(fā)生在土耳其境內(nèi)東安納托利亞斷裂南北兩側(cè)次生斷裂附近，震中相距約96 km，2 次大震期間還發(fā)生了一次6.7 級(jí)強(qiáng)余震（圖1）。此次地震造成土耳其和敘利亞兩國(guó)死亡人數(shù)超過(guò)4 萬(wàn)人，是近10年來(lái)全球單次地震死亡人數(shù)最多的一次。

圖1 土耳其地震與斷層分布圖（圖片來(lái)源：成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）Fig.1 Seismic and fault distribution map of Turkey（Source of the picture: State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology）

1.1 熱紅外數(shù)據(jù)源

本文的熱紅外數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)海洋大氣局NOAA衛(wèi)星官方數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)下載地址https://ftp.cpc.ncep.noaa.gov/precip/noaa18_1x1/，數(shù)據(jù)為OLR 格式，空間分辨率為1°，每12 h 對(duì)全球掃描一次，數(shù)據(jù)時(shí)間段為2006年5月1日—2023年2月28日。

1.2 熱紅外異常原理及數(shù)據(jù)處理方法

本研究采用的方法為熱紅外年均線差值振幅增強(qiáng)比法，主要側(cè)重于研究震前在震中附近區(qū)域是否存在中短期亮溫值相對(duì)升溫異常以及其時(shí)空演化特征。本方法數(shù)學(xué)原理、數(shù)據(jù)處理過(guò)程及相關(guān)公式如下：

以上各公式功能簡(jiǎn)述如下：公式（1）計(jì)算當(dāng)天熱紅外亮溫年線值，Dt為每天的熱紅外亮溫值，將過(guò)去一年中每天的亮溫?cái)?shù)據(jù)累加形成滑動(dòng)年線值A(chǔ)i，這樣每組數(shù)據(jù)中均包含過(guò)去一年中的熱紅外變化信息，其中包括可能存在的升溫信息。如果在一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)過(guò)亮溫升高現(xiàn)象，則年線值較日線值升幅更為明顯。公式（2）計(jì)算年均線差值，?Bi是熱紅外亮溫年線值的差值，為當(dāng)天年線值A(chǔ)i與t天前年線值之差，t為差值分析的時(shí)間間隔長(zhǎng)度。文獻(xiàn)[10-12]表明，熱紅外異常通常只持續(xù)10 天到幾十天之間，本研究將t設(shè)定為40 天，能較好地提取出震前熱紅外異常，如果40 天內(nèi)曾出現(xiàn)過(guò)連續(xù)熱紅外現(xiàn)象，差值表示40 天內(nèi)累計(jì)的升溫值。差值大于0 表示升溫，小于0 表示降溫。公式（3）為當(dāng)天差值振幅計(jì)算，差值振幅為當(dāng)天亮溫均線差值與最小均線差值的差值，?Bmin為選定時(shí)間段內(nèi)歷史數(shù)據(jù)中的最小差值。公式（4）為截止當(dāng)天歷史差值平均振幅計(jì)算，m為當(dāng)天以前的歷史數(shù)據(jù)總天數(shù)，隨著時(shí)間變化而變化，是一個(gè)不穩(wěn)定變量。公式（5）計(jì)算異常值Yi，方法為當(dāng)天的差值振幅值?Ti、平均振幅值之差與平均振幅值相比，即增大倍數(shù)，空間異常描述時(shí)中將其作為亮溫異常參數(shù)。時(shí)間曲線描述異常時(shí)對(duì)進(jìn)行3 次冪運(yùn)算放大，其顯示異常時(shí)具有突顯異常的的效果。本文主要研究升溫異常，并以黃金分割數(shù)1.618 為異常預(yù)警閾值，持續(xù)多天高于1.618 即認(rèn)為該區(qū)域存在異常。

1.3 土耳其7.8 級(jí)地震前熱紅外異常分析

1.3.1 熱紅外異常空間變化過(guò)程分析

提取2月6日7.8 級(jí)地震震中附近相關(guān)網(wǎng)格的時(shí)間異常曲線，發(fā)現(xiàn)震中及附近相關(guān)區(qū)域震前一年內(nèi)曾出現(xiàn)1～2 次熱紅外顯著異常，不同網(wǎng)格區(qū)域異常特征有所不同。限于篇幅原因，我們僅選取時(shí)間范圍為2022年12月20日—2023年2月22日，空間范圍為（27.5°N～47.5°N，27.5°E～47.5°E）區(qū)域作為研究對(duì)象，每2 天繪制一幅熱紅外異常空間剖面圖組成連續(xù)空間變化圖（圖2）。連續(xù)空間圖清晰地顯示了震中及附近區(qū)域震前震后熱紅外異常發(fā)展變化過(guò)程。

圖2 土耳其地震前后熱紅外異常時(shí)空演化圖Fig.2 Map of temporal and spatial evolution of thermal infrared anomalies before and after the Turkey earthquake

空間異常變化過(guò)程描述：以2 天為步長(zhǎng)的連續(xù)剖面圖可以發(fā)現(xiàn)，2022年12月24日在震中東南方向（28.5°N，42.5°E）出現(xiàn)區(qū)域異常（命名A區(qū)域異常），異常區(qū)域逐步發(fā)展擴(kuò)大，至2023年1月1日達(dá)到峰值后回落，于2月6日地震發(fā)生前恢復(fù)到正常范圍。2023年1月11日在震中東西兩側(cè)附近出現(xiàn)了2 個(gè)異常區(qū)域（分別命名B區(qū)域異常和C區(qū)域異常），這兩個(gè)區(qū)域位于東安納托利亞斷裂西南段的東西兩側(cè)。1月9—15日2 個(gè)區(qū)域異常處于緩慢變化階段，1月15日震中以北（44°N，37°E）區(qū)域（命名D區(qū)域異常）也出現(xiàn)了異常。1月23日3 個(gè)區(qū)域異常快速開(kāi)始同步上升，異常逐漸外延將3 個(gè)區(qū)域連為一體，震前異常區(qū)域面積處于最大狀態(tài)。震后異常面積開(kāi)始縮小，A、B區(qū)域異常較C、D區(qū)域回落速度快，2月12日恢復(fù)至預(yù)警閾值以下。震后12 天即2月18日整個(gè)區(qū)域恢復(fù)正常。

1.3.2 熱紅外時(shí)間異常分析

從空間異常變化過(guò)程發(fā)現(xiàn)，空間變化顯著異常主要有A、B、C、D四個(gè)區(qū)域，呈大三角狀分布。為全面深入了解更長(zhǎng)時(shí)間的異常變化過(guò)程，分別提取A、B、C、D四個(gè)區(qū)域及震中O區(qū)域的時(shí)間異常趨勢(shì)曲線（圖3），用以分析震前4年熱紅外的演變過(guò)程，側(cè)面研究相關(guān)區(qū)域受板塊推擠應(yīng)變量積累影響。

圖3 熱紅外空間顯著異常區(qū)域時(shí)間異常趨勢(shì)曲線圖（紫色線為預(yù)警線）Fig.3 Map of time anomaly trend curve of significant anomaly region in thermal infrared space

坐標(biāo)參數(shù)說(shuō)明：異常時(shí)間曲線坐標(biāo)縱軸為3 次方放大后的異常參數(shù)，紫紅線為異常預(yù)警線，預(yù)警值為1.618 的3 次方的冪值。異常時(shí)間曲線數(shù)據(jù)起始時(shí)間為2018年1月1日，結(jié)束時(shí)間為2023年2月28日。

通過(guò)曲線觀察可以直觀發(fā)現(xiàn)，C、D、O區(qū)域曲線2020年前曾出現(xiàn)過(guò)一次異常。震中北部的D區(qū)域曲線中2018年存在一個(gè)高于預(yù)警線但強(qiáng)度較小持續(xù)時(shí)間較短的異常，峰值時(shí)間為2018年11月16日，經(jīng)查詢異常后一年內(nèi)周邊未發(fā)生5.0 級(jí)以上地震。中部的C、O區(qū)域曲線在2019年曾出現(xiàn)過(guò)一次異常，異常峰值時(shí)間同為2019年6月11日，經(jīng)查詢，該異常峰值后228 天即2020年1月25日在C、O區(qū)域附近（38.35°N，39.12°E）發(fā)生6.8 級(jí)地震。

2月6日2 次7.8 級(jí)地震前的一年內(nèi)，A、B、C、D、O區(qū)域曲線分別出現(xiàn)1～3 次異常。震中以南的A區(qū)域曲線2 次異常峰值分別發(fā)生于2022年3月5日、2023年1月2日，2 次異常發(fā)生時(shí)間間隔約10 個(gè)月，震前異常峰值折算原始值為3.4 倍，距離發(fā)震時(shí)間35 天；位于靠近東安納托利亞斷裂西南段東西兩側(cè)異常區(qū)的B、C區(qū)域也出現(xiàn)了兩次異常：B區(qū)域曲線2 次異常峰值分別發(fā)生于2022年5月3日、2023年1月30日，時(shí)間間隔約8 個(gè)月，2月6月土耳其7.8 級(jí)地震距離最后一次異常峰值7 天；C區(qū)域曲線震前一年內(nèi)2 次異常峰值分別發(fā)生于2022年8月17日、2023年2月1日，2 次異常發(fā)生時(shí)間間隔約5 個(gè)月，2月6月土耳其7.8 級(jí)地震距離最后一次異常峰值5 天。震中O區(qū)域震前一年內(nèi)發(fā)生過(guò)3 次異常，第1 次異常峰值出現(xiàn)于2022年5月30日，第3 次異常峰值發(fā)生于2023年1月30日，距發(fā)震時(shí)間7 天。D區(qū)域震前異常發(fā)生于2023年1月31日，距發(fā)震時(shí)間6 天，該異常開(kāi)始時(shí)間稍晚于B、C區(qū)域最后一次異常，但后續(xù)發(fā)展與B、C區(qū)域基本同步，達(dá)到峰值的時(shí)間幾乎相同。從A、B、C、D、O5 個(gè)區(qū)域時(shí)間異常曲線分析，2022年2月以后即震前一年內(nèi)均連續(xù)發(fā)生1 次或多次熱紅外升值異常，且這些異常環(huán)繞7.8 級(jí)地震震中區(qū)域，作者認(rèn)為這些異常可能與2 次土耳其7.8 級(jí)地震存在密切聯(lián)系。

1.3.3 土耳其7.8 級(jí)地震熱紅外動(dòng)力學(xué)分析

土耳其位于阿拉伯板塊、非洲板塊和歐亞板塊3 大板塊的交匯處，南邊的阿拉伯板塊如楔子向北插入土耳其，西面的非洲板塊與北面的歐亞板塊相抵，3 個(gè)板塊在此相互作用形成復(fù)雜活躍的地震多發(fā)區(qū)。土耳其境內(nèi)有2 條主干斷裂帶，分別為非洲板塊與歐亞板塊的分界帶東安納托利亞斷裂帶，以及阿拉伯板塊與非洲板塊的分界帶東安納托利亞斷裂帶，2 條斷裂帶交匯于土耳其東部。2月6日2 次7.8 級(jí)地震分別發(fā)生在東安納托利亞斷裂南北兩側(cè)的次級(jí)斷裂附近。從現(xiàn)今GPS 地殼水平形變、應(yīng)變場(chǎng)來(lái)看，該區(qū)域現(xiàn)今以左旋走滑剪切變形為主（圖4a），形變、應(yīng)變主要集中在東安納托利亞斷層附近，根據(jù)走滑斷層螺位錯(cuò)模型反演得到的斷層兩側(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)左旋滑動(dòng)速率約10 mm/a，閉鎖深度達(dá)到20 km，具有強(qiáng)震孕育中晚期的形變背景（圖4b）[13]。

圖4 GPS 反映的East Anatolian 斷層形變、應(yīng)變場(chǎng)圖Fig.4 Map of deformation and strain field of East Anatolian fault reflected by GPS

時(shí)間異常與應(yīng)變量關(guān)系分析：前文介紹的震中附近A、B、C、D、O5 個(gè)區(qū)域熱紅外時(shí)間曲線（圖3）顯示，在震前1年內(nèi)，分別在3 個(gè)時(shí)間段出現(xiàn)了熱紅外亮溫升值異常，這意味著東安納托利亞斷裂兩側(cè)的非洲板塊與阿拉伯板塊至少發(fā)生了3 次高強(qiáng)度加速推擠運(yùn)動(dòng)，3 個(gè)區(qū)域熱紅外振幅增強(qiáng)比值為2～3 倍，表明可能由于東安納托利亞斷裂兩側(cè)及附近區(qū)域處于大范圍強(qiáng)閉鎖狀態(tài)，板塊推擠未能及時(shí)釋放而產(chǎn)生熱紅外升值異常，同時(shí)也表明東安納托利亞斷裂西南段附近區(qū)域在震前1年內(nèi)應(yīng)變積累速度加快。

空間異常與應(yīng)變量關(guān)系分析：2022年2月—2023年2月5日這段時(shí)間產(chǎn)生的異常疊加平面投影圖（圖5）顯示，地震前異常區(qū)域面積非常大，其中東安納托利亞斷裂以北的B、D區(qū)域經(jīng)緯度跨度均超過(guò)3°，斷裂西南段以東的C區(qū)域經(jīng)緯度跨度超過(guò)8°，東安納托利亞斷裂以南的A區(qū)域經(jīng)度跨度超過(guò)10°，緯度跨度超過(guò)5°。大面積熱紅外異常現(xiàn)象表明板塊推擠使這些區(qū)域應(yīng)變量積累沒(méi)有得到及時(shí)釋放，換而言之，2022年2月至本次7.8 級(jí)地震前，震中及周邊廣大區(qū)域積累了巨大的應(yīng)變量。

圖5 地殼運(yùn)動(dòng)速度與異常疊加平面投影圖Fig.5 Map of planar projection of crustal velocities and anomalies superimposed

以GPS 地殼運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)資料（圖4a）和熱紅外異常疊加平面投影圖（圖5）為基礎(chǔ)，從動(dòng)力學(xué)角度分析本次地震發(fā)展過(guò)程。東安納托利亞斷裂主體走向?yàn)槲髂稀獤|北走向（黃色虛線），B區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)速度方向大致為西北方向（藍(lán)色箭頭），A、C區(qū)地殼運(yùn)動(dòng)速度方向?yàn)檎狈较颍ㄋ{(lán)色箭頭）。以東安納托利亞斷裂主體方向作為水平方向，對(duì)A、B、C區(qū)域GPS 速度場(chǎng)參數(shù)作水平分量分析，可得到B區(qū)域速度場(chǎng)水平分量方向?yàn)槲髂戏较颍S色箭頭），A、C區(qū)域速度場(chǎng)水平分量方向?yàn)闁|北方向（黃色箭頭），兩個(gè)方向相反，因此從動(dòng)力學(xué)角度也清晰地證明了該斷裂為左旋走滑斷裂。將B、C區(qū)域相連，可以發(fā)現(xiàn)2 次7.8 級(jí)地震發(fā)生在連線與斷裂交匯處附近。

按A、B、C、D、O5 個(gè)區(qū)域異常時(shí)間發(fā)展分析，突破東安納托利亞斷裂西南段附近區(qū)域閉鎖狀態(tài)到完成此次地震至少可分為4 個(gè)階段：第1 階段，A區(qū)域2022年2月初出現(xiàn)的熱紅外上升異常，出現(xiàn)第1 次向北加速推擠；第2 階段，B區(qū)域2022年4月底5月初出現(xiàn)上升異常，表明該時(shí)間段板塊推擠使斷裂西南段方向北側(cè)震中以西區(qū)域增加了強(qiáng)大的應(yīng)變積累；第3 階段，C區(qū)域2022年8月中旬出現(xiàn)上升異常，表明在斷裂南側(cè)震中以東側(cè)區(qū)域的應(yīng)變積累速度加快，但這3 次應(yīng)變積累能量均未能打破斷裂附近區(qū)域的閉鎖狀態(tài)；第4 階段，2023年1月A、B、C、D區(qū)域同時(shí)出現(xiàn)異常，B、C區(qū)域再次加強(qiáng)了2 個(gè)方向相反的應(yīng)變積累，2 個(gè)應(yīng)變力的相互作用，使東安納托利亞斷裂兩側(cè)產(chǎn)生走滑地震的可能性大增。作者不掌握D區(qū)域GPS 地殼運(yùn)動(dòng)速度場(chǎng)資料，由于B、D區(qū)域同時(shí)出現(xiàn)升溫異常且均位于東安納托利亞斷裂北側(cè)，他們同時(shí)受相同方向推擠力影響的可能性較高。假設(shè)推測(cè)成立，D區(qū)域2023年1月產(chǎn)生的應(yīng)變積累沿?cái)嗔阉椒较虻姆至糠较虼蟾怕逝cB區(qū)域水平分量方向相同，即D區(qū)域應(yīng)力水平分量方向也為西南方向。在D區(qū)域應(yīng)變力助攻下，疊加累積的B、D區(qū)域強(qiáng)大應(yīng)變力與C區(qū)域相向運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)大應(yīng)變力共同作用，終于完成了該區(qū)域閉鎖阻力的突破，最終在B、C區(qū)域連線與東安納托利亞斷裂交匯處附近發(fā)生7.8 級(jí)地震。如果D區(qū)域應(yīng)力水平分量方向?yàn)闁|北方向，則B與D區(qū)域的拉張態(tài)勢(shì)將沖抵或減弱B區(qū)域的左旋走滑的剪切力，勢(shì)必對(duì)推動(dòng)此次7.8 級(jí)地震的發(fā)生起消極作用。因此，處于歐亞板塊的D區(qū)域的應(yīng)變量積累對(duì)本次7.8 級(jí)地震發(fā)生作出了積極貢獻(xiàn)的可能性更大。

2 震前TEC 異常研究

2.1 TEC 數(shù)據(jù)源選取

TEC 數(shù)據(jù)是指距離地面40～1 000 km的空氣中平均電子濃度。2016年2月，武漢大學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)研究中心（Wuhan University，WHU）正式成為新的國(guó)際GNSS服務(wù)組織（International GNSS Services，IGS）電離層聯(lián)合分析中心（Ionosphere Associate Analysis Center，IAAC）[14]，本文TEC 數(shù)據(jù)來(lái)自該中心。可從ftp://ftp.gipp.org.cn/product/ionex/下載相關(guān)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)時(shí)間范圍為1998年8月17日—2023年2月28日，數(shù)據(jù)格式為JPLG 的全球格網(wǎng)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)空間分辨率為 5°（經(jīng)度）×2.5°（緯度），時(shí)間分辨率為2 h。數(shù)據(jù)區(qū)域（-87.5°N～87.5°N，-180°E～180°E），全球共5 183 個(gè)網(wǎng)格。網(wǎng)格數(shù)據(jù)缺點(diǎn)之一是可能分割空間異常，可能將一個(gè)異常區(qū)分割為多個(gè)異常區(qū)，從而降低異常強(qiáng)度。本數(shù)據(jù)除了存在以上可能外，還有一個(gè)缺點(diǎn)是空間分辨率過(guò)低，一個(gè)網(wǎng)格空間面積為12.5 平方度，在低緯度區(qū)域一個(gè)網(wǎng)格實(shí)際空間面積大于10 萬(wàn)km2。單個(gè)網(wǎng)格的大空間可能對(duì)研究網(wǎng)格數(shù)據(jù)帶來(lái)相關(guān)負(fù)面影響，因?yàn)楫?dāng)實(shí)際異常發(fā)生區(qū)域較小時(shí)，其異常值可能被攤薄到整個(gè)網(wǎng)格，從而降低異常指數(shù)強(qiáng)度，因此本數(shù)據(jù)更適合用于大空間異常分析。一般情況下，只有強(qiáng)地震才可能產(chǎn)生大空間異常，換而言之，本數(shù)據(jù)更適合用于研究震級(jí)較大的地震。

2.2 TEC 地震異常原理和數(shù)據(jù)處理過(guò)程

地震前兆異常的發(fā)展應(yīng)該存在一個(gè)循序漸進(jìn)由量變到質(zhì)變的過(guò)程，該類異常的可靠性應(yīng)高于個(gè)別偶發(fā)性顯著異常。本文嘗試探索一種發(fā)現(xiàn)由量變到質(zhì)變TEC 異常發(fā)展過(guò)程的方法，通過(guò)收集TEC 微小異常，然后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，判斷是否存在趨勢(shì)性異常。

TEC 異常分析的原理方法較為簡(jiǎn)單，主要是通過(guò)提取變化率異常事件并將事件年均線化后，分析判斷事件年均線是否存在趨勢(shì)性異常。將異常事件數(shù)量年均線化的目的，一是為了消除季節(jié)變化對(duì)異常事件數(shù)量波動(dòng)變化的影響，二是個(gè)別不明異常事件對(duì)年均線趨勢(shì)的影響微小。連續(xù)的異常在年均線中相應(yīng)時(shí)間段可以較為清晰地反映出來(lái)，從而達(dá)到發(fā)現(xiàn)TEC 地震前兆的目的。具體公式如下：

相應(yīng)公式及TEC 數(shù)據(jù)處理過(guò)程解釋如下：①計(jì)算出單個(gè)網(wǎng)格TEC 數(shù)據(jù)的兩小時(shí)變化率Rt（公式6），N為T(mén)EC 電子濃度；② 以任意網(wǎng)格為中心，計(jì)算出7×7 空間范圍內(nèi)49 個(gè)網(wǎng)格的數(shù)據(jù)變化率并進(jìn)行邏輯對(duì)比分析，當(dāng)中心網(wǎng)格變化率最大（公式7）或最小（公式8）時(shí)，則記錄為一次微觀異常事件，否則為0；③將一天單個(gè)網(wǎng)格內(nèi)所有微觀異常事件相加得到Entd，再累加過(guò)去364 天微觀異常事件總量（公式9），得到網(wǎng)格異常事件滑動(dòng)年均線Ad；④ 判斷年均線趨勢(shì)變化是否存在異常。選定研究數(shù)據(jù)時(shí)間段內(nèi)，當(dāng)前年均線值A(chǔ)d與歷史平均年值邏輯對(duì)比，當(dāng)Ad小于，計(jì)算出年均線值減少倍數(shù)Bd（公式10），當(dāng)Ad大于，計(jì)算出年均線值增加倍數(shù)Bd（公式11）。

趨勢(shì)異常判斷標(biāo)準(zhǔn)：將異常變化倍數(shù)Bd值大于1 倍時(shí)認(rèn)為是活躍性增強(qiáng)趨勢(shì)異常；小于-1 倍時(shí)為活躍性減弱趨勢(shì)異常。對(duì)全球5 183（73×71）個(gè)網(wǎng)格的TEC 數(shù)據(jù)重復(fù)以上的處理過(guò)程并將處理后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。完成以上數(shù)據(jù)處理過(guò)程，意味著對(duì)全空域全時(shí)域TEC 數(shù)據(jù)進(jìn)行了異常事件提取和異常分析。

2.3 土耳其7.8 級(jí)地震TEC 異常分析

2.3.1 TEC 空間異常分析

本研究發(fā)現(xiàn)，TEC 的異常發(fā)展過(guò)程是較為漫長(zhǎng)的，從1年到10年不等，為全面了解震前更大區(qū)域TEC 空間異常變化過(guò)程，本文選取時(shí)間范圍為2022年1月1日—2023年2月5日，空間范圍為（15°N～55°N，20°E～55°E）區(qū)域作為研究對(duì)象，以步長(zhǎng)3 個(gè)月繪制連續(xù)異常平面圖（圖6）。

圖6 TEC 異常平面圖Fig.6 TEC anomaly ichnography

連續(xù)平面圖顯示：2022年上半年變化較為緩慢，2022年7月1日前，整個(gè)區(qū)域?yàn)檎顟B(tài)。2022年7月1日后，震中及北部的歐亞板塊相關(guān)區(qū)域出現(xiàn)較大面積低強(qiáng)度異常，南部阿拉伯板塊出現(xiàn)小規(guī)模異常區(qū)。進(jìn)入10月份以后，異常區(qū)域面積和異常強(qiáng)度同步增大。至發(fā)震前，絕大部分區(qū)域異常值低于-1，進(jìn)入異常狀態(tài)。震中及北部相關(guān)區(qū)域最先進(jìn)入異常狀態(tài)且異常水平持續(xù)加大，說(shuō)明該區(qū)域應(yīng)變量積累進(jìn)一步加深，閉鎖狀態(tài)進(jìn)一步加強(qiáng)。2月6日2 次7.8 級(jí)地震正好發(fā)生在異常低值核心區(qū)稍偏北區(qū)域，異常空間與震中位置幾乎完美重合！

2.3.2 TEC 時(shí)間異常分析

為全面了解震中及附近區(qū)域TEC 震前活動(dòng)狀態(tài)，除提取震中區(qū)域年均線外，還提取包括震中東南西北方向共6 個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的異常事件年均線，每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)距離代表震中區(qū)域的O點(diǎn)5°。各網(wǎng)格點(diǎn)具體坐標(biāo)如下：O點(diǎn)（37.5°N，35°E）、N點(diǎn)（42.5°N，35°E）、W點(diǎn)（37.5°N，30°E）、E點(diǎn)（37.5°N，40°E）、S1點(diǎn)（32.5°N，35°E）、S2（22.5°N，50°E）。相關(guān)趨勢(shì)圖如圖7 所示。

圖7 各網(wǎng)格點(diǎn)年均時(shí)間曲線趨勢(shì)示意圖Fig.7 Map of the trend diagram of average annual time curve of each grid point

TEC 均線趨勢(shì)曲線說(shuō)明：異常值為一個(gè)相對(duì)比值，單位為倍。例如縱軸最高值3.5，表示最高值比最低值大3.5 倍。圖7 曲線數(shù)據(jù)起始時(shí)間為2010年1月1日，結(jié)束時(shí)間為2023年3月7日。從O、N、W、E、S1、S26 條網(wǎng)格曲線可直觀看出，震前6 個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)區(qū)域TEC 活躍性水平均處于12年來(lái)的最低位。2019年初—2020年中，震中東西及北部區(qū)域活躍性有所上升，2020年中旬TEC 活躍性水平為最高，相對(duì)地震前高約2～3 倍，隨后活躍性開(kāi)始逐漸下降，下降時(shí)長(zhǎng)約1年半左右，本次7.8 級(jí)地震前的活動(dòng)水平降至12年以來(lái)的最低點(diǎn)，地震發(fā)生后仍處于下降狀態(tài)。而震中南部區(qū)域S1和S2兩個(gè)區(qū)域，TEC 活躍性上升趨勢(shì)直至2022年停止，然后開(kāi)始下降直至發(fā)生7.8 級(jí)地震。2010—2020年間雖然也存在一定幅度起伏波動(dòng)，但遠(yuǎn)低于震前下降水平，在此期間也未曾發(fā)生7.0 級(jí)以上地震。本次7.8 級(jí)地震前TEC 異常事件年均線低值異常在時(shí)間上與本次地震關(guān)聯(lián)度較高。

2.3.3 TEC 異常與7.8 級(jí)地震關(guān)系分析

地殼運(yùn)動(dòng)時(shí)的板塊推擠或拉張時(shí)會(huì)發(fā)生小規(guī)模巖石破裂或發(fā)生微震，以上事件發(fā)生過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生壓電效應(yīng)，不同的地質(zhì)條件產(chǎn)生的壓電效應(yīng)最終對(duì)電離層的影響不同，從而引發(fā)對(duì)應(yīng)區(qū)域TEC 變化率或上升或下降，最終可能形成一次變化率異常事件。

從E、W、N、S1、S2、O6 條年均線時(shí)間趨勢(shì)曲線可清晰發(fā)現(xiàn)，震前年均線值處于顯著下降狀態(tài)。更長(zhǎng)時(shí)間尺度連續(xù)空間異常平面也顯示：震前半年震中附近區(qū)域異常低，小于-1，意味著前期高點(diǎn)活躍性水平大于當(dāng)時(shí)的2 倍。2022年7月以后，相關(guān)區(qū)域異常值繼續(xù)下降，小于-1 的異常區(qū)域繼續(xù)擴(kuò)大，截至震前一天，異常值最大下降至-3.2，絕大部分研究區(qū)域異常值小于-1：說(shuō)明整個(gè)研究區(qū)域大范圍處于日益增強(qiáng)的強(qiáng)閉鎖狀態(tài)，其中震中附近區(qū)域?yàn)楫惓：诵膮^(qū)域，2022年下半年以來(lái)，其強(qiáng)度始終高于其他區(qū)域。這種強(qiáng)閉鎖狀態(tài)使巖石層處于更加夯實(shí)狀態(tài)，擠壓空間進(jìn)一步縮小，碎片化巖石破裂事件大幅減少致TEC 變化率事件減少及事件年均值快速下降。當(dāng)?shù)叵聨r石空間擠壓至臨界狀態(tài)，外部板塊推擠的應(yīng)力積累還在不斷上升時(shí)，大面積的巖石錯(cuò)位破裂是唯一選擇，大面積的巖石破裂意味著大地震，于是7.8 級(jí)地震就發(fā)生了。

3 熱紅外與TEC 異常時(shí)空聯(lián)系及物理機(jī)理分析

綜合上文分析可得到如下結(jié)論：熱紅外和TEC異常現(xiàn)象均為板塊間推擠力互相作用的結(jié)果，但在本次土耳其地震前的表現(xiàn)形式恰好相反，熱紅外異常以顯性形式存在，可以從監(jiān)測(cè)中直接發(fā)現(xiàn)，而TEC 異常則是隱性的，該結(jié)論是通過(guò)分析間接得出的，但他們存在著密切時(shí)空聯(lián)系，兩者相互呼應(yīng)。主要表現(xiàn)為兩者異常均發(fā)生于地震前，時(shí)間上熱紅外異常重疊于TEC 異常，空間上也高度重疊，尤其2 種異常的核心區(qū)域高度重疊。震中及附近區(qū)域熱紅外與TEC 異常是本次地震前的核心異常區(qū)，如圖8黃色圈區(qū)域。

圖8 熱紅外與TEC 空間異常對(duì)比圖Fig.8 Map of spatial anomaly comparison between thermal infrared and TEC

板塊間推擠力的輸出形式應(yīng)為不穩(wěn)定彈性形式，而不是恒定的。在彈性推力加速致使相應(yīng)區(qū)域產(chǎn)生壓縮形變時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱紅外現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在板塊運(yùn)動(dòng)時(shí)可能隨時(shí)發(fā)生，其發(fā)生的概率相對(duì)較高，在震前可能多次發(fā)生。當(dāng)大面積區(qū)域長(zhǎng)期受外部力量的推擠可使該區(qū)域處于強(qiáng)閉鎖狀態(tài)，后續(xù)不間斷的外力推擠使閉鎖水平進(jìn)一步增強(qiáng)，使得整個(gè)區(qū)域內(nèi)部巖石更加緊密夯實(shí)，巖石被擠壓空間減小，產(chǎn)生小規(guī)模破裂事件或微震事件進(jìn)一步減少，故TEC 微觀異常事件相應(yīng)減少，這種現(xiàn)象是應(yīng)變力長(zhǎng)期積累的結(jié)果，它表示閉鎖狀態(tài)變化趨勢(shì)是逐漸加強(qiáng)的，在積應(yīng)力沒(méi)有釋放的狀態(tài)下不會(huì)改變其趨勢(shì)，因此也不會(huì)有較大波動(dòng)，這一點(diǎn)與熱紅外異常存在較大區(qū)別。

本文認(rèn)為區(qū)域閉鎖可分為3 種狀態(tài)：①一般性閉鎖，整個(gè)區(qū)域有較大的調(diào)整擠壓空間，這種狀態(tài)下，熱紅外異常較少，可能發(fā)生地震但發(fā)生破壞性地震概率較小；② 中度閉鎖，可擠壓空間減少，在板塊推擠作用下可能會(huì)產(chǎn)生熱紅外現(xiàn)象，但不會(huì)存在高強(qiáng)度TEC 異常，存在發(fā)生破壞性地震可能；③高強(qiáng)度閉鎖，區(qū)域可擠壓空間極少，存在發(fā)生強(qiáng)震的背景，熱紅外和TEC 同時(shí)出現(xiàn)的可能性較大。

在本次7.8 級(jí)地震前，震區(qū)及周邊出現(xiàn)TEC 異常趨勢(shì)后至震前8 個(gè)月時(shí)間段內(nèi)，震中及東南西北方向相關(guān)區(qū)域在陸續(xù)出現(xiàn)了多次熱紅外異常。這意味著在歐亞板塊、非洲板塊、阿拉伯板塊交匯區(qū)的廣大區(qū)域出現(xiàn)和積累了錯(cuò)綜復(fù)雜的推擠力，最后東安納托利亞斷層兩側(cè)區(qū)域形成為大面積強(qiáng)閉鎖區(qū)，強(qiáng)閉鎖區(qū)在多次強(qiáng)大的不平衡加速推擠力沖擊下，在相對(duì)脆弱的東安納托利亞斷層西南段附近區(qū)域，不堪重負(fù)的巖石層出現(xiàn)大規(guī)模破裂，即發(fā)生本次地震釋放長(zhǎng)期積累的巨大應(yīng)變力，同時(shí)對(duì)該區(qū)域的地殼運(yùn)動(dòng)進(jìn)行解鎖。

4 結(jié)論

土耳其處于阿拉伯板塊、非洲板塊和歐亞板塊3 大板塊的交匯區(qū)，板塊的相互作用形成復(fù)雜活躍的地震多發(fā)背景。2月6日土耳其7.8 級(jí)地震是在此大背景下發(fā)生的，該地震是一個(gè)跨越斷層及板塊的典型的板塊運(yùn)動(dòng)地震。震前相關(guān)區(qū)域的熱紅外現(xiàn)象表明受到不同方向的加速推擠力導(dǎo)致巖石擠壓變形、發(fā)熱。整個(gè)區(qū)域大部分區(qū)域遭強(qiáng)力擠壓進(jìn)一步加深了閉鎖狀態(tài)。在地下巖石被擠壓至深度夯實(shí)狀態(tài)時(shí)，巖石小規(guī)模破裂現(xiàn)象減少，TEC 異常值開(kāi)始下降，在此狀態(tài)下，外部的推擠仍持續(xù)作用，板塊間擠壓加載繼續(xù)加大。在廣大區(qū)域均沒(méi)有被壓縮空間的狀態(tài)下，相對(duì)脆弱處巖石層大規(guī)模破裂成為唯一選擇，于是東安托利亞斷層西南段發(fā)生7.8 級(jí)大地震。本文的熱紅外異常分析方法可較好地發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)閉鎖狀態(tài)下的板塊間的加速推擠現(xiàn)象，TEC 異常分析方法可進(jìn)一步分析區(qū)域強(qiáng)閉鎖是否接近臨界狀態(tài)。換而言之，熱紅外年均線差值振幅增強(qiáng)比方法及TEC年均線趨勢(shì)分析方法可較好地提取到強(qiáng)震前地下巖石層異常。

5 討論

本文利用熱紅外和TEC 兩種地球物理觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合相關(guān)區(qū)域GPS 速度場(chǎng)等資料對(duì)土耳其7.8 級(jí)地震進(jìn)行了探索性分析研究。在兩種數(shù)據(jù)中均提取到震前異常且兩種異常在時(shí)間和空間上存在交集，從板塊運(yùn)動(dòng)學(xué)角度對(duì)以上異常現(xiàn)象也進(jìn)行了解釋說(shuō)明和假設(shè)推測(cè)。但這些解釋說(shuō)明和假設(shè)推測(cè)遠(yuǎn)不能道清其中的復(fù)雜性，一些不明現(xiàn)象還需進(jìn)一步深入探討研究：

（1）研究區(qū)C區(qū)域（圖3）在本次7.8 級(jí)地震前1年內(nèi)出現(xiàn)了顯著異常，2019年6月也曾出現(xiàn)過(guò)熱紅外高值異常，且在異常后7 個(gè)月B區(qū)域附近發(fā)生了6.8 級(jí)地震（38.35°N，39.12°E），上述異常與地震存在時(shí)空關(guān)聯(lián)為歷史事實(shí)，土耳其7.8 級(jí)地震前異常再次出現(xiàn)，從側(cè)面說(shuō)明本文分析方法發(fā)現(xiàn)此次土耳其7.8 級(jí)地震前異常不是一次巧合，該方法提取震前熱紅外異常具有一定的可靠性。D區(qū)域分別在2018年11月和2023年1月出現(xiàn)過(guò)熱紅外異常，第一個(gè)異常存在時(shí)間較短，其異常比值1.8 稍高于設(shè)定的異常預(yù)警閥值1.618，但異常后一年內(nèi)在附近區(qū)域未發(fā)生5 級(jí)以上地震，因此熱紅外異常預(yù)警閾值與對(duì)應(yīng)震級(jí)關(guān)系仍需進(jìn)一步研究和改進(jìn)。

（2）2月6日土耳其2 次7.8 級(jí)地震前，熱紅外和TEC 異常不僅跨越了大斷層，同時(shí)還跨越了板塊，B、C、D3 個(gè)主要異常區(qū)分別分布在非洲板塊、阿拉伯板塊和歐亞板塊。這種跨越板塊和大斷層同時(shí)出現(xiàn)異常現(xiàn)象，是否可視為板塊間推擠加速和大地震前兆依據(jù)，需深入研究。

（3）7.8 級(jí)地震前，震中周圍及更遠(yuǎn)多個(gè)區(qū)域于2022年12月31 前后幾乎同步出現(xiàn)熱紅外異常，北部異常距離震中約600 km，東南異常距震中約1 000 km，說(shuō)明了震前熱紅外時(shí)空異常的復(fù)雜性，導(dǎo)致即使發(fā)現(xiàn)異常預(yù)測(cè)震中位置也非常困難，熱紅外異常時(shí)空特征與地震三要素預(yù)測(cè)關(guān)系還需深入研究。

（4）作者研究歷史震例發(fā)現(xiàn)，除本次震例外，2004年12月26日印度洋9.1 級(jí)大地震和2011年3月11日日本東海9.1 級(jí)大地震（震級(jí)參數(shù)來(lái)自于USGS官網(wǎng)），這3 次地震有共同特征：一是震后的破壞力空前，地震導(dǎo)致地面破裂長(zhǎng)達(dá)數(shù)百乃至上千km；二是震中附近多個(gè)網(wǎng)格震前TEC 活動(dòng)水平大幅下降。可否將TEC 活動(dòng)水平的大幅下降和面積因素作為預(yù)判未來(lái)發(fā)生大地震的預(yù)測(cè)依據(jù)之一，還需進(jìn)一步總結(jié)案例和深入研究。

（5）本文認(rèn)為，利用熱紅外和TEC 異常預(yù)測(cè)地震，還需考慮地震地質(zhì)背景，按照權(quán)重和可靠性從高到低排列：第一，區(qū)域的地質(zhì)背景應(yīng)視為主要背景，如是否為活動(dòng)斷裂帶、歷史上地震多發(fā)區(qū)；第二，研究區(qū)域是否存在TEC 趨勢(shì)異常，本方法得到的震前異常發(fā)展過(guò)程，少則1年，多則近10年，可視為中長(zhǎng)期背景異常，是次要背景；第三，熱紅外異常如建立在以上背景之上，可視為中短臨異常。研究地震前兆時(shí)遵循以上順序，也許可減少?gòu)?qiáng)震預(yù)測(cè)的虛報(bào)誤報(bào)概率。

致謝

中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所張永仙研究員及地震研究所（武漢）李勝樂(lè)研究員前期的幫助對(duì)本文的形成起了較大的推動(dòng)作用，中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心季靈運(yùn)研究員為本研究提供了GPS 速度場(chǎng)資料和相關(guān)指導(dǎo)，在此一并表示感謝。