張 巖 康春麗 馬未宇 姚 琪

（中國北京100045中國地震臺(tái)網(wǎng)中心）

基于引潮力位的云南魯?shù)镸S6.5地震前地面長波輻射短臨變化

張 巖 康春麗 馬未宇 姚 琪

（中國北京100045中國地震臺(tái)網(wǎng)中心）

2014年8月3日中國云南省魯?shù)榘l(fā)生MS6.5地震，震源機(jī)制顯示為走滑斷層，利用NOAA衛(wèi)星地面長波輻射（OLR）數(shù)據(jù)資料，對(duì)地震前后熱輻射值連續(xù)變化進(jìn)行分析，結(jié)果顯示：在中國大陸范圍（20°—45°N，80°—120°E）內(nèi)，僅震中及相關(guān)聯(lián)斷裂附近，地面長波輻射（OLR）在時(shí)間上經(jīng)歷了起始增溫→異常加強(qiáng)→高峰→衰減→發(fā)震→平靜的演化過程，在空間上異常沿?cái)嗔延杀毕蚰舷蛘鹬羞w移。對(duì)魯?shù)榈貐^(qū)引潮力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果顯示，天體引潮力對(duì)本次地震具有顯著誘發(fā)作用，長波輻射異?？赡苁堑卣饦?gòu)造應(yīng)力應(yīng)變過程的輻射表征。

天體引潮力；長波輻射異常；魯?shù)镸S6.5地震；NOAA衛(wèi)星

0 引言

當(dāng)前利用衛(wèi)星熱紅外信息開展震前熱異常監(jiān)測(cè)與識(shí)別的主要方法有：圖像解譯(Gorny VI et al，1988；馬瑾等，2008；馬曉靜等，2009；呂琪琦等，2000 )、差值分析(Ouzounov Det al，2004)、計(jì)算機(jī)輔助統(tǒng)計(jì)技術(shù)（Robust Satellite Technique，RST）（李金平等，2008）、亮溫增溫異常點(diǎn)對(duì)比（康春麗等，2009）；基于數(shù)字圖像增強(qiáng)技術(shù)的渦度計(jì)算（康春麗等，2009）、基于時(shí)頻域轉(zhuǎn)化方法開展的小波和功率譜手段（張?jiān)龋?011；葉秀薇等，2010）等，這些研究方法均建立在對(duì)遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行多年平均統(tǒng)計(jì)處理基礎(chǔ)上。由于氣象波動(dòng)客觀存在，多年平均算法往往掩蓋由短期構(gòu)造快速變化造成的熱輻射波動(dòng)。遙感巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：巖石在應(yīng)力加載—破裂過程中，沿破裂面向外輻射變化經(jīng)歷增強(qiáng)—高峰—衰減—平靜的基本規(guī)律（崔承禹等，1993；吳立新等，2004；馬瑾等，2012）。而地震是地球內(nèi)部的一種力學(xué)過程，開展具有力學(xué)含義的臨震輻射異常研究，對(duì)區(qū)分地震活動(dòng)與非地震活動(dòng)引起的輻射增強(qiáng)，有一定價(jià)值。但目前地應(yīng)力變化無法直接觀測(cè)獲得，如何從影響地球運(yùn)動(dòng)的外部力學(xué)因素入手，探索引起臨震輻射變化與可能的力學(xué)誘因之間的關(guān)系，值得研究。

已有研究表明：引潮力是觸發(fā)地震的重要外部力學(xué)因素（Heaton THet al，1975；李延興等，2001；陳榮華等，2006，趙小茂等，2010）。為此，本文首先計(jì)算魯?shù)榈卣鹫鹬形恢玫囊绷ξ恢芷谧兓?，并以此周期作為地面長波輻射背景選擇的時(shí)間指示（本次地震以潮汐力位每次高點(diǎn)為時(shí)間背景），開展臨震地面長波輻射研究。

1 潮汐力位計(jì)算

引潮力位是周期性連續(xù)變化的。觸誘發(fā)地震時(shí)，引潮力位隨構(gòu)造環(huán)境不同而發(fā)生改變（Ma W Y et al，2012）。固體潮具有豐富的潮汐分量（陳瑩等，2012），為與地面長波輻射遙感觀測(cè)的日觀測(cè)頻率值保持一致，本文選取2014年6月20日—9月30日連續(xù)引潮力位日變化理論值進(jìn)行分析。

根據(jù)卡爾文的計(jì)算方法，任意天體對(duì)地球內(nèi)部任意一點(diǎn)P產(chǎn)生的引潮力位Wi(p)（吳慶鵬等，2001）為

式中，Pn(cosZm)為cosZm的勒讓德多項(xiàng)式。Zm為星體的天頂距；M是月球、地球的質(zhì)量；k為萬有引力常數(shù)；r是震中與地心距離；rm為月心與地心距離。對(duì)于月亮，目前精度條件取n=2和n=3，則分別有

同理，對(duì)太陽取n=2，則有

對(duì)于地球整體，則有

其中δs和δm是日、月赤緯，φ為震中緯度。

2 長波輻射（OLR）數(shù)據(jù)處理

射出長波輻射(Outgoing Long—wave Radiation，簡(jiǎn)稱OLR)是指地氣系統(tǒng)向外層空間發(fā)射的電磁波能量密度，又稱為熱輻射通量密度，單位W/m2。通過NOAA極軌衛(wèi)星載荷的輻射測(cè)量儀，在紅外窗區(qū)通道（10.5 μm—12.5 μm）對(duì)地球和大氣進(jìn)行掃描測(cè)量，獲取地面射出長波輻射。

本研究采用OLR數(shù)據(jù)，取自美國http://www.emc.ncep.noaa.gov網(wǎng)站通播的全球信息數(shù)據(jù)。由于OLR是基于紅外波段遙感產(chǎn)出成果，其波段近似長波大氣窗口，大氣衰減弱，且其波段接近地面長波輻射，對(duì)海洋表層和近地面溫度變化響應(yīng)敏感，因此適宜監(jiān)測(cè)與“熱”成因現(xiàn)象相關(guān)的一些地學(xué)災(zāi)害征兆。

為了觀察2014年魯?shù)镸S6.5地震長波輻射短臨信息場(chǎng)變化特征，選取中國陸地范圍（20°—45°N，73°—155°E）2014年7月31日—8月8日夜間數(shù)據(jù)，按照1°×1°的日平均網(wǎng)格數(shù)據(jù)，構(gòu)成OLR信息數(shù)值分布場(chǎng)。為提取魯?shù)榈卣鹫鹬屑捌渑R近區(qū)域該區(qū)域內(nèi)MS6.5地震前OLR數(shù)值分布場(chǎng)每日變化特征，計(jì)算各網(wǎng)格點(diǎn)臨震（日際尺度）OLR數(shù)值，得到輻射增強(qiáng)區(qū)表征信息量的各格點(diǎn)位數(shù)值場(chǎng)分布。計(jì)算公式為

其中，ΔSi(x,y)為各格點(diǎn)位的OLR數(shù)值增量；Si(x,y)為各格點(diǎn)位的OLR數(shù)值；Sbackground(x,y)代表背景固定的OLR數(shù)值，本文采用引潮力值震前最高點(diǎn)為時(shí)間背景（本次地震采用7月30日），x為緯度，y為經(jīng)度，i為格點(diǎn)位標(biāo)。

3 魯?shù)榈卣鹨绷ξ患盁岙惓Ｗ兓?/h2>

3.1 發(fā)震構(gòu)造

根據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)的測(cè)定結(jié)果（http://www.ceic.ac.cn/），北京時(shí)間2014年8月3日16時(shí)30分，云南省昭通市魯?shù)榭h發(fā)生MS6.5地震。震源（初始破裂點(diǎn)）位于（103.3°E，27.1°N），震源深度約12 km。發(fā)震斷層為北西向包谷垴—小河斷裂，是北東向昭通—魯?shù)閿嗔严当蔽飨虼渭?jí)走滑斷層。震源機(jī)制顯示，魯?shù)榈卣馂樽笮呋偷卣穑ㄐ戾a偉等，2014）。震中位置與震區(qū)活動(dòng)斷裂分布見圖1。

圖1 魯?shù)榈卣鹫鹬形恢门c震區(qū)活動(dòng)斷裂分布Fig.1 Distribution of earthquake epicenter and active faults in analysis area

3.2 引潮力變化

利用公式（5），計(jì)算魯?shù)榈貐^(qū)地震前后天體引潮力隨時(shí)間變化數(shù)值，繪制曲線，見圖2。由圖2可見，2014年7月1日—8月13日天體引潮力位變化經(jīng)歷“高峰—低谷—高峰”4個(gè)周期變化，見圖中A、B、C、D標(biāo)注。地震發(fā)生時(shí)引潮力位值所處相位，與地震類型有一定關(guān)系，正斷型地震多發(fā)生在引潮力位值高峰附近；走滑型地震多發(fā)于轉(zhuǎn)折階段（馬維旻等， 2011）。而本次魯?shù)镸S6.5地震發(fā)震時(shí)（8月3日）引潮力值處于轉(zhuǎn)折階段，與發(fā)震構(gòu)造屬走滑斷層的認(rèn)識(shí)吻合。

圖2 魯?shù)榈卣鹛祗w引潮力時(shí)序變化曲線Fig.2 Temporal variation curve of tidal force in Ludian earthquake

3.3 地震前OLR時(shí)空變化特征

盡管地震發(fā)生與天體引潮力相關(guān)，但依然很難判定引潮力是地震發(fā)生的誘因之一，其原因是，無法判斷臨震時(shí)段構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)及其與引潮力變化的關(guān)聯(lián)性，而引潮力被認(rèn)為只有當(dāng)?shù)卣鹪杏龢?gòu)造應(yīng)力達(dá)到臨震階段，才有可能觸發(fā)地震（陳榮華等，2004；郗欽文等，1994）。因此，如何判斷地應(yīng)力達(dá)到臨界狀態(tài)將是一個(gè)關(guān)鍵性問題。

基于潮汐力位周期（圖2），依據(jù)公式（6），以7月30日OLR數(shù)據(jù)為背景，其后逐日OLR數(shù)據(jù)與該背景相減，獲取OLR變化情況，獲得全國范圍自2014年7月31日到8月8日OLR日輻射場(chǎng)逐日連續(xù)變化分布，見圖3。

圖3 魯?shù)镸S6.5地震地面長波輻射異常時(shí)空演化圖像Fig.3 Temporal-spatial evolution of temperature anomaly increase of LudianMS6.5 earthquake

在中國大陸范圍，僅魯?shù)榈貐^(qū)出現(xiàn)明顯的長波輻射增強(qiáng)的變化。由圖3可見，自7月31日開始，OLR日平均增量場(chǎng)的增強(qiáng)中心從震中區(qū)東北端沿附近北東向昭通—魯?shù)閿嗔严当蔽飨虼渭?jí)走滑斷層向西南方向擴(kuò)展移動(dòng)，并在震前一天即8月2日達(dá)最高值，8月3日16時(shí)發(fā)生魯?shù)?.5級(jí)地震，之后輻射增強(qiáng)區(qū)域快速回退，8月6日后OLR日均增強(qiáng)中心區(qū)域消失，恢復(fù)正常。此次魯?shù)?.5級(jí)地震OLR異常增強(qiáng)分布區(qū)域與活動(dòng)構(gòu)造相吻合，基本沿昭通—魯?shù)閿嗔岩苿?dòng)。地震出現(xiàn)在OLR異常增強(qiáng)擴(kuò)展、遷移延伸方向的頂端，可能指示了區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)在構(gòu)造活動(dòng)中的遷移方向。

由圖3可知，天體引潮力對(duì)地應(yīng)力處于臨界狀態(tài)的活動(dòng)斷層具有誘發(fā)作用，震前OLR異常增強(qiáng)明顯，異常區(qū)域經(jīng)歷起始—加強(qiáng)—衰減—高峰—衰減—平靜的演變過程，與地震發(fā)熱變化異常、震前異常增溫基本相符（Ma W Y et al，2012）。在研究區(qū)域內(nèi)，天體引潮力其他周期（圖2），如震前A、B階段及震后D階段OLR圖像（圖4），未顯示明顯的異常變化，可見出現(xiàn)的長波輻射OLR異?？赡芘c本次魯?shù)?.5級(jí)地震有關(guān)。

圖4 魯?shù)榈卣鹫鹎啊⒓罢鸷箅A段長波輻射時(shí)空演化圖像(a)震前A 階段； (b)震前B階段； (c)震后D階段Fig.4 Image of the temporal-spatial evolution of long wave radiation in A,B stages before the earthquake and the D stage after the earthquake

4 討論

OLR表征了地氣系統(tǒng)向外層空間發(fā)射的電磁波能量密度，是直接反映陸地表面下墊面屬性、能量變化參量的輻射物理量，且其波段集中于大氣窗口，受云層干擾小，因此選擇OLR數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象。魯?shù)?.5級(jí)地震OLR影像變化顯示震前存在明顯異常變化。

本文數(shù)據(jù)處理方法與以往統(tǒng)計(jì)有顯著變化。Matthew Blackett等（2011）研究者針對(duì)同一次地震，即采用相同統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、處理相同數(shù)據(jù)源的遙感數(shù)據(jù)，獲得震前紅外異常，但隨背景數(shù)據(jù)時(shí)間尺度、背景日期選擇而差異巨大，這是因?yàn)椋旱卣馂榕及l(fā)的小概率事件，與傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)算法存在矛盾；傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法尚未將地震與紅外遙感的力學(xué)基礎(chǔ)相關(guān)聯(lián)。而依據(jù)潮汐值變化周期獲得OLR震前輻射增強(qiáng)圖像，經(jīng)歷震前起始—加強(qiáng)—高峰—震后衰減—平靜的演變過程，并依據(jù)潮汐力周期獲得OLR異常在中國大陸范圍表現(xiàn)出的唯一性，不僅與此前利用該方法獲得的蘆山MS7.0地震OLR演化（馬未宇等，2014）具有一致性，而且與巖石力應(yīng)力加載—破裂過程中輻射變化的過程相吻合（吳立新等，2004）。

引潮力對(duì)地震的影響主要反映在臨界狀態(tài)條件下。在天體引潮力位A、B、D周期的相似相位處未發(fā)生地震，其時(shí)段內(nèi)未表現(xiàn)出明顯的OLR異常，表明天體引潮力對(duì)地應(yīng)力處于臨界狀態(tài)（即OLR增強(qiáng)—高峰—衰退期）的活動(dòng)層具有明顯的誘發(fā)作用。但是它對(duì)地震的誘發(fā)作用只是引發(fā)地震的外部因素，而不是決定因素，決定地震發(fā)生的內(nèi)部因素是地殼構(gòu)造活動(dòng)。

引潮力的變化究竟如何調(diào)制、誘發(fā)地震的發(fā)生，如何影響長波輻射OLR的異常，其機(jī)理尚不清楚，需要積累更多震例做深入分析。但該現(xiàn)象的存在及研究中取得的一些認(rèn)識(shí)表明，利用遙感衛(wèi)星技術(shù)獲取地表輻射信息，并通過輻射場(chǎng)的動(dòng)態(tài)化數(shù)值分析提取區(qū)域強(qiáng)震異常表征，將有助于提高地震預(yù)報(bào)水平。

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The change of outgoing long-wave radiation before LudianMS6.5 earthquake based the tidal force niche cycles

Zhang Yan，Kang Chunli，Ma Weiyu and Yao Qi
(China Earthquake Netwoks Center,Beijing100045,China)

The cycle process of the tidal force niche for LudianM6.5 earthquake, occurred in Ludian County of Yunnan Province, China on August 3, 2014 was calculated.The earthquake occurred near the middle point phase.It indicated that the type of seismogenic fault that the tide force acted on belonged to the thrust fault.According to the tidal niche cycle, the abnormal OLR (Outgoing Long-wave Radiation) change was analyzed based on NOAA satellite data around the whole land of China before and after the earthquake.The result showed that the OLR changed evidently with the tide force changing.In temporal, the change went through the process: initial OLR rise→strength→reaching abnormal peak→attenuation→return to normal; in spatial, the abnormal area winded its way along the Zhaotong-Ludian fault and went through: scattered→conversion→scattered procession.The procession was similar to the change procession of a rock breaking under the stress loading.It indicated that the tidal force of celestial body could trigger the earthquake when the tectonic stress reaches its critical broken point and the OLR anomaly was proportional to the seismic tectonic stress change.It was useful to combine OLR and tidal force in earthquake precursory.

the tidal force niche，OLR，LudianMS6.5 earthquake，NOAA satellite

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.06.012

張巖（1985—），男，工程師，從事科研項(xiàng)目管理等工作。E-mail： zyan@seis.ac.cn

地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目——基于大氣溫度垂直分層三維遙感技術(shù)在地震預(yù)測(cè)中的應(yīng)用（項(xiàng)目編號(hào)：XH15050）

本文收到日期：2016-06-30