張鐵寶,路 茜,高 陽(yáng),祁玉萍,辛 華,劉 放

四川省地震局,四川成都 610041

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川滇塊體中強(qiáng)震前熱紅外輻射異常研究

張鐵寶,路 茜,高 陽(yáng),祁玉萍,辛 華,劉 放

四川省地震局,四川成都 610041

摘 要:中強(qiáng)震頻發(fā)的川滇塊體是研究地震前兆信息的熱點(diǎn)地區(qū),中強(qiáng)震前存在熱輻射異常已被很多震例證實(shí),有必要對(duì)川滇塊體中強(qiáng)震前的熱輻射異常進(jìn)行系統(tǒng)研究總結(jié),為該地區(qū)熱輻射的研究應(yīng)用提供一定的參考。本文以多年MODIS/Terra衛(wèi)星熱紅外亮溫?cái)?shù)據(jù)為基礎(chǔ),對(duì)2004年4月至2014年8月川滇塊體5級(jí)以上地震前的熱紅外亮溫低頻信息進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:(1)川滇塊體M≤6.1級(jí)的地震震前觀測(cè)不到大范圍的顯著熱輻射增強(qiáng)異常,這可為該地區(qū)大范圍顯著熱輻射增強(qiáng)異常出現(xiàn)后地震震級(jí)預(yù)測(cè)提供一定的參考依據(jù);(2)2014年8月3日魯?shù)镸6.5級(jí)地震前川滇塊體存在大面積顯著熱輻射增強(qiáng)異常,這類(lèi)異常對(duì)該地區(qū)6.5級(jí)左右的地震具有短期指示意義。

關(guān)鍵詞:川滇塊體;地震;MODIS;熱紅外輻射

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本文由中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所項(xiàng)目(編號(hào):31-Y30B09-9001-13/15)和四川省地震局地震科技專(zhuān)項(xiàng)(編號(hào):LY1610)聯(lián)合資助。

利用衛(wèi)星遙感熱紅外資料尋找地震前兆信息是近年來(lái)國(guó)內(nèi)研究的一個(gè)熱點(diǎn),大地震前出現(xiàn)不同程度的熱輻射異常是普遍現(xiàn)象(徐秀登等,1990;強(qiáng)祖基和賃常恭,1992;強(qiáng)祖基等,1998,2008,2009;張?jiān)?2002,2010;康春麗等,2003,2009;陳梅花等,2003;荊鳳等,2009,2013;魏樂(lè)軍等,2008;徐秀登和徐保華,2013;張鐵寶等,2013;郭曉等,2014)。一些小震級(jí)地震前存在輻射異常的報(bào)道也見(jiàn)公開(kāi)發(fā)表(徐秀登和鐘韻,2002;康春麗和劉德富,2004)。強(qiáng)震前熱輻射異?，F(xiàn)象雖得到很多震例證實(shí),但其可靠性受到較多質(zhì)疑。造成這種局面的原因之一是,大多數(shù)研究?jī)H采用較短時(shí)間的紅外數(shù)據(jù),缺乏長(zhǎng)期變化過(guò)程,以致對(duì)熱輻射背景認(rèn)識(shí)不夠充分。另外,目前對(duì)紅外異?，F(xiàn)象形成機(jī)理仍沒(méi)有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。

圖1　研究區(qū)域示意圖Fig.1 The study area

圖2　2004年4月1日—2014年8月3日川滇塊體5級(jí)以上地震M-t圖(不包含余震)Fig.2 The M-t plot for M≥5.0 earthquakes in the Chuan–Dian rhombic block from April.1,2004 to August 3,2014

圖3　川滇塊體熱紅外亮溫低頻信息異常提取Fig.3 The result of low frequency of BT in the Chuan–Dian rhombic block

強(qiáng)震孕育不僅與震中區(qū)有關(guān),還與相關(guān)地質(zhì)體存在聯(lián)系。以2014年魯?shù)?.5級(jí)地震為例,魯?shù)榈卣鹪杏c川滇塊體存在密切關(guān)系,川滇塊體是印度板塊推擠作用傳遞到魯?shù)檎饏^(qū)的必經(jīng)中間體,魯?shù)榈卣鹪杏^(guò)程中川滇塊體也會(huì)伴隨著變形。強(qiáng)震前短期內(nèi)震中附近往往處于閉鎖狀態(tài),變形量小,如汶川地震前的龍門(mén)山地區(qū),在震前閉鎖狀態(tài)時(shí)震中附近常監(jiān)測(cè)不到明顯變形。實(shí)驗(yàn)與理論研究證明熱場(chǎng)與應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)密切相關(guān)(劉培洵等,2004,2007;馬瑾等,2007,2010;陳順云等,2009),若能監(jiān)測(cè)到強(qiáng)震前與震中區(qū)有直接動(dòng)力學(xué)聯(lián)系的地質(zhì)體,由于應(yīng)變變大產(chǎn)生的熱輻射增強(qiáng),對(duì)地震預(yù)測(cè)來(lái)說(shuō)是有意義的。

本文以強(qiáng)震多發(fā)的川滇塊體為研究區(qū),以十余年的衛(wèi)星熱紅外數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對(duì)川滇塊體5級(jí)以上地震前的熱輻射進(jìn)行了研究,并重點(diǎn)分析了存在異常的2014年魯?shù)?.5級(jí)地震。

1 研究資料與方法

陳順云等(2011)研究表明,選用白天和夜間衛(wèi)星紅外數(shù)據(jù)分析幾十天以上的變化其結(jié)果沒(méi)有實(shí)質(zhì)性區(qū)別。本文旨在分析低頻變化,選取白天21通道(3.929～3.989 μm)MODIS/Terra衛(wèi)星熱紅外亮溫?cái)?shù)據(jù)便能滿(mǎn)足需求。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)去云處理并采用多日合成的方法獲取晴空率較高的數(shù)據(jù),處理后數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為3～5天,空間分辨率為1 km。數(shù)據(jù)時(shí)間范圍為2004年4月1日至2014年8月31日,共10年5個(gè)月。

震例研究顯示,震前熱輻射異常面積常達(dá)上萬(wàn)km2以上,對(duì)于大面積熱輻射異常,區(qū)域亮溫均值可以反映整個(gè)區(qū)域的趨勢(shì)變化,同時(shí)還可以抑制小范圍的高頻干擾信息。文中選取川滇塊體(圖1紫色陰影區(qū))的亮溫均值時(shí)間序列(圖3a)進(jìn)行分析。川滇塊體亮溫均值(圖3a)具有夏高冬低的季節(jié)特征,存在很多高頻成分,這部分需要去除,文中采用1個(gè)月窗長(zhǎng)、1天步長(zhǎng)滑動(dòng)平均的方法提取低頻信息(圖3b紫色曲線)。計(jì)算多年同期數(shù)據(jù)均值得到低頻信息背景場(chǎng)(圖3b綠色曲線),低頻信息扣除背景場(chǎng)得到低頻信息差值曲線(圖3c),文中簡(jiǎn)稱(chēng)為差值曲線。川滇塊體應(yīng)變背景以擠壓為主(向宏發(fā)等,2002;徐錫偉等,2003),實(shí)驗(yàn)證實(shí)巖石壓縮升溫(馬瑾等,2010;陳順云等,2013),文中只提取分析輻射增強(qiáng)(升溫)異常。以差值曲線(圖3c)的2倍標(biāo)準(zhǔn)差線為正常背景的高值上限,超過(guò)高值上限判斷為異常。

2 川滇塊體中強(qiáng)震前熱輻射異常分析

2.1 川滇塊體地震活動(dòng)

川滇塊體地震活動(dòng)強(qiáng)烈,從2004年4月1日至2014年8月3日,川滇塊體及其邊界帶共發(fā)生5級(jí)以上地震14次(不包含余震),其中M5.0～M5.9級(jí)地震11次,M6.0～M6.9級(jí)地震3次,最大地震為2014 年8月3日云南魯?shù)镸6.5級(jí)地震(圖1,2)。3次M≥6.0級(jí)地震分別為2008年8月30日四川攀枝花M6.1級(jí)地震、2009年7月9日云南姚安M6.0級(jí)地震和2014年8月3日云南魯?shù)镸6.5級(jí)地震(下文中簡(jiǎn)稱(chēng)魯?shù)榈卣?。

2.2 川滇塊體震前熱輻射異常分析

川滇塊體差值曲線(圖3c),從2004年4月1日至2014年8月31日,輻射增強(qiáng)異常過(guò)程共3次(圖3b、c紅色箭頭),異常時(shí)段分別為2009年5月19日—2009年5月22日、2009年11月15日—2009 年12月3日和2014年6月1日—2014年7月16日。2009年5月和11月兩次異常的幅度不大,持續(xù)時(shí)間短,不超過(guò)1個(gè)月;2014年6月的異常幅度大,最大幅度超過(guò)3倍標(biāo)準(zhǔn)差線,持續(xù)時(shí)間1個(gè)半月。在2010年玉樹(shù)7.1級(jí)地震前1年時(shí)間里,震中附近有9個(gè)月出現(xiàn)了大面積輻射增強(qiáng)異常,其中2009年5月和11月出現(xiàn)的異常除了分布在玉樹(shù)地震震中以南的羌塘塊體東段外,還延伸分布到了川滇塊體北段(張鐵寶等,2013),圖3c中2009年5月和11月的異常與玉樹(shù)7.1級(jí)地震有關(guān),與川滇塊體的地震無(wú)關(guān)。在14次5級(jí)以上地震中,除魯?shù)?.5級(jí)地震前川滇塊體存在大面積輻射增強(qiáng)異常外,其它13次地震前川滇塊體無(wú)大面積輻射增強(qiáng)異常出現(xiàn)。魯?shù)榈卣鸷筝椛渲悼焖傧陆档?012年以來(lái)的最低值。

2.3 魯?shù)榈卣鹎按ǖ釅K體內(nèi)部熱輻射異常分析

魯?shù)榈卣鹎按ǖ釅K體存在顯著輻射增強(qiáng)異常,本節(jié)進(jìn)一步將川滇塊體分成8個(gè)小區(qū)(圖1)對(duì)震前異常進(jìn)行詳細(xì)分析(8個(gè)小區(qū)下文簡(jiǎn)稱(chēng)為小區(qū),川滇塊體簡(jiǎn)稱(chēng)為大區(qū))。具體做法:首先,按大區(qū)相同的方法得到小區(qū)差值曲線(圖4),然后,在小區(qū)差值曲線中找出與大區(qū)2014年異常時(shí)段相對(duì)應(yīng)的時(shí)段(圖4紅色矩形框),并提取各小區(qū)差值的最大幅度(增強(qiáng)幅度),得到塊體內(nèi)部輻射增強(qiáng)幅度空間分布圖(圖5)。

圖4中大區(qū)差值曲線2014年6月1日—2014 年7月16日的異常經(jīng)歷了兩個(gè)過(guò)程(在差值曲線上表現(xiàn)為兩個(gè)峰值),圖5為與之相對(duì)應(yīng)的塊體內(nèi)部輻射增強(qiáng)幅度空間分布圖。第一個(gè)過(guò)程中(圖5a),3～8區(qū)的增強(qiáng)幅度超過(guò)2倍標(biāo)準(zhǔn)差線,幅度最大的區(qū)是6區(qū)和7區(qū),小區(qū)幅度差最大值為2.91 K;第二個(gè)異常過(guò)程中(圖5b),2～8區(qū)的幅度超過(guò)2倍標(biāo)準(zhǔn)差線,3～6區(qū)以及7區(qū)為幅度大的區(qū),小區(qū)幅度差最大值為1.63 K?？拷?shù)檎鹬械?區(qū)和7區(qū)在震前兩個(gè)異常過(guò)程中,均出現(xiàn)了大幅度的輻射增強(qiáng),反復(fù)出現(xiàn)大幅度輻射增強(qiáng)的地區(qū)可能對(duì)強(qiáng)震地點(diǎn)判定有一定指示意義。在第二個(gè)過(guò)程中(圖5b)川滇塊體內(nèi)部輻射增強(qiáng)幅度差異變小(均衡升溫),這可能是強(qiáng)震臨近的信號(hào)。

2.4 魯?shù)榈卣鹎盁峒t外亮溫距平圖像分析

魯?shù)榈卣鹎按ǖ釅K體存在熱輻射異常,若同時(shí)段川滇塊體周邊也出現(xiàn)大面積輻射異常,那將魯?shù)榈卣鹎按ǖ釅K體出現(xiàn)的輻射增強(qiáng)簡(jiǎn)單判斷為魯?shù)榈卣鸬那罢桩惓＞痛嬖趩?wèn)題,有必要進(jìn)一步分析更大范圍的熱紅外亮溫空間圖像。空間圖像分析采用距平方法,距平是某一系列數(shù)值中的某一個(gè)數(shù)值與平均值的差,計(jì)算分析區(qū)內(nèi)所有像元的距平即得到空間亮溫距平圖像(張鐵寶等,2013)。前文時(shí)間序列采用1個(gè)月窗長(zhǎng)滑動(dòng)提取低頻信息,空間圖像分析時(shí),分析月尺度距平圖像。

圖4　川滇塊體8個(gè)小區(qū)亮溫低頻信息與背景場(chǎng)差值Fig.4 The difference between low frequency of BT and its background in eight areas which are parts of the Chuan–Dian rhombic block

圖6為2014年3月—8月的熱紅外亮溫月距平圖像。首先分析川滇塊體,2014年3月,川滇塊體北段出現(xiàn)小范圍輻射增強(qiáng);2014年4月,川滇塊體北段出現(xiàn)輻射增強(qiáng);2014年5月,整個(gè)川滇塊體出現(xiàn)輻射增強(qiáng),升溫幅度比4月有所減小;2014年6 月,川滇塊體中北段出現(xiàn)輻射增強(qiáng),升溫幅度變大;2014年7月和8月不存在輻射增強(qiáng)異常。2014年3月—6月,川滇塊體內(nèi)部輻射增強(qiáng)經(jīng)歷了由北往南,面積由小到大,幅度由小到大的演化過(guò)程。再看川滇塊體外部,2014年3月在祁連塊體以北存在輻射增強(qiáng);2014年4月在拉薩塊體以南存在輻射增強(qiáng);2014年5月在羌塘塊體中段、巴顏喀拉塊體中段、柴達(dá)木塊體中段和祁連塊體中段存在輻射增強(qiáng);2014年6月在羌塘塊體中段、巴顏喀拉塊體中段存在輻射增強(qiáng);2014年7月和8月不存在輻射增強(qiáng)異常?？傮w而言,2014年3月—6月,川滇塊體外部的輻射增強(qiáng)區(qū)隨機(jī)分布特征明顯,川滇塊體的輻射增強(qiáng)區(qū)相對(duì)固定且連續(xù)性好。

將2014年3月—6月的異常距平圖像再做求平均處理(圖7),處理后長(zhǎng)期在固定區(qū)域出現(xiàn)的輻射增強(qiáng)會(huì)被突出出來(lái),隨機(jī)性出現(xiàn)的輻射增強(qiáng)會(huì)被弱化(張鐵寶等,2014)。在魯?shù)榈卣鹎?經(jīng)常性出現(xiàn)的大面積顯著輻射增強(qiáng)區(qū)位于川滇塊體,受塊體控制明顯,川滇塊體周邊并無(wú)大面積顯著輻射增強(qiáng)出現(xiàn)(圖7)。

綜上所述,將2014年6月川滇塊體內(nèi)部出現(xiàn)的大面積顯著輻射增強(qiáng)異常判斷為魯?shù)榈卣鸬那罢桩惓Ｊ呛侠淼摹?/p>

圖5　川滇塊體內(nèi)部輻射增強(qiáng)幅度空間分布圖Fig.5 The spatial distribution of maximum difference between low frequency band and background of BT in eight areaswhich are parts of the Chuan-Dian rhombic block

圖6　亮溫月距平圖像(2014年3月—2014年8月)Fig.6 Monthly departures of BT from March 2014 to August 2014

3 川滇塊體與相鄰塊體熱輻射對(duì)比分析

選取與川滇塊體相鄰的穩(wěn)定的華南地塊(圖1咖啡色陰影區(qū))和構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的巴顏喀拉塊體(圖1藍(lán)色陰影區(qū))作為對(duì)比對(duì)象。

華南地塊差值(圖8)波動(dòng)幅度在–2.1～1.9 K間,波動(dòng)幅度小;川滇塊體(圖3c)和巴顏喀拉塊體差值(圖9)波動(dòng)幅度分別在–4.5～4.2 K間和–5.5～5.4 K 間,波動(dòng)幅度大,波動(dòng)幅度為華南地塊的2倍以上。華南地塊亮溫特點(diǎn)表明,構(gòu)造活動(dòng)不強(qiáng)烈地區(qū)的熱紅外亮溫在正常背景上不會(huì)出現(xiàn)大幅度變化。

巴顏喀拉塊體共出現(xiàn)4次超過(guò)2倍標(biāo)準(zhǔn)差線的輻射增強(qiáng)異常(圖9紅色箭頭),2006、2007和2008年的異常與汶川地震有關(guān),2014年的異常與蘆山地震有關(guān)(張鐵寶等,2015)。汶川和蘆山地震前的輻射異常出現(xiàn)在巴顏喀拉塊體,魯?shù)榈卣鹎暗妮椛洚惓３霈F(xiàn)在川滇塊體,異常分布區(qū)域與強(qiáng)震孕育地區(qū)存在相關(guān)性,這從另一個(gè)角度表明,2014年6月川滇塊體的輻射增強(qiáng)異常為魯?shù)榈卣鸬那罢桩惓！?/p>

圖7　距平圖像平均圖像Fig.7 The mean of monthly departures of BT from March 2014 to August 2014

圖8　華南地塊西部亮溫低頻信息與背景場(chǎng)差值Fig.8 The difference between low frequency of BT and its background in the western part of the south China block

圖9　巴顏喀拉塊體亮溫低頻信息與背景場(chǎng)差值Fig.9 The difference between low frequency of BT and its background in the Bayan Har block

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本文對(duì)川滇塊體5級(jí)以上地震前后的熱輻射進(jìn)行了分析研究,得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):

(1)川滇塊體M≤6.1級(jí)的地震震前無(wú)大面積的顯著輻射增強(qiáng)異常,這可為該地區(qū)出現(xiàn)大面積顯著輻射增強(qiáng)異常后地震震級(jí)預(yù)測(cè)提供一定的參考依據(jù)。

(2)魯?shù)?.5級(jí)地震前川滇塊體存在大面積顯著均衡輻射增強(qiáng)前兆異常,這類(lèi)異常對(duì)該地區(qū)6.5級(jí)左右的地震具有短期預(yù)警意義。

4.2 討論

川滇塊體M≤6.1級(jí)的地震在震前觀測(cè)不到大面積的地表顯著輻射增強(qiáng)異?？赡苡袃煞N原因,一種是小震級(jí)地震無(wú)法在地表產(chǎn)生大面積輻射增強(qiáng);另一種是小震級(jí)地震產(chǎn)生的地表輻射增強(qiáng)強(qiáng)度弱,地表熱輻射傳到衛(wèi)星時(shí)受到了大氣的干擾導(dǎo)致衛(wèi)星觀測(cè)不到。這有待進(jìn)一步開(kāi)展研究。

實(shí)驗(yàn)與理論研究證明熱場(chǎng)與應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)密切相關(guān)。陳順云等(2008)利用野外鉆孔應(yīng)變資料和熱紅外輻射資料對(duì)比分析表明,應(yīng)變變化時(shí),熱紅外輻射也隨之變化,應(yīng)變變化幅度大,熱紅外輻射變化也強(qiáng)。野外觀測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室結(jié)果相同。陳順云等(2014)以汶川地震為例,開(kāi)展了熱與變形之間的對(duì)比分析,結(jié)果表明溫度場(chǎng)獲得結(jié)果與地殼變形觀測(cè)結(jié)果高度吻合,通過(guò)溫度場(chǎng)可以用來(lái)分析地震前后地殼變形的時(shí)空演化過(guò)程及應(yīng)力變化狀態(tài)。魯?shù)?.5級(jí)地震前川滇塊體出現(xiàn)大面積顯著輻射增強(qiáng)可能表明魯?shù)榈卣鹎按ǖ釅K體應(yīng)力在大幅度增強(qiáng),這有利于以左旋走滑運(yùn)動(dòng)為主的川滇菱形塊體東邊界帶發(fā)生中強(qiáng)震。

魯?shù)榈卣鹎敖?jīng)常性顯著輻射增強(qiáng)區(qū)位于川滇塊體的現(xiàn)象似乎表明魯?shù)榈卣鸬脑姓饏^(qū)范圍很大,這有待結(jié)合其它面上形變資料做進(jìn)一步研究。魯?shù)榈卣鹎拜椛洚惓^(qū)位于川滇塊體,汶川和蘆山地震前輻射異常區(qū)位于巴顏喀拉塊體的現(xiàn)象表明,在熱紅外地震前兆分析區(qū)選取時(shí),不僅要關(guān)注發(fā)震斷裂帶,還要關(guān)注與發(fā)震斷裂帶孕育地震有直接動(dòng)力學(xué)聯(lián)系的地質(zhì)體,尤其是當(dāng)發(fā)震斷裂帶附近震前處于閉鎖狀態(tài)時(shí),更需重點(diǎn)關(guān)注相關(guān)地質(zhì)體。

致謝:在論文完成過(guò)程中得到中國(guó)地震局地質(zhì)研究所陳順云博士許多幫助,在此深表感謝！

Acknowledgements:

This study was supported by Institute of Earthquake Science China Earthquake Administration(No.31-Y30B09-9001-13/15)and Sichuan Earthquake Administration(No.LY1610).

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Anomalies of Thermal Infrared Radiation before Some Medium to Large Earthquakes in the Chuan–Dian(Sichuan–Yunnan)Rhombic Block

ZHANG Tie-bao,LU Qian,GAO Yang,QI Yu-ping,XIN Hua,LIU Fang
Earthquake Administration of Sichuan Province,Chengdu,Sichuan 610041

Abstract:The Chuan–Dian rhombic block where medium to large earthquakes occurred frequently is the hotspot of studying earthquake precursors.The existence of thermal infrared radiation anomalies before strong earthquakes has been confirmed by many earthquakes.For in-depth study and application of thermal infrared radiation in the Chuan–Dian rhombic block,a systematic research on thermal infrared radiation anomalies before strong earthquakes in this area is necessary.In this paper,on the basis of many years’ Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS)data of infrared brightness temperature determined through satellite remote sensing,the authors analyzed low frequency information of average brightness temperature before M≥5.0 earthquakes from April 2004 to August 2014 in the Chuan–Dian rhombic block.The following results were obtained:(1)In the Chuan–Dian rhombic block,the satellite did not observe a large area of significant thermal infrared radiation anomalies before M≤6.1 earthquakes,which could help to predict the magnitude of earthquake after the appearance of such radiation anomalies;(2)A large area of significant thermal infrared radiation anomalies appeared before the August 3,2014,Ludian M6.5 earthquake.Such anomaly was a short-term earthquake precursor,which had the significance of indicating the earthquake of magnitude M6.5 or so in the Chuan–Dian rhombic block.

Key words:Chuan–Dian rhombic block;earthquake;MODIS;thermal infrared radiation

作者簡(jiǎn)介:第一張鐵寶,男,1981年生。工程師。主要從事衛(wèi)星熱紅外遙感地震預(yù)測(cè)應(yīng)用研究。

通訊地址:610041,成都市人民南路3段29號(hào)。電話(huà):028-85438826。E-mail:tiebaozhang@163.com。

收稿日期:2015-09-17;改回日期:2015-12-11。責(zé)任編輯:魏樂(lè)軍。

中圖分類(lèi)號(hào):P315.72;P407.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

doi:10.3975/cagsb.2016.02.09