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(zāi)害防治研究院,北京 100085)

0 引言

近年來,國內(nèi)學(xué)者在研究中發(fā)現(xiàn)中強(qiáng)震前會(huì)出現(xiàn)紅外輻射異?，F(xiàn)象[1-11]。然而有些研究在數(shù)據(jù)分析上采用的數(shù)據(jù)時(shí)長較短,缺乏對(duì)歷史數(shù)據(jù)和年變規(guī)律的系統(tǒng)梳理和總結(jié)分析;有些研究只分析紅外異常現(xiàn)象,對(duì)產(chǎn)生的紅外輻射異常與構(gòu)造環(huán)境的關(guān)系等問題缺乏深入研究,這使得地震前輻射異?，F(xiàn)象研究的可靠性受到一些質(zhì)疑。

眾所周知,地震孕育與活動(dòng)構(gòu)造有關(guān),還與板塊運(yùn)動(dòng)、塊體應(yīng)力累積存在聯(lián)系。以汶川地震為例,地震發(fā)生最根本動(dòng)力是青藏高原和華南塊體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(dòng)速率很小,但汶川—茂縣斷裂向西到若爾蓋草原及整個(gè)青藏高原東部,其往東和往北運(yùn)動(dòng)速率卻很大[14-15]。青藏高原及其內(nèi)部塊體運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)與熱場(chǎng)理論研究證明:熱場(chǎng)可能是由于應(yīng)力的能量累積造成的。

在中、強(qiáng)震前,如果能獲取到與發(fā)震斷裂的相關(guān)塊體、地區(qū)由于應(yīng)力積累產(chǎn)生的紅外輻射增強(qiáng)現(xiàn)象并量化異常判定指標(biāo),對(duì)紅外地震的前兆機(jī)理研究及地震預(yù)測(cè)而言具有重要的意義。汶川地震和蘆山地震前川西地區(qū)、青藏地區(qū)出現(xiàn)亮溫差值高于背景場(chǎng)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(shí)將巴顏喀拉塊體均值亮溫差值高于1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差定義為異常。

川滇塊體位于南北地震帶中南段,中強(qiáng)震頻發(fā)。為遙感紅外的地震前兆研究提供了理想的研究場(chǎng)所。目前對(duì)該地區(qū)遙感紅外地震前兆異常系統(tǒng)分析和總結(jié)的研究還較少。利用MODIS/Terra遙感紅外數(shù)據(jù),采用空間距平分析法、輻射亮溫均值低頻時(shí)間序列法,并創(chuàng)新了輻射增強(qiáng)閾值面積指數(shù)法,對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)段內(nèi)(2004年4月—2017年6月)川滇塊體的中、強(qiáng)(M≥5.5)地震進(jìn)行系統(tǒng)的梳理和分析,并以寧蒗M5.7地震和魯?shù)镸6.5地震為例,總結(jié)川滇塊體中、強(qiáng)地震前MODIS紅外輻射異常的判定指標(biāo)和時(shí)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(wèi)星日間紅外亮溫21通道數(shù)據(jù)作數(shù)據(jù)源,選取范圍為川滇塊體及鄰區(qū)(圖1),數(shù)據(jù)分析時(shí)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(shù)據(jù)采用多日拼接合成的方法以達(dá)到去除云覆蓋數(shù)據(jù)的效果,數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為2～4天,空間分辨率為1 km?？紤]到川滇塊體應(yīng)變背景主要表現(xiàn)為擠壓[23],而巖石實(shí)驗(yàn)證實(shí)巖石受擠壓升溫[19,24],在此將紅外輻射增強(qiáng)現(xiàn)象(即:升溫現(xiàn)象)定為異常,減弱降溫現(xiàn)象暫不考慮為異?，F(xiàn)象。本研究對(duì)川滇塊體及相關(guān)斷裂帶發(fā)生的中、強(qiáng)地震前(M≥5.5)的紅外輻射異?，F(xiàn)象進(jìn)行研究,在量化異常指標(biāo)方面,根據(jù)地震前兆常用方法,將超出2倍標(biāo)準(zhǔn)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?cái)?shù)據(jù)某一像元位置點(diǎn)數(shù)值與其歷史平均值的差,計(jì)算區(qū)域范圍內(nèi)全部像元的距平可得到亮溫空間距平圖像?？臻g距平圖像可以直觀反映出空間上亮溫相對(duì)于歷史背景場(chǎng)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(chǎng)3.5 K為異常。

(2) 輻射增強(qiáng)閾值面積指數(shù)RHI

已有震例研究表明,強(qiáng)震前紅外亮溫?cái)?shù)據(jù)距平異常存在大面積的增強(qiáng)現(xiàn)象,異常面積通?？蛇_(dá)到數(shù)萬平方公里,而異常的幅度通?？蛇_(dá)到數(shù)K大小的波動(dòng)[25-26]。采用紅外輻射的月距平圖像,用目前方法難以獲得統(tǒng)一、準(zhǔn)確的判定標(biāo)準(zhǔn)。在此為了定量判定遙感紅外亮溫?cái)?shù)據(jù)距平異常大小,利用簡化的離散數(shù)學(xué)期望的算法新提出了亮溫輻射增強(qiáng)閾值及所對(duì)應(yīng)面積的乘積的總和(簡稱輻射增強(qiáng)閾值面積指數(shù)RHI)作為判定異常的指標(biāo),其計(jì)算公式為:

(1)

式中:X1、X2、X3,……,Xn為亮溫輻射增強(qiáng)異常的設(shè)定閾值,n為認(rèn)定亮溫輻射增強(qiáng)異常的閾值個(gè)數(shù),Ak為出現(xiàn)超過設(shè)定閾值范圍的輻射異常面積。由此計(jì)算出的輻射增強(qiáng)指數(shù)可進(jìn)行時(shí)間序列分析。本研究在時(shí)間序列中判定超過2倍標(biāo)準(zhǔn)差為異常。

(3) 亮溫均值低頻時(shí)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(dòng)平均法弱化高頻信息,提取低頻信息。通過計(jì)算得到多年低頻信息的年變曲線,進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)差線時(shí)判定為異常。

圖1 研究區(qū)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(chǎng)計(jì)算較好反映了川滇塊體的構(gòu)造特征:隨著印度板塊的推擠,川滇地區(qū)主壓應(yīng)變沿喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)順時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)。青藏高原物質(zhì)向東移動(dòng)與阿薩姆角NEE方向楔入造成川滇地區(qū)東移,然而受到東部華南塊體的阻擋作用,整個(gè)川滇地區(qū)沿鮮水河—安寧河—?jiǎng)t木河—小江斷裂帶轉(zhuǎn)向SE向運(yùn)動(dòng)。本研究進(jìn)一步將川滇塊體沿運(yùn)動(dòng)方向橫向切分呈8個(gè)小區(qū)域(圖1),對(duì)川滇塊體內(nèi)部的震前異常進(jìn)行詳細(xì)的時(shí)間序列分析。

2 中強(qiáng)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(dòng)

2004年4月1日—2017年6月30日,川滇塊體及其邊界帶共發(fā)生5.5級(jí)以上地震12次(不包含余震)(圖1深藍(lán)色及淺藍(lán)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?shù)镸6.5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(qū)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(qiáng)異常圖像。利用式(1)計(jì)算出分析時(shí)段每月(2004年4月—2017年6月)輻射增強(qiáng)指數(shù),計(jì)算所得輻射增強(qiáng)指數(shù)的極大值為2012年5月的輻射112,平均值為15.2,標(biāo)準(zhǔn)偏差19.6。

根據(jù)圖2可以統(tǒng)計(jì)出列表1中每月距平輻射增強(qiáng)閾值面積指數(shù)異常與M5.5以上地震的對(duì)應(yīng)情況。由此看出:在整個(gè)分析時(shí)段,出現(xiàn)了10次超2倍標(biāo)準(zhǔn)差的異常,異常結(jié)束后3個(gè)月內(nèi)有5次對(duì)應(yīng)了M5.5以上地震,且大多成組發(fā)生,有些地震發(fā)生在異常結(jié)束4～6個(gè)月內(nèi)。仍有部分地震前在川滇地區(qū)分析范圍內(nèi)未出現(xiàn)超過2倍標(biāo)準(zhǔn)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(jí)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(qū)域內(nèi)只出現(xiàn)較小面積,因此在距平輻射異常中未達(dá)到超差異常。如果提高震級(jí)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(gè)月內(nèi)均出現(xiàn)了月距平輻射增強(qiáng)閾值面積指數(shù)的超差異常。此外可以看出地震的震級(jí)大小與輻射閾值面積指數(shù)的大小沒有對(duì)應(yīng)關(guān)系。但地震的震中位置與異常的分布區(qū)域具有關(guān)聯(lián)性(表1)。

(閾值為1倍標(biāo)準(zhǔn)偏差與2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差)圖2 月距平輻射增強(qiáng)閾值面積指數(shù)(RHI)時(shí)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(qiáng)閾值面積指數(shù)RHI異常與M≥5.5地震對(duì)應(yīng)情況(閾值2倍標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算其亮溫均值低頻信息及其與背景場(chǎng)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(qiáng)異常(即差值超過2倍標(biāo)準(zhǔn)差)過程共4次[圖3(b)],異常時(shí)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(xiàn)的異常的幅度不大,剛超過2倍標(biāo)準(zhǔn)差,且持續(xù)時(shí)間短,僅有幾天。2009年5月異常結(jié)束后發(fā)生了7月9日姚安M6.0地震;2012年5月異常結(jié)束后半年內(nèi)相繼發(fā)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(biāo)準(zhǔn)差,為整個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)段最高值。在異常結(jié)束后半年內(nèi)相繼發(fā)生了魯?shù)镸6.5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(gè)分析時(shí)段還存在3次輻射差值剛達(dá)到2倍標(biāo)準(zhǔn)差線的輻射增強(qiáng),分別出現(xiàn)在2007年3月、2011年9月和2013年3月,這3次的輻射增強(qiáng)與前面分析的4次異常與2.2中提出的異?；緦?duì)應(yīng)。本研究中僅分析川滇塊體內(nèi)部的情況,所以在川滇塊體與其他周邊塊體同時(shí)出現(xiàn)輻射增強(qiáng),且川滇塊體部分出現(xiàn)輻射增強(qiáng)時(shí),輻射增強(qiáng)異常會(huì)因?yàn)榇ǖ釅K體內(nèi)部亮溫低頻信息的均值算法而削弱。

經(jīng)過2.2、2.3的初步論述,將在下文震例分析中,進(jìn)一步分析2012年5月與2014年4—6月輻射增強(qiáng)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(diǎn)分析寧蒗M5.7地震和魯?shù)镸6.5地震,這兩次地震分別發(fā)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(qiáng)異常,現(xiàn)需進(jìn)一步分析更大區(qū)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(lián)系),可以看到紅外輻射增強(qiáng)覆蓋了整個(gè)川滇塊體(輻射距平值高于3.5 K的區(qū)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(qiáng),而其余塊體基本處于距平值正常的狀態(tài)。

進(jìn)一步詳細(xì)分析川滇塊體8個(gè)小區(qū)(圖1)的震前異常。圖5給出了各小區(qū)亮溫低頻信息與背景場(chǎng)曲線的差值曲線,可以看出在2012年5月,亮溫輻射增強(qiáng)最明顯,且超過差值2倍標(biāo)準(zhǔn)差的區(qū)域?yàn)?區(qū)、6區(qū)。圖6為2012年5月18日至2012年5月30日塊體內(nèi)部小區(qū)輻射增強(qiáng)幅度圖,幅度差最大值為3.34 K,且5區(qū)、6區(qū)剛好位于震中附近(圖1)。輻射超閾值的異常可能對(duì)地震的震中位置有一定指示意義。

圖5 川滇塊體分區(qū)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(nèi)部小區(qū)輻射增強(qiáng)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?shù)镸6.5地震(2014年8月3日,N27.1°,E103.3°)

由上文分析中可知,魯?shù)榈卣鹎按ǖ釅K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(xiàn)小范圍輻射增強(qiáng),祁連帶也同時(shí)出現(xiàn)了輻射增強(qiáng)。4月川滇塊體北段輻射增強(qiáng)范圍擴(kuò)大,且幅度增強(qiáng),同時(shí)在拉薩塊體以南、滇西塊體以西的南亞次大陸出現(xiàn)了輻射增強(qiáng)。5月整個(gè)川滇塊體均出現(xiàn)輻射增強(qiáng),同時(shí)在羌塘塊體、巴顏喀拉塊體、柴達(dá)木塊體及祁連塊體出現(xiàn)了NEE走向的帶狀輻射增強(qiáng)。6月川滇塊體輻射增強(qiáng)范圍進(jìn)一步擴(kuò)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(qiáng),與此同時(shí)羌塘塊體、巴顏喀拉塊體、柴達(dá)木塊體在5月出現(xiàn)的輻射增強(qiáng)依然存在,7月和8月各區(qū)域前期出現(xiàn)的輻射增強(qiáng)現(xiàn)象逐漸消失,恢復(fù)平靜。由此我們可以看出,川滇塊體出現(xiàn)的輻射增強(qiáng)相對(duì)其他區(qū)域在時(shí)間上比較連續(xù),且呈現(xiàn)了塊體內(nèi)部由北往南,面積逐漸變大、幅度逐漸增強(qiáng)的變化,其他地塊的輻射增強(qiáng)則相對(duì)隨機(jī)。

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(qū)域出現(xiàn)輻射增強(qiáng)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(jīng)過平均處理,川滇塊體的輻射增強(qiáng)異常尤為突出,而羌塘塊體、巴顏喀拉塊體、柴達(dá)木塊體及祁連塊體出現(xiàn)的帶狀輻射增強(qiáng),以及南亞次大陸出現(xiàn)的輻射增強(qiáng)明顯被弱化了。除此,川滇塊體的輻射增強(qiáng)區(qū)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(gè)現(xiàn)象,這可能是川滇塊體和巴顏喀拉塊體在整個(gè)運(yùn)動(dòng)中受到四川盆地和華南塊體的阻擋,應(yīng)力累積引起的輻射增強(qiáng)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(jìn)行分區(qū),分析大區(qū)內(nèi)部魯?shù)镸6.5地震前的異常(圖9)。從圖9中可以看出川滇塊體小區(qū)差值曲線地震前的異常經(jīng)歷了兩個(gè)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(gè)時(shí)段塊體內(nèi)部小區(qū)輻射增強(qiáng)幅度圖。第一個(gè)峰值時(shí)段,3～8區(qū)的輻射增強(qiáng)幅度均超過了2倍標(biāo)準(zhǔn)差閾值線,峰值最高區(qū)是6、7區(qū),幅度差最大值為2.91 K[圖10(a)];第二個(gè)峰值時(shí)段,2～8區(qū)的幅度均超過了2倍標(biāo)準(zhǔn)差閾值線,6和7區(qū)依然為峰值最高區(qū),幅度差最大值為1.63 K[圖10(b)]。經(jīng)過小區(qū)的輻射增強(qiáng)的進(jìn)一步分析可以看出,魯?shù)榈卣鹫鹬懈浇?區(qū)和7區(qū)在震前兩個(gè)峰值時(shí)段[圖10(a)和(b)]中,均出現(xiàn)了最大幅度的輻射增強(qiáng)。該現(xiàn)象可對(duì)作為強(qiáng)震地點(diǎn)判定的依據(jù)。

圖9 川滇塊體小區(qū)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(nèi)部小區(qū)輻射增強(qiáng)幅度圖Fig.10 The amplitude diagram of radiation enhancement in subareas of Sichuan-Yunnan Block

4 結(jié)論與討論

研究采用三種分析方法對(duì)川滇塊體研究時(shí)段M≥5.5地震前的紅外輻射進(jìn)行分析研究初步,并對(duì)寧蒗M5.7地震和魯?shù)镸6.5地震做了較詳細(xì)的震例研究,得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):

(1) 本研究中的個(gè)別5.5～5.9級(jí)地震在震前3～6個(gè)月川滇塊體未出現(xiàn)顯著紅外輻射增強(qiáng)異常,而M≥6.0地震在震前3～6個(gè)月基本能發(fā)現(xiàn)較為明顯的紅外輻射增強(qiáng)異常。這對(duì)該地區(qū)出現(xiàn)顯著紅外輻射增強(qiáng)異常后的地震預(yù)測(cè)震級(jí)判定有一定指示意義。

(2) 距離川滇塊體較近的汶川8.0級(jí)地震、蘆山7.0級(jí)地震前,川滇塊體未出現(xiàn)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(jī)分布,而可能是受到相關(guān)塊體的控制。

(3) 寧蒗M5.7地震和魯?shù)镸6.5地震震例研究發(fā)現(xiàn),震前輻射增強(qiáng)較高的小范圍區(qū)域與震中位置有一定關(guān)聯(lián)。這可為未來中、強(qiáng)震的地點(diǎn)判定提供了一些依據(jù)。

前兆異常與地震的發(fā)生并非一一對(duì)應(yīng)[28],研究時(shí)段內(nèi)川滇塊體一些5級(jí)地震在震前并未出現(xiàn)顯著輻射增強(qiáng)異常,這可能是因?yàn)樾〉卣鸢l(fā)震所需要累積的應(yīng)力在地表無法產(chǎn)生大面積的輻射增強(qiáng)異常,而通常比較小范圍、小幅度的輻射增強(qiáng)可能會(huì)被高頻信息或其他干擾因素削弱掉。

寧蒗地震、魯?shù)榈卣鹎帮@著輻射增強(qiáng)區(qū)域位于川滇塊體,而汶川和蘆山地震前輻射增強(qiáng)區(qū)域位于巴顏喀拉塊體[21]的現(xiàn)象表明,在紅外資料跟蹤分析的區(qū)域選取時(shí),應(yīng)選擇較大范圍,不僅應(yīng)該分析斷裂帶、斷層周邊,還需要更多關(guān)注相關(guān)地質(zhì)體。出現(xiàn)異常后應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注相關(guān)地質(zhì)體周邊處于閉鎖狀態(tài)的斷裂帶及斷層,這可能會(huì)是未來強(qiáng)震的優(yōu)勢(shì)發(fā)震地點(diǎn)。

致謝:感謝審稿專家提出的寶貴意見和建議。