祝杰 李婉秋 陶志剛 劉洋洋 馬未宇

1)中國地震臺網(wǎng)中心,北京 100045

2)山東建筑大學(xué)測繪地理信息學(xué)院,濟南 250101

0 引言

地震的孕育和發(fā)生是地應(yīng)力長期累積、失穩(wěn),并快速釋放的結(jié)果,目前地應(yīng)力無法通過直接觀測快速監(jiān)測。Gorny等(1988)發(fā)現(xiàn)加茲利地震前出現(xiàn)大范圍紅外長波輻射異常增強現(xiàn)象,開拓了利用衛(wèi)星熱紅外遙感技術(shù)研究地震的新途徑。劉德富等(1997)首次利用地面射出長波輻射(OLR)資料分析我國1976—1985年龍陵、唐山、松潘、烏恰、共和5個7級以上強震震前一個月的OLR月均距平輻射結(jié)果,發(fā)現(xiàn)在強震區(qū)月均距平輻射顯著增強并達(dá)到歷年同期最高值。為探索震前熱紅外異常機理,各國學(xué)者通過分析多物理參量、多衛(wèi)星數(shù)據(jù)資料源,探測地表面熱異常分布與地震的關(guān)系(馬瑾等,2020;Ouzounov et al,2007; 康春麗等,2007; 馬未宇等,2020),相關(guān)的震例研究顯示震前熱紅外異常與地震存在關(guān)聯(lián)性。

以往研究缺乏震前紅外預(yù)測與地震形變監(jiān)測對比的實證性觀測結(jié)果。震前紅外長波輻射異常是電磁輻射能量的變化,其熱力來源是下墊面的熱量交換,包含了構(gòu)造和非構(gòu)造因素(如地形地貌、氣象、季節(jié)等環(huán)境因素),從構(gòu)造和非構(gòu)造雜糅的熱紅外信號中找到與地震活動真正相關(guān)的信息,獲得震前預(yù)測的紅外輻射異常區(qū)域是否與地震構(gòu)造形變區(qū)域?qū)?yīng)是關(guān)鍵性問題(馬瑾等,2005)。InSAR技術(shù)因其高精度、高時空分辨率、全天時全天候廣域監(jiān)測等特性,在地震同震、震間和震后形變監(jiān)測、地面沉降監(jiān)測、地質(zhì)災(zāi)害隱患識別等領(lǐng)域取得諸多成功應(yīng)用(王琪等,2020; 王超等,2002; 張景發(fā)等,2008; 許強等,2019; 徐小波等,2020)。聯(lián)合InSAR技術(shù)與OLR輻射兩種空間對地觀測技術(shù)是研究地表形變多參量異?？臻g耦合關(guān)系的新思路(申旭輝等,2018)。然而,InSAR提取的震前地表微弱形變信號可能會湮沒在大氣延遲相位或地形誤差相位中(Zebker et al,1997; 單新建等,2009),試圖通過震前的形變參量異常分析震前紅外異常與地震構(gòu)造應(yīng)力變化的關(guān)系,往往存在較大困難。InSAR技術(shù)為研究物質(zhì)遷移的地殼應(yīng)力應(yīng)變場響應(yīng)提供了新手段,通過發(fā)震斷層破裂后的InSAR同震形變反推發(fā)震斷層發(fā)生的構(gòu)造應(yīng)力積累及變化過程,學(xué)者在此方面開展了一系列研究(許才軍等,2014; 單新建等,2017; 余鵬飛等,2022)。因此,本文嘗試通過分析門源MS6.9 地震震前紅外長波輻射演化過程和InSAR同震形變場,探討震前紅外預(yù)測異常和同震地表形變(構(gòu)造應(yīng)力)的對應(yīng)關(guān)系。

1 門源 MS6.9 地震震源機制及構(gòu)造背景

北京時間2022年1月8日1時45分,青海省海北州門源縣發(fā)生MS6.9 地震,震中位于37.77°N、101.26°E,震源深度10km,距離震中最近的鄉(xiāng)鎮(zhèn)為門源縣皇城蒙古族鄉(xiāng)和峨堡鎮(zhèn)。地震造成地表破裂約22km,極震區(qū)最大烈度達(dá)Ⅸ度。此次地震是該地區(qū)近年來發(fā)生的最大地震,寧夏銀川市、中衛(wèi)市、甘肅張掖市、武威市、金昌市、蘭州市等多個城市震感強烈。震后,國內(nèi)外多家機構(gòu)發(fā)布了門源地震的震源機制,不同機構(gòu)測定震源機制使用的數(shù)據(jù)不同,導(dǎo)致震源機制存在一定差異(表1),但震源機制解均表明門源地震是一次走滑為主的地震事件。

表1 不同機構(gòu)提供的門源地震震源機制

此次地震震中發(fā)生在祁連山內(nèi)部冷龍嶺斷裂帶北側(cè)(圖1),大地構(gòu)造上位于青藏高原東北緣與阿拉善地塊南緣之間隆起區(qū)的褶皺帶內(nèi)(郭鵬等,2017; 韓帥等,2022),區(qū)域內(nèi)部由西向東發(fā)育有肅南—祁連斷裂、托萊山斷裂、冷龍嶺斷裂、金強河斷裂、古浪斷裂、毛毛山斷裂、老虎山斷裂、海原斷裂等,組成以左旋走滑為主要特征,總長超1000km的祁連—海原斷裂帶在青藏高原板塊東北緣應(yīng)力分配和地殼形變中起著極其重要的轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)作用(徐錫偉等,2007; 孫赫等,2017; 李智敏等,2022),此褶皺帶在NE向構(gòu)造應(yīng)力作用下,發(fā)生了NE向的擠壓縮短、順時針旋轉(zhuǎn)和SEE向擠出等構(gòu)造變形(袁道陽等,2004),構(gòu)造環(huán)境極為復(fù)雜。發(fā)震斷裂冷龍嶺斷裂位于祁連—海原斷裂帶中西段,是祁連—海原斷裂帶“天祝地震空區(qū)”(Gaudemer et al,1995)的重要組成部分。冷龍嶺斷裂東起甘肅省天?？h雙龍煤礦以東,西至門源—祁連公路的八道班,全長約120km,總體走向 60°N～70°W,傾向NE,傾角50°(何文貴等,2010),由一組近乎平行的NWW向分布的斷裂組成,全新世以來活動強烈,主要表現(xiàn)為左旋走滑運動并伴有正傾滑性質(zhì)(李振洪等,2022)。

2 門源 MS6.9 地震前OLR異常增強分析

2.1 OLR簡介

射出長波輻射(Outgoing Long-wave Radiation,OLR)是指“地-氣”系統(tǒng)通過紅外窗口通道(4～120μm)向外部空間發(fā)射的電磁波能量密度,單位為W/m2。OLR對海洋表層和近地表溫度的變化響應(yīng)敏感,常用于監(jiān)測與“熱”成因現(xiàn)象相關(guān)的地學(xué)災(zāi)害征兆(馬未宇等,2014)。本文利用美國NOAA極軌氣象衛(wèi)星提供的OLR產(chǎn)品,分析門源MS6.9 地震震前紅外輻射演化。NOAA衛(wèi)星自1974年發(fā)射至今已累計存檔近50年的長波輻射OLR觀測資料,提供白天和夜間兩組數(shù)據(jù),時間分辨率高,適合開展逐日的變化趨勢研究,在全球氣象分析業(yè)務(wù)和研究領(lǐng)域取得了較好的應(yīng)用(任靜等,2015; 孟慶巖等,2014)。

2.2 門源 MS6.9 地震前OLR異常及時空演化過程

采用基于數(shù)字圖像增強技術(shù)的周均渦度距平法處理2021年12月22—28日覆蓋甘肅青海地區(qū)的OLR產(chǎn)品(空間分辨率1°×1°,時間分辨率1天),提取的紅外長波輻射顯著增強區(qū)結(jié)果如圖2所示,并依據(jù)此圖,預(yù)測未來地震危險區(qū)域。由圖2可見,青海門源地區(qū)出現(xiàn)明顯的OLR輻射異常增強區(qū),增強沿青海德令哈—西寧—甘肅武威一帶分布,呈“啞鈴”狀近WE向水平展布,“啞鈴”兩端有2個輻射增強渦度中心。輻射增強條帶西起青海德令哈,在德令哈周邊凝聚一個渦度值中心,最大渦度值20W/m2,自西向東OLR渦度值逐漸減小至12W/m2,輻射增強條帶東側(cè)在甘肅武威周邊凝聚了一個渦度值16W/m2的弱中心。門源MS6.9 地震震中位于德令哈渦度中心至武威渦度中心過渡的弱渦度增強區(qū),輻射增強維持在16W/m2。

圖2 2021年12月22—28日甘肅青海地區(qū)OLR輻射渦度距平空間分布

針對震前預(yù)測的異常區(qū)域,進一步開展OLR異常日變跟蹤(2022年1月1—11日),如圖3所示。由圖可見在震前1月2日,震中東南部紅外異常開始出現(xiàn),1月4—6日震中東南部異常持續(xù)并進一步加劇,1月7日,震前1天異?，F(xiàn)象消退并消失,至1月8日震中東南部異常再次出現(xiàn)后主震發(fā)生。震后1月9—10日,異常逐漸衰退,1月11日紅外異常全部消失。OLR異?？臻g演化經(jīng)歷了起始增溫—異常加強—高峰—衰減—平靜的演化過程,與巖石在受力破裂過程中的空間演化(擠壓—巖石微破裂—巖石破裂擴展—應(yīng)力閉鎖—破裂終止)具有基本一致的特征(吳立新等,2004),基本反映出巖石在構(gòu)造應(yīng)力加載—準(zhǔn)靜態(tài)成核—動態(tài)破裂—應(yīng)力重分布—斷層強度再恢復(fù)的時間演化過程。

圖3 門源 MS6.9 地震OLR輻射渦度距平時空演化

此次門源MS6.9 地震OLR異常變化過程與2013年4月20日蘆山MS7.0、2021年5月22日瑪多MS7.4、2020年7月12日唐山MS5.1、2020年7月23日西藏尼瑪MS6.6 地震過程中熱輻射變化規(guī)律基本一致(馬未宇等,2014、2020; 王淑艷等,2021; 姜祥華等,2021)。這5次地震震前一天均出現(xiàn)OLR異常衰退消失的現(xiàn)象,與吳立新等(2018)在應(yīng)力加載紅外觀測實驗中發(fā)現(xiàn)的巖石應(yīng)力閉鎖階段相對應(yīng),可能預(yù)示著震源區(qū)巖石介質(zhì)地應(yīng)力閉鎖的出現(xiàn),為地震的最終到來提供指示。

以上分析了OLR異常的空間演化與巖石破裂過程演化的對應(yīng)性。為研究震前預(yù)測區(qū)OLR增強是否與地震形變區(qū)域相關(guān),本文進一步利用InSAR同震形變場分析門源MS6.9 地震前的預(yù)測區(qū)紅外異常是否由地震構(gòu)造應(yīng)力變化引起。

3 門源 MS6.9 地震同震形變場特征分析

3.1 SAR影像

選取歐洲航天局的Sentinel-1A升、降軌影像進行雷達(dá)差分干涉處理。Sentinel-1A數(shù)據(jù)為C波段,圖像分辨率5m×20m,VV極化,幅寬250km。升軌干涉對時間基線12天,空間基線38.24m; 降軌干涉對時間基線12天,空間基線55.56m(表2)。較小的時間基線和空間基線保證了干涉相對較高的相干性。

表2 Sentinal-1A干涉對信息

3.2 差分干涉處理

基于二軌差分干涉法,采用瑞士GAMMA軟件生成差分干涉圖。對于Sentinel-1A SAR數(shù)據(jù),利用歐洲航天局提供的POD精密定軌星歷數(shù)據(jù)進行SLC數(shù)據(jù)軌道校正,去除軌道誤差,利用30m分辨率的SRTM DEM數(shù)據(jù)去除地形相位并進行地理編碼。為使Sentinel-1A干涉像對保持較高的空間分辨率并達(dá)到去除斑點噪聲的目的,采用10︰2的距離向、方位向視數(shù)比。采用加權(quán)功率譜法對干涉圖進行3次濾波,濾波窗口依次設(shè)置為128、64、32個像素,以提升干涉圖的相干性。采用最小費用流法(Eineder et al,1998)進行相位解纏,相干性閾值設(shè)置為0.3,對于相干性閾值以下的區(qū)域不進行解纏計算。對于2個差分干涉圖中的大氣垂直分層延遲相位,基于各自的數(shù)字高程模型建立延遲模型,并從原始差分干涉相位中去除,獲得去除各種相位誤差、清晰的干涉條紋圖(圖4(a)、4(b))。最后,將解纏后的干涉相位轉(zhuǎn)化為地表沿雷達(dá)視線方向形變量,獲得門源MS6.9 地震升、降軌同震形變場(圖4(c)、4(d))。

圖4 門源 MS6.9 地震升、降軌同震形變分布

3.3 同震形變場特征分析

圖4(c)、4(d)分別為Sentinel-1A升、降軌數(shù)據(jù)提取的門源MS6.9 地震雷達(dá)視線向同震形變,形變信息連續(xù)完整,升軌和降軌同震形變的空間分布基本一致。同震形變主要位于肅南—祁連斷裂(俄堡段)、托萊山斷裂和冷龍嶺斷裂的交匯區(qū),形態(tài)呈“蝴蝶狀”,長軸方向為NWW向,長度約40km,短軸方向為NNE向,長度約30km,即形變區(qū)的范圍約40km×30km。形變場被高分7號影像解譯出的NWW-SEE走向的斷層地表破裂跡線從中間分割,地表破裂跡線與托萊山斷裂—冷龍嶺斷裂基本重合,與多家機構(gòu)測定的震源機制解走向參數(shù)(表1)基本一致。圖4中形變正值表示靠近衛(wèi)星飛行方向,即LOS向縮短,形變負(fù)值表示遠(yuǎn)離衛(wèi)星飛行方向,即LOS向拉伸。T128升軌和T33降軌LOS向縮短的最大形變量分別為0.48m和0.62m;LOS向拉伸的最大形變量分別為0.61m和0.53m。升、降軌極震區(qū)的同震形變均存在較嚴(yán)重的失相干現(xiàn)象,主要是因為發(fā)震斷層冷龍嶺斷裂破裂到達(dá)地表,導(dǎo)致地表發(fā)生了大梯度形變。此次地震造成的最大形變量約0.62m,位于冷龍嶺斷裂的南盤。升軌和降軌數(shù)據(jù)提取的同震形變在冷龍嶺斷裂上、下盤表現(xiàn)為運動方向相反,形變量相當(dāng),同時同一軌道的形變在上、下盤也表現(xiàn)為相反的運動特征,表明門源MS6.9 地震引起的地表形變主要以水平方向為主,斷層的運動性質(zhì)具有典型的走滑變形特征(李振洪等,2022;Zhang et al,2022)。

4 OLR輻射異常和同震形變場的對應(yīng)關(guān)系

進一步分析震前預(yù)測的OLR輻射異常與InSAR同震形變場的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn),2021年12月22—28日震中周邊出現(xiàn)明顯的熱輻射異常增強區(qū),沿青海德令哈—西寧—甘肅武威一帶呈“啞鈴”狀近WE向水平展布,OLR呈現(xiàn)頂峰值—弱增強—次峰值的空間分布,震中位于青海德令哈渦度中心至甘肅武威渦度中心過渡的弱渦度增強區(qū)。其可能原因是地震較易發(fā)生在與構(gòu)造活動有關(guān)聯(lián)的OLR變化高梯度帶上,蘆山MS7.0 和唐山MS5.1 地震的OLR分布與震中也有類似的位置關(guān)系(馬未宇等,2014、2020)。對照重力學(xué)科,重力變化高梯度帶也是重力異常判斷的一項重要指標(biāo)(祝意青等,2022)。2022年1月8日門源MS6.9 地震發(fā)震后,利用InSAR技術(shù)提取的極震區(qū)同震破裂位于肅南—祁連斷裂(俄堡段)、托萊山斷裂和冷龍嶺斷裂的交匯區(qū),形變區(qū)范圍40km×30km,同震形變場被托萊山斷裂和冷龍嶺斷裂從中間分割,南、北盤呈現(xiàn)相反的運動特征。升、降軌同震形變集中分布于“啞鈴”狀紅外輻射異常區(qū)的內(nèi)部,具體位于德令哈渦度中心至武威渦度中心過渡的弱渦度增強區(qū),東側(cè)臨近武威渦度中心(圖5)。由于OLR長波輻射是通過衛(wèi)星平臺被動獲取的下墊面射出長波輻射,輻射能在傳輸過程受到大氣輻射增溫進一步發(fā)散,且OLR圖像空間分辨率(1°×1°)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于SAR圖像空間分辨率(30m×30m),二者在一定程度上導(dǎo)致OLR異常在空間分布上比InSAR同震形變范圍大,但震前預(yù)測的紅外輻射增強區(qū)與InSAR同震破裂形變區(qū)的空間位置基本吻合、擴展形式基本相似(同震破裂形變區(qū)分布在紅外輻射異常區(qū)內(nèi)部),間接反映了門源地震前熱異常與地震構(gòu)造地應(yīng)力釋放具有顯著關(guān)聯(lián)性,震前的紅外輻射預(yù)測異常是此次門源地震前構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)變化的遙感影像反映。

圖5 震前OLR顯著增強區(qū)與同震形變場的對應(yīng)關(guān)系

5 結(jié)論

通過分析震前預(yù)測的青海門源MS6.9 地震的射出長波輻射短期異常時空演化特征,進而利用InSAR技術(shù)提取門源地震升、降軌同震形變場,探討了震前紅外預(yù)測異常與同震地表形變(構(gòu)造應(yīng)力)的關(guān)聯(lián)性,得到主要結(jié)論如下:

(1)震前OLR的空間演化特征顯示,在極震區(qū)周邊出現(xiàn)了明顯的熱輻射增強異常,青海德令哈—西寧—甘肅武威一帶出現(xiàn)了呈“啞鈴”狀近WE向水平展布的OLR熱輻射增強區(qū),空間演化從頂峰值—弱增強—次峰值,具有唯一性和高空間可辨識性的特征,證明了強震前震中附近存在熱紅外輻射增強現(xiàn)象。雖然暫無法對此次地震前的紅外異常機理做出明確解釋,但通過衛(wèi)星紅外輻射場的動態(tài)化數(shù)值分析研究強震前異常指征,對地震預(yù)報具有一定程度的指示意義。

(2)利用Sentinle-1A升、降軌數(shù)據(jù)提取的同震形變主要位于肅南—祁連斷裂(俄堡段)、托萊山斷裂和冷龍嶺斷裂的交匯區(qū),形態(tài)呈“蝴蝶狀”,發(fā)震斷裂冷龍嶺南盤最大形變量約0.62m,北盤最大形變量約0.5m。南、北盤運動方向相反,量級相當(dāng),揭示門源MS6.9 地震引起的地表形變主要以水平方向為主,斷層運動具有典型的走滑變形特征,與震源機制解相符。

(3)門源MS6.9 地震OLR短期異常時空演化過程遵循了巖石應(yīng)力加載破裂過程中的熱異常規(guī)律,顯示熱異常變化與應(yīng)力變化存在關(guān)聯(lián)。多個震例研究顯示的震前一天出現(xiàn)OLR異常衰退消失現(xiàn)象可能表征巖石介質(zhì)應(yīng)力閉鎖的出現(xiàn),可為地震的最終到來提供指示。震前熱紅外預(yù)測異常區(qū)域與InSAR技術(shù)提取的同震破裂形變區(qū)域高度對應(yīng),反映了門源震前熱異常與地震構(gòu)造地應(yīng)力釋放具有顯著關(guān)聯(lián)性,震前的紅外輻射預(yù)測異常是門源MS6.9 地震前構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)變化的遙感物理參量的反映。此外,本研究綜合應(yīng)用InSAR和熱紅外遙感兩種空間對地觀測技術(shù),分析門源地震前熱異常與地震構(gòu)造應(yīng)力變化之間的關(guān)聯(lián),為后續(xù)建立空間、陸地、海洋相結(jié)合的綜合協(xié)同觀測體系提供了探索性嘗試。

需要指出的是,此次門源MS6.9 地震的紅外異常與地震構(gòu)造應(yīng)力變化存在關(guān)聯(lián)是通過InSAR同震形變場間接說明的,未來仍需要深入研究InSAR震前形變參量,解算出能夠真實反映震前地表構(gòu)造運動的形變信息,進而與震前紅外參量進行同步立體式耦合,建立地球物理多參量異常監(jiān)測模型,提高特定區(qū)域強震前的早期預(yù)測能力。

致謝：審稿專家對本文提出寶貴的修改意見,歐洲航天局提供免費的Sentinel-1A數(shù)據(jù)和精密軌道數(shù)據(jù),NOAA提供了OLR數(shù)據(jù),在此一并表示感謝。