摘要：應(yīng)用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，采用相對功率譜法和均線差值振幅增強(qiáng)比法，提取甘肅積石山6.2級地震前的熱紅外信息。結(jié)果表明，震前存在顯著的熱紅外異?，F(xiàn)象。相對功率譜法提取到的熱紅外異?，F(xiàn)象分為兩個(gè)階段：（1）在2023年10月以托萊山斷裂和冷龍嶺斷裂交匯處為核心區(qū)，出現(xiàn)了沿北東向展布的熱紅外異常（功率譜最高值超過8）;（2）在2023年11月，冷龍嶺斷裂和金強(qiáng)河斷裂交匯處至日月山斷裂和拉脊山斷裂交匯處出現(xiàn)了較弱的熱紅外異常（功率譜最高值不到7），異常的空間演化逐步向震中靠近。均線差值振幅增強(qiáng)比法的計(jì)算結(jié)果顯示出背景性異常的特征，9月在祁連山中東至甘東南段出現(xiàn)了顯著的長波輻射異常，兩種熱紅外異常提取方法的結(jié)果起到了互相佐證的作用。

關(guān)鍵詞：

熱紅外遙感; 亮度溫度; 長波輻射; 地震

中圖分類號： P319文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號： 1000-0844（2024）04-0880-08

DOI：10.20000/j.1000-0844.20240207001

Thermal infrared anomalies prior to the Jishishan

MS6.2 earthquake in 2023ZHONG Meijiao ZHANG Yuansheng LIAO Hongyue GUO Xiao

（1. Gansu Lanzhou Geophysics National Observation and Research Station， Lanzhou 730000， Gansu， China;

2. Xi'an Earthquake Agency， Xi'an 710021， Shaanxi， China）Abstract：

Based on the satellite remote sensing data， the thermal infrared information before the Jishishan MS6.2 earthquake in Gansu Province was extracted using the relative power spectrum and mean-line difference amplitude enhancement-ratio methods. Results show the presence of considerable thermal infrared anomalies before the earthquake. Two stages of thermal infrared anomalies extracted from the relative power spectrum are available： （1） in October 2023， the NE-trending thermal infrared anomaly was concentrated in the intersection of Tuolaishan and Lenglongling faults （the maximum value of power spectrum is more than 8）. （2） In November 2023， a weak thermal infrared anomaly （the maximum power spectrum value is less than 7） emerged from the intersection of the Lenglongling and Jinqianghe faults to the intersection of the Riyueshan and Lajishan faults. The thermal infrared anomalies gradually approached the epicenter. The calculation results of the mean-line difference amplitude enhancement-ratio method show the characteristics of background anomalies： in September， the anomaly of outgoing longwave radiation occurred from the eastern section of the Qilian Mountains to the southeast of Gansu Province. The two methods for extracting thermal infrared anomalies serve as complementary pieces of evidence.

Keywords：thermal infrared remote sensing; brightness temperature; outgoing longwave radiation; earthquake

0引言

地震預(yù)報(bào)經(jīng)過多年的發(fā)展，通過采用多學(xué)科、多手段的觀測數(shù)據(jù)分析，已經(jīng)能對長期和中期的地震危險(xiǎn)性有大致的預(yù)判，但是短期甚至臨震的預(yù)報(bào)依然是世界性難題。已有研究表明，地殼構(gòu)造在能量的積累和釋放過程中（如地震），會伴隨著地面熱紅外輻射的異常變化。地殼結(jié)構(gòu)可以與地面熱紅外輻射的變化相耦合，而熱紅外輻射常在地震前的短臨階段出現(xiàn)異常［1-6］。對發(fā)現(xiàn)的這些地震熱紅外異?，F(xiàn)象，學(xué)者們展開了相關(guān)的研究，提出了多種假說，如氣熱說、應(yīng)力致熱說、地下熱傳導(dǎo)說、斷層蠕動(dòng)摩擦生熱說等［7-10］。

地震熱異常信息的提取方法已從最初的衛(wèi)星圖像目視解譯法，發(fā)展到差值分析、信號分析和背景場分析等多種方法［11-14］。張?jiān)龋?5］、郭曉等［16］對2008年汶川8級特大地震進(jìn)行研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，大地震之前存在明顯的熱輻射異常，提出了相對功率譜法，采用該方法開展的相關(guān)研究表明，大量中、強(qiáng)地震前均存在不同程度的熱輻射異常。Zhong等［17］、賈雪璨等［18］使用相對功率譜法，從風(fēng)云2號衛(wèi)星的長波輻射（Outgoing Longwave Radiation，OLR）、中波輻射、亮度溫度等觀測資料中，都提取到了與九寨溝7級地震有關(guān)的熱異常。異常的主要分布區(qū)域均位于與斷層相同的區(qū)域，即采用同一種計(jì)算方法對同一顆衛(wèi)星的不同觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比研究，印證了地震熱紅外異常。廖洪月等［19］提出了均線差值振幅增強(qiáng)比法，并使用該方法檢測到汶川8級、蘆山7級和九寨溝7級等地震前均出現(xiàn)了熱紅外異?，F(xiàn)象（異常峰值之后發(fā)生地震），初步顯示出該方法的有效性。

據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，北京時(shí)間2023年12月18日23時(shí)59分，在甘肅臨夏州積石山縣（35.70°N，102.79°E）發(fā)生了6.2級地震，震源深度約10 km，該次地震震中距離拉脊山北緣斷裂約3 km。王世廣等［20］研究表明，積石山6.2級地震的最佳雙力偶解節(jié)面Ⅰ走向?yàn)?02°，傾角為58°，滑動(dòng)角為45°;節(jié)面Ⅱ走向?yàn)?84°，傾角為53°，滑動(dòng)角為138°;震源機(jī)制解為逆沖型（圖1）。此次地震的人員傷亡較重，引起了社會各界的廣泛關(guān)注。在對2023年積石山6.2級地震發(fā)生前后的震情跟蹤過程中，我們發(fā)現(xiàn)在積石山6.2級地震前的短臨階段出現(xiàn)了熱紅外異常現(xiàn)象。在此，嘗試采用上述相對功率譜法和均線差值振幅增強(qiáng)比法對提取到的異常時(shí)空演化特征進(jìn)行對比分析，以探討此次地震前客觀存在的熱紅外異常現(xiàn)象，為未來震情判斷提供參考。

1數(shù)據(jù)和方法

在使用相對功率譜法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，采用的是中國靜止氣象衛(wèi)星風(fēng)云二號（FY-2G）的夜間亮度溫度數(shù)據(jù)。FY-2G衛(wèi)星于2014年發(fā)射，獲取的亮溫?cái)?shù)據(jù)空間分辨率為5 km，數(shù)據(jù)波段為10.3～11.3 μm，主要覆蓋了中國大陸及周緣的范圍，平均1 h產(chǎn)出1個(gè)觀測值。相對功率譜法［15-16］的主要計(jì)算步驟如下：（1）采用Daubechies（dbN）小波系中的db8小波基對數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換處理。應(yīng)用小波變換可以去除地球基本溫度場和年變溫度場，即舍去小波7階的尺度部分。由于雨云和寒熱氣流引起的溫度變化時(shí)間較短，一般為幾時(shí)至幾天，經(jīng)小波變換可基本去除這些影響因素，即舍去小波2階的細(xì)節(jié)部分。對研究中的每個(gè)像元均進(jìn)行這兩種小波尺度的舍去處理。（2）采用功率譜估計(jì)法對數(shù)據(jù)進(jìn)行全時(shí)空分析。功率譜估算法參考Welch算法，對N個(gè)長度的數(shù)據(jù)進(jìn)行分段，再對每段數(shù)據(jù)加窗進(jìn)行快速傅里葉變換，以獲得時(shí)頻空間數(shù)據(jù)。（3）對每一像元的所有頻率的功率譜作相對幅值處理，生成功率譜的相對時(shí)頻變化空間數(shù)據(jù)。

在使用均線差值振幅增強(qiáng)比法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，采用的是美國國家海洋與大氣管理局的CBO-V1型全球長波輻射數(shù)據(jù)產(chǎn)品，該數(shù)據(jù)產(chǎn)品融合了多種數(shù)據(jù)研發(fā)并計(jì)算出來的結(jié)果，數(shù)據(jù)的空間分辨率為27 km，每天產(chǎn)出1個(gè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品。均線差值振幅增強(qiáng)比法［19］的主要計(jì)算步驟如下：（1）計(jì)算長波輻射年均值;（2）計(jì)算當(dāng)天和年均線差值;（3）當(dāng)天差值振幅計(jì)算;（4）歷史差值平均振幅計(jì)算;（5）計(jì)算當(dāng)天的差值振幅值與平均振幅值之差，再與平均振幅值相比，得到差值振幅增大倍數(shù)。將上述步驟分別用長周期（1 a）和短周期（40 d）計(jì)算，再提取共同異常區(qū)，則得到均線差值振幅增強(qiáng)比法熱紅外異常區(qū)。

2熱紅外異常

2.1相對功率譜法異常結(jié)果

應(yīng)用前述相對功率譜法進(jìn)行了熱紅外異常的提取，計(jì)算得到的周期［21-22］分別為64 d、32 d、21 d、16 d、13 d、11 d、9 d…。其中在周期為11 d和13 d的計(jì)算結(jié)果中掃描到了熱紅外的異常增強(qiáng)，其他周期的計(jì)算結(jié)果中并未掃描到異常。結(jié)果顯示，積石山6.2級地震前出現(xiàn)了兩個(gè)階段的熱紅外異常，地震發(fā)生在熱紅外異常區(qū)的邊緣處。

第1階段：在周期為13 d的結(jié)果中，從2023年10月初開始，以托萊山斷裂和冷龍嶺斷裂交匯處為核心區(qū)（即熱紅外異常持續(xù)時(shí)間最久，異常幅度最顯著的區(qū)域），出現(xiàn)了沿北東向展布的熱紅外異常（圖2，圖3）。10月25日的峰值異常分布在約430 km×430 km的范圍內(nèi)，異常持續(xù)約1個(gè)月，異常核心區(qū)的功率譜（0.1°×0.1°的均值）最高值超過8［圖4（a）］。

第2階段：在周期為11 d的結(jié)果中，從2023年11月初開始，在冷龍嶺斷裂和金強(qiáng)河斷裂交匯處至日月山斷裂和拉脊山斷裂交匯處出現(xiàn)異常（圖3），異常持續(xù)時(shí)間約為半個(gè)月，此次異常核心區(qū)的功率譜最高值不到7［圖4（b）］。與周期13 d提取到的10月異常相比，周期11 d的11月熱紅外異常較弱（異常的空間分布面積較小，最大異常分布區(qū)域約為200 km×300 km，同時(shí)異常核心區(qū)的功率譜最高值也較低）。

2.2均線差值振幅增強(qiáng)比法異常結(jié)果

采用均線差值振幅增強(qiáng)比法的計(jì)算結(jié)果顯示（圖5），2023年8月下旬開始，在震中的北偏東方向開始出現(xiàn)長波輻射的增強(qiáng)，并逐漸擴(kuò)展至以拉脊山斷裂帶為中心600 km×400 km的區(qū)域內(nèi)。顯著的長波輻射異常增強(qiáng)至9月中旬后開始衰減，直至9月下旬在震中西側(cè)仍有較弱的異常。地震發(fā)生在異常區(qū)域的中間位置。

提取了震中所在格網(wǎng)的計(jì)算值，為更好地顯示異常，將計(jì)算值放大至立方倍數(shù)，并繪制于圖6中。時(shí)間序列顯示長周期（1 a）和短周期（40 d）的長波輻射均在8月下旬開始出現(xiàn)異常，峰值分別出現(xiàn)在2023年9月8日和9月9日，至10月上旬恢復(fù)正常，異常持續(xù)約1.5個(gè)月，兩種周期的異常時(shí)間接近（圖6）。

與前述相對功率譜法的計(jì)算結(jié)果對比，用均線差值振幅增強(qiáng)比法提取到的長波輻射異常出現(xiàn)時(shí)間更早，約提前1.5個(gè)月，異常的空間展布區(qū)域更大，最大面積約為功率譜法所得結(jié)果的1.3倍。

3結(jié)論和討論

本文采用相對功率譜法和均線差值振幅增強(qiáng)比法，分別對風(fēng)云2號靜止衛(wèi)星亮溫?cái)?shù)據(jù)和美國國家海洋與大氣管理局的全球長波輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行反演計(jì)算，研究發(fā)現(xiàn)在此次積石山6.2級地震前出現(xiàn)了顯著的熱紅外異常。

（1） 在均線差值振幅增強(qiáng)比法的計(jì)算結(jié)果中，熱紅外異常出現(xiàn)較早，長短周期的異常峰值分別出現(xiàn)在9月8日和9日，主要分布在600 km×400 km的區(qū)域內(nèi)，地震發(fā)生在異常區(qū)的中部。圖6長波輻射（OLR）時(shí)序曲線圖

Fig.6OLR time series curve（2） 采用相對功率譜法提取到異常的第1階段峰值出現(xiàn)在10月25日，主要分布在430 km×430 km的區(qū)域內(nèi)，地震發(fā)生在異常區(qū)的邊緣。相比第1階段，第2階段的熱紅外異常強(qiáng)度較弱，主要分布在200 km×300 km的區(qū)域內(nèi)，異常展布范圍進(jìn)一步縮小，逐步逼近發(fā)震位置。

（3） 綜合兩種方法的熱紅外異常提取結(jié)果，震前熱紅外異常共呈現(xiàn)三個(gè)階段，即2023年9月—10月—11月。隨著發(fā)震時(shí)間的逼近，這三個(gè)階段的熱紅外異?？臻g范圍逐步縮小，異常的空間演化逐步逼近震中位置。在熱紅外異常消失約10 d后發(fā)生了積石山6.2級地震，這與過去較多的研究結(jié)果中地震通常發(fā)生在熱紅外異?；謴?fù)期一致。

對比兩種計(jì)算方法，均線差值振幅增強(qiáng)比法的原理為40 d周期和1 a周期的疊加提取，計(jì)算的結(jié)果也顯示出了熱紅外異常背景性的特征：異常峰值較相對功率譜法的計(jì)算結(jié)果提前約40 d出現(xiàn)，熱紅外異常的空間展布區(qū)域也較大;而相對功率譜法的計(jì)算結(jié)果更能體現(xiàn)熱紅外異常的細(xì)節(jié)信息，能找到臨震階段的較微弱異常。兩種方法提取的結(jié)果互相印證了在積石山6.2級地震前的短臨階段，在祁連山中東段至甘東南地區(qū)的確出現(xiàn)了顯著的熱紅外異?，F(xiàn)象。

此次地震的熱紅外異常發(fā)展過程中，可以看到熱紅外異常的分布與關(guān)鍵構(gòu)造（如拉脊山斷裂帶或多條斷層的交匯處）密切相關(guān)。今后對熱紅外異常和震中位置、發(fā)震機(jī)制相關(guān)性的更精細(xì)研究應(yīng)當(dāng)成為工作重點(diǎn)，也許能成為地震預(yù)測中對發(fā)震地點(diǎn)判斷的重要突破口。通過本研究，認(rèn)為使用不同的數(shù)據(jù)和不同的計(jì)算方法，可以互相佐證震前客觀存在的熱紅外異?，F(xiàn)象，對時(shí)空演化的更深入研究應(yīng)當(dāng)可以為震情跟蹤提供未來震中位置判斷的參考。參考文獻(xiàn)（References）

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（本文編輯：任棟）