依兰—伊通断裂带地表温度变化分析

任雅琼陈顺云 马 瑾

（中国北京100029中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室）

依兰—伊通断裂带地表温度变化分析

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（中国北京100029中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室）

GPS结果显示，2011年3月11日日本MW9.0大地震引起了我国东北地区的拉张活动增强，其中，依兰—伊通断裂带最显著.这个变化在温度场中是否也有所响应是一个值得探讨的问题，也是一个利用地表温度进行现今构造活动探索的机会.本文利用2000—2011年的中分辨率成像光谱仪（MODIS）地表温度产品对东北地区地表温度进行了分析，以去除稳定年周期变化的年变残差作为研究对象，通过空间和时间分析，排除地形、纬度、气象等干扰因素的影响，寻找与构造活动相关的热信息.结果表明，2001年初和2010年初依兰—伊通断裂北段曾经出现了显著的降温现象，且降温过程持续约两个月.通过气象资料分析，初步认为上述现象并非由气象因素引起.这与GPS远场同震位移结果所显示的依兰—伊通断裂带在日本地震后出现相对比较明显的张性应变相吻合.初步认为上述降温现象与依兰—伊通断裂的拉张增强有关.

依兰—伊通断裂带 地表温度 年变残差 MODIS 断层活动

Abstract：GPS results show enhancement of tensile deformation in northeastern China，particularly in Yilan－－Yitong fault zone，due to the great Tohoku－oki，Japan，earthquake of 11 March 2011.The question of whether the earthquake had the same impact on land surface temperature or not deserves to be studied.In this study，land surface temperature variation in the Yilan－－Yitong fault zone has been analyzed by using the land surface temperature product of moderateresolution imaging spectroradiometer（MODIS）research group from 2000 to 2011.After removing the stable annual variation component，the temperature residuals were analyzed.The purpose of this study is to find the thermal information related to tectonic activity by temporal and spatial analysis of landsurface temperature observation with the influence of topography，latitude and other interferences being excluded.The result shows a significant continuous temperature decline for the two months at the beginning of 2001 and 2010 in the northern part of Yilan－－Yitong fault.Meteorological factors are excluded by analyzing geo－temperature and rainfall data.Based on GPS studies，the Yilan－－Yitong fault exhibited remarkable increase of tensile strain rate after the 2011 Tohoku－oki earthquake in Japan，and the tensile strain would lead to temperature decline according to experiment result.Therefore，the phenomenon of temperature decrease is presumably caused by the tensile activity of the fault.

Key words：Yilan－－Yitong fault；land surface temperature；annual temperature residuals；MODIS；tectonic activity

引言

将卫星遥感热红外信息应用于地震研究已有30多年，初期研究主要集中在寻找热红外异常与地震发生之间的关系，尝试利用遥感观测到的热红外异常来预报地震（强祖基等，1990；刘德富等，1999；徐秀登等，2000；Tronin et al，2002；Ouzounov，Freund，2004）.然而，利用热红外信息预报地震尚未得到广泛认可.考虑到断层及其现今活动是联系热异常和地震的桥梁，马瑾和单新建（2000）以及马瑾等（2005，2010）将研究的重点转为利用热红外探索断层的现今活动.由于地震只是构造活动的一种，多数构造活动并不产生地震.这一研究思路的转变为卫星遥感热红外信息在地震研究中的应用提供了更为广阔的发展空间.

2011年3月11日日本发生MW9.0大地震，根据GPS的研究发现中国东北地区在这次日本地震后显示为拉张，特别是郯庐断裂带北段依兰—伊通断裂带和敦化—密山断裂带张性应变相对明显（王敏等，2011），如图1a所示.实验研究证实，应力应变与温度变化之间关系密切，不同变形阶段，其温度变化机制不同（马瑾等，2007）.在弹性变形阶段：岩石挤压升温，拉张降温（刘培洵等，2004；陈顺云等，2009a）.日本地震引起的东北地区的拉张活动，尤其是依兰—伊通断裂带，在温度场中是否也有所响应呢？这是一个值得探讨的问题，也是一个利用地表温度进行现今构造活动探索的机会.

本文即以2000—2011年共12年的MODIS/Terra地表温度产品，对依兰—伊通断裂带的地表温度变化进行分析.

1 数据处理

地表温度的影响因素繁多，但其变化主要由周期性的太阳辐射驱动，它提供了周期性热通量.对于地球而言，太阳是一个稳定的周期性热源，主要有日变和年变.太阳同步极轨卫星一天经过同一地点上空只有两次，观测不到地表温度的日周期变化，卫星反演获取的地表温度中太阳引起的典型稳定周期成分为年周期.因此，卫星反演获取的地表温度中典型的已知成分有：太阳辐射引起的稳定年周期成分、地形和纬度及能量平衡等因素引起的长期稳定成分，二者合称为年变基准场（陈顺云等，2009b）.地表温度去除年变基准场后残余的部分，称为年变残差（ΔT）.ΔT＝TLST－Tsta.其中，TLST代表地表温度，Tsta为年变基准场.

图1 日本MW9.0地震引起的中国东北和华北水平主应变分布（王敏等，2011）（a）和研究区示意图（b）Fig.1 Horizontal principal strain components caused by the Tohoku－oki earthquake（a）（Wang et al，2011）and schematic diagram of the selected study area（b）

由于地表温度中影响最大的是太阳辐射源，去除年变基准场相当于消除了最大干扰源，同时消除了静态因素的影响，有利于进一步从地表温度场中提取地壳活动的信息.本文即以年变残差为研究对象.

选用数据为MODIS温度产品研究小组提供的2000年3月6日—2011年3月29日的夜间V5版地表温度产品（Wan，Li，1997；Wan et al，2002；Wan，2008），共计509幅，空间分辨率为0.05°（约5km），时间分辨率为8天，反演精度优于1 K.

文中先用小波分析方法提取了年变基准场，然后获得年变残差.考虑到篇幅及关注重点的不同，略去了年变基准场的计算过程，感兴趣者可以参看陈顺云等（2009b）文章.

2 处理结果

2.1 空间表现

以2000—2011年历年3月13日为基础，选取4个剖面（图1b）的年变残差进行分析.其中，剖面1位于同一纬度，自东向西穿过密山—敦化断裂带和依兰—伊通断裂带；剖面2沿GPS同震位移方向（王敏等，2011），自东南向西北经过密山—敦化断裂带、依兰—伊通断裂带，该剖面与剖面1一样，与依兰—伊通断裂带相交，其目的在于研究断裂带附近温度的空间变化情况；剖面3沿依兰—伊通断裂带，目的在于研究断裂带上温度的变化情况.同时，为了排除局部气象变化的影响，在剖面3向西约70km处选取一条与剖面3平行，且长度相同的剖面，作为参照带，即剖面4.

各剖面的年变残差变化如图2和图3所示.图中可明显看出，除2001年和2010年，其余年份的年变残差曲线相似，大多在0℃附近±5℃的范围波动，曲线走势大致相同.2001年和2010年相对其它年份降温明显，而且降温最大的点出现在依兰—伊通断裂带附近.

图2 2001—2005年年变残差的空间剖面（a）剖面1；（b）剖面2；（c）剖面3；（d）剖面3与4之差Fig.2 Spatial profiles of annual temperature residuals of 2001—2005（a）Profile 1；（b）Profile 2；（c）Profile 3；（d）Difference between profile 3 and the reference profile

断裂带（剖面3）和参照带（剖面4）两个剖面相距较近，可认为二者受气象影响相同，其差值可去掉气象影响，结果如图2d和图3d所示.从图中可以看出，2001年和2010年降温现象仍然存在，且断裂带北段降温依然非常明显，表明此降温现象并不是气象变化所引起.

总之，年变残差最大的降温点在依兰—伊通断裂带上，且降温幅度随靠近断裂带变大，随远离断裂带变小.这与GPS成果类似：同震位移在依兰—伊通断裂带附近最大，且随着远离断裂带变小（王敏等，2011）.上述降温现象，可能具有特殊的构造意义.

2.2 时间过程

空间上存在的降温现象在时间过程中是否存在？由于空间剖面仅是一年中的一个时间点，无法给出时间演化过程，需要对时间过程进行分析.

考虑到依兰—伊通断裂带北部的降温幅度较大，在其北部选择一个区域1（图1b中三角形所示位置），分析其年变残差的时间变化，结果如图4a所示.从图中可以看出，年变残差每年的幅度都各不相同.温度在冬天的变化比较剧烈，幅度比较大，而夏天的温度变化相对平缓，幅度比较小.也就是说，年变残差的变化幅度在不同的时间是不一样的.本文中，取2001—2010年10年的夜间年变残差，分别计算出一年中相同时间的标准差和均值，将均值加减标准差作为判断温度变化是否正常的标准.为了描述方便，文中称其为年变动态背景，如图4b右上小图所示.

年变动态背景在不同的区域不同，且相同区域在一年内变化幅度也不同，具有一定规律.每年4月到10月温度变化幅度比较小，不超过4.3℃，且变化相对比较平稳；从11月到次年3月，温度变化幅度较大，高达8℃，且变化相对剧烈.

为了消除短期变化的影响，对年变残差以及年变动态背景进行平滑处理.其中窗长15幅，结果如图4b所示.如上所述，以年变动态背景作为判定温度变化是否正常的标准，超出部分为热异常.从图中可看出，2001年初和2010年初的降温现象非常显著，持续时间均超过2个月.其中，2001和2010年降温最多，分别为－4.47℃和－2.54℃.

总之，前面所指出的关于依兰—伊通断裂带空间上存在降温现象，在时间过程中也存在，并且持续了一段时间.

2.3 气象因素分析

为了进一步分析气象的影响，选取佳木斯气象站和延吉气象站的0，80，160，320cm地温进行分析，结果如图5所示.从图5a—b中可以看出，靠近区域1的佳木斯站各层地温，特别是320cm地温，在1999—2001年期间显示阶段性的整体异常偏低，2001年后又回到原有水平.而距离依兰—伊通断裂带较远的延吉气象站，其320cm地温则一直保持较平稳的变化.

图5 佳木斯、延吉气象站观测到的地温值（a，b）和地温距平值（c，d）变化曲线Fig.5 Variation of meteorological geo－temperature value（a，b）and geo－temperature anomaly（c，d）in Jiamusi and Yanji

为了去除地温年周期变化，先求距平值，然后对距平值进行窗长为365天的平滑，结果如图5c—d.从图中可以看出，佳木斯的160cm地温和320cm地温距平值在1999—2001年间大于80cm地温，这种深层的地温变化幅度大于浅层的现象说明，320cm和160cm地温的异常变化并非来自地表，有可能是地下的构造活动所引起的.

同时也应指出，1999年160cm地温距平值大于320cm，其原因尚不明确.另外，由于数据只有1981—2008年，2010年是否存在类似结果尚不清楚.

本文还分析了降水量与年变残差之间的关系，发现降水量与年变残差绝对值（图6a），也就是温度变化幅度之间的相关系数仅为－0.21，相关性低.前述年变残差异常主要发生在2001年初和2010年初，历年3月份的月均降水量（图6b）表明，这两个年份的降水量并未出现异常，降水量最大的2007年，年变残差并未出现异常.因此，降水不是导致上述降温过程的原因.

图6 通河气象站降水量与年变残差的关系（a）月均降水量与月均年变残差绝对值；（b）历年3月月均降水量Fig.6 Relationship between rainfall data and annual temperature residuals（a）Monthly rainfall data and absolute value of monthly annual temperature residuals；（b）Monthly rainfall data in March of each year

3 讨论与结论

1）关于降温量级.地震发生时，岩石应力变化产生0.1 K量级的温度变化是有可能的.尽管如此，遥感观测到的温度变化量级仍大于实验室结果.可能的原因有以下几点：①野外与实验室条件差别很大，流体也在能量运移中起重要作用，但其影响量级未知；②量级很小的温度变化可能产生一些次生的影响，例如，当被测物体为300 K时，比辐射率分别为0.95与0.9时，引起的温度差异约为4K（刘力强等，2004）；③地面与大气的相互作用也会将最初的温度变化的量级放大.因此，断层活动最终引起几度的温度变化也是可能的.

2）关于构造活动.活动构造的研究成果表明，郯庐断裂带北段的依兰—伊通断裂带具有明显的全新世活动特征，并控制了东北地区微震和中等强度地震的发生（闵伟等，2011）.2002年6月28日和2010年2月18日在依兰—伊通断裂带附近曾发生7.3级（130.8°E，43.6°N）和7.1级（130.9°E，42.7°N）深震，震源深度分别为540km和568km（图1b），2011年3月11日日本发生MW9.0大地震.这说明该地区正处于构造活动强烈阶段.

本文利用地表温度数据，对依兰—伊通断裂、密山—敦化断裂附近的地表温度进行了分析，发现2001年初和2010年初依兰—伊通断裂北段曾经出现显著的降温现象，且降温过程持续约两个月.通过气象资料分析，初步认为上述现象并非由气象因素引起.这与GPS远场同震位移结果所显示的依兰—伊通断裂带在日本地震后出现相对比较明显的张性应变吻合.初步认为上述降温现象与依兰—伊通断裂的拉张增强有关.

国际MODIS地表温度研究小组提供了地表温度数据产品，中国气象局气象资料室提供了气象数据，刘培洵为数据分析提供了有益的指导，审稿人为本文提出详细有益的修改意见和建议，该项工作最初源于中国地震局地质研究所相关研究人员在本所网站即时提供的日本地震后的GPS同震位移结果.笔者在此一并致谢.

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任雅琼 中国地震局地质研究所在读博士研究生.2009年中国矿业大学毕业，获理学学士学位；同年考入中国地震局地质研究所攻读硕士学位，2011年转为博士.现从事利用热红外遥感研究现今构造活动及与热场应变场相关的构造物理实验研究.

张 强 2012年石河子大学生物化学与分子生物学专业毕业，获理学硕士学位.硕士在读期间于新疆农业科学院微生物应用研究所完成实验内容.主要研究方向为微生物生态.

注：陈鲲、崔庆谷、顾申宜等的简介分别见本刊：Vol.32，No.2；Vol.33，No.3；Vol.33，No.4.

Variation of land surface temperature in Yilan－Yitong fault zone of northeastern China

10.3969/j.issn.0253－3782.2012.05.011

P423.7

A

国家自然科学基金（40872129，40902095和41172180）和地震动力学国家重点实验室自主课题（LED2009A07）共同资助.

2011－09－26收到初稿，2011－12－15决定采用修改稿.

e－mail：renyaqiongj＠163.com 网络出版时间：2012－08－30 14：22

http：∥www.cnki.net/kcms/detail/11.2021.P.20120830.1422.011.html

任雅琼，陈顺云，马瑾.2012.依兰—伊通断裂带地表温度变化分析.地震学报，34（5）：698－－705.

Ren Yaqiong，Chen Shunyun，Ma Jin.2012.Variation of land surface temperature in Yilan－－Yitong fault zone of northeastern China.Acta Seismologica Sinica，34（5）：698－－705.