基于引潮力附加构造应力调制的九江地震热异常时空动态过程研究*

刘 军 刘小阳 薄海光 宗 超 马未宇

1) 中国河北燕郊101601防灾科技学院防灾工程系 2) 中国北京100083中国矿业大学地球科学与测绘工程学院3) 中国北京100045中国地震台网中心

基于引潮力附加构造应力调制的九江地震热异常时空动态过程研究*

1) 中国河北燕郊101601防灾科技学院防灾工程系 2) 中国北京100083中国矿业大学地球科学与测绘工程学院3) 中国北京100045中国地震台网中心

通过利用发震区域的天体引潮力附加构造应力变化模型,研究了2005年11月26日江西九江MS5.7地震发震构造与天体潮汐引力的关系,并利用该模型结合美国国家环境预报中心多源综合温度数据资料,分析了九江地震前后发震区域热异常在时空上的动态变化特征． 结果显示, 一方面,在时间序列变化上,孕震区热异常表现出的起始—消亡演变过程与岩石在应力加载下的形变—破裂过程相吻合． 无论近地表大气还是上附多层大气,热异常主要集中在活动断裂带及其附近区域,与构造断裂带分布相一致； 同时,热异常从近地表到高空消失的垂向分布,符合地面对大气加热导致大气升温→抬升→扩散→消亡的大气动力学基本特性,表明构造运动是本次温度异常变化的主控原因． 另一方面,热异常变化遵循引潮力(低值—高值—低值)的变化过程,显示出天体引力对发震断层温度异常识别具有一定的指示意义以及引潮力可能对构造应力处于临界状态的发震断层具有诱震作用,预示利用引潮力附加构造应力与热异常变化相结合研究短临地震预测具有一定价值．

热异常 垂直结构 附加构造应力

引言

近年来,地震界及遥感界学者利用不同卫星红外数据,研究了地震前地球表面温度场动态分布情况及其与地震活动的关系(Mogi, 1984； Gornyetal, 1988; Tramutolietal, 2001; Andrewetal, 2002; Ouzounov, Freund, 2004; Arunetal, 2008),结果均显示震前存在热异常． 这些利用卫星获取温度的研究实际反映了星下具有一定厚度的大气平均热状况变化,仅局限于震前水平方向范围内的热异常分析, 而大气在不同高度上热属性差异明显,对大气在垂直方向上的异常分布是否与构造活动密切相关以及大气热异常是否源自本地区下垫面直接加热则鲜有讨论． 本文重点关注地震热异常垂直结构和热源,将有助于解决地震遥感热捕捉技术面临的如何识别非地震构造运动“热”的技术难题．

另外,地震是地球内部构造应力的一种表现,尽管其主要受内部构造应力影响,但地球不是一个孤立的天体,它的运动必然受到宏观天体运动的影响,天体潮汐引力就是主要的外部因素之一(Heaton, 1975； McNutt, Beavan, 1981; Kilston, Knopoff, 1983),其在遥感中的角色值得关注．

本文利用天体引潮力附加构造应力变化(changing of the additive tectonics stress caused by celestial tide-generating force, 简写为CATSCTF)模型计算2005年11月26日江西九江MS5.7地震的附加构造应力(Maetal, 2007),探讨天体引力与本次地震构造环境的关系,并以天体引力变化周期为时间背景指导,利用美国国家环境预报中心(NCEP)提供的温度数据,研究九江地震热异常的时空演变特征,结果清晰地显示了断裂构造在应力作用下的活动(Wuetal, 2006)．

1 九江MS5.7地震构造环境及区域附加构造应力分析

图1 2005年九江MS5.7地震构造图F1: 庐江—广济断裂; F2: 襄樊—广济断裂; F3: 丁家山—郎君山—桂林桥—武宁断裂； F4: 九江—靖安断裂; F5: 湖口—新干断裂Fig.1 Map showing seismogenic structures in Jiujiang MS5.7 earthquake area F1: Lujiang--Guangji fault; F2: Xiangfan--Guangji fault; F3: Dingjiashan--Langjunshan--Guilinqiao--Wuning fault; F4: Jiujiang--Jing’an fault; F5: Hukou--Xin’gan fault

为分析天体引潮力附加构造应力对发震断层的作用类型,需计算震中位置日、 月对地球的天体引潮力沿发震构造的主压、 主张应力轴上产生的附加应力∂P与∂T,探索其大小、 方向及发震时间与发震区域的关系(Maetal, 2008),为温度异常背景的选取提供时间指导．

本文根据美国地质调查局(USGS)提供的震源机制解,采用Ma等(2007)的天体引潮力调制模型算法计算了2005年11月14日—12月4日九江MS5.7地震过程中的附加构造应力值(图2)． 此间共经历4个周期(标记为A,B,C和D),其中A代表11月1—15日,B代表11月16—30日,C代表12月1—15日,D代表12月16—30日． 从图2可以看出： ① ∂P和∂T变化方向与P轴和T轴同向； ② 该次地震的天体引潮力附加构造应力变化作用属于“增压促滑型”； ③ 该地震发生在天体引力附加构造应力变化达到相对比较高值段的尾部,而不是发生在它刚刚到达峰值的时段．

依据天体引力附加构造应力模型,附加构造应力增加了断层面的正压力,也增加了断层滑动力,从而诱发地震． 同时,地震发生在∂P和∂T到达高值段的尾部,表明附加构造应力的作用是连续的． 瞬间变化并不能立即诱发地震,只有构造应力达到岩层的破裂强度时才可能发生地震． 在其它相似的3个周期A,C和D内,由于没有出现类似B周期中的温度变化过程而无地震发生,说明天体引力不能依靠自身诱发地震,只有在活动断层的地应力达到破裂临界点时才能诱发地震．

图2 2005年九江MS5.7地震天体引潮力附加构造应力∂P和∂T的变化

2 九江MS5.7地震大气增温异常时空演变特征

一些研究人员曾利用美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,简写为NOAA)气象卫星上携带的高级甚高分辨率辐射仪(Advanced very high resolution radiometer,简写为AVHRR)提供的数据研究温度变化过程(Ouzounov, Freund, 2004; Arunetal, 2008),但是红外不能穿透云层,当震源上空存在云系时,就不能有效记录红外热异常.Tramutoli等(2005)虽然通过计算热红外异常估计(Robust estimator of thermal infrared anomalies,简写为RETIRA)指数可消除云的影响,但这种方法需要大量的统计数据,因而通常不能够发现震前微弱的温度变化. 而利用NCEP提供的50年以上全球再分析数据资料可以较好地解决这个问题(Kalnayetal, 1996),能够满足震前热异常时空监测研究．

为了减少地形地貌、 地物类型和气象等非震因素干扰,获取由构造活动造成的温度增加信息,需要利用NCEP数据与背景温度相减的方法,获得发震前后该地区异常增温变化图像． 针对九江MS5.7地震,本文依据天体引力附加构造应力周期(如图2中所示,天体引力附加构造应力值经历由小—大—小的过程),采用2005年11月16日温度值为正常背景值(天体引潮力附加构造应力变化值在最低点),将11月21—29日的温度与之逐日相减,获得同时次、 同区域范围内近地表及其上空不同气压层面上的动态增温变化序列图像(图3),以此作为该次地震及其强余震序列临震增温异常分析的客观依据．

如图3所示,在九江MS5.7地震过程中热异常增温主要表现为以下两方面:

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1) 在时间序列上具有持续性. 以近地表950 hPa气压层为例,结合主余震时序分析,此次地震异常增温演变过程为起始增温(22日)→加强增温(23—25日)→主震(26日8时)→加剧(26日18时)→余震→增温高峰(27日)→余震→衰减(28日)→平静(29日),这与马未宇等(2006)仅选取1000 hPa等压高度面上的温度异常变化进行分析所描述的现象基本一致． 该过程与遥感-岩石力学试验中岩石受力破裂的红外热像变化过程也相似(Wuetal, 2006),表明震前热异常可能是强构造运动的一种热表现．

图3 九江MS5.7地震前后大气增温异常时空动态演变特征(世界时18:00)(图中F1—F5同图1)

2) 在空间分布尺度上呈现出如下规律： ① 温度异常随大气高度变化,越接近地表热异常增温幅度越大,增温区与震中对应关系越明显． 随着大气抬升气体扩散,异常区域面积扩大,幅增减小,但仍与地表分布相似,直到逆温层顶部热异常逐渐消失,说明异常热源来自地面； ② 热异常垂直结构与活动构造分布相吻合． 随着地震的临近,增温异常条带呈SW--NE向,且主要沿F1,F3,F4断裂带(图1)展布,表明该区活动断裂块在发生挤压活动,且构造运动是温度异常变化的主控原因． 如果该热异常是由气象增温引起,那么气温的影响强度在空间上具有大范围、 逐渐过渡等特点； 在时间上则呈数天或数小时连续变化(屈春燕等,2007)． 然而地震热异常在空间域上受活动构造控制,主要集中在活动断裂带上． 因此,由地震热活动引起的地表温度变化在空间分布上表现出孤立性、 大幅度增温等特点； 在时间上,地震热异常的出现具有突发性,即在一定时段内断续突现． 图3所示时空动态演变特征正好符合地震热异常的表现特征,因此我们认为该热异常增温现象与地震活动有关．

图4 2003年大姚MS6.1地震天体引潮力附加构造应力∂P和∂T的变化 Fig.4 The change of additive tectonic stresses ∂P and ∂T caused by astro-tidal-triggering for the Dayao MS6.1 earthquake in 2003

图5 2003年大姚MS6.1地震前大气增温异常时空动态演变特征图(世界时18：00)

为了进一步验证上述方法的有效性,对2003年10月16日发生在我国云南大姚的MS6.1地震进行了研究,发现天体引力附加构造应力值变化以及温度变化过程与九江MS5.7地震基本一致(图4,图5)．

3 讨论与结论

天体潮汐引力的变化与构造应力的变化具有一定的关系,其对地震的触发和诱发作用并不是突然的,而是一个连续加速的过程． 本文依据天体引潮力附加构造应力变化值的变化周期,利用NCEP资料获得的温度异常时空动态演变图像清楚地反映了九江MS5.7地震前的热异常变化过程．

1) 震前热异常在时间上具有连续性,即增温起始→增温→加剧→高峰→衰减→平静的演变过程,可能正是体现了活动地震构造的初始微破裂→扩大微破裂→地震构造大破裂(发震)→牵动各向活动构造破裂→构造调整(余震)→趋近稳定发震过程的热像反映(马未宇等, 2006)． 当然,更深层次的机制分析还需借助遥感-岩石实验的深入开展进行． 此外,还应对更长时间的震例图像进行研究,尤其需要关注出现温度异常而未发生地震的特殊情况．

2) 热异常垂直结构与活动构造具有一致性,其主要集中在活动断裂带上,在空间域上受控于活动构造,并且随大气高度而变化,与近地表分布保持相似性． 当气压高度变化至800 hPa时,温度异常开始消失,这也可能意味着不同强度的地震与其影响造成的最大增温异常高度存在着某种关联．

另外,为了更准确地提取和识别震前热异常信息,在以后震例研究中还应顾及不同地形单元条件下的高程及其下垫面属性差异． NCEP 增温异常实质是构造应力急剧增加的表现,通过增温异常的时空动态演变图像,可较直观地显示地震构造活动过程． 因此,以NCEP增温异常图像为主导,以构造附加应力变化为诱导的地震前兆捕捉技术,可为研究短临地震预测提供一种很有前景的新途径．

作者向对本文提出重要修改意见的审稿专家表示衷心的感谢！

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“按照‘应农民之所求，急农民之所急，释农民之所疑，解农民之所难’的服务理念，榆林市农垦农业技术服务站已全面推行‘农民点菜、专家下厨、跟踪服务’的农技服务新模式，我也会适时下乡举办一些‘点菜式’培训讲座，将以往培训‘专家要讲什么农民就学什么’变成‘农民想学什么专家就讲什么’，把科技兴农的主动权真正交给农民。”郝哲说。

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Spatio-temporal dynamic variation of thermal anomalies before and after the 2005 JiujiangMS5.7 earthquake based on the modulation of additive tectonics stress induced by tide-generating force

1)DepartmentofDisasterPreventionEngineering,InstituteofDisasterPrevention,HebeiYanjiao101601,China2)CollegeofGeoscienceandSurveyingEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing100083,China3)ChinaEarthquakeNetworksCenter,Beijing100045,China

A variation model of additive tectonics stress caused by celestial tide-generating force was put forward to explain its relationship with seismic fault sliding．By applying the model, we analyzed spatio-temporal dynamic evolution characteristics of thermal anomaly based on the multi-source temperature data from National Center for Environmental Prediction (NCEP) of USA before and after theMS5.7 earthquake in Jiujiang, China on November 26, 2005. The results indicate that, on one hand, the evolution of thermal anomaly from initial growth to extinction coincided with the process of rock under the stress from deformation to breaking in time series. The areas of temperature increasing either in near-surface atmospheric layer or in the multi-layers above distributed mainly in active fault zones and their vicinities, which is agreement with the distribution of tectonic fault zones. Furthermore, the vertical distribution of thermal anomaly from near-surface to upper air went through the following stages: atmospheric warming caused by surface heating→lifting→diffusion→disappear, which accords with the basic characteristics of atmospheric dynamics, indicating that tectonic movement was the main cause of the change in the temperature anomalies. On the other hand, the abnormal variations of temperature followed the cyclical change (low--high--low) of tide-generating force, which showed that the astro-tidal triggering had a particular indicative significance for the identification of temperature anomaly on seismic faults, and it could trigger an earthquake when the tectonic stress was in critical status. It indicated that the method of combining additive tectonics stress caused by tide-generating force with thermal anomaly change could be used for the studies of short-impending earthquake prediction．

thermal anomaly; vertical structure; additive tectonics stress

10.3969/j.issn.0253-3782.2014.03.016.

中央高校基本科研业务费专项资金(ZY20140205)和中国地震局教师科研基金项目(20120102)共同资助.

2013-03-20收到初稿,2013-10-14决定采用修改稿.

e-mail: weiyuma@163.com

10.3969/j.issn.0253-3782.2014.03.016

P315.72+8

A

刘军, 刘小阳, 薄海光, 宗超, 马未宇. 2014. 基于引潮力附加构造应力调制的九江地震热异常时空动态过程研究. 地震学报, 36(3): 514--521.

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