苏门答腊2004、2005年两次大地震前后CO和O3遥感信息

孙玉涛，崔月菊，2，刘永梅，杜建国，张炜斌，张冠亚

（1.中国地震局地震预测重点实验室（中国地震局地震预测研究所），北京 100036；2.中国地质大学（北京），北京 100083；3.内蒙古自治区地震局西山咀地震台，内蒙古巴彦淖尔市乌拉特前旗 014400）

1 引 言

在大地震的孕育期、震时和震后，震中及邻区断层带、井和泉常有大量气体（CO2、CH4、H2S、H2、N2、O2、He、Ar等）逸出的异常现象［1－5］。地下流体监测数据表明，大地震前后出现的气体浓度异常持续时间多数在几小时到几个月的范围内［1－2］。

从卫星遥感数据提取地震前兆信息具有覆盖范围广、不受地面观测条件限制等优点。因此，卫星遥感技术在地震监测研究中的应用引起了越来越多的关注。譬如，利用 MODIS、MOPITT等遥感数据提取与地震有关的热红外增温［6－7］、潜热通量（SLHF）［8－9］和长波辐射值（OLR）［10］异常信息以及利用高光谱卫星遥感数据提取与地震有关的气体地球化学异常信息等［11－14］。

2004年12月26日苏门答腊岛Ms 8.9地震（地震1）的震中（3.2°N，95.8°E）位于巽他海沟东侧。地震引发了强烈的海啸，造成了巨大的人员伤亡和财产损失。随后，2005年3月28日，在Ms 8.9地震震中东南约200km处（2.0°N，97.0°E）发生 Ms 8.6地震（地震2），震源深度30km。两次大地震后共发生7级以上的余震11次（http：／／www.ceic.ac.cn）。在约3个月内同一地区发生两次8级地震实属罕见（图1）。因此，本文利用AIRS高光谱卫星遥感数据提取了两次地震前后大气CO和O3的异常信息，并研究了气体地球化学异常与两个大地震之间的关系。

图1 苏门答腊地震构造略图

2 数据和处理方法

大气红外探测仪（AIRS）是搭载于Aqua卫星平台上的高光谱分辨率传感器。AIRS拥有2378个连续的红外光谱通道（3.7μm～15.4μm）以及4个可见光／近红外通道（0.4μm～1.0μm），扫描带宽1650km，天底点空间分辨率13.5km，总视场角（FOV）±49.5°［15］。

AIRS数据可从NASA戈达德地球科学数据和信息服务中心（GES DISC，http：／／disc.sci.gsfc.nasa.gov／AIRS／data－holdings）获取。本次研究中所使用的数据为AIRS降轨数据中Level－3 8－天平均标准产品数据。数据空间分辨率1°×1°，采用HDF（Hierarchical Data Format）格式（NASA采用的用于EOS数据存储的标准文件格式）存储，可通过MATLAB软件直接读取。

根据 Qiang等［16］和 Tronin［17］指出的温度异常与地震时空的关系，遥感异常一般分布在距震中500km～1000km范围之内，异常时间一般在地震前后6个月内。由于两次地震发生时空相近，所以将其归为一个时空段。2004年～2005年作为卫星遥感数据处理的时间窗；以震中为中心的40°×40°范围作为空间窗。

将标准产品数据中提取的2003年～2011年相同时段震中区附近4个像元CO总量（CO total column）和O3总量（TotO3）月平均值分别作为CO和O3的背景值。从8－天标准产品数据中提取相同像元的CO总量和O3总量。采用差值方法对CO、O3总量的8－天和月平均数据进行计算，求得其与背景值的差值，消除背景值对结果的影响。将CO和O3含量偏离该地区背景含量或打破多年变化规律均视为CO和O3地球化学遥感信息异常，然后分析其随时间的变化情况。

3 结 果

用AIRS 8－天降轨数据提取的震中区附近CO总量及标准差显示，CO总量在地震前后有明显异常变化。CO总量出现变化时，CO总量的标准差也相应增大（图2）。用地震前后震中区相应时间段CO总量月均值与背景值进行差值运算得到的两次大地震前后CO总量的差值分布图展示了两次大地震前后异常的时空分布特征和异常强度（图3）。

图2 震中区8－天CO总量及其标准偏差变化

用AIRS 8－天降轨数据提取的震中区附近O3总量在地震前后也有明显异常（图4）。用地震前后震中区相应时间段O3总量月均值与背景值进行差值运算得到的两次大地震前后CO总量的差值分布图展示了O3总量异常强度和时空变化（图5）。

图3 苏门答腊两次大地震前后CO总量的月均值与9年月均值的差值分布图（单位：mole／cm2）

图4 震中8－天O3总量变化

4 讨 论

4.1 CO、O3异常特征及其与地震的关系

CO总量在地震1发生前4个月打破年变，出现异常变动。CO总量异常值变化范围5.71～25.8（1018mole／cm2）。CO总量异常范围和强度在地震发生前2个月达到最大，最高值（2.47×1018mole／cm2）出现在2004年10月24日，震后异常减小。CO总量在地震2发生前约2个月出现异常，异常范围和强度明显增大，8－天CO总量最高达2.77×1018mole／cm2，异常衬度为1.29。在异常时段，CO总量显示高低波动，在发震时刻CO总量明显降低（图2）。这种现象可能是孕震过程中地应力作用下使地壳中地下气体逸散增量由大变小形成的。

图5 苏门答腊两次大地震前后O3总量的月均值与9年月均值的差值分布图（单位：DU）

异常出现的时间段内CO的标准偏差显著增大（图4）。地震1、2发生前CO的最大标准偏差分别约为正常时段标准偏差的4倍、10倍。两次地震中，CO异常出现时标准偏差增大主要是因为AIRS降轨数据得到的CO总量标准偏差是8－天多个像元算术平均值。标准偏差变化增大说明，CO数据离散性增大，即CO气体排放的时空不均一性增大。两次地震中CO总量异常均出现在震中及附近区域。2005年6月震中西北地区CO总量高于多年平均值，可能与2005年6月印度安达曼群岛地区一系列Ms 4.0级以上地震有关（图3）。

O3总量在地震1发生前8个月出现异常，O3总量迅速升高至276.25DU（Dobson Unit，1DU≈2.7×1016molecules／cm2），高出背景值32.9675DU。地震发生月份及震后1个月震中区O3总量降低，震中的北部地区O3总量异常升高。这可能与地震发生时气象因素有关。地震1发生后2个月，异常的范围和强度又逐渐增大，在地震2发生当月，震中及附近异常的范围和强度达到最大（268.6875DU），高出背景值36.1925DU。震后异常消失，O3总量恢复至背景值水平（图3、图5）。

CO和O3总量在地震前后的异常变化表明，地震前后气体的异常变化是由地球排气作用造成的。CO和O3的这种异常现象很可能是临震异常，当然尚需更多资料予以证明。

此外，对震中区CO总量和O3总量相关性计算结果表明，二者在整个研究的时间段内（2004年～2005年）是不相关的（r＝0.021），而在异常时段（2004年12月～2005年3月）二者的相关性显著（r＝0.77）。这表明地震前后地下逸出的CO增大了CO总量，大气中CO的氧化使O3总量增大。用多种传感器对苏门答腊2004年Ms 8.9地震研究发现，2004年苏门答腊地震前后地表潜热通量（SLHF）和水汽含量等参数也出现了与地震活动有关的异常［22］。从CO和O3差值分布图（图3、图5）可以看出，O3总量异常出现比CO总量异常出现早5个月，结束时间一致；并且两种异常在空间上对应性较好，只是强度部分对应性一般。这可能归因于引起O3总量变化的原因是多元的，而不仅仅是CO氧化一种因素。

4.2 CO、O3 异常的成因

地球是多个圈层相互作用的复杂整体。从卫星遥感数据获取的气体地球化学遥感信息主要包括3部分：大气中气体的背景含量、地下气体的逸出量及其与大气中其他气体发生化学反应生的生成量。

卫星遥感观测到的两次大地震前后CO总量异常主要归因于孕震和发震过程中地下CO气体逸出量的增加。两次大地震中气体异常高值均出现在震中及其附近。地质构造上，两次大地震所在区域位于东南亚太平洋板块和印度－澳大利亚板块之间，由许多小板块组成，板块边界为碰撞和俯冲带。苏门答腊陆缘位于东南亚的西缘，受地质作用该区存在多条断裂，多火山活动和地震［18］。孕震过程中，在地应力作用下不仅使岩石产生了新的裂隙通道而且增大了地球内部气体（CO、CH4、CO2、H2等）的压力，从而导致地球深部大量气体沿着断层向地表扩散，在震中及其附近地区出现了气体异常。同样，2000年6月6日甘肃景泰 Ms 5.9地震［6］、2000年6月8日缅甸北部 Ms 6.9地震［7］、2010年玉树地震［14］、2001年1月26日印度古吉拉特（Gujarat）地震［19］等都出现了与地震有关的CO异常。

对流层中O3主要是大气光化学反应的结果［29］。地震前后地下逸出的CO氧化可生成O3，导致大气中 O3升高（式（1））。

地震活动强烈时地球内部排放出大量CH4气体［1，23－27］。对震中区8－天CH4体积混合比变化情况进行了分析。由于CH4在大气中的背景量高，地下逸出的CH4增量有限，所以CH4的相对变化不明显，在地震前似乎有所升高。由此，CO与O3异常的一个可能来源是CH4被氧化导致CO和O3含量的增多（式（2））［28－30］，因此在两次地震发生时段 CO和O3相关性较好。

震孕育和发生过程中，存在于岩石圈的地震前兆信息在地壳内部会以压电效应、摩擦电效应或动电效应等方式激发电场和磁场由地壳内部向外辐射。此外还可通过岩石圈－大气层－电离层（LAI）之间的耦合存在电离层，引起ULF、ELF、VLF、LF电磁场和电磁波辐射异常以及TEC电离层等离子体参数等发生改变，从而改变了电离层的状态［31－32］。2004年12月26日Ms 8.9地震以及2005年3月28日Ms 8.6地震电离层电磁场和电离层等离子体参数在震前存在变化［33－34］。低频电磁辐射和电离层扰动促使14N 衰变形成 CO（式（3）、式（4））［13］。此外，电离层状态的改变有利于14C的生成，从而导致CO总量的升高（式（4））：

地震前CO、O3异常已在多个震例中发现［6－7，11，13－14，19－21］。这种的原因可能是从孕震到发 震地应力作用下使得地下气体逸散增量由大变小形成的。在孕震应力场作用，地震孕育前期固体地球排气量显著增大；临震期随岩石中的气体量降低，排气量也降低；地震发生后排气量逐渐降低。

5 结束语

利用卫星高光谱数据提取的苏门答腊两次大地震前后CO和O3遥感信息，发现CO和O3遥感信息异常可能与地震活动存在密切关系。

（1）研究区在两次地震前均出现了CO和O3总量异常。异常出现时段CO总量标准偏差增大表明震中及其附近区域在地震前后地下气体逸出增量在时空上是不均匀的。

（2）地震孕育过程中，地应力作用使岩石产生裂隙，空隙流体压力增大，导致地下气体逸出，形成了地震前后气体异常。岩石圈逸出的气体（CO，CH4，H2O）在大气圈中发生化学反应是导致地震前后CO和O3异常的另一原因。

（3）CO和O3总量震前由高变低的异常现象可能属于临震异常。利用卫星高光谱分辨率遥感数据提取与地震有关的气体地球化学异常信息尚需开展更深入的研究。

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