汶川8.0级和芦山7.0级地震前卫星热红外异常现象对比

2014-12-02张铁宝

四川地震 2014年2期

路茜，张铁宝，辛华，刘放

(四川省地震局，四川成都 610041)

2008年5月12日位于龙门山断裂带的汶川发生了M8.0级地震，相隔5后的2013年4月20日，又在龙门山断裂带南端的芦山发生了M7.0级地震。两次大地震的发生造成了重大的人员伤亡和财产损失，同时也为强震前的前兆异常研究提供了宝贵的震例。近年来，许多学者、专家研究发现，强震前的震区或相关地区会出现卫星热红外异常。本文研究小组也在地震预报研究实践中发现几次大地震前有不同程度的卫星热红外升温异常，其中包括了汶川8.0级地震和芦山7.0级地震。这是两个发生在相互联系的发震构造，却又相对独立的地震［1］，发震前的卫星热红外升温异常是否相似，其出现的时间，优势分布和演化过程有何不同，本文将作较为详尽的介绍。

1 数据概况及方法介绍

四川MODIS接收站从2004年3月开始接收美国地球观测系统(EOS)Terra卫星搭载的MODIS遥感传感器数据资料。MODIS数据包含36个光谱通道，覆盖了可见光、近红外、远红外在内的从0.4到14μm范围的电磁波谱。其中有6个通道探测的物理量信息来自地球表面的辐射量［2］，分别是20通道、21通道、22通道、23通道、31通道和32通道。刘放等在2010年MODIS亮温与气温及地温的相关性分析中的研究表明，20通道和21通道与地温有较好的相关性，且2个通道的形态比较一致［3］。在此采用高频成分较少且数据较为稳定的21通道数据作分析。分析区域范围为20°～40°N，90°～110°E，空间分辨率为1 km。由于在该分析区域内，在汶川8.0级地震和芦山7.0级地震之间，还发生过2010年4月14日青海玉树7.1级地震(此处指M≥7级的地震)，为了排除期间所出现的异常与玉树地震关系的干扰，汶川8.0级地震异常分析的资料采用2004年3月至2008年6月;而芦山7.0级地震异常分析的资料采用2010年5月至2013年5月。所用数据在运算、分析之前均经过数据预处理。首先去除bow-tie效应，并根据1B数据自带的地理信息进行几何校正。然后利用普朗克公式将热红外通道辐射率转换为辐射亮度温度［4］。之后经过数据拼接置换、云检测使数据达到较高的晴空利用率，并去除云覆盖数据的干扰。

热红外影像的异常提取是在正常背景场基础上进行的。首先对数据库中的空间数据进行背景场计算，即计算每年同一时间段内各像元数据的历史均值。对于异常的提取，在此使用距平的方法［5］，计算每个像元同一时间段的均值与其历史背景场的差，从而得到空间上的距平。因为受到云覆盖数据的影响，使得每日的晴空有效数据减少，数据使用率低，容易受不稳定的大气和环境影响而产生突变。在此侧重于中短期异常的提取，对数据时间分辨率要求不高。在本研究中计算该研究区域的亮温月背景场和亮温月距平。计算结果显示:亮温月背景场图像具有明显的地形地貌特征和夏高冬低的季节变化特征，距平处理能在很大程度上去掉季节和地形地貌的影响。

2 两次地震前距平异常对比分析

2.1 汶川8.0级地震前距平异常

前人利用不同的卫星遥感热红外数据、采用不同方法研究大震前热红外异常的结果显示获取的异常信息几乎都是升温异常［6-14］，因此本研究只提取大面积大幅度的升温异常。

根据对2004年3月至2008年6月的资料处理，设定距平的亮温值大于3.5K的作为异常升温，大于20万km2集中异常升温作为大面积的异常升温，因为小面积异常升温的形成可能是受到环境、人为等随机因素的影响。分析结果显示2004年、2005年、2006年、2007年、2008年出现大面积大幅度增温异常的频次分别为2月次、2月次、4月次、6月次、1月次，这期间异常出现频次的均值为3月次/年，增温异常集中的时间段为2006～2007年这两个高于异常平均年频次的年份。由于篇幅所限，在此以2006年1月至2008年6月的距平图像作异常分析。

图1 亮温月距平图像(2006年1月至2008年6月，黑点为汶川地震震中)

从2006年1月至汶川地震后1个月，即2008年6月的距平图像显示(图1)，该时段出现了11月次异常，分别为:2006年2月，大面积异常升温区域位于川青交界、青海南部和西藏部分地区，面积约50×104km2;2006年7月，大面积异常升温区域位于青海西南部与西藏的交界地区以及川藏交界地区，面积约40×104km2;2006年8月，大面积异常升温区域位于青藏交界一带，四川盆地也有升温，面积约50×104km2;2006年11月，大面积异常升温区域位于川青交界一带，甘肃、宁夏也有分布，成带状，面积约50×104km2;2007年2月，大面积异常升温区域位于甘肃和宁夏一带及青海南部部分地区，面积约40×104km2。2007年3月，大面积异常升温区域位于川藏交界一带，面积约20×104km2。2007年4月，大面积异常升温区域位于龙门山断裂带以西的川西地区、川青藏交界地区以及青藏交界一带，面积约75×104km2。2007年5月，大面积异常升温区域位于川青藏交界一带、青藏交界一带以及青海的东部，面积约75×104km2。2007年10月，大面积异常升温区域位于川青藏交界一带、青藏交界一带以及四川盆地内部，面积约40×104km2。2007年11月，大面积异常升温区域位于川青藏交界一带以及青藏交界一带，面积约30×104km2。2008年5月，大面积升温区域位于川青交界地区以及青海部分地区，面积约50×104km2。

从2006年1月到汶川地震前的距平异常演化过程看出，2006年出现异常较少，2007年异常出现增多，2008年开始至地震前一个月较为平静，直至汶川地震当月再次出现异常。异常升温总体分布在汶川地震震中以西的川青藏交界和青藏交界地区。2007年出现的个别月异常面积较2006年和2008年的异常面积更大。

2.2 芦山7.0级地震前距平异常

根据对2010年5月至2013年5月的资料处理(2010年12月、2011年1月缺数)，异常判定指标与汶川地震一致。

图2 亮温月距平图像(2010年5月至2013年5月，黑点为芦山地震震中)

芦山地震前，即2010年5月至2013年4月间(如图2所示)，只有2010年5月、2011年9月及10月、2012年5月、2013年3月及4月出现了6次大面积异常升温。其中，2010年5月，大面积异常升温区域位于境外缅甸地区，面积约为30×104km2。2011年9月，大面积异常升温区域位于青藏交界、川青藏交界地区，面积约40×104km2。2011年10月，大面积异常升温区域位于拉萨地区和川藏交界地区，及青海中北部地区，面积约20×104km2。2012年5月，大面积异常升温区域位于四川西部、川藏交界地区和川滇交界西侧地区，面积约35×104km2。2013年3月，大面积异常升温区域位于龙门山断裂带以西的川西地区、青藏交界、整个青海以及甘肃大部分地区，面积约80×104km2。2013年4月，大面积异常升温区域位于青海东部、甘肃中北部，面积约40×104km2。

就整个异常升温演化过程来看，异常年频次没有增加、减少的迹象。2010年、2011年和2012年的异常升温区远离芦山地震的震中区，后两年升温总体分布在川藏交界一带，面积也不大。到震前一个月异常升温开始靠近龙门山断裂带，分布在龙门山以西的川西地区、青藏交界、整个青海以及甘肃大部分地区，且异常面积也增大，达到80×104km2。而在芦山地震发生当月，亮温月距平图像异常升温开始消散，面积缩减，异常区位于青海和甘肃地区。

3 结果与讨论

根据上述内容可以看出，在汶川8.0级地震前长、中期和芦山7.0级地震前长、中、短期内MODIS热红外均出现了不同程度的大面积异常升温现象，而异常的演化过程、异常分布、异常升温面积等之间存在差异。

表1 两次地震前热红外异常特征对比

由上述异常特征对比看出:①两次地震前异常升温面积都很大，达到几十万 km2，可能是由于强震的孕育存在较大的空间尺度。②两次强震前的异常优势分布区域并不在震中区域或发震断裂。GPS研究表明，龙门山断裂带在汶川地震前长时间处于应变速率很低的全线闭锁状态［15］，而龙门山南端在汶川地震以后仍然处于闭锁状态［16］。岩石实验研究表明，岩石破裂前弹性变形阶段，温度变化与体积变化有关，体积收缩升温［16］。发震断裂的闭锁状态可能是震前未出现异常升温的重要原因。③与芦山地震前的异常情况对比，汶川地震前的短期异常不突出，特别在震前半年内只出现了1次异常，且该异常与地震发生相隔5个月。这与程万正等在2011年的研究有一定的一致性，即:2007年4月后半月至2008年4月在四川震情会商中提出的前兆观测异常项明显偏少，特别是2008年1～4月异常测项数更低，低于平均值一半左右。在四川地区各类异常测项持续数月很少的情况下发生汶川地震，认识之一是汶川地震前近震源区闭锁，所以四川地区观测前兆异常少［17］。两次强震前的异常特征显示大范围的热红外空间异常对强震有1～2年内的中长期指示意义，个别强震也存在短期异常。由于强震的孕育和发生涉及较大范围的空间尺度，且复发周期都很长，本文所用到的资料时间还较短，有待更长时间的数据累积和更多震例的验证。

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