2013年4月20日芦山MS7.0地震前热红外亮温异常分析

解　滔　郑晓东　康春丽　马未宇　卢　军

1）中国石油勘探开发研究院，北京　100083

2）中国地震台网中心，北京　100045

2013年4月20日芦山MS7.0地震前热红外亮温异常分析

解滔1，2）郑晓东1）康春丽2）马未宇2）卢军2）

1）中国石油勘探开发研究院，北京100083

2）中国地震台网中心，北京100045

2013年4月20日在四川省雅安市芦山县发生了MS7.0地震，造成196人遇难、23人失踪和上万人受伤的重大灾难。为了分析芦山地震前可能与地震有关的热红外亮温异常，收集了以震中为中心98°～108°E、25°～35°N范围内，2011年4月20日至2013年4月19日为期2年，由静止气象卫星FY－2E观测的地表亮温资料。应用连续小波变换方法计算了每一个像元的小波相对能谱，得到了分析区域内相对能谱的时、空演化过程。结果显示，从1月中旬起，在龙门山断裂带中段开始出现异常，随后异常沿着龙门山断裂逐渐向SW扩展；从3月上旬起，鲜水河断裂带也开始出现异常，之后异常聚集在龙门山断裂和鲜水河断裂的交会区域，在3月下旬异常区域和异常幅度达到最大。随着地震的临近，异常幅度和空间区域逐渐减小，直至4月19日异常还在持续中，地震发生在异常区域的东南边缘。因此认为，热红外异常可能与芦山地震是有关联的。

芦山地震亮温热异常小波变换小波相对能谱

0　引言

2013年4月20日，在中国四川省雅安市芦山县发生了MS7.0地震，造成196人遇难、23人失踪和上万人受伤，许多建筑物和桥梁在主震及强余震中受损和被破坏，地震也造成多处山体滑坡。为了尽可能减少地震造成的损失，国内外许多科学家和研究团队一直致力于地震前兆以及地震预测研究。随着卫星遥感技术在地震研究中的应用，与地震和构造活动有关的热红外异常现象也相继见诸报道（Gorny et al．，1988；强祖基等，1990，1998；Tronin et al．，2002；单新建等，2005；屈春燕等，2006a；张元生等，2011；Xie et al．，2013）。研究也发现，沿着地表大型线性构造区域和活动断裂带分布的长趋势热红外温度异常可能反映了这些区域强烈的构造活动（Carreno et al．，2001；陈顺云等2006；马瑾等，2006；屈春燕等，2006b；强祖基等，2009）。为了从复杂的温度背景变化中识别出与地震有关的异常信息，国内外科学家提出了一些数据处理方法并应用于震例研究和预测实践（Ouzounov et al．，2004；屈春燕等，2006c；Blackett et al．，2011）。Filizzola（2004）在分析1999年雅典MS5.9地震时采用了一种基于统计的RST（Robust Satellite Technique）方法。震中区地表温度较邻近区域温度的升高，被认为是与构造活动和地震有关的热异常，因此，将研究时段区域温度与往年同期平均值或与震前背景温度值直接相减，以获取温度的上升变化已广泛用于热异常分析。为突出断裂带内外温差变化，陈梅花等（2007）提出了断裂带内外温差方法，并用该方法研究了红河断裂带的热异常现象。张元生等（2010，2011）采用基于离散小波变换滤波和短时傅里叶变换（STFT）的相对功率谱方法研究了2008年汶川MS8.0和2011年日本东北MS9.0地震前的热红外亮温异常现象，有关地震热异常的机理分析和实验研究也相继展开。由于岩层的热导率非常低，在震源深度由断层机械活动产生的温度变化需要很长的时间才能传递到地表，因而，地震临近阶段温室气体（如CO2，CH4等）溢出率的增加和热对流的加强有可能是引起孕震区及邻区地表温度上升的因素（强祖基等，1991，1992；Tronin et al．，1996，2000）。Thomas（1988）提出了一个气体溢出物理模型以解释地震前出现的气体溢出异常现象。但是，在圣安德斯断层带发生的几次大震前并没有观测到预期的地表温度上升变化（Lachenbruch et al．，1992），说明并不是所有大地震前都伴随热异常现象出现。在对比分析了许多震前热异常现象后，Cicerone（2009）认为，存在地热的地区更容易出现热异常现象。

本文在芦山地震后第一时间搜集了震中中心经纬度（98°～108°E，25°～35°N）范围内、2011年4月20日至2013年4月19日为期2年、由FY－2E气象卫星观测的亮温资料，采用连续小波变换对亮温资料进行处理，得到了分析区域内小波相对能谱的时空演化图像。与STFT相比，连续小波变换采用可变时频窗，在高频段采用短时间窗提高时间分辨率，在低频段采用窄频率窗提高频率分辨率，从而同时兼顾了时间和频率分辨率。分析结果显示，芦山地震前，在龙门山断裂带和鲜水河断裂带交会的雅安—康定地区出现了显著的热红外异常，地震发生在异常区域的东南边缘。

1　芦山地震和亮温数据

1.1芦山地震

2013年的芦山MS7.0地震是继2008年汶川MS8.0地震后发生在龙门山断裂带的又一次强烈破坏性地震。据中国地震台网测定，震中位于102°57′E，30°19′N，震源深度为13km（ht-tp：∥www．ceic．ac．cn／），震中距汶川地震震中约87km，震中位置和断层构造如图1所示。主震后余震超过8 000次，其中ML5.0（含）以上余震7次。余震分布区长轴（龙门山断裂走向）约45km，短轴（NW方向）约20km，余震分布区域距汶川地震余震区约37km（刘杰等，2013）。震源机制结果表明，此次芦山地震为纯逆冲性地震（曾祥方等，2013）。龙门山断裂是巴颜喀拉地块的东边界，位于青藏高原和四川盆地之间的强碰撞构造带。鲜水河断裂是巴颜喀拉地块的南边界，为左旋走滑断裂，两大断裂交会于雅安—康定地区。巴颜喀拉地块边界地震活动性很强，历史上曾多次发生大地震（邓起东等，2003；陈立春等，2010）。

1.2亮温数据

普朗克辐射定理完整地描述了黑体辐射能量密度随频率的分布规律，其公式为

式（1）中：B（υ，T）是黑体光谱辐射度（W／m2·sr·cm－1），υ是波数（cm－1），T是开氏温度，k是玻尔兹曼常数，c是光速，h是普朗克常数。对于任意波数从υi1到υi2的波段，黑体总辐射度Wi（T）是普朗克公式对这一波段各个波长值和该波段响应函数的积分，可以表述为

式（2）中：i是波段序号，fi（υ）是该波段的响应函数，υi2和υi1是该波段波长上、下限对应的波数。将波段以一定的波数间隔Δυ进行离散，式（2）积分可以用以下求和表达式来近似：

图1　芦山地震震中和周围区域断层构造Fig．1　The epicentre of Lushan earthquake and the main active faults in the study area．

FY－2E静止气象卫星于2008年12月发射，运行轨道定点于105°E赤道上空，有效观测范围为45°～165°E、60°S～60°N，于2009年11月开始提供有效的亮温数据服务。远红外观测波段分别为10.3～11.3μm和11.5～12.5μm，热红外亮温观测每小时进行1次，空间分辨率约5km。卫星与观测像元的相对位置几乎是固定的，像元到卫星的热辐射传播路径响应也是固定的。卫星观测的温度图像以及计算的小波相对能谱图像可依据各像元的坐标直接绘制，无需极轨卫星的轨道拼接过程。白天太阳照射会引起地表温度相对于夜间大幅上升，难以将由于构造活动或地震引起的地表温度小幅变化的区域从周围背景区域中区分出来。同时由于光照条件不同，各区域日间地表温度存在差异，不利于异常识别。因此，选取地方时夜间00：00至04：00时间段5次观测数据进行分析。

2　分析方法和数据处理

2.1小波能谱分析

小波变换是一种分析非稳态信号的有效方法，在地球物理学和地震勘探等各项研究中得到了广泛的应用（Kumar et al．，1997）。小波变换是一种线性时－频分析方法，改变时间－频率窗口形状可很好地解决时间分辨率和频率分辨率的矛盾，在时间域和频率域都有很好的局部化性质。小波变换具有多分辨率的特点，可以对各周期分量进行时间定位。有限时间序列的小波变换定义为

在ω0≥5时，式（5）近似满足容许条件（Farge，1992），这里将ω0值取为6。由于Morlet小波在时间域和频率域均为复数，经小波变换后的各频段信号分量也是复数，因而可以提取信号的振幅和相位信息。小波能谱通常定义为振幅的平方，小波能谱可在时间域得到信号各频谱成分随时间的变化。由于各像元所处的纬度、海拔高度以及气候环境等因素有差异，这使得不同像元的能谱信息本身就有差异，从而在空间上造成虚假的异常现象。因此，计算各频段的相对能谱变化：式（6）中：是各频段全局小波能谱，表示在整个时段内将小波能谱取平均，N为数据长度。对每一频段，RW（a，b）表示各时刻能谱与2年能谱平均值的比值。

Torrence等（1998）讨论了连续小波变换的边界效应，在临近数据边界处，小波能谱呈现衰减，频段越低，衰减时间越长。分析结果表明，在边界处计算的能谱值要低于数据实际的能谱值，如果在边界处出现能谱异常，那么实际的异常幅度会更大。因此，小波能谱分析方法的边界效应不会产生虚假的异常。由于连续小波变换是非正交变换，相邻频段信息中有重叠的成分，因此不需要太高的频率分辨率，这里取为间隔对a进行离散化。平移因子b表示变换后的时间，不参与运算。对每个像元1次计算选取2年的资料，数据长度N＝730（包含闰年时N＝731）。应用连续小波变换对数据进行处理时，尺度因子a和数据长度N共同决定多分辨率频段数量。每一频段对应的周期计算表达式为

式（7）中：a＝2dt2iδi是尺度伸缩因子，dt是时间序列采样间隔，i是频段序号，T是对应频段周期。前人震例研究认为，地震热红外异常多为短期，因而仅计算了周期为8～64d的能谱（张元生等，2010）。依据上面给定的参数，共有6个频段，对应周期依次为8.26、11.70、16.53、23.38、33.06和46.75d。在获得时频相对能谱信息后，对研究区域进行时空扫描，分析异常区域的空间和时间演化特征。

图2　a亮温原始记录资料；b经1.5倍均方差去云后的亮温资料Fig．2　The original brightness temperature data of one pixel（5km×5km resolution，located at 31.4°N，102.6°E）（a）；Brightness temperature after cloud elimination by 1.5 times mean variance（b）．

2.2数据处理

首先采用补窗法对像元每天5个时间点的亮温资料进行处理，去除短时间范围内云层对数据的部分影响，而后取其平均值作为这一天该像元的观测值，对所有像元每天数据做同样的处理得到每一像元的日值序列。图2a中黑色曲线是像元（31.4°N，102.6°E）2011年4月20日至2013年4月19日的亮温日值数据。像元上空有云层存在时，卫星观测到的亮温反映的是云顶的温度，云顶温度要比云层下地表温度低许多。为进一步去除云层的影响，用低通滤波器提取亮温日值序列中周期为1a及以上的趋势成分（图2a中红色曲线），计算亮温数据与其趋势成分的均方差，并以1.5倍均方差做为下限阈值（图2a中蓝色曲线）进行简单的去云处理，低于1.5倍均方差下限的值认为是受云层的影响，用趋势成分中相应的值进行代替，经处理后的亮温曲线如图2b所示。

从图2b中可以看出，经去云处理后的亮温数据中仍然含有许多短期波动，短期波动的能谱主要集中在频率较高的频段。文中所做工作是基于这样一种假设：由构造活动或地震引起的地表温度变化持续时间要长于自然存在的短期波动，因而它们的能谱可以在不同的频段得以呈现。应用连续小波变换分别对每一像元亮温资料进行计算，每一像元的计算结果不会受到其他像元影响。在对所有像元计算结束后，依据像元经纬度坐标将同一日期的小波相对能谱值进行绘图，之后利用时频剖面法对计算结果进行时频扫描，提取有用信息并予以分析。

3　结果分析

尽管采用了补窗法和1.5倍均方差阈值对资料进行了去云处理，小波相对能谱图像中仍然存在一些离散的噪声异常像元。为得到可能与构造活动和地震有关的异常信息，采用了以下3条判别准则识别异常信息：

（1）主要异常像元需集聚成一定规模的异常区域，而非零星离散分布；

（2）显著异常需持续15d以上；

（3）异常区域需沿构造断裂带分布，尤其是活动断裂带。

对6个频段小波相对能谱时空演化图件进行检测后发现，在芦山地震前，周期为46.75d的频段（分析频段中的最低频段）呈现出了显著的热红外异常现象（图3）。从图3可以看出，异常主要集中在龙门山断裂和鲜水河断裂交会的雅安—康定地区，而地震则发生在异常区域的东南边缘。图3中黑色五角星表示震中，黑色实线条表示主要的活动断裂，水平向和垂直向虚线表示经纬度网格。

2013年1月中旬，首先在龙门山断裂中段出现异常，初期异常幅度和区域都较小，随后异常区域逐渐沿着龙门山断裂向SW方向扩展。与此同时，在鲜水河断裂带附近也出现一些小的异常区域，这些异常区域逐渐扩大和集聚并形成沿断裂带分布的异常区域，最后异常集中在2条断裂交会的雅安—康定地区。在3月下旬异常区域和幅度达到最大，最大幅度约为7，意味着这些像元的能谱值是其2年能谱平均值的7倍。随着地震的临近，异常区域和幅度逐渐减小，4月19日在2条断裂带交会区域仍然可见显著的异常。地震前在龙门山断裂带和鲜水河断裂带出现的异常持续了约3个月，异常经历了这样一个演化过程：正常背景—异常出现—异常扩展—达到极值—异常衰减，芦山地震发生在异常衰减的过程中。从图3中也可以看出，在小波相对能谱图像的右下角也存在异常区域，但该区域内没有活动断裂存在，不满足上面的异常判别准则。

图3　芦山地震前周期为46.75d频段小波相对能谱的异常时空演化Fig．3　Time-space evolution of RWPS anomalies before Lushan earthquake．

图4为2013年3月31日和4月19日其余5个频段的小波相对能谱图像，从图中可以看出，在周期为46.75d频段的异常区域和幅度到达最大的日期，其余5个频段未出现相似的异常。在地震前1天，图3中异常清晰可见，而其余5频段在震中附近也未出现异常。像元（31.4°N，102.6°E）2年的小波相对能谱演化过程示于图5，从图5中可以看出，周期为46.75d频段的小波相对能谱在芦山地震前远远大于其余时段。如果将小波相对能谱值＞4视为异常，那么在这2年中仅在芦山地震前出现过异常，其余5个频段在地震前未出现异常。周期为8.26和11.70d的频段分别在2011年3月下旬和5月上旬出现了异常，但期间无大地震发生。周期为46.75d频段的异常出现在2条断裂带交会区域，且地震发生在异常区域边缘的龙门山断裂带上，因而此次异常与芦山地震可能是有关联的。

图4　周期为8.26、11.70、16.53、23.38和33.06d频段在2013年3月31日和4月19日的小波相对能谱Fig．4　RWPS images on the dates of Mar．31 and Apr．19 2013，with periods 8.26，11.70，16.53，23.38 and 33.06 days，separately．

4　讨论与结论

4.1讨论

地震前震中及邻区地表出现增温异常现象已得到大量观测结果的证实，同时研究也发现，长期连续的温度场变化可能反映断层和地壳大型线性构造的活动（Carreno et al．，2001；陈顺云等，2006；马瑾等，2006；屈春燕等，2006b；强祖基等，2009）。一次地震的孕育和最终发生是地壳板块或次级地块运动引起某些部位应力集中、在应力超过岩石承受强度时局部岩层发生错断的结果。岩石力学实验表明，在岩石受压剪应力至破裂过程中存在增温现象，临近破裂时剪切区域的平均红外辐射温度加速上升（吴立新等，2004）。在地震发生前，震源区应力已接近岩层破裂临界状态，贯通地表的裂隙数量增多，地壳内部温室气体（如CO2，CH4）溢出，同时由于裂隙增多，加强了地下岩层与地表的热对流，可能是这些因素的共同作用使得地震前热红外异常区域集中在震中附近及邻区并沿着断裂分布（强祖基等，1991，1992；Tronin et al．，1996，2000）。Cicerone（2009）在总结地震前热辐射异常现象时指出，存在地热的地区震前更容易出现热异常现象。雅安—康定地区属于地热地区，地表有许多温泉出露，同时，异常区域在演化过程中并没有扩展到震中东侧稳定的四川盆地。

图5　单点异常像元6个频段2011年4月20日至2013年4月19日小波相对能谱演化曲线Fig．5　The RWPS evolution of one anomalous pixel（with spatial resolution of 5km×5km，located at 31．4°N，102．6°E）from 20 April 2011 to 19 April 2013．

卫星观测的热红外亮温资料反映的是像元地表温度，小波相对能谱计算是对每一像元单独进行的，因而像元的计算结果不会受到其他像元影响。图3中异常区域的扩大表明越来越多地区在地震前地表温度出现了变化。尽管采用异常判别准则可以排除一些出现在非构造区域的异常，但出现在构造区域内而并非由构造活动或地震引起的异常不能排除，因而，满足异常判别准则的异常要多于与地震和构造活动有关的异常。此外云层是影响小波相对能谱计算可信度的重要因素，尽管可以从卫星云图中识别有云层覆盖的区域，但是并没有相关的辅助资料予以修正。采用补窗法和1.5倍均方差可以较好地去除短期温度变化产生的影响，但如果像元云层覆盖时间或温度波动时间与地震引起的温度变化时间相当或接近，其能谱将会出现在相同的频段上，从而出现虚假异常。

在关注的周期范围内有6个频段小波能谱信息，各个频段可能出现的异常在时间和空间上并不是都重合，因而在分析时会得到额外的异常信息。当然可以选择震中附近震前的异常，但是很难解释那些没有地震发生而出现的异常。在震例分析中发现，低频段的异常数量要小于高频段，且低频段地震热红外异常可信度也高于高频段，图3所示异常为分析频段范围内的最低频段。考虑到异常期间有地震和无地震现象共存，因次，仍然值得对地震前热红外异常进行分析研究。

4.2结论

应用小波相对能谱方法对芦山地震周围98°～108°E、25°～35°N范围内、2011年4月20日至2013年4月19日为期2年、由中国静止气象卫星FY－2E观测的亮温资料进行了分析研究。结果表明，芦山地震前，在龙门山断裂和鲜水河断裂交会的雅安—康定地区，周期为46.75d频段的小波相对能谱出现了显著的热红外异常现象，异常首先出现在龙门山断裂中段，随后沿龙门山断裂向SW扩展。与此同时，在鲜水河断裂附近也出现异常，并最终集中在雅安—康定地区。在3月下旬异常幅度和区域达到最大，随后逐渐衰减，在地震前1天，震中附近异常仍然清晰可见。异常持续时间约3个月，芦山地震发生在异常区域东南边缘的龙门山断裂带上。因而认为，热红外异常可能与芦山地震是有关联的。

致谢中国气象局国家卫星气象中心提供了热红外亮温资料，审稿专家提出了宝贵的修改建议，在此一并表示衷心感谢！

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Abstract

Lushan M7.0 earthquake occurred in Lushan County，Ya’an City，Sichuan Province of China，on 20 April 2013，causing 196 deaths，23 people missing and more than 12 thousands of people injured．In order to analyze the possible seismic brightness temperature anomalies which might be associated with Lushan earthquake，daily brightness temperature data are collected from Chinese geostationary meteorological satellite FY－2E，for the period from 20 April 2011 to 19 April 2013 and the geographical extent of 25°～35°N latitude and 98°～108°E longitude．Continuous wavelet transform method is used to analyze the power spectrum of brightness temperature data，for its good resolution both in time and frequency domains．The results show that relative wavelet power spectrum（RWPS）anomalies appeared since 15 January 2013 and still lasted on 19 April．Anomalies firstly appeared at the middle part of Longmenshan Fault zone．Then，they gradually spread towards southwestern part of Longmenshan Fault．Anomalies also appeared along the Xianshuihe Fault since about 1 March．Eventually，anomalies gathered at the intersection zone of Longmenshan and Xianshuihe Faults．The anomalous area and RWPS amplitude increased since the appearance of anomalies and reached maximum in late March．Anomalies attenuated with earthquake approaching，and eventually the earthquake occurred at the southeastern edge of anomalous area．Lushan earthquake was the only obvious geological event within the anomalous area during the time period，so the anomalous changes of RWPS are possibly associated to the earthquake．

POSSIBLE THERMAL BRIGHTNESS TEMPERATURE ANOMALIES ASSOCIATED WITH THE LUSHAN（CHINA）M7.0 EARTHQUAKE ON 20 APRIL 2013

XIE Tao1，2）ZHENG Xiao-dong1）KANG Chun-li2）MA Wei-yu2）LU Jun2）
1）Research Institute of Petroteum Exploration and Development，PetroChina，Beijing100083，China
2）China Earthquake Networks Center，Beijing100045，China

Lushan earthquake，brightness temperature，thermal anomalies，wavelet transform，relative wavelet power spectrum

P315．72

A文献标识码：0253－4967（2015）01－0149－13

10．3969／j．issn．0253－4967．2015．01．012

解滔，男，1986年生，2011年在中国地震局兰州地震研究所获理学硕士学位，助理研究员，目前主要从事地震电磁学及卫星遥感应用研究，电话：010－59959144，E－mail：xtaolake＠163．com。

2013－09－01收稿，2014－07－27改回。

“十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAK19B0203）和中国地震局震情跟踪课题（2014020402）共同资助。