基于MODIS数据的伽师—阿图什交界MS5.8地震热红外异常检测研究

买合木提江·维吉旦, 玉素甫江·如素力,2, 仇忠丽, 迪里胡玛尔·阿汗木江(. 新疆师范大学 地理科学与旅游学院, 新疆 乌鲁木齐 830054;

2. 新疆干旱区湖泊环境与资源重点实验室, 新疆 乌鲁木齐 830054)

0 引言

地震是常见的一种自然现象。地震预测精度的提高和改进对防灾减灾具有重大意义。地震预测是难以解决的世界性问题之一。地震预测困难的原因,一是现有的科学认识水平有限,从理论上来看还不能清楚地认识地震孕育、发生的规律,其二是由于地震活动的监测技术手段的局限性[1]。因此,从多角度对地震进行监测与预报一直是国内外的研究热点之一。在一定程度上地震热红外异常可以理解为强干扰和复杂背景下的弱信息[2]。卫星遥感观测拥有高覆盖率、连续性好、时空可比性强,而且不易受地面条件限制等优势,更为广泛地应用于地震相关的异常检测研究[3]。当前,地表温度LST(Land Surface Temperature)主要利用卫星遥感反演获取,不仅能反映出温度变化的大小,还能从宏观上理解地表热能量的空间分布[4]。 “Tronin”等[5]利用不同卫星获取遥感资料对地震前出现的热红外异常进行了深层研究,发现了更多强震前产生的热红外异常现象。张元生等[6]采用不同于前人的方法,应用时频相对功率谱法和小波变换法,分析静止卫星热红外遥感资料研究汶川等地震,发现地震发生前存在明显的地震热异常特征周期和特征幅值。这个方法现在适用于很多关于热红外异常检测的研究当中。热红外异常识别多采用断裂带内外亮温差值法等方法[7]。马瑾等[8]在探索1997年玛尼7.9级地震前后发现,在发震前20天阿尔金断裂的东段开始产生增温现象,逐渐扩大为显著的条带,这一条带持续到11月8日玛尼强震的产生,发震后此条带逐步消失,从而引发玛尼地震的玛尔盖茶卡断层在发震前两天才开始出现地表温度增温异常。如今,各位学者在地震发生前热红外异常现象和断裂带热活动变化情况的研究中取得了一定成果[9]。正确识别热红外异常信息、排除各类非地震要素的干扰和提取与断层运动相关的热异常信息是采用卫星红外遥感技术进行地震预测的前提[10]。

本文利用2008年1月1日至2012年12月30日的MODIS的LST产品,通过STL(Seasonal and Trend decomposition using Loess)分解法逐像元地去除数据的变化趋势和季节因素周期性的影响,对其残余项运用GESD(Generlized Extreme Studentized Deviate Test)检验进行异常检测。结合震中区域的构造活动,根据地震热异常监测结果,研究震中及周围地震前后热异常及其时空分布特征。喀什—阿图什是地震频发地区,2011年8月11日伽师县和阿图什市交界处发生了5.8级地震,破坏程度较为严重,受灾人口约 47 606人。截至2011年9月25日共记录地震序列98次余震。虽然此次地震震级不高,但地震带来的损害较为严重,且包含的信息在同级地震中更为丰富,因此进一步研究此次地震发生的各种因素具有一定的理论意义,对提高预报检测、减少地震带来的灾害方面可能具有一定的现实意义。

1 研究区概况和数据来源

1.1 地震基本参数及震区概况

本文以2011年8月11日18点6分在新疆伽师县—阿图什市交界处发生的MS5.8地震为研究对象。此次地震震中位于39.9°N、77.2°E(图1),震源深度8 km,其发震构造为柯坪断裂。柯坪断裂走向NE,沿柯坪山前分布,为左旋逆断层,垂直向活动速率0.23～2.94 mm/a[11]。该地区地质构造复杂,新构造运动强烈,不仅表现出地震活动性强、频度高的特点,而且出现了多种类型的地震,主要有主余型、孤立型、双主震、震群型[12]。此次地震序列显示,截至2011年9月 25日24时,共记录到余震98次,其中0～0.9级47次,1.0～1.9级40 次,2.0～2.9级 9 次,3.0～3.9级2次,最大余震为MS3.2,余震具有向北散开的分布特征(图1)。 因此此次地震为主-余震型地震。

图1 伽师—阿图什交界MS5.8地震区域地震构造图Fig.1 Regional seismotectonic map of the MS5.8 earthquake at the Jiashi-Atushi junction

地貌上,震区位于喀什地区东北部,喀什葛尔河流域中下游,喀什喀尔套山北麓冲积、洪积平原区,区内平均海拔1 190 m,沿山前地形为平坦开阔盆地,地势由北向南微倾斜,坡降为3‰。极震区西克尔库勒镇位于山前洪积平原,地基土由砂砾石层组成,地下水埋藏较深;喀什葛尔河中下游冲积和泛滥平原区为主要受灾区域,地势平坦开阔,地下水位高,平均1～3 m,局部地带地下水以沼泽湿地或沼泽直接出露地表,地表土层盐渍化程度高,地基土层以饱和松散砂、亚砂土和亚黏土软弱土层为主,人口相对密集[13]。

1.2 数据来源

MODIS也被称之为中分辨率成像光谱仪(Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer),具有高辐射分辨率(36通道)、中等空间分辨率及高饱和度,覆盖范围广、时间分辨率为8天,具有较高的地震热异常监测精度。用于研究的LST数据来自于美国航空航天局(NSIDC,http://nsidc.org/NASA/MODIS)网站下载的MODIS/Terra 8d合成的MOD11A2白天LST产品,空间分辨率为1 km,时间范围为2008—2012年(230幅图像)。拥有隔8天的日夜数据。搭载在太阳同步极轨卫星 TERRA和AQUA 卫星上的中等分辨率成像光谱仪(MODIS)有36个波段,频段分布分布范围为0.405～14.38 μm,空间分辨率有 250、500 m和1 000 m[14]。

2 数据处理方法

2.1 STL分解法

STL是非参数的统计方法,此方法把时间序列数据分成三项,分别是低频率的趋势项,高频率的周期项(季节项),不规则变化的趋势项:

Remainder(ri,t)=Δ(ri,t)=Y(ri,t)-

(Trend(ri,t)+Seasonal(ri,t))

(1)

式中:Remainder(ri,t)(或Δ(ri,t))、Y(ri,t)、Trend(ri,t)和Seasonal(ri,t)依次为ri位置处t时刻的残余项、观测值、趋势项以及周期项。一般表示低频率的变化趋势的是趋势项,表示高频变化得是周期项,而随机扰动形成的无规律的一些变化所表示的是残余项。STL方法一次的递归过程需要进行3次Loess和滑动平均。Loess过程是对于不同位置的点及不同权重进行一定的局部加权回归。此过程假设其基于距离越近,相关性越强,并且包含选择局部回归的窗口长度、权重函数及回归方程阶数[15-16]。本研究为了有效地去除LST的季节性变化和趋势变化,应用STL分解法,分解提取时空遥感数据集的周期项、趋势项和残余项信息。采用式(1)逐像元分解出残余项时空分布数据集(操作流程如图2所示)。

图2 基于STL的地震热异常分解流程Fig.2 Decomposition process of seismic thermal anomalies based on STL

2.2 GESD检验

大多数情况下数据集中异常值不止一个,因此Rosner[17]提出了GESD检验(泛化版ESD)。GESD是Rosner教授基于Grubb's Test(或ESD)改进的识别离散值方法;此方法中比较统计量Rj与临界值λj,若Rj>λj,该点为异常点。

(2)

(3)

式中:λj为第i大的数据临界值；n为离散点数量；tn-i-1,p是(n-i-1) 自由度的t分布右侧尾概率为p时的值。

3 分析和研究

3.1 热红外异常时空变化过程及其特征

2011年8月11日伽师—阿图什地震发生在柯坪断裂上,利用2008年1月1日至2013年1月1日的LST数据运用STL分解法进行异常提取,通过时空演化图可以明显识别震前热红外异常,获得的空间变化数据如图3所示。异常空间演化特征可以看出:震前2011年1月1日发震断层附近开始出现异常,但异常面积较小,2011年2月1日发震断层周围异常面积进一步扩大,2011年2月26日和2011年3月14日发震区发震断层出现大面积热异常,然后热异常面积逐渐减少。4月23日震区断层周围再次出现大面积热异常,之后热异常面积减少。8月5日出现热异常但异常面积较小,之后2011年8月11日研究区发生MS5.8地震。地震发生后到9月14日出现热异常,随后热异常逐渐消失。通过此次震例分析并结合历史震例发现,热异常演化过程经历 “出现-扩大-分散增温-增温幅度达到极值-消失-发震”等几个阶段,震中位于异常最集中出现的断层上。从发震位置来看,热异常与本次伽师县—阿图什断层分布有较大的相关性。

图3 伽师—阿图什交界MS5.8地震热红外异常时空演化图Fig.3 Temporal and spatial evolution of thermal infrared anomalies of the MS5.8 earthquake at the Jiashi-Atushi junction

2011年8月11日至9 月28 日地震序列共记录了89次余震。从伽师MS5.8地震的余震分布、构造断裂特征上可以看出,此次地震的余震主要分布在主震以北,且分布在主震相同的断裂带周围(如图1所示),出现的热红外异常的区域大部分余震跟主震在同一个断层上。根据热异常分布和余震分布图可以看出,余震发生前四个月余震发生区域同样出现热红外异常,出现余震区域和热异常出现的位置基本相同,余震主要分布于出现热红外异常的构造带附近,出现热红外异常的大部分区域在主震发生后伴随一系列余震,大部分余震主要分布在主震发生的震前出现热红外异常断裂带附近。通过分析可以看出余震分布与发震构造、热异常分布相关。从余震出现位置来看,余震分布与主震发生的断裂带和热异常分布相关。

3.2 地震热红外区域时间变化特征

震前异常区域的时间序列反映异常区域热红外异常的总体变化情况。为了分析伽师县—阿图什交界MS5.8的地震热红外异常变化过程,对5年异常值时间序列进行分析和研究,其异常时间变化序列如图4所示。可以看出从2011年2月开始研究区异常数值开始巨增,3月1日异常值达到极值,3 000多个像元出现异常,随后异常值出现不稳定状况,有增大和减少的交替趋势,至5月1日出现大面积异常随后异常逐渐消失,异常消失后研究区于8月11日发生MS5.8地震,地震发生后研究区出现小面积异常。根据时间序列分析可以看出震前出现热异常,异常消失后发震时刻时间间隔较长,即异常明显出现后半年内是发震的可能时段。另外,在图4中的地震热红外异常时间序列曲线中2008年2月、2009年2月和2010年6月均出现了显著异常值,由于伽师县是地震频繁区,2008—2010年均有地震出现。根据地震台记录数据看出2010年年内出现80多次小震,同样2008年和2009年也发生大量小震,地震热红外异常时间序列曲线中出现的异常值都于地震相关。

图4 地震热红外异常时间序列曲线 (区域范围为39°36′～40°30′N,76°48′～77°52′E)Fig.4 Time series curve of seismic thermal infrared anomalies (Regional range is 39°36′～40°30′N,76°48′～77°52′E)

3.3 同地区地震类比分析

热红外震例积累及类比工作可为正确识别与地震或断层活动相关的热信息提出更多判别指标,更大程度地排除非震因素引起的热异常变化。考虑发震区域及时间尺度,本文选择2018年9月4日伽师县MS5.5地震与本次地震作类比分析,并采用相同的数据处理方法和流程。两次地震震中相距不足40 km,通过利用STL分解法对其进行热异常提取(图5)。2018年2月26日出现热红外异常,主要集中在震中区断层周围,然后异常逐渐消失,随后5月17日震中东北区域出现大量热红外异常,随后快速减弱直至完全消失,随后研究区2018年9月4日发生MS5.5地震,异常消失后发震时刻时间间隔较长,出现大面积异常和发震时间间隔是4个月,热异常出现后总体演化过程与伽师—阿图什MS5.8地震基本一致,同样增温现象经历了“出现-扩大-分散增温-增温幅度达到极值-消失-发震”等几个阶段。对2014年1月1日—2019年1月1日期间热红外异常时间序列曲线的分析表明(图6),地震热红外异常出现和发震时间间隔4个月,热红外异常时间序列变化特征跟伽师—阿图什MS5.8地震基本一致,异常消失后发震时刻时间间隔较长,进一步证明异常明显出现后半年内是发震的可能时段。

图5 伽师2018年9月6日MS5.5地震热红外异常时空演化图Fig.5 Temporal and spatial evolution of thermal infrared anomalies of the Jiashi MS5.5 earthquake on September 6,2018

图6 伽师MS5.5地震热红外异常时间序列曲线 Fig.6 Time series curve of thermal infrared anomalies of Jiashi MS5.5 earthquake

相同地区的震例进行类比可以有效地排除地质环境、大气环境和地理位置等条件带来的干扰,对提高区域热红外异常预报指标的可信度有一定帮助。这两次地震由于震中位置相近,热红外异常表现出许多共同点:首先,地震发生前均存在突出的热红外异常;第二,受震级大小和震级类型影响,异常值虽有所差异,但都在发震前4个月出现热异常;最后,两次地震震中在异常最集中区域边缘的断层附近。上述共同点或可为该区域热红外异常信息的判定提供一些明确的指标,特别是相同的发震特征可表征本地区的一种固定的物理特性。

通过对两次地震比较发现,两者的不同点主要表现在热异常最大峰值和热异常范围,其中最大峰值同时受地震类型和各种地质环境变化的控制。由于文中对比的地震来自同一地区,因而降低了不同地质条件造成的影响,加之两者发震时段所处的季节较为相近,也减少了气候因素带来的干扰,所以地震类型是最大峰值显示出差异的最主要原因。今后工作中还需进一步结合地质科考和实验研究的结果,使同地区热异常的预测指标更加可信。

4 结论与讨论

地震热红外异常时空演化图和热红外异常时间序列曲线是研究和分析判断地震热红外异常变化信息的依据。本文通过尝试STL分解法逐像元地去除数据的变化趋势和季节因素周期性的影响,对其残余项用GESD检验进行异常检测分析得到了伽师—阿图什交界MS5.8地震的地震热红外异常演化图和震中时间序列变化曲线,发现伽师—阿图什交界处发生的5.8级地震前出现了较明显的热红外异常变化。从地震前热红外时空演化图中可以发现,震前4个月异常开始明显,异常范围变化基本过程是“出现-扩大-分散增温-增温幅度达到极值-消失-发震”的规律,峰值距发震时刻时间间隔较长。地震发生在出现异常的断层区域,在发震区连续3个月出现大面积异常后地震发生。异常分布特征和发震时间特征与前人的研究结果基本一致,即异常出现后的十几天至半年内是地震发生的可能时段。伽师县—阿图市交界MS5.8地震发生后根据余震分布、构造带和热红外异常分布特征关系中可以看出,大部分余震发生的位置与主震发生前热红外异常的位置具有一致性,都在主震发震的构造带附近,余震主要分布在出现热异常的构造带附近,因此可以看出研究区震后余震分布与地震构造、热异常分布相关。

同地区震例对比研究结果表明,伽师—阿图什交界5.8级和伽师5.5级地震震前均出现了较明显的热红异常。这两次同地区地震的热红外异常变化特征有许多相同点,主要表现在相同的峰值距发震时刻时间间隔,异常与震中位置的关系上。伽师—阿图什交界5.8级地震热异常峰值明显高于伽师县5.5级地震,同时热红外异常覆盖面积也有所不同,排除区域地质环境和气象因素的干扰,可能是地震类型和地震前后能量释放差别造成的。从比较结果来看,两次地震的峰值距发震时刻的时间间隔相同,该参量或可为地震热红外异常特征的归纳提供典型的参考信息,为未来建立区域热异常统计模型积累可靠的判定依据。本次使用的分析方法可以检测出地震前后热异常变化验证了此分析方法的适用性和地震判别方面的作用。