2023年积石山6.2级地震热红外异常研究

摘要：应用卫星遥感数据，采用相对功率谱法和均线差值振幅增强比法，提取甘肃积石山6.2级地震前的热红外信息。结果表明，震前存在显著的热红外异常现象。相对功率谱法提取到的热红外异常现象分为两个阶段：（1）在2023年10月以托莱山断裂和冷龙岭断裂交汇处为核心区，出现了沿北东向展布的热红外异常（功率谱最高值超过8）;（2）在2023年11月，冷龙岭断裂和金强河断裂交汇处至日月山断裂和拉脊山断裂交汇处出现了较弱的热红外异常（功率谱最高值不到7），异常的空间演化逐步向震中靠近。均线差值振幅增强比法的计算结果显示出背景性异常的特征，9月在祁连山中东至甘东南段出现了显著的长波辐射异常，两种热红外异常提取方法的结果起到了互相佐证的作用。

关键词：

热红外遥感; 亮度温度; 长波辐射; 地震

中图分类号： P319文献标志码：A文章编号： 1000-0844（2024）04-0880-08

DOI：10.20000/j.1000-0844.20240207001

Thermal infrared anomalies prior to the Jishishan

MS6.2 earthquake in 2023ZHONG Meijiao ZHANG Yuansheng LIAO Hongyue GUO Xiao

（1. Gansu Lanzhou Geophysics National Observation and Research Station， Lanzhou 730000， Gansu， China;

2. Xi'an Earthquake Agency， Xi'an 710021， Shaanxi， China）Abstract：

Based on the satellite remote sensing data， the thermal infrared information before the Jishishan MS6.2 earthquake in Gansu Province was extracted using the relative power spectrum and mean-line difference amplitude enhancement-ratio methods. Results show the presence of considerable thermal infrared anomalies before the earthquake. Two stages of thermal infrared anomalies extracted from the relative power spectrum are available： （1） in October 2023， the NE-trending thermal infrared anomaly was concentrated in the intersection of Tuolaishan and Lenglongling faults （the maximum value of power spectrum is more than 8）. （2） In November 2023， a weak thermal infrared anomaly （the maximum power spectrum value is less than 7） emerged from the intersection of the Lenglongling and Jinqianghe faults to the intersection of the Riyueshan and Lajishan faults. The thermal infrared anomalies gradually approached the epicenter. The calculation results of the mean-line difference amplitude enhancement-ratio method show the characteristics of background anomalies： in September， the anomaly of outgoing longwave radiation occurred from the eastern section of the Qilian Mountains to the southeast of Gansu Province. The two methods for extracting thermal infrared anomalies serve as complementary pieces of evidence.

Keywords：thermal infrared remote sensing; brightness temperature; outgoing longwave radiation; earthquake

0引言

地震预报经过多年的发展，通过采用多学科、多手段的观测数据分析，已经能对长期和中期的地震危险性有大致的预判，但是短期甚至临震的预报依然是世界性难题。已有研究表明，地壳构造在能量的积累和释放过程中（如地震），会伴随着地面热红外辐射的异常变化。地壳结构可以与地面热红外辐射的变化相耦合，而热红外辐射常在地震前的短临阶段出现异常［1-6］。对发现的这些地震热红外异常现象，学者们展开了相关的研究，提出了多种假说，如气热说、应力致热说、地下热传导说、断层蠕动摩擦生热说等［7-10］。

地震热异常信息的提取方法已从最初的卫星图像目视解译法，发展到差值分析、信号分析和背景场分析等多种方法［11-14］。张元生等［15］、郭晓等［16］对2008年汶川8级特大地震进行研究时发现，大地震之前存在明显的热辐射异常，提出了相对功率谱法，采用该方法开展的相关研究表明，大量中、强地震前均存在不同程度的热辐射异常。Zhong等［17］、贾雪璨等［18］使用相对功率谱法，从风云2号卫星的长波辐射（Outgoing Longwave Radiation，OLR）、中波辐射、亮度温度等观测资料中，都提取到了与九寨沟7级地震有关的热异常。异常的主要分布区域均位于与断层相同的区域，即采用同一种计算方法对同一颗卫星的不同观测数据进行对比研究，印证了地震热红外异常。廖洪月等［19］提出了均线差值振幅增强比法，并使用该方法检测到汶川8级、芦山7级和九寨沟7级等地震前均出现了热红外异常现象（异常峰值之后发生地震），初步显示出该方法的有效性。

据中国地震台网测定，北京时间2023年12月18日23时59分，在甘肃临夏州积石山县（35.70°N，102.79°E）发生了6.2级地震，震源深度约10 km，该次地震震中距离拉脊山北缘断裂约3 km。王世广等［20］研究表明，积石山6.2级地震的最佳双力偶解节面Ⅰ走向为302°，倾角为58°，滑动角为45°;节面Ⅱ走向为184°，倾角为53°，滑动角为138°;震源机制解为逆冲型（图1）。此次地震的人员伤亡较重，引起了社会各界的广泛关注。在对2023年积石山6.2级地震发生前后的震情跟踪过程中，我们发现在积石山6.2级地震前的短临阶段出现了热红外异常现象。在此，尝试采用上述相对功率谱法和均线差值振幅增强比法对提取到的异常时空演化特征进行对比分析，以探讨此次地震前客观存在的热红外异常现象，为未来震情判断提供参考。

1数据和方法

在使用相对功率谱法进行计算时，采用的是中国静止气象卫星风云二号（FY-2G）的夜间亮度温度数据。FY-2G卫星于2014年发射，获取的亮温数据空间分辨率为5 km，数据波段为10.3～11.3 μm，主要覆盖了中国大陆及周缘的范围，平均1 h产出1个观测值。相对功率谱法［15-16］的主要计算步骤如下：（1）采用Daubechies（dbN）小波系中的db8小波基对数据进行小波变换处理。应用小波变换可以去除地球基本温度场和年变温度场，即舍去小波7阶的尺度部分。由于雨云和寒热气流引起的温度变化时间较短，一般为几时至几天，经小波变换可基本去除这些影响因素，即舍去小波2阶的细节部分。对研究中的每个像元均进行这两种小波尺度的舍去处理。（2）采用功率谱估计法对数据进行全时空分析。功率谱估算法参考Welch算法，对N个长度的数据进行分段，再对每段数据加窗进行快速傅里叶变换，以获得时频空间数据。（3）对每一像元的所有频率的功率谱作相对幅值处理，生成功率谱的相对时频变化空间数据。

在使用均线差值振幅增强比法进行计算时，采用的是美国国家海洋与大气管理局的CBO-V1型全球长波辐射数据产品，该数据产品融合了多种数据研发并计算出来的结果，数据的空间分辨率为27 km，每天产出1个数据产品。均线差值振幅增强比法［19］的主要计算步骤如下：（1）计算长波辐射年均值;（2）计算当天和年均线差值;（3）当天差值振幅计算;（4）历史差值平均振幅计算;（5）计算当天的差值振幅值与平均振幅值之差，再与平均振幅值相比，得到差值振幅增大倍数。将上述步骤分别用长周期（1 a）和短周期（40 d）计算，再提取共同异常区，则得到均线差值振幅增强比法热红外异常区。

2热红外异常

2.1相对功率谱法异常结果

应用前述相对功率谱法进行了热红外异常的提取，计算得到的周期［21-22］分别为64 d、32 d、21 d、16 d、13 d、11 d、9 d…。其中在周期为11 d和13 d的计算结果中扫描到了热红外的异常增强，其他周期的计算结果中并未扫描到异常。结果显示，积石山6.2级地震前出现了两个阶段的热红外异常，地震发生在热红外异常区的边缘处。

第1阶段：在周期为13 d的结果中，从2023年10月初开始，以托莱山断裂和冷龙岭断裂交汇处为核心区（即热红外异常持续时间最久，异常幅度最显著的区域），出现了沿北东向展布的热红外异常（图2，图3）。10月25日的峰值异常分布在约430 km×430 km的范围内，异常持续约1个月，异常核心区的功率谱（0.1°×0.1°的均值）最高值超过8［图4（a）］。

第2阶段：在周期为11 d的结果中，从2023年11月初开始，在冷龙岭断裂和金强河断裂交汇处至日月山断裂和拉脊山断裂交汇处出现异常（图3），异常持续时间约为半个月，此次异常核心区的功率谱最高值不到7［图4（b）］。与周期13 d提取到的10月异常相比，周期11 d的11月热红外异常较弱（异常的空间分布面积较小，最大异常分布区域约为200 km×300 km，同时异常核心区的功率谱最高值也较低）。

2.2均线差值振幅增强比法异常结果

采用均线差值振幅增强比法的计算结果显示（图5），2023年8月下旬开始，在震中的北偏东方向开始出现长波辐射的增强，并逐渐扩展至以拉脊山断裂带为中心600 km×400 km的区域内。显著的长波辐射异常增强至9月中旬后开始衰减，直至9月下旬在震中西侧仍有较弱的异常。地震发生在异常区域的中间位置。

提取了震中所在格网的计算值，为更好地显示异常，将计算值放大至立方倍数，并绘制于图6中。时间序列显示长周期（1 a）和短周期（40 d）的长波辐射均在8月下旬开始出现异常，峰值分别出现在2023年9月8日和9月9日，至10月上旬恢复正常，异常持续约1.5个月，两种周期的异常时间接近（图6）。

与前述相对功率谱法的计算结果对比，用均线差值振幅增强比法提取到的长波辐射异常出现时间更早，约提前1.5个月，异常的空间展布区域更大，最大面积约为功率谱法所得结果的1.3倍。

3结论和讨论

本文采用相对功率谱法和均线差值振幅增强比法，分别对风云2号静止卫星亮温数据和美国国家海洋与大气管理局的全球长波辐射数据进行反演计算，研究发现在此次积石山6.2级地震前出现了显著的热红外异常。

（1） 在均线差值振幅增强比法的计算结果中，热红外异常出现较早，长短周期的异常峰值分别出现在9月8日和9日，主要分布在600 km×400 km的区域内，地震发生在异常区的中部。图6长波辐射（OLR）时序曲线图

Fig.6OLR time series curve（2） 采用相对功率谱法提取到异常的第1阶段峰值出现在10月25日，主要分布在430 km×430 km的区域内，地震发生在异常区的边缘。相比第1阶段，第2阶段的热红外异常强度较弱，主要分布在200 km×300 km的区域内，异常展布范围进一步缩小，逐步逼近发震位置。

（3） 综合两种方法的热红外异常提取结果，震前热红外异常共呈现三个阶段，即2023年9月—10月—11月。随着发震时间的逼近，这三个阶段的热红外异常空间范围逐步缩小，异常的空间演化逐步逼近震中位置。在热红外异常消失约10 d后发生了积石山6.2级地震，这与过去较多的研究结果中地震通常发生在热红外异常恢复期一致。

对比两种计算方法，均线差值振幅增强比法的原理为40 d周期和1 a周期的叠加提取，计算的结果也显示出了热红外异常背景性的特征：异常峰值较相对功率谱法的计算结果提前约40 d出现，热红外异常的空间展布区域也较大;而相对功率谱法的计算结果更能体现热红外异常的细节信息，能找到临震阶段的较微弱异常。两种方法提取的结果互相印证了在积石山6.2级地震前的短临阶段，在祁连山中东段至甘东南地区的确出现了显著的热红外异常现象。

此次地震的热红外异常发展过程中，可以看到热红外异常的分布与关键构造（如拉脊山断裂带或多条断层的交汇处）密切相关。今后对热红外异常和震中位置、发震机制相关性的更精细研究应当成为工作重点，也许能成为地震预测中对发震地点判断的重要突破口。通过本研究，认为使用不同的数据和不同的计算方法，可以互相佐证震前客观存在的热红外异常现象，对时空演化的更深入研究应当可以为震情跟踪提供未来震中位置判断的参考。参考文献（References）

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（本文编辑：任栋）