2021年8月26日阿克塞....5地震热红外亮温异常研究_张桉赫.pdf

文章编号:1001-8956(2023)02-0137-08中图分类号:P3157文献标识码:A2021 年 8 月 26 日阿克塞 MS55 地震热红外亮温异常研究张桉赫，李越帅(新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)摘要:基于相对功率谱方法分析 2021 年 8 月 26 日阿克塞 MS55 地震前红外亮温相对功率谱时空演化特征。结果表明:阿克塞 MS55 地震前震中西侧出现明显亮温相对功率谱增强，增强区域沿阿尔金断裂与柴达木北缘断裂分布，持续大约 1 个月后消失，地震在异常消失 8 d 后发生。相对功率谱值呈现上升下降再上升再下降的变化过程，地震在功率谱值回落之后发生。根据震例统计结果显示，2008 年以来新疆地区共有 15 次热红外亮温异常，热红外异常出现后 3 个月内，在异常区周边及附近 250 km 范围内发生 7 组 MS50 地震，且异常面积与对应地震震级存在正相关关系。关键词:阿克塞 MS55 地震;热红外亮温;相对功率谱doi:1016256/jissn1001-8956202302003地震是世界上破坏性最强的自然灾害之一，地震前兆信息的提取和地震预测研究始终是研究的难点1-2。随着卫星遥感技术的快速发展，大尺度、全天候、高分辨率的海量卫星遥感资料为地震预测研究提供了机会。地震前卫星热红外异常首先由前苏联科学家 Gorny 等3 在1984 年加兹利地震前发现，之后地震热异常迅速成为地震和遥感交叉领域的研究热点4。岩石力学实验研究表明5-6，机械能能够直接激发固体物质分子的振动态能级之间跃迁，物理变形会导致温度场变化，这为用卫星红外遥感观测地壳表层应力场分布并预测地震奠定了理论基础。中国关于地震热异常的研究开始于 20 世纪 80 年代末7-8。吕琪琦等9 发现张北地震前出现过较大范围的热红外温度异常，且异常与区域性构造背景有一定关联性。荆凤等10 通过研究玉树 MS71 地震前后甘孜玉树断裂带的亮温演化特征，指出断裂带亮温的显著变化对构造活动有一定指示作用。张铁宝等11 回顾汶川 MS80 地震和庐山 MS70 地震时发现，2次地震前巴颜喀拉块体东段均有红外亮温升温异常。张元生等12 提出了使用相对功率谱方法对热红外亮温数据进行处理。相关研究表明在 2 次于田 MS73 地震、米林 MS69 地震、皮山MS65 地震、松原 MS57 地震和聂荣 MS51 地震前震中附近均出现了相对能谱值超出背景值的异常现象13-18。据中国地震台网测定，北京时间 2021 年 8 月 26 日 7 时 38 分，甘肃酒泉市阿克塞县(9550E，3888N)发生 MS55 地震，震源深度 15 km。本文中使用热红外相对功率谱方法对第37卷第2期2023年6月内陆地震INLANDEATHQUAKEVol37No2Jun2023收稿日期:2021-12-16;修回日期:2022-02-11课题项目:新疆地震科学基金项目(202206);新疆地震科学基金任务类专项(2022WL02);自治区重点研发子课题(2020B030063);新疆维吾尔自治区自然基金特培项目(2022D03031)作者简介:张桉赫(1993 )，男，工程师，硕士，2019 年毕业于新疆大学地理学专业，主要从事地震分析预报工作E-mail:626394366 qqcom阿克塞 MS55 地震前卫星热红外数据时空演化过程进行研究。相关研究结果对于地球物理观测台站密度较为稀疏的新疆地区有重要意义19。通过新疆地区热红外亮温异常震例梳理，总结异常与地震之间的关系，是对新疆地区现有地震预报方法的一种补充。1数据源与研究方法11数据源阿克塞县隶属甘肃省酒泉市，位于甘肃河西走廊西陲，青藏高原北缘，属大陆性干旱气候，平均海拔 2 800 m(图 1)。阿克塞县属塔里木地台敦煌地块与柴达木祁连板块结合带，区域褶皱构造发育，其中阿尔金古陆边缘地块构成基底，由线状褶皱组成;断裂构造主要为阿尔金大断裂及伴生断裂，具有韧性韧脆性特征20-21。1900 年以来，震中 100 km 范围内发生了7 次 MS50 地震(MS60 地震 1 次)，最大地震为 1951 年 12 月 27 日肃北 MS60 地震。本文中使用中国静止气象卫星风云二号 G 星(FY-2G 卫星)的红外遥感亮温产品作为数据源。FY-2G 卫星于 2014 年 12 月 31 日成功发射，2015 年 1 月 6 日定点于东经 995赤道上空，2015 年 6 月 1 日，FY-2G 卫星漂移至东经 105，取代超期服役的 E 星成为主业务卫星。FY-2G 搭载的扫描辐射计包括 1 个可见光和 4 个红外通道，可实现每小时或每半小时获取覆盖地球表面约 333%的全圆盘图像。红外波段分布分别为 103 113 m 和 115 125m22。为避免由于太阳照射导致的地表温度升高对观测数据的干扰，选取北京时间 01:0005:00(GMT17:0021:00)时间段 5 次观测数据进行分析。12小波变换小波变换作为一种分析非稳态信号的有效方法，在地球物理学和地震学中有广泛应用23。有限时间序列的小波变换公式，Wf(a，b)=(1/af(t)(t b)/a)d t(1)式中:f(t)为原始信号;Wf(a，b)为小波变换后的各频段分量;a 为尺度因子，控制小波函数的伸缩，对应于变量的频率;b 为时间平移因子，控制小波函数的平移;(1/a)(tb)/a)为小波母函数，本文中使用 Daubechies 小波系中的 db8 小波基对亮温数据进行小波变换处理24。去除小波 7 阶的低频部分用于消除地球基本温度场、年变温度场和地形的影响;去除小波 2 阶的高频部分用于消除天气变化引起的短时温度变化;最后将小波 2 阶的低频部分减去小波 7阶的低频得到亮温相对变化波形数据。13功率谱估计与相对处理功率谱估算法参考 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，最后计算各段功率谱的均值25，Px()=1LLi=11MUM1n=0 xi(n)(n)ejn2，t=1，l(2)式中:U=1MM1n=02(n)为归一化因子;(n)为窗函数;Px()为功率谱均值。831内陆地震37 卷图 1阿克塞地震相对功率谱异常时空演化(a)2021-07-19(b)2021-07-22(c)2021-07-25(d)2021-07-28(e)2021-07-31(f)2021-08-03(g)2021-08-06(h)2021-08-09(i)2021-08-12(j)2021-08-15(k)2021-08-18Fig1Spatio-temporal evolution of relative power spectrum for Akesai earthquake对亮温数据经小波变换后再计算功率谱，以 64 d 为窗长、1 d 为步长进行快速傅里叶变换，可以得到每个像元的 1 组功率谱，再对其进行幅值的相对处理，得到各像元的相对功率谱值12，Aik=1llj=1Wijk，(i=1，2，n;k=1，2，m)(3)9312 期张桉赫等:2021 年 8 月 26 日阿克塞 MS55 地震热红外亮温异常研究ijk=Wijk/Aik，(i=1，2，n;j=1，2，l;k=1，2，m)(4)式中:n 为像元总数;m 是频率点个数;l 为时间序列数据总数;Wijk为第 i 像元第 j 天第 k 频率的功率谱幅值。Aik为第 i 像元第 k 频率在统计时间长度 l 内的平均功率谱幅值，第 i 像元第 j天第 k 频率的功率谱相对变化幅值由公式(4)计算。以上计算过程由 FIXSATELLITE 软件完成。2结果与分析21地震热红外异常时空演化过程分析通过上述方法对红外遥感亮温产品进行处理后，可得到研究区域亮温相对功率谱图像。但是，所得到的相对功率谱图像往往会存在离散的高值异常点，这些高值异常点通常为与地震无关的噪声。为了更好地提取与构造活动和地震有关的异常信息，根据前人的研究结果15，将以下 4 条判别标准作为判定亮温相对功率谱异常的条件:(1)相对功率谱异常区域需聚集成一定的规模，零星的高值点不作为异常;(2)相对功率谱高值需至少持续 20 d 以上;(3)相对功率谱异常区域需分布在活动断裂带附近并沿断裂发展;(4)相对功率谱值需达到其年均功率谱幅值 4 倍以上。从图 1 可以看出，阿克塞 MS55 地震前，震中西侧出现过明显的热红外亮温相对功率谱异常。相对功率谱增强开始于 2021 年 7 月 19 日，首先在阿尔金断裂带与柴达木北缘断裂带交汇处出现离散高值点，随后离散高值点逐渐扩大，7 月 25 日汇聚成高值异常区，并沿阿尔金断裂带呈 NE 向分布。此后，异常区域沿阿尔金断裂带延伸拓展，面积持续扩大，并在 8 月 6 日左右面积达到峰值，大约为104km2。随后异常区面积不断减小，并在8 月18 日完全消失。8 d后，在距离异常区大约 80 km 处发生 8 月 26 日甘肃阿克塞 MS55 地震。22亮温相对功率谱平均值时间变化特征热红外异常区域平均亮温时序曲线通常可以反映地震异常时间信息，为了分析阿克塞MS55 地震前热红外亮温功率谱的变化过程，以异常区域为中心，取0505区域日均亮温相对功率谱值进行研究，做出其时间变化序列图(图 2)。2018 年 1 月至 2021 年 5 月，在 2018 年图 2阿克塞地震相对功率谱时序曲线Fig2Time-series curve of relative power spectrumfor Akesai earthquake和 2019 年出现过 2 次短暂高值过程，但这一区域附近并未发生 MS50 地震，其他时间幅值均在 4 倍以下正常背景值。而从 2021 年 5 月开始，异常区附近相对功率谱幅值先出现一个短暂上升又回落的过程，回落结束后相对功率谱幅值迅速上升并超过 4 倍正常背景值，并于 7 月 21 日达到 796 倍的最高值，然后波动下降至 4 倍正常背景值以下，整个异常过程大约持续 30 d。在高值异常结束后即发生了 8 月 26 日甘肃阿克塞MS55 地震，该变化过程与图 2 反映出的041内陆地震37 卷亮温相对功率谱时空演化过程基本一致。23历史震例分析根据以往对热红外亮温相对功率谱异常的分析，其对新疆及周边地区 MS65 强震具有一定指示意义，其对应关系见表 1。2008 年以来，新疆及周边地区共发生 MS65 地震 7 次，4次地震前震中附近区域出现热红外亮温相对功率谱异常。图 3震级与异常面积的关系Fig3elationship between magnitudeand anomalous area由于阿克塞 MS55 地震前震中附近出现了显著热红外亮温相对功率谱异常，因此梳理2008 年以来满足异常判定标准的相对功率谱异常(表 2)。2008 年以来，新疆共出现 15 次热红外亮温相当功率谱异常，其中 7 组在异常发展过程中或异常结束后发生 MS50 地震，对应率为 47%，最大地震为 2008 年 3 月 21 日于田 MS73 地震。对应的 7 组 14 次地震中，8次地震发生在异常开始 3 个月内，6 次地震发生在异常结束后 2 个月内。为进一步判定异常发生后地震可能的发生位置，统计地震发震位置与异常区域面积的距离(0 表示发震位置位于异常区的内部或边缘)，14 个地震中仅有5 个地震发生在异常区域的内部或边缘，其余9 个地震多发生在异常区周边 250 km 以内。因此，热红外亮温相对功率谱出现异常后，优势发震地点位于异常区周边 250 km 范围内。为分析异常面积大小与对应地震震级的关系，将异常面积与震级大小做散点图，结果如图3 所示。热红外亮温相对功率谱异常面积与震级大小呈现不显著的正比关系(2=0135 5，P(005)=0532)，y=0006 5x+5628 3(5)虽然异常面积与震级的关系未通过显著性检验，但异常面积对震级大小具有一定的指示意义。表 1热红外亮温功率谱值异常与新疆强震的对应关系序号地震名称发震时间(年-月-日)E/N/震级(MS)震前有无异常异常区域1于田2008-03-217937417273有新疆大部2乌恰2010-10-057404394668无3新源和静2012-06-308480434066有天山中段与喀什乌恰交汇区4于田2014-02-128250361073无5皮山2015-07-037820376065有西昆仑6阿克陶2016-11-257404392767有西昆仑阿尔金地区7精河2017-08-098289442766无1412 期张桉赫等:2021 年 8 月 26 日阿克塞 MS55 地震热红外亮温异常研究表 2新疆热红外亮温功率谱值异常与后续地震对应情况序号异常开始时间(年-月-日)异常结束时间(年-月-日)异常持续时间/d异常面积/104km2对应地震异常开始至发震时间/d异常结束至发震时间/d震中距/km12008-01-262008-04-25901382008-03-21 于田 MS732008-04-20 裕民 MS525585355010022008-05-302008-07-043525无32009-03-012009-03-31304无42009-03-312009-05-154527无52010-03-162010-04-153075无62010-05-302010-07-296010无72011-02-192011-03-162532无82012-04-102012-06-0960172012-06-01 乌恰 MS512012-06-15 轮台 MS542012-06-30 新源和静 MS662012-05-31 吉尔吉斯斯坦 MS5652668151862190200200092013-03-262013-04-2530342013-03-29 昌吉 MS553270102014-03-162014-04-2540138无112015-06-192015-09-0275642015-06-25 托克 MS552015-07-03 皮山 MS652015-08-10 塔吉克斯坦 MS6061452696123020040122016-09-172016-10-2235342016-11-25 阿克陶 MS672016-12-08 呼图壁 MS6269823447250140132017-02-042017-03-265010无142018-07-042018-07-2925122018-08-04 西藏日土 MS50316250152021-07-192021-08-1830102021-08-26 阿克塞 MS55388803结论与讨论热红外亮温相对功率谱方法对于中强地震的发震时间和发震地点具有一定的指示意义，但目前总结的规律都是经验性的，对于地震热红外成因机理的认识还不够完善。植被覆盖、地形地貌、河流水系、岩石导热性等地理因素和天气变化等气候因素均会引起地表热异常，同时，屈春燕等26 还发现山区和盆地边缘的山地逆温现象也会造成亮温异常升高，而通过卫星热红外资料判定地震前兆异常时容易将逆温现象也视为前兆异常。从现有的震例来看，多数地震并未发生在异常区域的内部，而且异常区域也往往并不是沿着活动断裂发展。Yao 等27 通过对全球几次 MS80 强震的热红外异常进行梳理，也发现了类似现象，一种可能的解释就是热红外异常不仅仅指示即将到来的一次地震，也可能是未来某次地震的一个孕震过程。由于岩石的导热率随温度的升高而减小，随压力的增大而增大28，在地壳数千米至数十千米高温高压的环境中，由构造活动引起的额外热量有多少能够传递至地表很难量化。对于油气储量较高和地热资源较为丰富的地区，岩石微破裂产生的地下水汽、CO2和 CH4等逸出的温室气体增多，引起温室效应，地壳内部热传导加强，使地表及底层大气温度显著上升。因此，震前热红外出现异常升高不仅是岩石本身产生的热量，流体也在升温过程中扮演着重要角色。热红外亮温相对功率谱方法虽然已应用十余年，但目前积累的震例还是极为有限的，特别241内陆地震37 卷是震前无异常和有异常无地震现象还较为普遍，也充分说明了地震孕育的复杂性和地震热异常的局限性。今后，不仅要加强物理机理的研究，也还需要持续积累数据，从而提高地震热异常预报方法的准确性。目前，关于地震热异常的研究并未区分不同板块内、不同震源深度、不同震源机制解类型地震发震前热异常的变化，探究这些因素与热异常变化的关系也是今后地震热异常研究的一个方向。本文中分析阿克塞 MS55 地震前震中附近热红外亮温相对功率谱异常，该异常幅值显示为上升下降再上升再下降的变化过程，地震发生在幅值回落之后，其变化过程与亮温相对功率谱时空演化过程基本一致。进一步梳理新疆地区震例，统计结果显示，2008 年以来新疆地区共有 15 次热红外亮温异常，其后 3 个月内，在异常区周边及附近 250 km 范围内发生 7组 MS50 地震，且异常面积与对应地震震级存在正相关关系。本研究表明在有地球物理观测资料的地区，开展热红外亮温监测可以为定点地球物理观测提供补充，而在没有地球物理观测的地区也可以通过热红外亮温分析，分析研判短期地震趋势。参考文献:1马晓静，邓志辉，陈梅花，等 从卫星红外亮温与大地热流的关系看地震前的热红外异常J 地球物理学报，2009，52(11):2 746-2 751 2Saraf A K，Choudhury S Earthquakes And Thermal AnomalieJ Geospatial Today，2003，2(2):18-20 3Gorny V L，Salman A G，Tronin A A The Earth Outgoing I adiation As An Indicator Of Seismic Activity J Proceedingof the Academy of Sciences of the USS，1988，301(1):67-69 4Saraf A K，Choudhury S Satellite Detects Surface Thermal Anomalies Associated With The Algerian Earthquakes Of May 2003 J International Journal of emote Sensing，2005，26(13):2 705-2 713 5尹京苑，房宗绯，钱家栋，等 红外遥感用于地震预测及其物理机理研究J 中国地震，2000，16(2):46-54 6陈顺云，刘力强，刘培洵，等 应力应变与温度响应关系的理论与实验研究J 中国科学(D 辑)，2009，39(10):1 446-1 455 7徐秀登，强祖基，赁常恭 突发性地面增温与临震前兆 以 1988 年澜沧、耿马 76，72 级地震为例J 地震地质，1990，12(3):243-250 8李茂玮，杨忠东 卫星遥感资料在地震预报中的应用研究 J 内陆地震，1996，10(4):296-303 9吕琪琦，丁鉴海，崔承禹 1998 年 1 月 10 日张北 62 级地震前可能的卫星热红外异常现象J 地震学报，2000，22(2):183-188+219 10 荆凤，申旭辉，张铁宝，等 与地震有关的活动断裂带红外辐射变化特征 J 国土资源遥感，2013，25(1):56-60 11 张铁宝，路茜，辛华，等 汶川和芦山地震前后巴颜喀拉地块中东段红外亮温分析 J 中国地震，2015，31(2):344-352 12 张元生，郭晓，钟美娇，等 汶川地震卫星热红外亮温变化J 科学通报，2010，55(10):900-906 13 王在华，张元生，张治广 近年于田 2 次 73 级地震热红外异常特征分析 J 内陆地震，2016，30(2):110-115 14 张丽峰，王培玲，张朋涛，等 2017 年西藏米林 69 级地震前的热红外异常分析J 地震工程学报，2020，42(2):360-367 15 张治广，张元生，王在华2015 年 7 月 3 日皮山 MS65 地震热红外亮温异常分析J高原地震，2019，31(S1):33-39 16 李梦莹，张志宏，孔祥瑞，等 2018 年 5 月 28 日松原 MS57 地震前热红外亮温异常分析J 地震地磁观测与研究，2019，40(5):85-92 17 张丽峰，张朋涛，马茹莹，等 2016 年 12 月 5 日西藏聂荣 MS51 地震前的热红外辐射异常J 内陆地震，2018，32(1):7-11 18 王想，张元生，郭晓利用 FY-2C 资料研究于田 74 级地震前的红外增温异常J内陆地震，2009，23(3):345-350 19 钱才，高歌，张峰，等 2020 年 6 月 26 日于田 MS64 地震前于田垂直摆倾斜异常特征及可靠性分析J 内陆地震，2020，34(3):303-3093412 期张桉赫等:2021 年 8 月 26 日阿克塞 MS55 地震热红外亮温异常研究 20 曹成雁 甘肃省阿克塞县野马泉铅锌矿地质特征及找矿潜力分析 J 世界有色金属，2019，(10):95-96 21 赵彬彬，高歌，李桂荣，等 2020 年6 月26 日新疆于田 MS64 地震前前兆形变异常特征分析 J 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spatiotemporal evolution characteristics of therelative power spectrum of the infrared brightness temperature before Aksai MS55 earthquake on Au-gust 26，2021 The results show that before Aksai MS55 earthquake，there was an obvious increasein the relative power spectrum of the brightness temperature on the west side of the epicenter Theenhanced area was distributed along the Altyn fault and the northern margin of Qaidam fault，whichlasted for about one month and then disappeared，and the anomaly disappeared 8 days after theearthquake occurred The relative power spectrum value presents a changing process of rising-falling-rising-rising-falling again，and the earthquake occurs after the power spectrum value falls back Fur-ther sorting out the thermal infrared brightness temperature anomalies in Xinjiang since 2008，thestatistical results show that within 3 months after the thermal infrared anomaly occurs，seven groupsof earthquakes with MS50 have occurred around and within 250 km of the abnormal area，andthere is a positive correlation between the abnormal area and the corresponding earthquake magni-tudeKey words:Aksai earthquake;Thermal-infrared brightness temperature;elative power spectrum441内陆地震37 卷