腾冲地区潜热通量与周围地区地震活动的相关性

陈梅花 邓志辉 梁琦珍 丁留伟 陶京玲

1)浙江师范大学，金华 321004

2)广东省地震局，广州 510070

3)中国地震局地质研究所，北京 100029

0 引言

震前潜热通量异常是近10年才被发现的一种重要的热异常信息，和震前红外异常一样，地震前的潜热通量异常信息也可以利用卫星遥感技术获取。潜热通量，主要是由于水的相变所引起的，比如凝结、蒸发、融化等过程需要吸收或释放的热量，它反映了地球表面和大气之间的水分、热量交换，是地表能量释放方式的一种。地表的能量释放方式包括感热交换、潜热交换和辐射3种，就全球而言，感热交换所占份额仅14%，地表辐射出的能量占41%，地震前表现出的红外遥感异常就来自这一部分能量释放，而潜热释放的能量占45%，可见潜热交换是地球表面最主要的能量释放方式。Singh等(2001，2007)和Dey等(2003)利用卫星遥感资料研究强地震前后的SLHF变化，发现沿海地区强震前普遍存在潜热通量异常。

陈梅花等(2006，2011)对强地震前后的潜热通量进行研究，发现2004年12月26日印度尼西亚9.0级地震和2010年2月27日智利8.8级等沿海地震前出现了显著的潜热通量异常，同时发现这种震前SLHF异常并不局限于沿海地区，在内陆地区，如果震中附近水体较多或土壤富含水分，地震前也可能出现SLHF异常，如2005年11月26日九江5.7级地震(陈梅花等，2007)和2008年5月12日汶川8.0级地震(严研等，2008)。

李金平等(2008)和Qin等(2009)对中国内陆地震进行研究，发现一些震例前也存在SLHF异常，且SLHF分布与区域内的主要活动构造带走向一致。Cervone等(2005)运用小波变换的方法分析了地震前后的SLHF时间序列特征及其与地震的关系;Nikitas等(2006)讨论了SLHF时间序列的多重分形特征及其在地震监测预警中的意义;秦凯等(2011)对地震前SLHF进行多方面的分析研究，包括分析历史数据、对比背景像元、进行小波变换等，发现2010年新西兰MS7.1地震前出现了显著的SLHF异常。

上述结果是国内外学者针对一些强地震前SLHF异常进行的研究，总体上说，当震中附近有浅水体或富含水分的土壤时，强地震前可出现潜热通量异常，同时，不同构造部位的异常表现往往存在差异，一些特殊构造部位不但在其附近发生地震前出现SLHF异常，而且对周边较远的强地震前也会发生异常反应。对特殊构造部位的异常动态规律进行研究，对于把握区域地震活动趋势和研究异常产生机理都具有重要意义。云南腾冲是一个典型的特殊构造部位，本文将以该地区为例，对其周围2000年以来6.4级以上地震进行分析，研究这些地震前后腾冲地区的潜热通量的变化情况，分析特殊构造部位对周边不同地震的响应特征。

1 腾冲地区构造特征

腾冲地区位于喜马拉雅东构造结的南部，是中国大陆上最年轻的火山区之一。大约70座大小不一的火山分布在以腾冲为中心的张裂盆地内。腾冲地区岩浆活动频繁，岩类复杂，出露面积约2760km2。

腾冲地区附近的主要断裂包括腾冲断裂、高黎贡断裂、怒江断裂、大盈江断裂和龙陵断裂等(图1)。自上新世以来，腾冲地区的火山活动持续发生，根据其年代特征可大致分为4个主要阶段，历史记载的最近一次喷发为全新世时期。

腾冲地区水热活动主要分布在腾冲－陇川、槟榔江、苏典－昔马等水热活动带，空间分布广，EW向约100km，SN向约200km。区内共有温泉、热泉124处。其中，温度高于95℃ 的沸泉6处，最具代表性的当属热海大滚锅;45～95℃的中高、中温热泉75处;25～45℃低温温泉43处。热海地热区是腾冲地区现代地热流体活动最强烈的地区，总面积约10km2。区内沸泉、喷沸泉、间歇喷泉、水热爆炸、高温喷气孔和地面冒气等最强烈的水热活动形式均有出露(上官志冠等，2004)。

2 腾冲地区潜热通量背景

本文所用的潜热通量资料来自美国气象环境预报中心和美国国家大气研究中心(NCEP)。NCEP采用了最先进的全球资料同化系统，建立了非常完善的数据库，对多种来源的观测资料(地面、船舶、无线电探空、测风气球、飞机、卫星等)进行质量控制和同化处理后，获得了一套完整的诊断资料集(Kistler et al.，2001)，数据集包括了1948年至今的完整数据，其中1979年以后卫星遥感数据在诊断系统中开始大量应用，NCEP利用的卫星资料见表1，考虑到数据的一致性，本研究仅选用1980—2011年区间共32a的数据。

表1 NCEP利用的卫星资料Table1 Satellite sounder data used in NCEP reanalysis

计算潜热通量所需要的几个关键的变量分别是风速、地表温度以及地表和大气的比湿。风速可通过ERS－2、NSCAT和SSM/I的观测数据计算得到，地表温度由NOAA卫星AVHRR的观测数据反演得到，可用于计算地气界面的湿度，地表大气的比湿则可从微波辐射计的观测数据计算得到。

为了得到研究区范围内的潜热通量背景，本文计算了研究区1980—2011年共32a的多年平均值分布(图2)以及腾冲地区潜热通量多年平均的年变曲线(图3)。

从图2可见，研究区潜热通量多年平均值为30～120W/m2，空间分布主要受纬度和高程控制，大体上由南向北逐渐降低。由于研究区地形自东南向西北逐渐抬高，潜热通量平均值也出现由东南向西北逐渐递减的趋势，另外由于受高山的遮挡，东南暖湿气流运动受阻，所以缅甸东部和云南西部的潜热通量背景普遍比同纬度地区低。腾冲地区刚好位于潜热通量相对低的地区，受东南暖湿气流影响相对较小。

图2 腾冲及其周围地区多年平均SLHF分布Fig.2 Spatial distribution of annual mean SLHF in Tengchong and its surrounding areas.

图3 腾冲地区多年平均SLHF年变曲线Fig.3 Curve of the annual variation of SLHF in Tengchong region.

图3是腾冲地区多年平均潜热通量的年变曲线(实线)，为了对比，图中还增加了云南东部东川地区的多年平均年变曲线(虚线)。从曲线图可以发现，腾冲地区潜热通量全年都比东川低，主要原因是云南东部的东川地区海拔比腾冲地区略低。从图中还可以看到，每年12月到次年3月，潜热通量都比较低，基本低于40W/m2，3月中旬开始快速上升，6月达到最大，7—8月保持平稳的高值状态，9月开始下降。潜热通量年变特征与当地气候有关，腾冲周围地区干湿季分明，每年的11月至第2年的4月是干季，所以潜热通量值比较低，5—10月是湿季，一般来说，湿季占全年降雨量的80%以上。

3 腾冲地区潜热通量对周围震例的响应

腾冲地区是一个构造活动强烈、潜热通量异常反应灵敏的地区。本研究以川滇地区2000年以来6.4级以上地震为例，研究了腾冲地区潜热通量在这些震例前后的变化特征。震例的空间分布见图4。表2给出了上述震例的相关参数。

3.1 2000年1月15日姚安6.5级地震

姚安6.5级强震发生于2000年1月15日云南省姚安县境内。震中位于川滇块体中南部，震前曾发生红外温度异常(陈梅花等，2007)。

图5为1999年10月至2000年1月31日姚安6.5级地震前后腾冲地区潜热通量变化曲线。从图中可见，腾冲地区在姚安地震前1个半月出现潜热通量异常(图5)，1999年12月4—17日潜热通量超过最大参考值，异常状态持续2周。由于天气的影响，姚安地震前也有2天(11月19日和29日)潜热通量超出最大参考值。

图4 2000年以来川滇地区6.4级以上地震分布Fig.4 Spatial distribution of the earthquakes(MS≥ 6.4)in the Sichuan-Yunnan region since 2000.

3.2 2007年6月3日宁洱6.4级地震

2007年6月3日云南省宁洱县发生6.4级地震，宏观震中位于宁洱县城南约3km，极震区包含宁洱县城区(地震烈度Ⅷ度)及其周边山区。地震断层为NW向的走滑断层，即宁洱断裂般海断层段，震源深度＜10km。宁洱地震的动力被认为是来源于印度板块的向北推挤使青藏高原向东滑移，在滇西南地区转化为向SEE方向的挤出，使宁洱附近网络状的NW向断裂发生右旋活动，NE向断裂发生左旋活动(杨晓平等，2008)。

图6为2007年3—6月31日宁洱6.4级地震前后腾冲地区潜热通量变化曲线。从图中不难看出，2007年5月21日至6月4日潜热通量日值超过最大参考值，表现出异常状态，持续2周左右。此前在4月中旬至5月初潜热通量也有几次超出最大参考值，但持续时间比较短，量级也不大，可能是天气变化引起的。

3.3 2008年5月12日汶川8.0级地震

2008年5月12日四川汶川地区发生MS8.0地震，该地震发生于四川西北高原的东侧边缘的龙门山逆冲断裂带上，是青藏高原地壳物质的缓慢东向移动与四川盆地和华南地块坚硬地壳相互作用的结果。此次汶川大地震在中央断裂带形成了200多km长的地表破裂带;在前山断裂也发生了破裂，形成的地表破裂带长度超过60km(张培震等，2008)。地表破裂以兼有右旋走滑分量的逆断层型破裂为主。

表2 2000年以来川滇地区6.4级以上地震参数Table2 Parameters of the earthquakes(MS≥6.4)in the Sichuan-Yunnan region since 2000

图5 2000年1月15日姚安6.5级地震前后腾冲地区潜热通量变化曲线Fig.5 Curve of the SLHF from October 1999 to January 2000 in Tengchong region before and after the MS6.5 Yao'an earthquake on Jan.15，2000.

图6 2007年6月3日宁洱6.4级地震前后腾冲地区潜热通量变化曲线Fig.6 Curve of the SLHF from March to June 2007 in Tengchong region before and after the MS6.4 Ning'er earthquake on Jun.3，2007.

图7为2007年12月至2008年5月31日汶川MS8.0地震前后腾冲地区潜热通量变化曲线。图中显示，从2008年1月下旬至3月上旬潜热通量日值超过最大参考值，表现出多次显著异常，最长持续时间达到10d左右;然后平静近2个月，4月底潜热通量再次发生异常，不久便发生了8级地震。

图7 2008年5月12日汶川8级地震前后腾冲地区潜热通量变化曲线Fig.7 Curve of the SLHF from December 2007 to May 2008 in Tengchong region before and after the MS8.0 Wenchuan earthquake on May 12，2008.

3.4 2011年3月24日缅甸7级地震

2011年3月24日，缅甸发生7.2级地震，距离中国云南省勐海县中缅边境直线距离不足80km，震区地处掸泰地块(Shan－Thai)的北部，主要发育NE向及NW向2组断裂。震中附近出露大片加里东期和海西期花岗岩，主要发育的NE向断裂为尚岗断裂、勐腊－岔河断裂、勐龙断裂、打洛－景洪断裂、孟连－澜沧断裂，这些断裂都具有左旋性质。本次地震发生于勐腊－岔河断裂与NW向断裂的交会区。该区断裂构造又与云南构造相连，与滇西南为同一构造体系(钱晓东等，2011)。

图8为2011年1月至4月31日缅甸7级地震前后腾冲地区潜热通量变化曲线。从图中可见，2011年3月14—26日潜热通量日值超过最大参考值表现出显著的异常状态，并持续2周左右。1月中旬，潜热通量2次超过最大参考值，但持续时间均不超过3d，可认为是天气变化所致。

图8 2011年3月24日缅甸7级地震前后腾冲地区潜热通量变化曲线Fig.8 Curve of the SLHF from February to April 2011 in Tengchong region before and after the MS7.0 Myanmar earthquake on March 24，2011.

3.5 2013年4月20日芦山7级地震

2013年4月20日雅安芦山县发生7级地震，震源深度13km(中国地震台网中心网站)，这一次地震位于龙门山断裂段的南端，为逆冲兼走滑型地震，从余震的分布以及同震位移模拟计算推测此次地震为单侧破裂，破裂方向为SW向，破裂长度65km，距汶川地震主震87km，此次芦山7.0地震，可以视为龙门山断裂带不同段的应力积累释放的结果(中国地震信息网，雅安市芦山7.0地震初步分析，张晁军等)。

图9反映了2013年4月20日芦山7级地震前后潜热通量变化情况，2012年12月至2013年3月初，潜热通量一直处于低值状态，3月8—14日出现显著的潜热通量异常，持续7d，之后又频繁出现短期的高值异常，地震发生后潜热通量下降到平均值左右。这次芦山地震前潜热通量异常的形态和汶川地震比较相似，只是，这次地震异常发生时间为地震前1个半月左右，距离地震发生时间更短。

图5～9为上述震例发震前后腾冲地区潜热通量异常的变化情况，图中添加了2条参考曲线:一条是平均值曲线，它是32a潜热通量的平均值，该曲线代表了各像素点每天的潜热通量的基本背景;另一条是最大值参考曲线，它是由上述32a同日潜热通量平均值与其1.5倍标准差之和，被认为是该像素点在正常情况下各天潜热通量受噪音干扰所能达到的最大幅值(Dey et al.，2003)。

图9 2013年4月20日芦山7级地震前后腾冲地区潜热通量变化曲线Fig.9 Curve of the SLHF from December 2012 to April 2013 in Tengchong region before and after the MS7.0 Lushan earthquake on Apr.20，2013.

4 结语

从上述分析可以看到，在川滇及其周围地区大多数强地震前，腾冲地区潜热通量都有显著的异常表现，异常幅值和震级有关，震级越大，异常表现越强，比如芦山7.0级地震、缅甸7.0级地震和汶川MS8.0地震前，腾冲地区潜热通量异常幅度很大，远远超过最大参考值，而姚安6.5级地震和宁洱6.4级地震前异常幅度就相对小一些。异常出现时间基本上都在震前1个半月以内，汶川地震前异常出现较早，发生在震前2个月之前，这可能与汶川地震震级高，范围大，失稳协同时间长有关。

地震前的潜热通量异常产生的原因，是由于地震前地震能量的集中转移可对一定区域范围的应力、应变场产生影响，深部热流体最敏感，可沿着裂隙上升到地表，其结果是:一方面，热量增加，加速地表水或土壤水发生相变，导致潜热通量变化;另一方面，地下气体(包括水汽)可直接溢出地表，引起大气出现潜热通量异常。因此，地震前潜热通量异常与震中及附近地区热流体的活动和裂隙的存在密切相关。梅世蓉(1995)、车用太(2000)、张永仙(1999)等的研究认为在孕震过程的中短期阶段，由于孕震区岩体产生扩容，并且裂隙不断扩展，为深部热物质的运动创造了条件。张永仙(1999)的三维热应力模拟显示，震源深处的温度正异常区可在地壳浅部产生张性热应力区，该张性区的范围是温度正异常区的十几倍，在地壳浅层可能产生一些张性裂隙。即使是在压性区，断层走滑运动也可引发拉分构造。应力的变化有利于热流体的运动，当裂隙贯通时，进一步促进高压热流体沿裂隙上涌至地表浅层，引起潜热通量异常。

腾冲地区对周围强地震的潜热通量异常反应，一方面与腾冲地区的活动断裂发育、现今构造变形强烈有关，另一方面可能是由于腾冲地区火山活动强烈，温泉广泛发育，水热交换迅速，对周边构造活动感应灵敏所致。

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