苏门答腊两次M＞8.0地震前后CO和O3卫星遥感气体地球化学异常与地面验证*

孙玉涛，崔月菊，刘永梅，杜建国，张炜斌，张冠亚

0 前言

地球内部存在大量流体，不断进行着排气作用。地球内部释放的气体主要有CO2、CO、CH4、H2S、H2、N2、O2、He、Ar等。气体比液体运移速度快、穿透能力强，对地震孕育的响应更为明显 (King，1986;汪成民，李宣瑚，1991;Du et al，2008)。众多学者应用卫星遥感技术发现了多个与地震有关的CO、O3等气体浓度异常，如在2000年6月6日甘肃景泰MS5.9地震、2000年6月8日缅甸北部MS6.9地震 (姚清林等，2005)、2002年3月31日台湾7.5级地震 (郭广猛等，2006)、2010年4月4日墨西哥下加利福尼亚MW7.2地震 (崔月菊等，2011)、2001年1月26日和2006年3月7日印度古吉拉特 (Gujarat)地震(Ganguly，2011;Singh et al，2010a)、2002 年 11月3日德纳里 (Denali)断层地震 (Singh et al，2007)、2010年 1月 12日海地 (Haiti)地震(Singh et al，2010b)中均发现了地震前后存在CO和O3异常。

2004年12月26日和2005年3月28日印度尼西亚苏门答腊地区发生了两次M＞8.0地震，两次大地震前后震中附近均发现CO和O3气体地球化学异常 (孙玉涛等，2014)。笔者利用大气红外探测仪(Atmospheric Infrared Sounder，AIRS)数据，提取了两次大地震前后全球大气本底观测系统 (GAW)世界温室气体数据中心 (WDCGG)位于印度尼西亚Bukit Koto Tabang(BKT)观测站附近的CO和O3气体地球化学异常信息，用BKT观测站的地面观测数据进行了验证，并与以震中为中心利用卫星遥感数据提取的异常信息进行了对比。

1 数据与方法

1.1 数据

搭载于Aqua卫星平台上的高光谱分辨率传感器AIRS拥有2 378个连续的红外光谱通道 (3.7～15.4μm)以及4个可见光/近红外通道 (0.4～1.0μm)，扫描带宽1 650 km，天底点空间分辨率13.5 km，总视场角 (FOV) ± 49.5°(Won，2008)。AIRS数据可从美国国家航空航天局(NASA)戈达德地球科学数据和信息服务中心(GES DISC，http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/AIRS/data－holdings)获取。本文所使用的数据为AIRS Level－3月平均标准产品数据中的降轨数据。数据空间分辨率1°×1°，采用 HDF格式存储，通过MATLAB软件直接读取。本文研究所用的CO和O3月平均数据均来自印度尼西亚BKT观测站 (0.2°S，100.32°E，海拔846.5 m)(图1)。该观测站由印尼气象、气候和地球物理局 (Agency for Meteorology，Climatology and Geophysics， BMKG) 建立。观测采用静止平台取样的观测方式，CO测量方法为非分光红外 (NDIR)方法，O3测量方法为紫外光吸收光谱分析方法 (UV)(http://ds.data.jma.go.jp/gmd/wdcgg/introduction.html)。BKT观测站位置及2次地震震中、研究区构造情况如图1所示。

1.2 方法

图1 苏门答腊地震构造略图(参考陶春辉等(2008))Fig.1 Tectonic skech of Sumatra M＞8.0 earthquakes(based on Tao et al(2008))

遥感温度异常与地震时空的关系以及地面流体研究结果表明，地震前后气体异常一般分布在距震中几百到几千公里范围之内 (Qiang et al，1997;Tronin，2006)，异常时间一般在地震前后6个月内。BKT观测站距2004年和2005年苏门答腊两次M＞8.0地震的震中分别为586 km和411 km(图1)。为了进行遥感和地面观测对比，本研究以BKT地面观测站为中心，从AIRS标准产品数据中提取观测站附近4个像元CO月平均总量、近地面CO体积分数月平均值和O3月平均总量作为卫星观测数值，研究了两次大地震前后地面和卫星观测到的气体地球化学异常，并将分别以观测站和震中为中心CO总量、CO体积分数和O3总量的卫星观测结果 (孙玉涛等，2014)与地面观测结果进行了对比。

选择2004～2005年作为研究的时间窗，将CO和O3含量打破多年变化规律或标准偏差明显增大均视为CO和O3地球化学异常。

2 结果和讨论

图2 2004～2005年在BKT观测的CO浓度和O3浓度的月均值及标准偏差的变化Fig.2 Variations of monthly mean values and standard deviations of CO and O3concentrations measured at BKT observational station from 2004 to 2005

地面观测的CO和O3浓度在两次地震前打破变化规律出现升高且月平均值标准偏差在两次地震前变大 (图2)。AIRS高光谱遥感提取的以BKT观测站为中心的CO总量和O3总量在两次地震前也都出现了升高 (图3～5)，这与利用AIRS数据提取的震中附近CO总量和O3总量变化趋势一致，与地面观测的CO总量和O3总量变化趋势也是一致的。这主要与孕震过程中地应力作用下地下逸出的气体及其在大气中发生的化学反应有关(Fishmanetal， 1979， 1983;Yurganovetal，1995;Varotsos et al，2000;Kato et al，2004;崔月菊等，2011;Cui et al，2013)。标准偏差的增大说明数据的离散性增大，即气体排放的时空不均一性增大。2004年2～3月以及2005年10～12月CO和O3浓度的标准偏差增大可能与该地发生的其他地震有关。

2.1 CO异常

如图3、4所示，分别以观测站和震中为中心从AIRS数据提取的CO总量与地面观测结果呈强正相关，相关系数分别为0.83和0.86。分别以BKT观测站和震中为中心从AIRS数据提取的近地面 (1000 hPa)CO体积分数与地面观测结果均为强正相关，相关系数分别为0.75和0.82。这表明地震前出现的CO异常可能主要来源于地面，主要归因于地震孕育和发生过程中地下CO气体逸出量增加 (崔月菊等，2011)。苏门答腊陆缘在东南亚的西缘 (图1)，该区存在多条断裂，构造和地震活动强烈 (陶春辉等，2008)。孕震过程中，在地应力作用下不仅使岩石产生了新的裂隙通道，而且增大了地球内部气体的压力，从而导致地球深部大量气体沿着断裂向地表逸散，在震中及其附近地区形成了气体异常。

以观测站为中心从AIRS数据提取的近地表(1000 hPa)CO体积分数与地面观测数据之间的相关系数 (0.75)低于以观测站为中心从AIRS数据提取的CO总量与地面观测数据之间的相关系数(0.83)，表明除了地下气体逸散，逸散的气体(如CH4等)在大气中发生化学反应也会生成CO(式1)，而逸出的气体在大气中的化学反应则是造成地震前 CO异常的次要原因 (Fishman et al，1979，1983;Yurganov et al，1995;Varotsos et al，2000;Kato et al，2004;崔月菊等，2011;Cui et al，2013)。

苏门答腊两次大地震震前电离层电磁场和电离层等离子体参数存在变化 (Liu et al，2011;Anagnostopoulos et al，2012)。14N在低频电磁辐射和电离层扰动下衰变形成CO(Pandow et al，1960;崔月菊等，2011)。电离层状态的改变有利于14C的生成，这也是导致CO总量升高的一个次要原因(式2)。

图3 2004～2005年在BKT观测的CO浓度的月均值与利用AIRS数据提取的CO月平均总量的变化(AIRS－E和AIRS－G分别表示以震中和观测站为中心利用AIRS数据提取的CO总量)Fig.3 Variations of monthly mean value of CO concentration measured at BKT observational station and monthly mean total column value of CO concentration abstracted from AIRS data from 2004 to 2005(AIRS－E and AIRS－G represent total column of CO concentration abstracted from AIRS data by taking epicenter and ground observation station as center respectively)

图4 2004～2005年在BKT观测的CO浓度月平均值与1 000 hPa CO月平均体积分数的变化(AIRS－E和AIRS－G分别表示以震中和观测站为中心利用AIRS数据提取的CO体积分数)Fig.4 Variations of monthly mean value of CO concentration measured at BKT observational station and monthly mean volume fraction of CO concentration at 1 000 hPa from 2004 to 2005(AIRS－E and AIRS－G represent volume fraction of CO abstracted from AIRS data by taking epicenter and ground observation station as center respectively)

从AIRS数据分别提取的CO浓度、CO体积分数在震中 (AIRS－E)和观测站 (AIRS－G)的变化趋势也是非常一致的，相关系数分别为0.94和0.72。这既表明利用卫星遥感数据提取的气体地球化学信息是可靠的，也表明以震中距500 km的地面观测站为中心和以震中为中心获取的气体地球化学信息是等同的。

2.2 O3异常

如图5所示，分别以观测站和震中为中心利用AIRS数据提取的O3总量与地面观测的O3浓度呈正相关，相关系数分别为0.49和0.36。分别以观测站和震中为中心利用AIRS数据提取的O3总量与地面观测数据O3浓度的变化趋势一致，这可能与地震前逸出的气体 (如CO，CH4等)在大气中发生化学反应 (式3)(Crutzen，1974;Fishman et al，1979，1983;Yurganov et al，1995;Vingarzan，2004;Ganguly，2011;崔月菊等，2011;Cui et al，2013)。分别以观测站和震中为中心卫星观测结果与地面观测结果在2004年4～10月略有不同，这可能与平流层与中上对流层O3交换 (Lelieveld，Frank，2000;Vingarzan，2004;杨健，吕达仁，2004)以及AIRS传感器对中对流层的气体变化比较敏感有关。

从AIRS数据提取的O3总量在震中 (AIRSE)和观测站 (AIRS－G)的变化趋势一致 (r=0.95)，这表明以震中距500 km的地面观测站为中心和以震中为中心获取的气体地球化学信息是等同的。地面观测结果与以地面观测站为中心卫星观测的结果说明O3值的升高有地面的贡献，也有一部分来自地下逸出的气体在大气中化学反应(Crutzen，1974;Fishman et al，1979，1983;Yurganovetal， 1995;Vingarzan， 2004;Ganguly，2011;崔月菊等，2011;Cui et al，2013)和平流层的注 入 (Lelieveld，Frank，2000;Vingarzan，2004;杨健，吕达仁，2004)。

图5 2004～2005年在BKT观测的O3浓度月平均值与利用AIRS数据提取的O3月平均总量的变化(AIRS－E和AIRS－G分别表示以震中和观测站为中心利用AIRS数据提取的O3总量)Fig.5 Variations of monthly mean value of O3 concentration measured at BKT observational station and monthly mean total value of O3 concentration abstracted from AIRS data from 2004 to 2005(AIRS－E and AIRS－G represent total value of O3 concentration abstracted from AIRS data by taking epicenter and ground observation station as center respectively)

3 结论

利用AIRS高光谱遥感卫星数据提取的以BKT地面观测站为中心 (距震中约500 km)的卫星遥感数据以及BKT地面观测数据在两次M＞8.0地震前出现了CO和O3的异常变化。以观测站为中心卫星观测获得的CO总量和CO体积分数与地面测得的CO浓度呈强正相关，相关系数分别为0.83和0.75。这表明CO浓度异常可能主要源于在孕震应力场作用下地下逸出的气体，大气中的化学反应对CO异常的贡献次之。O3卫星观测结果与地面观测结果也呈正相关关系 (r=0.49)，这主要归因于地震前地下逸出气体在大气中的化学反应。

地面观测的CO和O3浓度在两次地震前标准偏差变大且在地震前打破多年变化而出现升高，这与从AIRS数据提取的以台站为中心CO和O3的变化趋势是一致的，也与从AIRS数据提取的以震中为中心CO和O3的变化趋势也是大体一致的。这表明在偏离震中几百公里范围内直接用卫星数据提取的地震前后气体地球化学异常信息是可靠的，偏离震中区也可以获得可信的信息。

实际应用中，在地震发生后由于受气象等客观因素的影响，尤其当震中区上方有云时，在提取地震有关的气体地球化学信息时，为了避开云层干扰，可适当偏移地理坐标进行地震有关的气体地球化学异常信息提取，从而更好地应用卫星遥感技术全天时观测的优势，更好地发挥卫星遥感技术在防震减灾中的作用。

NASA戈达德地球科学数据和信息服务中心为本次研究提供了AIRS高光谱分辨率卫星遥感数据;全球大气本底观测系统 (GAW)世界温室气体数据中心 (WDCGG)为本次研究提供了地面气体观测数据，在此一并感谢。

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