基于引潮力位的云南鲁甸MS6.5地震前地面长波辐射短临变化

张 岩 康春丽 马未宇 姚 琪

（中国北京100045中国地震台网中心）

基于引潮力位的云南鲁甸MS6.5地震前地面长波辐射短临变化

张 岩 康春丽 马未宇 姚 琪

（中国北京100045中国地震台网中心）

2014年8月3日中国云南省鲁甸发生MS6.5地震，震源机制显示为走滑断层，利用NOAA卫星地面长波辐射（OLR）数据资料，对地震前后热辐射值连续变化进行分析，结果显示：在中国大陆范围（20°—45°N，80°—120°E）内，仅震中及相关联断裂附近，地面长波辐射（OLR）在时间上经历了起始增温→异常加强→高峰→衰减→发震→平静的演化过程，在空间上异常沿断裂由北向南向震中迁移。对鲁甸地区引潮力进行计算，结果显示，天体引潮力对本次地震具有显著诱发作用，长波辐射异常可能是地震构造应力应变过程的辐射表征。

天体引潮力；长波辐射异常；鲁甸MS6.5地震；NOAA卫星

0 引言

当前利用卫星热红外信息开展震前热异常监测与识别的主要方法有：图像解译(Gorny VI et al，1988；马瑾等，2008；马晓静等，2009；吕琪琦等，2000 )、差值分析(Ouzounov Det al，2004)、计算机辅助统计技术（Robust Satellite Technique，RST）（李金平等，2008）、亮温增温异常点对比（康春丽等，2009）；基于数字图像增强技术的涡度计算（康春丽等，2009）、基于时频域转化方法开展的小波和功率谱手段（张元生等，2011；叶秀薇等，2010）等，这些研究方法均建立在对遥感数据进行多年平均统计处理基础上。由于气象波动客观存在，多年平均算法往往掩盖由短期构造快速变化造成的热辐射波动。遥感岩石力学实验结果表明：岩石在应力加载—破裂过程中，沿破裂面向外辐射变化经历增强—高峰—衰减—平静的基本规律（崔承禹等，1993；吴立新等，2004；马瑾等，2012）。而地震是地球内部的一种力学过程，开展具有力学含义的临震辐射异常研究，对区分地震活动与非地震活动引起的辐射增强，有一定价值。但目前地应力变化无法直接观测获得，如何从影响地球运动的外部力学因素入手，探索引起临震辐射变化与可能的力学诱因之间的关系，值得研究。

已有研究表明：引潮力是触发地震的重要外部力学因素（Heaton THet al，1975；李延兴等，2001；陈荣华等，2006，赵小茂等，2010）。为此，本文首先计算鲁甸地震震中位置的引潮力位周期变化，并以此周期作为地面长波辐射背景选择的时间指示（本次地震以潮汐力位每次高点为时间背景），开展临震地面长波辐射研究。

1 潮汐力位计算

引潮力位是周期性连续变化的。触诱发地震时，引潮力位随构造环境不同而发生改变（Ma W Y et al，2012）。固体潮具有丰富的潮汐分量（陈莹等，2012），为与地面长波辐射遥感观测的日观测频率值保持一致，本文选取2014年6月20日—9月30日连续引潮力位日变化理论值进行分析。

根据卡尔文的计算方法，任意天体对地球内部任意一点P产生的引潮力位Wi(p)（吴庆鹏等，2001）为

式中，Pn(cosZm)为cosZm的勒让德多项式。Zm为星体的天顶距；M是月球、地球的质量；k为万有引力常数；r是震中与地心距离；rm为月心与地心距离。对于月亮，目前精度条件取n=2和n=3，则分别有

同理，对太阳取n=2，则有

对于地球整体，则有

其中δs和δm是日、月赤纬，φ为震中纬度。

2 长波辐射（OLR）数据处理

射出长波辐射(Outgoing Long—wave Radiation，简称OLR)是指地气系统向外层空间发射的电磁波能量密度，又称为热辐射通量密度，单位W/m2。通过NOAA极轨卫星载荷的辐射测量仪，在红外窗区通道（10.5 μm—12.5 μm）对地球和大气进行扫描测量，获取地面射出长波辐射。

本研究采用OLR数据，取自美国http://www.emc.ncep.noaa.gov网站通播的全球信息数据。由于OLR是基于红外波段遥感产出成果，其波段近似长波大气窗口，大气衰减弱，且其波段接近地面长波辐射，对海洋表层和近地面温度变化响应敏感，因此适宜监测与“热”成因现象相关的一些地学灾害征兆。

为了观察2014年鲁甸MS6.5地震长波辐射短临信息场变化特征，选取中国陆地范围（20°—45°N，73°—155°E）2014年7月31日—8月8日夜间数据，按照1°×1°的日平均网格数据，构成OLR信息数值分布场。为提取鲁甸地震震中及其临近区域该区域内MS6.5地震前OLR数值分布场每日变化特征，计算各网格点临震（日际尺度）OLR数值，得到辐射增强区表征信息量的各格点位数值场分布。计算公式为

其中，ΔSi(x,y)为各格点位的OLR数值增量；Si(x,y)为各格点位的OLR数值；Sbackground(x,y)代表背景固定的OLR数值，本文采用引潮力值震前最高点为时间背景（本次地震采用7月30日），x为纬度，y为经度，i为格点位标。

3 鲁甸地震引潮力位及热异常变化

3.1 发震构造

根据中国地震台网的测定结果（http://www.ceic.ac.cn/），北京时间2014年8月3日16时30分，云南省昭通市鲁甸县发生MS6.5地震。震源（初始破裂点）位于（103.3°E，27.1°N），震源深度约12 km。发震断层为北西向包谷垴—小河断裂，是北东向昭通—鲁甸断裂系北西向次级走滑断层。震源机制显示，鲁甸地震为左旋走滑型地震（徐锡伟等，2014）。震中位置与震区活动断裂分布见图1。

图1 鲁甸地震震中位置与震区活动断裂分布Fig.1 Distribution of earthquake epicenter and active faults in analysis area

3.2 引潮力变化

利用公式（5），计算鲁甸地区地震前后天体引潮力随时间变化数值，绘制曲线，见图2。由图2可见，2014年7月1日—8月13日天体引潮力位变化经历“高峰—低谷—高峰”4个周期变化，见图中A、B、C、D标注。地震发生时引潮力位值所处相位，与地震类型有一定关系，正断型地震多发生在引潮力位值高峰附近；走滑型地震多发于转折阶段（马维旻等， 2011）。而本次鲁甸MS6.5地震发震时（8月3日）引潮力值处于转折阶段，与发震构造属走滑断层的认识吻合。

图2 鲁甸地震天体引潮力时序变化曲线Fig.2 Temporal variation curve of tidal force in Ludian earthquake

3.3 地震前OLR时空变化特征

尽管地震发生与天体引潮力相关，但依然很难判定引潮力是地震发生的诱因之一，其原因是，无法判断临震时段构造应力状态及其与引潮力变化的关联性，而引潮力被认为只有当地震孕育构造应力达到临震阶段，才有可能触发地震（陈荣华等，2004；郗钦文等，1994）。因此，如何判断地应力达到临界状态将是一个关键性问题。

基于潮汐力位周期（图2），依据公式（6），以7月30日OLR数据为背景，其后逐日OLR数据与该背景相减，获取OLR变化情况，获得全国范围自2014年7月31日到8月8日OLR日辐射场逐日连续变化分布，见图3。

图3 鲁甸MS6.5地震地面长波辐射异常时空演化图像Fig.3 Temporal-spatial evolution of temperature anomaly increase of LudianMS6.5 earthquake

在中国大陆范围，仅鲁甸地区出现明显的长波辐射增强的变化。由图3可见，自7月31日开始，OLR日平均增量场的增强中心从震中区东北端沿附近北东向昭通—鲁甸断裂系北西向次级走滑断层向西南方向扩展移动，并在震前一天即8月2日达最高值，8月3日16时发生鲁甸6.5级地震，之后辐射增强区域快速回退，8月6日后OLR日均增强中心区域消失，恢复正常。此次鲁甸6.5级地震OLR异常增强分布区域与活动构造相吻合，基本沿昭通—鲁甸断裂移动。地震出现在OLR异常增强扩展、迁移延伸方向的顶端，可能指示了区域应力场在构造活动中的迁移方向。

由图3可知，天体引潮力对地应力处于临界状态的活动断层具有诱发作用，震前OLR异常增强明显，异常区域经历起始—加强—衰减—高峰—衰减—平静的演变过程，与地震发热变化异常、震前异常增温基本相符（Ma W Y et al，2012）。在研究区域内，天体引潮力其他周期（图2），如震前A、B阶段及震后D阶段OLR图像（图4），未显示明显的异常变化，可见出现的长波辐射OLR异常可能与本次鲁甸6.5级地震有关。

图4 鲁甸地震震前、及震后阶段长波辐射时空演化图像(a)震前A 阶段； (b)震前B阶段； (c)震后D阶段Fig.4 Image of the temporal-spatial evolution of long wave radiation in A,B stages before the earthquake and the D stage after the earthquake

4 讨论

OLR表征了地气系统向外层空间发射的电磁波能量密度，是直接反映陆地表面下垫面属性、能量变化参量的辐射物理量，且其波段集中于大气窗口，受云层干扰小，因此选择OLR数据作为研究对象。鲁甸6.5级地震OLR影像变化显示震前存在明显异常变化。

本文数据处理方法与以往统计有显著变化。Matthew Blackett等（2011）研究者针对同一次地震，即采用相同统计学方法、处理相同数据源的遥感数据，获得震前红外异常，但随背景数据时间尺度、背景日期选择而差异巨大，这是因为：地震为偶发的小概率事件，与传统统计算法存在矛盾；传统统计方法尚未将地震与红外遥感的力学基础相关联。而依据潮汐值变化周期获得OLR震前辐射增强图像，经历震前起始—加强—高峰—震后衰减—平静的演变过程，并依据潮汐力周期获得OLR异常在中国大陆范围表现出的唯一性，不仅与此前利用该方法获得的芦山MS7.0地震OLR演化（马未宇等，2014）具有一致性，而且与岩石力应力加载—破裂过程中辐射变化的过程相吻合（吴立新等，2004）。

引潮力对地震的影响主要反映在临界状态条件下。在天体引潮力位A、B、D周期的相似相位处未发生地震，其时段内未表现出明显的OLR异常，表明天体引潮力对地应力处于临界状态（即OLR增强—高峰—衰退期）的活动层具有明显的诱发作用。但是它对地震的诱发作用只是引发地震的外部因素，而不是决定因素，决定地震发生的内部因素是地壳构造活动。

引潮力的变化究竟如何调制、诱发地震的发生，如何影响长波辐射OLR的异常，其机理尚不清楚，需要积累更多震例做深入分析。但该现象的存在及研究中取得的一些认识表明，利用遥感卫星技术获取地表辐射信息，并通过辐射场的动态化数值分析提取区域强震异常表征，将有助于提高地震预报水平。

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The change of outgoing long-wave radiation before LudianMS6.5 earthquake based the tidal force niche cycles

Zhang Yan，Kang Chunli，Ma Weiyu and Yao Qi
(China Earthquake Netwoks Center,Beijing100045,China)

The cycle process of the tidal force niche for LudianM6.5 earthquake, occurred in Ludian County of Yunnan Province, China on August 3, 2014 was calculated.The earthquake occurred near the middle point phase.It indicated that the type of seismogenic fault that the tide force acted on belonged to the thrust fault.According to the tidal niche cycle, the abnormal OLR (Outgoing Long-wave Radiation) change was analyzed based on NOAA satellite data around the whole land of China before and after the earthquake.The result showed that the OLR changed evidently with the tide force changing.In temporal, the change went through the process: initial OLR rise→strength→reaching abnormal peak→attenuation→return to normal; in spatial, the abnormal area winded its way along the Zhaotong-Ludian fault and went through: scattered→conversion→scattered procession.The procession was similar to the change procession of a rock breaking under the stress loading.It indicated that the tidal force of celestial body could trigger the earthquake when the tectonic stress reaches its critical broken point and the OLR anomaly was proportional to the seismic tectonic stress change.It was useful to combine OLR and tidal force in earthquake precursory.

the tidal force niche，OLR，LudianMS6.5 earthquake，NOAA satellite

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.06.012

张岩（1985—），男，工程师，从事科研项目管理等工作。E-mail： zyan@seis.ac.cn

地震科技星火计划项目——基于大气温度垂直分层三维遥感技术在地震预测中的应用（项目编号：XH15050）

本文收到日期：2016-06-30