基于地表亮温的山东省地震活动性分析

马俊飞李 炜史 雯

1）中国山东266300 胶州市地震局

2）中国山东266034 青岛市地震监测中心

基于地表亮温的山东省地震活动性分析

马俊飞1）李 炜2）史 雯2）

1）中国山东266300 胶州市地震局

2）中国山东266034 青岛市地震监测中心

利用MODIS数据研究山东省地表亮温时空变化及与地震震例和断裂带活动的相关关系，结果表明，山东省2015年存在4个明显的地表亮温增温带，可能预示着未来地震活动性的增强区域；长岛震群与乳山震群在陆地上均有亮温增温带与之对应；风仪店、乳山—海阳断裂带在2015年地表亮温明显升高，沂沭、聊城—兰考断裂带则无明显变化。总之，120°E以东的胶东半岛地区地表亮温升高明显，预示着未来胶东半岛地区地震活动性可能强于鲁中、鲁西地区。

地震活动性；地表亮温；MODIS；遥感

0 引言

临震前往住出现大面积增温异常，利用卫星热红外技术可以确定温度异常的范围和幅度，从而进行地震预测。这一科学思想于20世纪80年代末由前苏联科学家提出，ГOPHЫЙ BИ（1990）在分析宇航热红外卫片时发现，1984年在苏联塔姆得—托克劳与塔拉斯—费尔干断裂带交汇部位，多数4级以上地震伴随热红外异常现象。随后，Tronin等（1996，2004）用10 000景NOAA卫星热红外影像对中亚地震活动带进行研究，得出热红外异常与中亚地震活动带之间具有统计相关性的结论。中国热红外遥感地震前兆监测始于20世纪90年代初。强祖基等（1990）用NOAA卫星红外观测数据研究1990年4月24日青海共和MS7.0等地震前出现的大规模地面增温现象，发现地震前7—9天孕震区及周围可出现几万至100多万km2、累积2℃—10℃的持续增温异常，往往沿断裂构造带向四周成带状、片状展布，在多组断裂构造带的交汇部位，异常显著增强。孔令昌等（2003）进一步对热红外增温的理论基础及与其他异常的关系进行探讨，论述了震前卫星热红外增温的普遍性。根据此温度异常，目前成功实现了某些地区的地震活动性监测（吕琪琦等，2000；康春丽等，2003）。监测温度为根据普朗克公式计算出的亮温，亮温非地物真实温度，但能反映地物热辐射能的相对强度，由于计算简单，在震前温度异常研究中广为使用。本研究以MODIS数据为主数据源，结合地震目录，研究山东省行政区地表亮温时空变化，以期预测山东省地震活动性。

1 数据处理

采用红外遥感及地震目录数据，其中红外遥感数据采用美国地球观测卫星系统（EarthObservation System，EOS） 的中分辨率成像光谱仪（Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer，MODIS）数据。美国地球观测卫星系列发射于1999年，现包括Terra和Aqua太阳同轨道卫星，分别用于陆地和海洋观测，其中Terra在地方时上午过境，而Aqua在地方时下午过境，二者结合可实现昼夜观测。MODIS传感器具有36个波段，覆盖可见光到远红外的光谱范围（0.4 μm—14 μm），分辨率为250 m（2个波段）、500 m（5个波段）和1 km（29个波段），扫描宽度为2 330 km，1—2天可覆盖全球。本研究使用下载自美国地质调查局地表数据存储分发中心网站（https://lpdaac.usgs.gov/）的MOD11A2数据集，该数据集利用MODIS 31、32波段以分裂窗算法获取，空间分辨率1 km，时间分辨率8天；包含白天和夜间2套地表亮温数据，并配有相应的数据质量控制、观测时间、观测角等配套数据。在昼夜数据的选择上，考虑到胶东半岛三面被海包围而鲁西、鲁中地区处于内陆，三者受海陆风影响明显不同，夜间由海至陆的海风使胶东半岛降温幅度超过鲁西、鲁中地区，从而导致与地震无关的地表亮温变化，因此本研究仅使用昼间数据。本研究采用MTR工具，将原始数据投影至UTM，并将昼夜数据分开，而后用最大值算法（Max Value Calculation, MVC），对每4景8日数据进行合成取得月数据。通过MVC算法可以较大程度地减小云、雪等的影响，但仍有某些像元（5%左右）质量达不到要求并被设为空值（NoData）。为避免在后续计算中相互影响导致空值区过大，本研究统一将空值设为0。而后各像元乘以0.02，将数据由象元值转化为开尔文温度，减去273最终转化为摄氏度。经此方法获取2008年、2009年、2012年、2015年山东省逐月日间地表亮温数据，并将各年度逐月数据进行平均计算，最终获取年度地表亮温数据。

2 地表亮温变化计算

2.1 山东半岛地区地震活动背景年确定

为获取山东省地表亮温的时间变化，需要确定一个地震活动相对平静的年份作为背景值。衡量某一年份地震活动程度有多种指标，本研究采用地震活动度（S）作为指标，该指标采用模糊数学方法，综合考量地震频度、平均震级或平均释放能量、最大震级、地震空间分布集中度及记忆效应等因素，可以比较全面的对震活动性进行定量化（谷继成等，1987）。考虑到EOS卫星首发于1999年，2000年才形成全年观测数据，为实现数据时间匹配，本研究选取2000—2015年山东省陆域地震目录进行时间扫描，计算逐年地震活动度（S），结果见图1。

图1 山东省2000—2015年地震活动度Fig.1 Seismic activity of Shandong Province between 2000 and 2015

由图1可见，在2000—2015年期，山东省陆域地震活动度在2000年、2006年、2008年、2009年呈现低值，代表较低的地震活动性。考虑到时间间隔较久会因地表土地利用变化等因素对地表亮温产生影响，并且2008年、2009年连续两年地震活动度均处低值，代表地震活动性在一段较长时间内处于稳定低值，而2009年值更低于2008年，因此选定2009年作为基准年，同时为了进行比较，选择2008年及2012年做为参考年。

2.2 山东省地表亮温变化

在ArcGIS 10软件环境中使用区间统计（zonal statistic）方法，对山东省2008年、2009年、2012年、2015年每个季节的代表月份（1月、4月、7月、10月）及年平均地表亮温进行计算，获得此4年度代表月份及年平均地表亮温空间统计均值，见表1。

表1 山东省2008年、2009年、2012年、2015年代表月份及年平均地表亮温Table 1 Monthly land surface temperature in the symbol month and average annual land surface temperature of Shandong Province in the year of 2008, 2009, 2012 and 2015

地震孕育、发生过程中伴随的地壳活动，如：断层面摩擦、地层蠕动、岩石微隙破裂乃至岩层应力聚集，产生放热效应，热能对地表加热从而加强地表长波辐射，并表现为地表亮温的增加。这种亮温增加受气候因子影响较小，而更多反映地壳活动。由表1可见，2009年7月、10月及年平均地表亮温在选择的对比年中均较低，与使用地震目录计算获得的该年度地震活动性低可以互相印证。而2015年地震活动性的增强也被地表亮温增加所反映。因此，以2015年度地表亮温数据与2009年数据进行相减运算，获取2015年相对于2009年的地表亮温变化，以此揭示山东地震活动性，见图2。

图2 山东省2015年地表亮温变化及地震分布Fig.2 Land surface bright temperature variation and earthquakes of Shandong Province, 2015

由图2可见，2015年山东省相对于2009年地表亮温有4个显著升高带（见图中标注数字的椭圆区域），分别为：①胶州市北部往东经城阳、即墨延伸至海阳市；②蓬莱与龙口交界处；③青州、淄博交界处；④济宁、兖州区域。其中，以胶州北部至海阳市的增温条带规模最大，呈北东东走向，延伸约130 km，最宽处约30 km，升温幅度普遍在3℃以上，部分地区达4℃—6℃；位于120°E以东的胶东半岛地区地表亮温明显升高，而120°E以西的鲁中、鲁西大部分地区地表亮温变化很小甚至下降。

3 地表亮温变化与地震活动性

3.1 地表亮温变化与地震关系

为确定地表亮温变化与山东省地震活动性关系，将山东省2015年ML1.0以上地震与地表亮温变化图叠加（图2），可以发现，增温区域3、4在空间上无重合或相近的地震震例，说明该增温区可能由非地震活动引起，但也可能是本区域地震活动增强的前兆。位于胶东半岛北部的蓬莱—龙口增温带在陆域上有多处地震与之对应，如：2015年5月21日位于烟台的2次ML2.0以上地震、6月6日位于烟台的2.1级地震，均与该增温带距离不超过30 km；多处2.0级以下地震发生在该区域周边；特别是该区附近海域，2015年发生7月22日ML4.5长岛地震及多处ML≥2.0地震，均位于该区域周边50 km范围内。从时间与空间上判断，该增温带应该与长岛震群有关，是长岛震群活动在陆地上的反映。胶州北部—海阳增温带规模最大、增温幅度最高，但在时间与空间上只有其北端的乳山震群与之邻近，其中2015年5月22日乳山ML5.0地震与该增温带相距不过26 km。

3.2 地表亮温变化与断裂带关系

为进一步判断增温带与地震活动性关系，将山东省主要断裂带与地表亮温变化图叠加，见图3。

图3 山东省断裂带分布及2015年地表亮温变化Fig.3 Fracture zone distribution and land surface bright temperature variation of Shandong Province, 2015

由图3 可以发现，胶州北部—海阳增温带与乳山—海阳断裂在走向、分布空间上基本保持一致，与唐家庄—即墨断裂虽有重合但分布并不一致。通过空间分布关系判断，该增温带应更多与乳山—海阳断裂活动有关，可以作为乳山震群地震活动的一个反映。同样，蓬莱—龙口增温带与风仪店断裂的空间分布大致吻合。青州—淄博增温带与济宁—兖州增温带均处于多组断裂带交汇处，如：青州—淄博增温带位于益都断裂、上五井断裂、淄河断裂的交汇处；济宁—兖州增温带位于嘉祥断裂与郓城断裂交汇处。这与强祖基（1990）关于地震前多组断裂构造带的交汇部位经常有亮温显著增强的论述吻合，此两处增温区与地震活动性有关的可能性较大，可能是孕震区。由图3还可以发现，相对于2009年，沂沭断裂带和聊城—兰考断裂带2015年的地表亮温无明显升高，可能表明山东省两条主要断裂带在2015年地震活动性无明显增强趋势。

4 结论

地表亮温作为地壳内热释放的一个重要指标，与地震活动性具有密切关系，与地震震例、断裂带分布在时空上关系复杂。通过对山东省2015年地表亮温变化与地震活动性的时空分布关系进行分析，发现部分震例，如：胶东半岛北部及长岛震群震例，与地表亮温增温带在空间上接近，而乳山震群与相应地表亮温增温带在空间分布上并不完全一致，而是通过断裂带分布联系在一起。就震例震级而言，ML2.0以上地震与地表亮温增温带的空间对应关系好于ML2.0以下地震，可能与较小震级的能量释放不足以大幅增强地表亮温有关。2015年120°E以东胶东半岛地区地表亮温升高明显，而鲁中、鲁西地区则只有两个较小规模的增温带，特别是沂沭断裂带与聊城—兰考断裂带均无明显增温，可能预示着未来胶东半岛地区地震活动性强于鲁中、鲁西地区。应该承认，由于影响地表亮温的因子较多，气候、土地利用等因子变化也可能导致地表亮温发生变化，如何将非映震因子影响剔除出去，应该是热红外遥感地震监测的重要研究方向。

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Analysis of seismic activity in Shandong Province based on land surface bright temperature

Ma Junfei1)，Li Wei2)and Shi Wen2)
1)Earthquake Administration of Jiaozhou County,Shandong Province266300,China
2)Qingdao Earthquake Monitor Center,Shandong Province266034,China

Based on MODIS data, the temporal and spatial variation of Shandong province’s land surface bright temperature are studied to find out the relationship between it and the seismic activity.Results show that 4 obvious bright temperature rising zones where seismic activity may enhance exist in Shandong Province in the year of 2015.Both the Rushan and Changdao earthquake swarm can be reflected by land bright temperature rising zone.The Fengyidian, Rushan and Haiyang fault got obvious increasement in bright temperature, whereas the Yishu, Liaocheng—Lankao fault did not.On the whole, the surface temperature of the east part of Shandong province which located east to the 120° E longitude increased more than that of the central and the west part, which probably foreshow more seismic activities in the Jiaodong Peninsula in the future.

seismic activity，land surface bright temperature，MODIS，remote sensing

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.06.013

马俊飞（1976—），男，理学博士，主要从事遥感与地震监测研究工作

青岛市地震局地震监测、防御、应急专项课题“卫星遥感多源数据与多元方法在地震监测预测中的应用”；山东省地震局合同制科研项目“地震前后遥感红外亮温变化研究”

本文收到日期：2015-10-22