川滇块体中强震前热红外辐射异常研究

张铁宝,路 茜,高 阳,祁玉萍,辛 华,刘 放

四川省地震局,四川成都 610041



川滇块体中强震前热红外辐射异常研究

张铁宝,路 茜,高 阳,祁玉萍,辛 华,刘 放

四川省地震局,四川成都 610041

摘 要:中强震频发的川滇块体是研究地震前兆信息的热点地区,中强震前存在热辐射异常已被很多震例证实,有必要对川滇块体中强震前的热辐射异常进行系统研究总结,为该地区热辐射的研究应用提供一定的参考。本文以多年MODIS/Terra卫星热红外亮温数据为基础,对2004年4月至2014年8月川滇块体5级以上地震前的热红外亮温低频信息进行了分析。结果表明:(1)川滇块体M≤6.1级的地震震前观测不到大范围的显著热辐射增强异常,这可为该地区大范围显著热辐射增强异常出现后地震震级预测提供一定的参考依据;(2)2014年8月3日鲁甸M6.5级地震前川滇块体存在大面积显著热辐射增强异常,这类异常对该地区6.5级左右的地震具有短期指示意义。

关键词:川滇块体;地震;MODIS;热红外辐射

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本文由中国地震局地震预测研究所项目(编号:31-Y30B09-9001-13/15)和四川省地震局地震科技专项(编号:LY1610)联合资助。

利用卫星遥感热红外资料寻找地震前兆信息是近年来国内研究的一个热点,大地震前出现不同程度的热辐射异常是普遍现象(徐秀登等,1990;强祖基和赁常恭,1992;强祖基等,1998,2008,2009;张元生等,2002,2010;康春丽等,2003,2009;陈梅花等,2003;荆凤等,2009,2013;魏乐军等,2008;徐秀登和徐保华,2013;张铁宝等,2013;郭晓等,2014)。一些小震级地震前存在辐射异常的报道也见公开发表(徐秀登和钟韵,2002;康春丽和刘德富,2004)。强震前热辐射异常现象虽得到很多震例证实,但其可靠性受到较多质疑。造成这种局面的原因之一是,大多数研究仅采用较短时间的红外数据,缺乏长期变化过程,以致对热辐射背景认识不够充分。另外,目前对红外异常现象形成机理仍没有统一的认识。

图1　研究区域示意图Fig.1 The study area

图2　2004年4月1日—2014年8月3日川滇块体5级以上地震M-t图(不包含余震)Fig.2 The M-t plot for M≥5.0 earthquakes in the Chuan–Dian rhombic block from April.1,2004 to August 3,2014

图3　川滇块体热红外亮温低频信息异常提取Fig.3 The result of low frequency of BT in the Chuan–Dian rhombic block

强震孕育不仅与震中区有关,还与相关地质体存在联系。以2014年鲁甸6.5级地震为例,鲁甸地震孕育与川滇块体存在密切关系,川滇块体是印度板块推挤作用传递到鲁甸震区的必经中间体,鲁甸地震孕育过程中川滇块体也会伴随着变形。强震前短期内震中附近往往处于闭锁状态,变形量小,如汶川地震前的龙门山地区,在震前闭锁状态时震中附近常监测不到明显变形。实验与理论研究证明热场与应力、应变场密切相关(刘培洵等,2004,2007;马瑾等,2007,2010;陈顺云等,2009),若能监测到强震前与震中区有直接动力学联系的地质体,由于应变变大产生的热辐射增强,对地震预测来说是有意义的。

本文以强震多发的川滇块体为研究区,以十余年的卫星热红外数据为基础,对川滇块体5级以上地震前的热辐射进行了研究,并重点分析了存在异常的2014年鲁甸6.5级地震。

1 研究资料与方法

陈顺云等(2011)研究表明,选用白天和夜间卫星红外数据分析几十天以上的变化其结果没有实质性区别。本文旨在分析低频变化,选取白天21通道(3.929～3.989 μm)MODIS/Terra卫星热红外亮温数据便能满足需求。数据经过去云处理并采用多日合成的方法获取晴空率较高的数据,处理后数据的时间分辨率为3～5天,空间分辨率为1 km。数据时间范围为2004年4月1日至2014年8月31日,共10年5个月。

震例研究显示,震前热辐射异常面积常达上万km2以上,对于大面积热辐射异常,区域亮温均值可以反映整个区域的趋势变化,同时还可以抑制小范围的高频干扰信息。文中选取川滇块体(图1紫色阴影区)的亮温均值时间序列(图3a)进行分析。川滇块体亮温均值(图3a)具有夏高冬低的季节特征,存在很多高频成分,这部分需要去除,文中采用1个月窗长、1天步长滑动平均的方法提取低频信息(图3b紫色曲线)。计算多年同期数据均值得到低频信息背景场(图3b绿色曲线),低频信息扣除背景场得到低频信息差值曲线(图3c),文中简称为差值曲线。川滇块体应变背景以挤压为主(向宏发等,2002;徐锡伟等,2003),实验证实岩石压缩升温(马瑾等,2010;陈顺云等,2013),文中只提取分析辐射增强(升温)异常。以差值曲线(图3c)的2倍标准差线为正常背景的高值上限,超过高值上限判断为异常。

2 川滇块体中强震前热辐射异常分析

2.1 川滇块体地震活动

川滇块体地震活动强烈,从2004年4月1日至2014年8月3日,川滇块体及其边界带共发生5级以上地震14次(不包含余震),其中M5.0～M5.9级地震11次,M6.0～M6.9级地震3次,最大地震为2014 年8月3日云南鲁甸M6.5级地震(图1,2)。3次M≥6.0级地震分别为2008年8月30日四川攀枝花M6.1级地震、2009年7月9日云南姚安M6.0级地震和2014年8月3日云南鲁甸M6.5级地震(下文中简称鲁甸地震)。

2.2 川滇块体震前热辐射异常分析

川滇块体差值曲线(图3c),从2004年4月1日至2014年8月31日,辐射增强异常过程共3次(图3b、c红色箭头),异常时段分别为2009年5月19日—2009年5月22日、2009年11月15日—2009 年12月3日和2014年6月1日—2014年7月16日。2009年5月和11月两次异常的幅度不大,持续时间短,不超过1个月;2014年6月的异常幅度大,最大幅度超过3倍标准差线,持续时间1个半月。在2010年玉树7.1级地震前1年时间里,震中附近有9个月出现了大面积辐射增强异常,其中2009年5月和11月出现的异常除了分布在玉树地震震中以南的羌塘块体东段外,还延伸分布到了川滇块体北段(张铁宝等,2013),图3c中2009年5月和11月的异常与玉树7.1级地震有关,与川滇块体的地震无关。在14次5级以上地震中,除鲁甸6.5级地震前川滇块体存在大面积辐射增强异常外,其它13次地震前川滇块体无大面积辐射增强异常出现。鲁甸地震后辐射值快速下降到2012年以来的最低值。

2.3 鲁甸地震前川滇块体内部热辐射异常分析

鲁甸地震前川滇块体存在显著辐射增强异常,本节进一步将川滇块体分成8个小区(图1)对震前异常进行详细分析(8个小区下文简称为小区,川滇块体简称为大区)。具体做法:首先,按大区相同的方法得到小区差值曲线(图4),然后,在小区差值曲线中找出与大区2014年异常时段相对应的时段(图4红色矩形框),并提取各小区差值的最大幅度(增强幅度),得到块体内部辐射增强幅度空间分布图(图5)。

图4中大区差值曲线2014年6月1日—2014 年7月16日的异常经历了两个过程(在差值曲线上表现为两个峰值),图5为与之相对应的块体内部辐射增强幅度空间分布图。第一个过程中(图5a),3～8区的增强幅度超过2倍标准差线,幅度最大的区是6区和7区,小区幅度差最大值为2.91 K;第二个异常过程中(图5b),2～8区的幅度超过2倍标准差线,3～6区以及7区为幅度大的区,小区幅度差最大值为1.63 K。靠近鲁甸震中的6区和7区在震前两个异常过程中,均出现了大幅度的辐射增强,反复出现大幅度辐射增强的地区可能对强震地点判定有一定指示意义。在第二个过程中(图5b)川滇块体内部辐射增强幅度差异变小(均衡升温),这可能是强震临近的信号。

2.4 鲁甸地震前热红外亮温距平图像分析

鲁甸地震前川滇块体存在热辐射异常,若同时段川滇块体周边也出现大面积辐射异常,那将鲁甸地震前川滇块体出现的辐射增强简单判断为鲁甸地震的前兆异常就存在问题,有必要进一步分析更大范围的热红外亮温空间图像。空间图像分析采用距平方法,距平是某一系列数值中的某一个数值与平均值的差,计算分析区内所有像元的距平即得到空间亮温距平图像(张铁宝等,2013)。前文时间序列采用1个月窗长滑动提取低频信息,空间图像分析时,分析月尺度距平图像。

图4　川滇块体8个小区亮温低频信息与背景场差值Fig.4 The difference between low frequency of BT and its background in eight areas which are parts of the Chuan–Dian rhombic block

图6为2014年3月—8月的热红外亮温月距平图像。首先分析川滇块体,2014年3月,川滇块体北段出现小范围辐射增强;2014年4月,川滇块体北段出现辐射增强;2014年5月,整个川滇块体出现辐射增强,升温幅度比4月有所减小;2014年6 月,川滇块体中北段出现辐射增强,升温幅度变大;2014年7月和8月不存在辐射增强异常。2014年3月—6月,川滇块体内部辐射增强经历了由北往南,面积由小到大,幅度由小到大的演化过程。再看川滇块体外部,2014年3月在祁连块体以北存在辐射增强;2014年4月在拉萨块体以南存在辐射增强;2014年5月在羌塘块体中段、巴颜喀拉块体中段、柴达木块体中段和祁连块体中段存在辐射增强;2014年6月在羌塘块体中段、巴颜喀拉块体中段存在辐射增强;2014年7月和8月不存在辐射增强异常。总体而言,2014年3月—6月,川滇块体外部的辐射增强区随机分布特征明显,川滇块体的辐射增强区相对固定且连续性好。

将2014年3月—6月的异常距平图像再做求平均处理(图7),处理后长期在固定区域出现的辐射增强会被突出出来,随机性出现的辐射增强会被弱化(张铁宝等,2014)。在鲁甸地震前,经常性出现的大面积显著辐射增强区位于川滇块体,受块体控制明显,川滇块体周边并无大面积显著辐射增强出现(图7)。

综上所述,将2014年6月川滇块体内部出现的大面积显著辐射增强异常判断为鲁甸地震的前兆异常是合理的。

图5　川滇块体内部辐射增强幅度空间分布图Fig.5 The spatial distribution of maximum difference between low frequency band and background of BT in eight areaswhich are parts of the Chuan-Dian rhombic block

图6　亮温月距平图像(2014年3月—2014年8月)Fig.6 Monthly departures of BT from March 2014 to August 2014

3 川滇块体与相邻块体热辐射对比分析

选取与川滇块体相邻的稳定的华南地块(图1咖啡色阴影区)和构造活动强烈的巴颜喀拉块体(图1蓝色阴影区)作为对比对象。

华南地块差值(图8)波动幅度在–2.1～1.9 K间,波动幅度小;川滇块体(图3c)和巴颜喀拉块体差值(图9)波动幅度分别在–4.5～4.2 K间和–5.5～5.4 K 间,波动幅度大,波动幅度为华南地块的2倍以上。华南地块亮温特点表明,构造活动不强烈地区的热红外亮温在正常背景上不会出现大幅度变化。

巴颜喀拉块体共出现4次超过2倍标准差线的辐射增强异常(图9红色箭头),2006、2007和2008年的异常与汶川地震有关,2014年的异常与芦山地震有关(张铁宝等,2015)。汶川和芦山地震前的辐射异常出现在巴颜喀拉块体,鲁甸地震前的辐射异常出现在川滇块体,异常分布区域与强震孕育地区存在相关性,这从另一个角度表明,2014年6月川滇块体的辐射增强异常为鲁甸地震的前兆异常。

图7　距平图像平均图像Fig.7 The mean of monthly departures of BT from March 2014 to August 2014

图8　华南地块西部亮温低频信息与背景场差值Fig.8 The difference between low frequency of BT and its background in the western part of the south China block

图9　巴颜喀拉块体亮温低频信息与背景场差值Fig.9 The difference between low frequency of BT and its background in the Bayan Har block

4 结论与讨论

4.1 结论

本文对川滇块体5级以上地震前后的热辐射进行了分析研究,得出以下几点认识:

(1)川滇块体M≤6.1级的地震震前无大面积的显著辐射增强异常,这可为该地区出现大面积显著辐射增强异常后地震震级预测提供一定的参考依据。

(2)鲁甸6.5级地震前川滇块体存在大面积显著均衡辐射增强前兆异常,这类异常对该地区6.5级左右的地震具有短期预警意义。

4.2 讨论

川滇块体M≤6.1级的地震在震前观测不到大面积的地表显著辐射增强异常可能有两种原因,一种是小震级地震无法在地表产生大面积辐射增强;另一种是小震级地震产生的地表辐射增强强度弱,地表热辐射传到卫星时受到了大气的干扰导致卫星观测不到。这有待进一步开展研究。

实验与理论研究证明热场与应力、应变场密切相关。陈顺云等(2008)利用野外钻孔应变资料和热红外辐射资料对比分析表明,应变变化时,热红外辐射也随之变化,应变变化幅度大,热红外辐射变化也强。野外观测结果与实验室结果相同。陈顺云等(2014)以汶川地震为例,开展了热与变形之间的对比分析,结果表明温度场获得结果与地壳变形观测结果高度吻合,通过温度场可以用来分析地震前后地壳变形的时空演化过程及应力变化状态。鲁甸6.5级地震前川滇块体出现大面积显著辐射增强可能表明鲁甸地震前川滇块体应力在大幅度增强,这有利于以左旋走滑运动为主的川滇菱形块体东边界带发生中强震。

鲁甸地震前经常性显著辐射增强区位于川滇块体的现象似乎表明鲁甸地震的孕震区范围很大,这有待结合其它面上形变资料做进一步研究。鲁甸地震前辐射异常区位于川滇块体,汶川和芦山地震前辐射异常区位于巴颜喀拉块体的现象表明,在热红外地震前兆分析区选取时,不仅要关注发震断裂带,还要关注与发震断裂带孕育地震有直接动力学联系的地质体,尤其是当发震断裂带附近震前处于闭锁状态时,更需重点关注相关地质体。

致谢:在论文完成过程中得到中国地震局地质研究所陈顺云博士许多帮助,在此深表感谢！

Acknowledgements:

This study was supported by Institute of Earthquake Science China Earthquake Administration(No.31-Y30B09-9001-13/15)and Sichuan Earthquake Administration(No.LY1610).

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Anomalies of Thermal Infrared Radiation before Some Medium to Large Earthquakes in the Chuan–Dian(Sichuan–Yunnan)Rhombic Block

ZHANG Tie-bao,LU Qian,GAO Yang,QI Yu-ping,XIN Hua,LIU Fang
Earthquake Administration of Sichuan Province,Chengdu,Sichuan 610041

Abstract:The Chuan–Dian rhombic block where medium to large earthquakes occurred frequently is the hotspot of studying earthquake precursors.The existence of thermal infrared radiation anomalies before strong earthquakes has been confirmed by many earthquakes.For in-depth study and application of thermal infrared radiation in the Chuan–Dian rhombic block,a systematic research on thermal infrared radiation anomalies before strong earthquakes in this area is necessary.In this paper,on the basis of many years’ Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer(MODIS)data of infrared brightness temperature determined through satellite remote sensing,the authors analyzed low frequency information of average brightness temperature before M≥5.0 earthquakes from April 2004 to August 2014 in the Chuan–Dian rhombic block.The following results were obtained:(1)In the Chuan–Dian rhombic block,the satellite did not observe a large area of significant thermal infrared radiation anomalies before M≤6.1 earthquakes,which could help to predict the magnitude of earthquake after the appearance of such radiation anomalies;(2)A large area of significant thermal infrared radiation anomalies appeared before the August 3,2014,Ludian M6.5 earthquake.Such anomaly was a short-term earthquake precursor,which had the significance of indicating the earthquake of magnitude M6.5 or so in the Chuan–Dian rhombic block.

Key words:Chuan–Dian rhombic block;earthquake;MODIS;thermal infrared radiation

作者简介:第一张铁宝,男,1981年生。工程师。主要从事卫星热红外遥感地震预测应用研究。

通讯地址:610041,成都市人民南路3段29号。电话:028-85438826。E-mail:tiebaozhang@163.com。

收稿日期:2015-09-17;改回日期:2015-12-11。责任编辑:魏乐军。

中图分类号:P315.72;P407.6

文献标志码:A

doi:10.3975/cagsb.2016.02.09