2012年新疆洛浦M S 6.0地震前卫星热红外亮温时空演变特征分析

邵楠清 孟庆岩 魏鸣 卢显 张颖

1）南京信息工程大学，南京市宁六路219号 210044

2）中国科学院遥感与数字地球研究所，北京市海淀区邓庄南路9号 100101 3）中国地震台网中心，北京 100045

0 引言

北京时间2012年3月9日6时50分4.7秒在新疆维吾尔自治区和田地区洛浦县（39.4°N、81.3°E）发生了MS6.0地震。洛浦县位于新疆西南部，北邻塔克拉玛干沙漠，南连昆仑山；地形南高北低，整体成条形，南部为山脉，海拔3300m以上，北部为沙漠区，海拔约1300m以下；震区位于塔里木盆地腹地海拔1200～1500m的冲积扇和冲、洪积平原地区，地势较为平坦；地震震中位于巴楚隆起与阿瓦提断陷之间的图木舒克隐伏断裂带上，此断裂带西段为NW走向，东段为近EW走向，全长约250km（朱治国等，2013）。此次地震震源深度30km，震感范围广，阿克苏、喀什、和田、巴音郭楞、伊犁等地均有震感（冯英等，2012）。

由于岩层受力摩擦、CH4等气体溢出、瞬时电场变化等影响，导致地震前出现短临前兆，地表热辐射出现异常。对这种异常现象的研究始于20世纪80年代，前苏联科学家Gornyi等（1988）和Tronin（1996）研究了中亚地区地震活动带和东地中海地区的卫星热红外遥感影像，发现很多地震前都出现了明显的热红外异常现象，经统计分析发现其与地震活动带之间具有相关性。随着卫星遥感技术的飞速发展，利用红外亮度温度开展地震前热辐射异常的研究已全面展开。强祖基等（1998）对多个地震前的亮温增温异常进行了研究，发现增温区温度比周围高出2～6℃，震级越大则亮温增温面积也越大，且一般在亮温异常发展到最强时期后几天～60天内发震。徐秀登等（2001）总结分析了中国及周边40多次地震的卫星热红外图像，发现震级在MS5.0以上的地震均有较为明显的震前红外异常。屈春燕等（2007）等探讨了地形地貌、地物类型、气象要素等非震因素对地表热红外亮温的影响及其去除方法，并提出了地震异常的识别和提取方法，进一步提高了地震异常判断的准确性。吴立新等（2008）、Zhang等（2010）、张铁宝等（2013）也对近年来中国发生的汶川8.0级地震、玉树7.1级地震的震前热红外亮温时空变化特征进行了研究，发现震前均存在不同程度的亮温异常增强现象。

由于印度板块与欧亚大陆的不均匀挤压碰撞，青藏高原和天山先后隆起，使得新疆塔里木盆地周缘成为板内构造变形最强烈、地震活动最频繁的地区之一。对该地区进行红外辐射遥感信息的研究，对于提高该地区地震活动预测水平具有十分重要的意义（郭卫英等，2006）。本文对发生在塔里木盆地的新疆洛浦MS6.0地震震前地表红外亮温的时空变化特征进行分析，并考虑气象因素影响，从异常信息的空间分布、强度变化等方面入手，进一步提取与此地震活动有关的热异常信息。

1 资料收集与处理方法

由于静止卫星高度高、视野广、观测范围大，且可以对某一固定区域进行连续观测，这对于地震热异常研究，特别是震前热辐射在一定时间范围内的连续变化研究更具优势。本文选取FY-2E静止气象卫星热红外亮温数据进行分析，其远红外观测波段分别为10.3～11.3μm和11.5～12.5μm，热红外亮温观测每小时进行1次，星下点空间分辨率约5.00km，观测精度较高。本文以新疆地区为研究区，选取2012年2～3月，空间范围为34°～46°N、77°～89°E内的热红外亮温资料进行分析。

由于白天的太阳辐射会影响地表的观测亮温值，故选取夜间地方时22：00～06：00数据取平均做为日均值序列。为了去除部分云层遮蔽造成的亮温值偏低的影响，处理时采用补窗法（张璇等，2013a、2013b），将第i个时次受云层干扰的低值设为下限，将同一时次的错值和不符合黑体辐射公式的高值设为上限，利用此阈值范围对每一个像元的值进行筛选，从而达到简单的去云目的，可在一定程度上消除云层对亮温反演的干扰，然后计算每天不同时间点数据相同像元的平均值，从而得到亮温的日均值。

2 红外亮温异常变化特征

2.1 震前红外亮温异常时空演化特征

图1 洛浦MS6.0地震前红外亮温异常时空分布（蓝星处为震中）

按照上述数据处理方法处理新疆洛浦MS6.0地震前后2012年2月12日～3月12日共30天的红外亮温数据，得到研究区内对应时间的地表红外亮温分布情况。图1（a）～（o）给出2月21日～3月6日洛浦地震前红外亮温分布特征。

震区地处塔里木盆地腹地，该盆地深处大陆内部，中心是塔克拉玛干沙漠，周围又有高山阻碍湿润空气进入，故极为干旱，气温受地形影响较大。由于沙的比热较小，白天太阳照射下导致盆地内地表温度快速升高，夜间虽然沙漠的释热快，但由于四周高山阻挡，盆地内空气不易流动，故气温降低较慢而形成了一定的温室环境，保证地表热量不会大量散失，所以整体来看，盆地内的地表温度明显要高于周边地区。

如图1所示，2012年2月21日～2012年3月6日期间研究区红外亮温的变化具有明显异常特征，具体可分为3个阶段。

第1阶段为平稳发展阶段。在2月24日前，研究区红外亮温的分布基本符合地形地貌特征及季节性变化规律，即盆地内亮温数值高于周边区域，随着时间推移，整体亮温呈现缓慢上升趋势。由于受到2月21～23日1次中亚低涡天气系统的影响，震中地以北的阿克苏、伊犁河谷以及西侧的山区等地先后出现中到大雪、局部暴雪的天气，其它地区也相继受到影响，部分地区的降雪量达到了3～12mm（李圆圆等，2014）。由于降雪和云层的影响，2012年2月21～23日，震中附近的亮温数值呈现条带状无规律分布，有零散的高值区域，但其它地区亮温数值较低。

第2阶段为异常增强阶段。2月24～25日，研究区内亮温高值区域范围明显扩大，数值与之前相比有较大幅度上升，其中震中周围出现连续成片的异常高值区，特别是在震中以西的巴楚县附近亮温异常尤为明显；块状异常整体沿东-西方向分布，条带状异常呈西北-东南走向，这与巴楚县附近多条断裂带的分布位置及断裂带走向相一致（图2）。故可以推断这种热量异常与这些断裂带活动以及洛浦MS6.0地震的孕育发展有关。

2月26～27日，连续的亮温高值区域出现异常，特别是巴楚附近断裂带区域的亮温值异常偏低，由于26～27日巴楚附近地区为晴好天气，故判断这种亮温偏低的现象是上1次（2天前）亮温异常爆发后的回落，标志着热量释放的完成，并有可能孕育着下1次异常爆发。

2月28日研究区内再1次出现亮温异常现象，与第1次异常现象相比，亮温高值区域范围进一步扩大且连接成片，亮温数值大幅度升高，异常特征更加明显且持续时间更长，异常呈条带状，沿西北-东南方向伸展，与邻近断裂带分布和走向进一步吻合。同时，巴楚西南方，即盆地西部的山区也出现大范围团状亮温异常高值区，但由于其位置与震中相距近400km，且异常形状与断裂带走向不吻合，故推断其为非地震引起的。2月29日，由于新疆西北部及沿天山地区的大范围降雪，亮温值稍有回落，但整体分布特征不变。此次异常一直持续到3月3日，连接成片的大面积亮温高值区几乎覆盖塔里木盆地，其中以震中西北缘巴楚附近断裂带区域的异常最为明显，该区域亮温平均值为261.93K，亮温异常值最高达到268.56K，超出平均值6.63K。

第3阶段为异常消失阶段。从3月3日开始，研究区亮温高值区域范围逐渐缩小，亮温异常值回落并消失。3月3～5日，由于巴楚地区受到降雪影响，伴随热量释放完毕导致的亮温急剧回落，使研究区的亮温值大幅度降低，但在3月5日之后逐渐恢复正常；从3月6日至3月9日MS6.0地震发生，研究区的亮温分布处于平稳发展状态，符合地形地貌特征。此阶段的亮温在数值上与第1阶段相比偏高，但考虑到30天内季节性变化规律导致亮温升高的必然性以及余震的影响，增量控制在正常波动范围内，说明此次地震导致的亮温异常已经消失。

图2巴楚地区构造区划和断裂体系（丁文龙等，2008）

由上述分析可见，2012年2月23日前，研究区无明显异常信息出现，2月24～25日出现第1次异常，异常信息分布连续，最高值位于巴楚附近断裂带区域且与断裂带走向一致。26～27日异常出现回落，并在28日再1次上升，这一过程十分明显，异常信息强度进一步提高，断裂带附近异常值达到最大。第2次异常一直持续到3月3日，之后快速减弱，直至异常消失。

2.2 基于亮温日值变化提取亮温异常

为进一步探讨洛浦MS6.0地震前红外亮温异常特征，选取地震震中以西巴楚附近圆形区域（39°～41°N、78°～80°E）为研究区，其中圆心位于巴楚县东北（40°N、79°E），区域半径为1km。统计研究区地震前后30天每天的亮温平均值，得到图3所示的亮温日均值时间序列图。

图3 研究区（39°～41°N、78°～80°E）2012年2月12日～3月12日亮温日均值

表1巴楚2012年2月12日～3月12日历次降雪天气统计表

由图3可知，2012年2月12日～3月12日，受到气候季节性变化规律的影响，研究区亮温平均值呈现稳定的振荡上升趋势，振荡幅度保持在5.00K的阈值范围以内，存在个别极低值点。表1列出了巴楚县2012年2月12日～3月12日期间的历次降雪天气，可以看出，降雪的日期与图3中亮温极低值点对应的日期基本吻合。本文综合考虑天气系统影响范围、运移以及站点数据的覆盖范围，认为研究区亮温极低值的出现与该地区的降雪天气因素有关。

图3显示，2月24～25日研究区出现第1次异常，亮温数值明显升高，24日亮温平均值为258.07K，25日上升至260.11K。26日热量释放完毕后，异常迅速消失，在没有气象因素干扰情况下，亮温值持续2天处于低值。2月28日研究区出现第2次异常，亮温值上升至263.70K，并在3月1日达到最高值264.37K，即使受到2月29日降雪天气影响，亮温值在被削弱后仍然能达到257.68K；此次异常持续到3月2日，当日亮温值高达263.98K，随后异常迅速消失，并受到降雪影响，3月3～4日的亮温值均大幅降低至243K左右。3月5日以后，研究区亮温值恢复正常，呈现小幅度振荡上升趋势，振荡幅度也保持在阈值范围内。

3 讨论与结论

2012年3月9日洛浦MS6.0地震红外亮温异常特征主要有：

（1）从异常信息空间分布来看，异常主要分布在震中西北方向，异常高值区位于巴楚县邻近区域，与发震断裂带位置吻合；异常主要呈条带状分布，走向与断裂带方向一致，似可以推断，异常信息与发震断裂带活动以及洛浦MS6.0地震的孕育发展有关。

（2）从异常信息随时间演变来看，异常出现在洛浦MS6.0地震前14天，时间上经历较强-弱-强-弱的变化过程，第1次异常持续时间较短，并很快衰减，第2次异常持续达4天，之后迅速消失，2次异常爆发前后间隔2天，异常消失6天后地震发生，之后再未出现类似异常现象。

（3）从亮温异常强度来看，亮温值随时间推移呈振荡上升的趋势，振荡幅度保持在5.00K的阈值范围以内，受到降雪天气因素的影响会出现个别超出阈值范围的极低值。亮温异常的持续高值出现在第2次异常期间，最高值出现在3月1日；异常出现期间亮温平均值超出阈值上限4.21K，亮温最高值超出阈值上限5.98K，异常现象十分明显。

综前所述，此次亮温异常现象在时空演变的各个方面均似与洛浦MS6.0地震似具有明显的相关性。