云南几次中强地震热红外异常特征对比研究

王 莹， 张元生,2*， 魏从信,2

(1. 中国地震局 兰州地震研究所， 甘肃 兰州 730000；2.中国地震局 地震预测研究所兰州创新基地， 甘肃 兰州 730000)

Gornyi等[1,2]在1988年首次提出将热红外遥感数据用于地震异常研究，大量研究发现地震前后有温度异常现象，通过红外遥感手段能定性地分析热红外异常。近年来，许多学者应用遥感数据在地震热红外异常提取方法和地震热红外异常成因机理方面进行了深入研究和探索，不断优化地震热红外信息提取方法，取得了一定的成果[3-12]。强祖基、马瑾等[13-17]探讨了热红外异常成因和机理，提出了热红外异常在时、空、强等方面的特征，及热红外信息可以反映区域断层活动的时空过程。郭晓等[18]提出了地震热红外异常提取方法-“相对功率谱法”，该方法可有效地去除非震因素，提高异常识别的准度。郭晓、魏从信等[19-24]应用该方法分析了一定数量的震例，获得了一些新的认识，如异常演化过程、特征周期等。张璇等[25,26]讨论了甘肃东南及邻近地区活动断层带与该地区热红外资料时空变化之间的关系，给出了活动断层的时空动态分布。

以前的研究大多重点讨论单个地震异常特征信息[19-29]，而对于多次地震异常的对比研究较少。云南省内地震活动频发，活动构造复杂，该处地震活动一直受到学者们广泛关注。1996年丽江地震[30]、2000年姚安地震[31]、2012年彝良地震[32]、2014年景谷地震[33]均发现震前有明显的增温异常。2008年至今该区域共发生5.5级以上地震8次，这些地震样本为对比分析地震热红外异常特征异同提供了数据基础。

本文运用相对功率谱方法对风云卫星TBB数据进行热红外异常信息提取，结合地质构造、断层信息及雨热信息，对比分析了8次地震热红外异常在异常形态、震中与异常相对位置、特征周期等方面的异同，探讨了异常特征与构造活动、天气等因素的关系，结合这些影响因素可更好地判别该区域震前异常。

1 研究区概况

云南省地处川滇地块和华南地块过渡带，西接青藏高原地块，东邻华南地块。一方面，由于青藏高原羌塘块体整体隆起、向东挤出的作用，造成了川滇地区强烈的构造运动和复杂的构造环境。另一方面，受印度板块对欧亚板块的挤压影响，该区域地震频发，且主要以板内地震和板缘混合型地震为主，中强震主要沿着菱形块体边缘的断裂发生[34]。

2008年至今，云南省共发生了8次5.5级以上地震，图1为震中分布，地震多沿菱形块体边缘断裂发生。滇西南和滇西在印度板块和亚欧板块边界东缘，受作用力较大，地壳较破碎，在一定的内外力作用下这些破碎地壳易产生地震活动，是该地区小震频发的原因。云南东部和云南西南部不是主受力区，地壳内形成小裂纹，把地壳分成了较大的块体，在一般应力作用下不易活动，因而地震活动较少。云南中部和滇东南地区，分别属于作用力回旋和远离作用力地区，形成的块体更大，外力作用无法使其活动，地震较少。

图1 研究区5.5级以上地震震中分布图Epicenter distribution of earthquakes (Ms≥5.5) in the survey region

云南省内构造活动强烈，断裂发育，上述8次地震多位于重要的断裂带或者次级断裂带。表1为地震目录及地震发生的主要断裂及参数。

2 数据及处理方法

由于静止卫星数据具有位置可比性强和时间一致性高的优势，本文选择中国气象静止卫星风云系列的相当黑体温度TBB数据作为数据源，通过小波变换滤波及相对功率谱处理方法提取识别与地震有关的热红外异常信息。本文所采用的小波滤波方法可以有效分离基本地球温度场(背景场)、日变温度场、雨云、冷热气流等因素(噪声)引起的温度场变化，利用相对功率谱方法可以得到时频域异常特征(能量与周期的关系)。经过小波变换滤波和相对功率谱方法得到了频率和振幅的时频空间数据，从而有效地去除非地震异常因素，突出了地震热辐射异常，称之为“时频相对功率谱”[18]。数据处理具体流程见图2。

(1)预处理：选取TBB每天午夜5个时间段的观测数据(UTC 17:00～UTC 21:00)，区域范围在55° E～150° E、5° N～50° N，数据空间分辨率为0.05°×0.05°，以二进制格式顺序存储数据入库。

(2)小波变换滤波：首先通过补窗法去除部分云和雨的影响，计算数据的均值得到日值，采用Daubecheies(dbN)小波系中的db8小波基对亮温数据进行小波变换，用二阶部分减去七阶部分，去除云雨、冷热气流及地球年变温度场等高频和低频影响因素，得到了每个像素在时域内具有正负相位的亮度温度数据的波形。

(3)相对功率谱处理：采用时间窗长(n=64天)和滑动窗长(n=1天)计算快速傅里叶变换的功率谱，为了提取地震前后优势频谱和幅值，对每个象元所有频率的功率谱做相对幅值处理，计算地震前后功率谱与其它时段相对变化幅值。

(4)异常扫描及提取：扫描研究区时空和全频段的时频空间数据，提取异常信息。该方法能有效地去除非地震因素，突出地震热红外信息。

图2 数据处理流程图Data process diagram

3 结果分析与讨论

本文分析了2008年至今云南省内发生震级在5.5级以上的地震事件，除去前震、余震，有效地震共计8次，其中6级以上地震共发生4次，5.5级～6级地震共4次，如表2所示。我们提取了上述8次地震的热红外异常，根据震级、地震类型及发震时间等方面的不同，对比分析地震热红外异常特征。

研究区内地震主要分布在滇西和滇西南，以主震余震型和双震型为主，其中滇东、滇西和滇西北地区地震类型主要为主震余震型，滇西南地区主要为双震型。

3.1 地震热红外异常特征信息提取结果

对震中位置为中心10°×10°范围内进行异常时空扫描，分别提取上述震例的地震热红外异常信息、异常时空演化图(图3、图4)及相对功率谱时序曲线图(图5、图6)。如图所示：其中有3次地震特征周期是32天，2次地震的特征周期为64天；最大幅值均在5倍以上，6级以上地震峰值大多在11倍以上，5.5级地震相对功率谱峰值较6级地震的峰值小；异常演化整体呈现出“出现-增大-减弱-消失”的过程，有沿断层变化的条状异常，也有未沿着断层走向展布的不规则片状异常，震中多位于异常边缘或者不连续异常交汇部位；异常持续时间多在38天以上，只有一次异常持续时间为16天，发震时刻多位于异常减弱阶段。

表2 地震目录

图3 6级以上地震热红外异常时空演化图Temporal and spatial evolution maps of thermal infrared anomaly ofMs≥6 earthquakes

2009年7月9日云南姚安6.3级地震的震中位于(101° E，25.6° N)，属主震余震型地震，发震断裂为NWW-SEE向右旋走滑断层，震中位于云南中部，近红河断裂和程海断裂交界。此次地震发生在夏季，该地区全年温差较小，四季气温适宜。如图3c所示，6月底在NWW方向出现小范围异常，7月初在震中SE方向出现大片异常，异常向震中方向持续扩大，直到地震发生后，沿着西北方向也出现异常，一直呈现出增大的趋势，直到8月底，异常向震中两侧减弱收缩。

在图5c所示姚安地震相对功率谱曲线中，特征周期为32天，幅值大于4倍的持续天数超过60天。从时序曲线可以看出，地震发生前后功率谱幅值高于无震时期幅值，有明显的高值异常。地震发生前时序曲线有小幅度的上升，7月19日后，出现小范围回落，之后幅值再次增大，相对幅值达到近期最大近14倍。整个时序曲线呈现出“增大-稍微回落-增大-回落”的过程。

图4 6级以下地震热红外异常时空演化图Temporal and spatial evolution maps of thermal infrared anomaly ofMs≤6 earthquakes

3.2 异常分析对比结果

结合上述地震热红外异常时空演化图、相对功率谱时序曲线、震级、发震断层的性质、天气以及构造背景状况等数据，对异常形态、特征周期、特征幅值等异常特征进行对比(见表3)，分析如下：

(1)不同震级对比

对比不同震级功率谱峰值：6级以上地震相对功率谱峰值高于6级以下地震，3次6级以上地震中峰值在11倍以上，而2014年盈江地震的功率谱峰值比相同地点2008年发生地震的峰值低。比较相同震级的功率谱峰值：彝良和宁蒗地震、盈江和香格里拉地震震级分别相同，其中盈江地震和彝良地震的异常持续时间、异常面积和相对幅值都较大。结合这8次地震异常演化图与震级，就异常持续时间、异常面积与震级而言无明显的联系，但异常持续时间和异常面积有很好的对应关系：异常面积大的地震所对应的异常持续时间也较长。

图5 6级以上地震相对功率谱时序曲线Relative power spectra time series ofMs≥6 earthquakes

(2)断层性质

研究区内地震发震断层多为走滑断层，多数地震热红外异常分布形态跟发震断层走向一致。发震断层多为走滑断裂，走滑断裂有右旋走滑和左旋走滑，但在此方面没有明显的规律性特征异常。异常的展布形态与断层走向有明显的一致性，但有的地震异常出现了转折，并没有沿着一个方向发展(震例3和震例6)。震中位于异常幅值较小一侧边缘或者异常交汇位置。

(3)不同地震类型对比

8次地震的地震类型主要有两种：主震余震型和双震型。分析主震余震型地震热红外异常演化过程：其中有2次地震(姚安、鲁甸地震)发震时刻位于异常持续增强阶段，余震发生当天异常较主震发生当天的异常强度、面积都大。其余主震余震型地震均发生在异常减小阶段，异常面积、异常幅值都较小。本文中主震余震型地震发震时间距异常最大处时间间隔较长。彝良地震属于双震型地震，两次主震发生时异常面积较大，发生时间距异常最大处时间间隔较短。

(4)不同发震时间(季节)

云南省北部气温较高，地势呈北高南低。夏季东部南部距海不远，受海洋气流的影响，云雨较多，夏季无酷热。文中的8次地震特征周期有一定的差异：3次地震特征周期为32天，2次地震特征周期为64天，其余为11天、14天和22天。云南省北部香格里拉是云南省海拔最高的地区，发震时段彝良气温高降雨少，鲁甸气温高降雨少，而宁蒗降雨较多气温不高。位于云南省南部的盈江，在异常出现的4月份，气温较高降雨少；姚安在6、7月份降雨多并且温度较高(均温25 ℃以上)；而景谷8、9月份气温高(均温30 ℃左右)降雨多。结合各地海拔气温降雨等条件，特征周期整体上呈现出：降雨较多的地区特征周期较短，高温干旱、降雨较少、海拔较高地区特征周期较长。

图6 6级以下地震相对功率谱时序曲线Relative power spectra time series ofMs≤6 earthquakes

时间震级地点峰值特征周期/天异常出现季节异常持续时间/天异常形态201410076.6景谷1211秋季38片状小范围异常,震中位于左侧边缘201408036.5鲁甸1132夏季51异常分布与断层方向一致,震中位于异常边缘200907096.3姚安1432夏季65北西、南西向异常,震中位于两方向异常交汇边缘201405306.1盈江632春季39北、东北向异常,震中位于异常南侧边缘200808215.9盈江922夏季16西南方向异常,震中位于幅值较小一侧边缘201308315.9香格里拉564夏季52北西、南西方向异常,震中位于两方向异常中间201206245.7宁蒗914夏季46近东西方向异常,震中位于异常突出边缘201209075.7彝良1164夏季55北东方向条状异常,震中位于异常交汇一侧边缘

3.3 讨论

本文对8次地震前后热红外异常特征进行了对比分析，相对功率谱峰值、异常面积、异常持续时间因多种因素影响有一定的差异。地震震级越大，表示孕震过程中积聚的能量越大，相应地震级较大，相对功率谱的幅值也应该比较大。但由于地震活动过程中受多种因素影响，震级和功率谱峰值并不一致，例如发震时间、地震活动、当地的构造环境等都会影响孕震过程。构造环境相同，也会出现震级小峰值较大的情况，这可能与一次地震过后改变了当地的孕震环境有关。相对功率谱幅值与整个孕震阶段和发震阶段能量的释放以及应力不断地调整有关。

构造活动受一定范围内区域应力场的共同影响，而区域应力场会影响其他断层活动[35]，可能会引起其他断层的异常出现，使异常并不一定沿着主要发震断裂展布。而异常面积的不同也可能与区域应力场及断层活动有一定的关系。异常连续成片时，震中往往位于异常一侧边缘，异常不连续时，震中位置往往位于异常交汇处边缘，结合断层信息、异常演化过程及地震活动性特征，能够较准确地判断出发震位置。双震型地震能量释放集中，相应地，异常面积和异常幅值较大，地震发生时刻距峰值时间间隔较短；而主震余震型地震发震时间距峰值出现时间间隔较长，这应该与双震型和主震余震型地震能量释放过程不同有关，两者联系还需进一步确认。

相同区域震例热红外异常特征有一定的相似性，热红外异常特征与震级、发震断层、发震时间、地震孕育过程等因素有明显的相关性，今后应进一步探究异常强度和面积与震级、震源深度及地下结构等多种影响因素的相关性，不断深入探究异常特征与各影响因素之间的关系。

4 结论

应用时频相对功率谱方法分析了研究区内8次5.5级以上地震，得到了该系列地震热红外异常特征：特征周期以32天和64天较多；6级以上地震的相对功率谱峰值在6倍以上，6级以下地震的相对功率谱峰值在5倍以上；异常持续时间多在30天以上；发震时间位于相对功率谱幅值回落阶段；震中位于异常边缘或者异常过渡位置。特征信息明显且具有规律性。

本文从不同震级、断层的性质、不同地震类型和不同发震时间对8次地震异常特征进行了对比分析，得到以下结论：①本文中不同震级的地震，相对功率谱峰值会有所不同，震级较高的地震有较高的幅值；②整个异常时空演化过程中，异常形态展布与断层的走向具有较好的一致性，震中位置往往位于异常的一侧边缘或者异常交汇的位置；③双震型地震和主震余震型地震，孕震及发震过程中主震余震能量分配及能量释放不同，本文中的震例在异常演化过程中双震型地震异常面积较大，峰值距发震时刻时间间隔较短；④发震季节不同，当时当地的气候环境有所差异，特征周期也有所差异，降雨较多的地区特征周期较短，高温干旱降雨较少地区特征周期较长。

致谢：感谢中国气象局国家气象中心提供静止卫星数据，感谢中国地震局预测研究所基本科研业务专项(2015IESLZ02)资助。