震前卫星红外亮温异常时空演化特征分析

闫丽莉, 高文晶, 王建国, 张孟怡

(天津市地震局, 天津 300201)

0 引言

卫星热红外遥感具有精度高、覆盖范围广,准实时获取数据的优势,在地震研究中被广泛应用,同时在研究成果上取得一定进展[1-10]。如:陈梅花、郭卫英等[1-2]分别研究玛尼7.9级地震、昆仑山口西8.1级地震,发现红外亮温增温异常与断裂带存在着对应关系,在异常表现很强烈的时段,断裂带内外亮温差值比相邻年份同期高2～3 ℃;张元生等[3]用小波变换和傅里叶变换的数据处理方法,研究汶川MS8.0地震,表明大地震发生前亮温变化存在明显热异常特征周期和特征幅值;张铁宝等[4]指出在汶川地震和庐山地震前,巴颜碦拉地块中东段都有红外亮温升温异常;马瑾、单新建等[5]探索研究了玛尼地震前后断层相互作用,从区域构造背景方面分析玛尼地震前的增温异常原因,并分析了变形异常—断层现今活动—地震三者间的关系。

从已有的成果看,地震活动引起热红外异常毋庸置疑,但是地震活动引起的红外异常,相对于地表热辐射的自然变化可能是微弱的。可见,要从复杂的热红外遥感信息中将深部断裂活动引起的热异常监测出来,就要掌握无震情况下的热红外亮温正常背景动态变化规律,以此作为判别异常的背景和基准,进一步提取与地震活动相关的红外前兆异常。

2012年在天津及其周边地区发生了2次4级以上地震,分别是2012年5月28日唐山4.8级地震和2012年6月18日宝坻4.0级地震。本文基于建立华北地区多年红外亮温动态月背景场,利用基于同期亮温偏移指数法(即K值法)研究这两次地震。

1 华北地区及数据介绍

本文选取华北地区的范围为 (110°～123°E,34°～43°N),其地质活动构造图如图1所示。华北地区是一个内部结构复杂和断裂活动强烈的地区,包括山西断裂带和太行山山前断裂带,其中山西断裂带几乎纵贯了华北地区的南北向,由北向南对接组成的地堑—裂谷系呈“S”形雁形排列,地堑内部存在一系列与盆地边缘大断裂平行、垂直、斜交的隐伏断裂[11-12];太行山山前断裂带位于太行山山脉与华北平原的过渡地带,不仅是地形地貌分区的界线,而且也是区域地质构造和地球物理场中一条重要的边界[13]。一系列受伸展正断层控制的掀斜块体在区域应力场的作用下,形成了典型的盆—岭式构造,一系列NEE向的盆地和断裂分布与强震活动密切相关,形成了以燕山山脉隆起为背景、面对华北平原广大沉降带强烈活动的格局[14-16]。

图1 华北地区地质活动构造图Fig.1 Tectonic map of geological activity in North China

NOAA是由美国于20世纪60年代开始发射的系列极轨气象卫星,目前在轨运行的NOAA系列卫星上装载的AVHRR探测器星下点空间分辨率为1.1 km,有5个探测通道,其数据参数见表1所列。其中,第1,2通道(0.58～1.1 μm )为可见光和近红外通道,主要反映地气系统物体的反照率。第3通道(3.93～3.95 μm )为中红外通道,对高温目标敏感,适合对下垫面的异常高温点进行探测,如森林火点、草原火灾等。第4,5通道(10.5～12.5 μm)为热红外通道,反映常温下(约300 K)地气系统的长波辐射[17],为研究地面热场分布提供了丰富的数据源,其数据计算精度为0.1 K。陆面和海面温度的反演主要用这两个波段,与地震及断裂活动相关热红外异常的分析与提取也是利用这两个波段的数据。本文选用NOAA18卫星接收2004—2012年8月的原始数据,为避免太阳辐射的影响,选取夜间凌晨01～03时数据。

表1 NOAA/AVHRR 数据参数

2 红外亮温异常提取方法

2.1 背景场建立方法

正常动态亮温背景场以华北地区多年相同时相观测的均值和标准差作为表征量。计算时对多年累积的数据按地理坐标进行时间序列上的统计分析,具体计算方法如下[18]:

设N为可用数据年限,Ti(x,y,t)为研究区位置(x,y)处第i年t时刻的亮温观测值,T(x,y,t)和σ(x,y,t)分别为研究区位置(x,y)处t时刻N年内由与研究区地震活动不相关的自然噪声源影响下的亮温平均值和标准差,则T(x,y,t)和σ(x,y,t)可用下式求得:

(1)

(2)

2.2 基于历年同期亮温偏移指数K值

基于历年同期亮温偏移指数K值可作为异常的表征量。K值从空间上反映日值相对于历年同期背景值发生的偏移,并表征为红外亮温异常,在时间上可获得异常出现的日期。故该方法可从空间和时间两个方面发现震前的红外亮温异常。

亮温偏移指数K值的具体计算公式如下:

设N为可用数据年限,Ti(x,y,t)为研究区位置(x,y)处第i年t时刻的亮温观测值,T(x,y,t)和σ(x,y,t)分别为研究区位置(x,y)处t时刻N年内由与研究区活动不相关自然噪声源影响下的亮温平均值和标准差。上述两个参数可用来描述研究区亮温的正常动态背景值。定义K为亮温偏移指数,则K表达式为:

(3)

3 背景场建立

为了避免太阳辐射的影响,本文筛选并截取华北地区2004—2012年夜间凌晨01～03时的热红外影像。同时,对每幅影像按等经纬度投影进行重采样,生成研究区范围内的局地投影文件。然后,对图像进行几何校正和辐射定标,生成带有准确地理位置信息的红外亮温图像。最后利用《卫星红外地震信息处理软件》进行红外亮温月背景场的计算,建立了华北地区多年同期的红外亮温月背景场,其结果见图2。

图2 华北地区2004—2012年8月同期红外亮温月背景场Fig.2 Monthly background field of infrared brightness temperature in North China from 2004 to August 2012

从图2可以看出,华北地区月背景场亮温值的变化主要受季节和地形的控制及断裂带的影响。在时间序列上,最高亮温出现于7月份,最低亮温出现于1月份,月亮温背景场整体表现出明显的夏高冬低年变特征,符合季节变化规律。在空间上,月亮温背景场整体表现为东南部华北平原的亮温高于西北部山区,为了进行更好的分析红外亮温与高程的关系,选取了一条从山区经过华北平原进入渤海海域的剖面线(见图3中的红色线)。从图4中可以看出,剖面线处的亮温与高程呈现负相关的关系,即随着高程的增加红外亮温逐渐降低;相反,随着高程的降低红外亮温逐渐升高。活动构造断裂带在红外亮温影像上清晰可见。

图3 华北地区DEM及所选剖面图Fig.3 DEM and the selected profile in North China

图4 剖面高程与红外亮温对比图Fig.4 Comparison chart of elevation and infrared brightness temperature of the profile

4 红外亮温偏移指数K值

对华北地区2012年的亮温数据提取了亮温偏移指数,即K值,根据经验判断,当红外亮温偏移指数K>2的部分,认为存在卫星红外亮温异常,计算结果见图5。

从提取的亮温偏移指数中可以知道,2012年1—3月华北地区的卫星红外亮温表现的比较平静,从4月份中旬开始出现了红外亮温异常现象,但到5月份又恢复平静,直到5月27日,在次日的唐山4.8级地震震中附近及华北平原地区表现出强烈的红外亮温异常,在5月28日,这种异常达到最大,呈现出片状的“异常椭圆”,其长轴约980 km,短轴约260 km,异常面积约40万km2(见图5),就在8小时后,也即5月28日的10时,发生了唐山4.8级地震。也就是说,在震前1天,甚至几小时在唐山断裂以南存在明显的红外亮温异常现象,震后恢复平静。与2011年同期相比,并没有出现如此强烈的片状异常椭圆现象。

同样利用亮温偏移指数法计算了2012年6—8月份的红外亮温数据,得到结果见图6所示。从图中可以看出,2012年6月18日的宝坻4.0级地震震前的1天(6月17日)存在红外亮温异常现象,但是异常的范围要小于唐山地震前的。此后,2012年的7、8月份的卫星红外亮温都表现的比较平静。

5 红外亮温偏移指数K值统计曲线

这里选取范围为(117°～119°E,38°～39°N)研究区,并统计该研究区的红外亮温偏移指数K值,见图7,可以看出,2012年来,一直处于平静时期,K值均小于2,未见明显的红外亮温异常。从4月中旬到5月份,K值接近2,红外亮温高于历史同期的变化。到了5月27日K值达到2.6,出现了明显的红外亮温异常,到了5月28日,K值趋于增大,达到3.3。这些异常现象可能与唐山4.8级地震的构造活动有关。在6月18日宝坻4.0级地震震前一天的红外亮温偏移指数K值约为2.2,其异常与唐山4.8级地震比不太明显。

同时统计2011年1—12月同一研究区的红外亮温偏移指数K值,见图8所示。可以看出,在2011年该区域内没有出现K值大于2的情况,说明在该范围内没有亮温异常现象存在,2011年天津及其周边地区没有发生4级以上地震。得到的结果与客观事实相符。

6 结论与讨论

(1) 红外亮温背景场方面:华北地区热红外亮温背景场变化具有空间相关性、时间延续性和年变周期性,不同地质构造单元,尤其线性断裂构造在热红外图像上表现清晰。时间上,呈现出夏高冬低年变特征,符合季节变化规律;空间上,红外亮温与高程呈负相关关系。

(2) 基于同期亮温偏移指数K值:2012年5月28日唐山4.8级地震震前在唐山断裂带以南存在明显强烈的K值异常,在震前8 h达到最大约3.3。6月18日宝坻4.0级地震在震前也存在红外亮温异常现象,但是较弱。2012年7—8月华北地区的亮温偏移指数K值没有出现明显的亮温异常现象,可以说明华北区相对平静。

(3) 异常机理讨论:90年代初就有学者开始探索震前红外热异常的机理研究[19-22],耿乃光等[19]认为由于岩石受压破裂的过程中,断层蠕动的机械能转变为热能,或地磁辐射能(包括红外辐射)转化为热能引起了震前的热异常。徐秀登等[20-21]的观点是临震地球放气导致局部大气效应,且发现近地表大气电场,对大气增温效应具有推波助澜的作用。强祖基等[22]提出了“地球放气说”,地球放气是种普遍存在的自然现象,地下深部气体作为地球内部物理化学场变化的产物,从断裂带岩石裂隙或土壤直接向外逸散或经过热循环的地下水被带出地表,活动断裂是地壳放气的主要部位之一,特别是在构造活动比较强烈的时期。而且通过实验研究证明CH4和CO2等气体在瞬变电场中可获得能量并引起2～6 ℃的增温,并初步认为在中强地震前热红外的增温异常需要同时满足气体突然释放和静电场突变的两个条件。许多地震的热红外图像具有复杂性,有些是有增温异常而无地震,有些则是有地震而无增温异常。到目前为止,还不能完全解释这种现象,在机理研究方面还需深入探索。

图6 华北地区2012年6—9月亮温偏移指数K值图Fig.6 K-value of the brightness temperature in North China from June to September 2012

图7 华北地区2012年1月1日—9月3日的红外亮温偏移指数K值曲线Fig.7 K-value of the brightness temperature in North China from January 1 to September 3, 2012

图8 华北地区2011年1月1日—12月28日的红外亮温偏移指数K值曲线Fig.8 K-value of the brightness temperature in North China from January 1 to December 28 2011