中、强震前川滇块体遥感红外辐射异常分析——以宁蒗M5.7地震和鲁甸M6.5地震为例

路 茜,张铁宝,崔 静,杨 星

(1.四川省地震局,四川 成都 610041;2.国家自然灾害防治研究院,北京 100085)

0 引言

近年来,国内学者在研究中发现中强震前会出现红外辐射异常现象[1-11]。然而有些研究在数据分析上采用的数据时长较短,缺乏对历史数据和年变规律的系统梳理和总结分析;有些研究只分析红外异常现象,对产生的红外辐射异常与构造环境的关系等问题缺乏深入研究,这使得地震前辐射异常现象研究的可靠性受到一些质疑。

众所周知,地震孕育与活动构造有关,还与板块运动、块体应力累积存在联系。以汶川地震为例,地震发生最根本动力是青藏高原和华南块体间的相对运动所积累的能量在龙门山断裂带上释放[12-14]。虽然龙门山断裂带的整体滑动速率很小,但汶川—茂县断裂向西到若尔盖草原及整个青藏高原东部,其往东和往北运动速率却很大[14-15]。青藏高原及其内部块体运动在汶川地震前累积了能量。马瑾等[16-17]、刘培洵等[18-19]以及陈顺云等[20]通过岩石加压实验与热场理论研究证明:热场可能是由于应力的能量累积造成的。

在中、强震前,如果能获取到与发震断裂的相关块体、地区由于应力积累产生的红外辐射增强现象并量化异常判定指标,对红外地震的前兆机理研究及地震预测而言具有重要的意义。汶川地震和芦山地震前川西地区、青藏地区出现亮温差值高于背景场3.5K,面积大于20 000 km2的集中升温异常[21]。张铁宝等[22]在研究汶川地震、芦山地震前异常时将巴颜喀拉块体均值亮温差值高于1.5倍标准差定义为异常。

川滇块体位于南北地震带中南段,中强震频发。为遥感红外的地震前兆研究提供了理想的研究场所。目前对该地区遥感红外地震前兆异常系统分析和总结的研究还较少。利用MODIS/Terra遥感红外数据,采用空间距平分析法、辐射亮温均值低频时间序列法,并创新了辐射增强阈值面积指数法,对数据时段内(2004年4月—2017年6月)川滇块体的中、强(M≥5.5)地震进行系统的梳理和分析,并以宁蒗M5.7地震和鲁甸M6.5地震为例,总结川滇块体中、强地震前MODIS红外辐射异常的判定指标和时空特征。

1 研究资料概况及研究方法介绍

1.1 资料概况

以MODIS/Terra遥感卫星日间红外亮温21通道数据作数据源,选取范围为川滇块体及邻区(图1),数据分析时段为2004年4月—2017年6月。由于高频信息变化存在诸多干扰因素,因此仅分析低频信息变化。数据采用多日拼接合成的方法以达到去除云覆盖数据的效果,数据的时间间隔为2～4天,空间分辨率为1 km。考虑到川滇块体应变背景主要表现为挤压[23],而岩石实验证实岩石受挤压升温[19,24],在此将红外辐射增强现象(即:升温现象)定为异常,减弱降温现象暂不考虑为异常现象。本研究对川滇块体及相关断裂带发生的中、强地震前(M≥5.5)的红外辐射异常现象进行研究,在量化异常指标方面,根据地震前兆常用方法,将超出2倍标准差定义为异常。

1.2 分析方法介绍

(1) 空间距平分析法

距平是遥感红外亮温数据某一像元位置点数值与其历史平均值的差,计算区域范围内全部像元的距平可得到亮温空间距平图像。空间距平图像可以直观反映出空间上亮温相对于历史背景场的高低分布情况。本研究定义在空间分布中亮温差值高于背景场3.5 K为异常。

(2) 辐射增强阈值面积指数RHI

已有震例研究表明,强震前红外亮温数据距平异常存在大面积的增强现象,异常面积通常可达到数万平方公里,而异常的幅度通常可达到数K大小的波动[25-26]。采用红外辐射的月距平图像,用目前方法难以获得统一、准确的判定标准。在此为了定量判定遥感红外亮温数据距平异常大小,利用简化的离散数学期望的算法新提出了亮温辐射增强阈值及所对应面积的乘积的总和(简称辐射增强阈值面积指数RHI)作为判定异常的指标,其计算公式为:

(1)

式中:X1、X2、X3,……,Xn为亮温辐射增强异常的设定阈值,n为认定亮温辐射增强异常的阈值个数,Ak为出现超过设定阈值范围的辐射异常面积。由此计算出的辐射增强指数可进行时间序列分析。本研究在时间序列中判定超过2倍标准差为异常。

(3) 亮温均值低频时间序列分析

川滇块体(图1)亮温均值曲线具有年变特征,并存在许多高频信息。为了分析其低频部分的变化,在此采用30天窗长,1天步长的滑动平均法弱化高频信息,提取低频信息。通过计算得到多年低频信息的年变曲线,进而得出低频信息与其年变曲线的差值曲线。差值在超过2倍标准差线时判定为异常。

图1 研究区域及川滇块体M≥5.5地震分布图(2004-04-01—2017-06-30,不包含余震)Fig.1 The study area and distribution diagram of M≥5.5 earthquakes in Sichuan-Yunnan Block (from April 1,2004 to June 30,2014,exclusive of aftershocks)

蒋锋云等[27]通过GPS速度场计算较好反映了川滇块体的构造特征:随着印度板块的推挤,川滇地区主压应变沿喜马拉雅东构造结顺时针方向运动。青藏高原物质向东移动与阿萨姆角NEE方向楔入造成川滇地区东移,然而受到东部华南块体的阻挡作用,整个川滇地区沿鲜水河—安宁河—则木河—小江断裂带转向SE向运动。本研究进一步将川滇块体沿运动方向横向切分呈8个小区域(图1),对川滇块体内部的震前异常进行详细的时间序列分析。

2 中强地震前川滇块体红外辐射异常分析

2.1 川滇块体地震活动

2004年4月1日—2017年6月30日,川滇块体及其边界带共发生5.5级以上地震12次(不包含余震)(图1深蓝色及浅蓝色所示),其中M5.5～5.9地震8次,M6.0～6.9地震4次,最大地震为2014年8月3日云南鲁甸M6.5地震(图1)。另外3次M≥6.0地震分别为2008年8月30日四川攀枝花M6.1地震、2009年7月9日云南姚安M6.0地震和2014年11月22日康定M6.3地震。

2.2 川滇块体及周边地区红外亮温距平图像定量分析

分析川滇块体13年红外辐射月距平图像,获取大面积大幅度辐射增强异常图像。利用式(1)计算出分析时段每月(2004年4月—2017年6月)辐射增强指数,计算所得辐射增强指数的极大值为2012年5月的辐射112,平均值为15.2,标准偏差19.6。

根据图2可以统计出列表1中每月距平辐射增强阈值面积指数异常与M5.5以上地震的对应情况。由此看出:在整个分析时段,出现了10次超2倍标准差的异常,异常结束后3个月内有5次对应了M5.5以上地震,且大多成组发生,有些地震发生在异常结束4～6个月内。仍有部分地震前在川滇地区分析范围内未出现超过2倍标准差的异常,如:汶川M8.0、攀枝花M6.1、盈江M5.8、沧源M5.5。汶川8.0级地震前的异常主要集中在巴颜喀拉块体,其异常范围在本文分析区域内只出现较小面积,因此在距平辐射异常中未达到超差异常。如果提高震级档分析,那么除了攀枝花M6.1地震外,其他M≥6.0地震前6个月内均出现了月距平辐射增强阈值面积指数的超差异常。此外可以看出地震的震级大小与辐射阈值面积指数的大小没有对应关系。但地震的震中位置与异常的分布区域具有关联性(表1)。

(阈值为1倍标准偏差与2倍标准偏差)图2 月距平辐射增强阈值面积指数(RHI)时序图与M≥5.5、M≥6.0地震M-t图Fig.2 Time series diagram of monthly departure of RHI and M-t diagram of M≥5.5 and M≥6.0 earthquakes

表1 月距平辐射增强阈值面积指数RHI异常与M≥5.5地震对应情况(阈值2倍标准差)Table 1 The correspondence between monthly anomalies of RHI and M≥5.5 earthquakes

2.3 川滇块体红外亮温低频信息异常分析

选取川滇块体(图1)计算其亮温均值低频信息及其与背景场曲线的差值曲线,从川滇块体差值曲线[图3(b)]看,2004年4月1日—2017年8月31日,辐射增强异常(即差值超过2倍标准差)过程共4次[图3(b)],异常时段分别为2009年5月19日至2009年5月22日、2009年11月15日至2009年12月3日、2012年5月24日至2012年5月29日和2014年6月1日至2014年7月16日。2009年5月和11月、2012年7月出现的异常的幅度不大,刚超过2倍标准差,且持续时间短,仅有几天。2009年5月异常结束后发生了7月9日姚安M6.0地震;2012年5月异常结束后半年内相继发生了宁蒗M5.7、彝良M5.7和M5.6地震。2014年6月的异常幅度大,超过3倍标准差,为整个数据时段最高值。在异常结束后半年内相继发生了鲁甸M6.5地震和康定M6.3地震。

图3 川滇块体红外亮温低频曲线Fig.3 Low-frequency curves of infrared brightness temperature in Sichuan-Yunnan Block

此外,整个分析时段还存在3次辐射差值刚达到2倍标准差线的辐射增强,分别出现在2007年3月、2011年9月和2013年3月,这3次的辐射增强与前面分析的4次异常与2.2中提出的异常基本对应。本研究中仅分析川滇块体内部的情况,所以在川滇块体与其他周边块体同时出现辐射增强,且川滇块体部分出现辐射增强时,辐射增强异常会因为川滇块体内部亮温低频信息的均值算法而削弱。

经过2.2、2.3的初步论述,将在下文震例分析中,进一步分析2012年5月与2014年4—6月辐射增强分布集中在川滇块体的两次异常(表1、图3)。

3 川滇块体红外辐射异常典型震例分析

重点分析宁蒗M5.7地震和鲁甸M6.5地震,这两次地震分别发生在上述两次异常之后。

3.1 宁蒗M5.7地震(2012年6月24日,27.7°N,100.7°E)

宁蒗地震前的2012年5月川滇块体存在大面积显著辐射增强异常,现需进一步分析更大区域范围的红外亮温空间距平图像。图4为2012年5月,范围为:20°～40°N,90°～110°E的红外亮温距平辐射图像(大范围的亮温距平图像能看到川滇块体与邻近块体红外辐射异常间的联系),可以看到红外辐射增强覆盖了整个川滇块体(辐射距平值高于3.5 K的区域范围为异常)。除此,拉萨块体和羌塘块体存在有小面积辐射增强,而其余块体基本处于距平值正常的状态。

进一步详细分析川滇块体8个小区(图1)的震前异常。图5给出了各小区亮温低频信息与背景场曲线的差值曲线,可以看出在2012年5月,亮温辐射增强最明显,且超过差值2倍标准差的区域为5区、6区。图6为2012年5月18日至2012年5月30日块体内部小区辐射增强幅度图,幅度差最大值为3.34 K,且5区、6区刚好位于震中附近(图1)。辐射超阈值的异常可能对地震的震中位置有一定指示意义。

图5 川滇块体分区亮温低频信息差值曲线(2011-01-01—2012-06-30)Fig.5 The difference value of low frequency of brightness temperature and its background in subareas of Sichuan-Yunnan Block (2011-01-01—2012-06-30)

图6 川滇块体内部小区辐射增强幅度图(2012-05-18—2012-05-30)Fig.6 The amplitude diagram of radiation enhancement in subareas of Sichuan-Yunnan Block (2012-05-18—2012-05-30)

3.2 鲁甸M6.5地震(2014年8月3日,N27.1°,E103.3°)

由上文分析中可知,鲁甸地震前川滇块体存在红外辐射异常。图7为2014年3月至8月的亮温月距平图像。由图7可见:2014年3月川滇块体北段出现小范围辐射增强,祁连带也同时出现了辐射增强。4月川滇块体北段辐射增强范围扩大,且幅度增强,同时在拉萨块体以南、滇西块体以西的南亚次大陆出现了辐射增强。5月整个川滇块体均出现辐射增强,同时在羌塘块体、巴颜喀拉块体、柴达木块体及祁连块体出现了NEE走向的带状辐射增强。6月川滇块体辐射增强范围进一步扩大,蔓延至羌塘块体东段和巴颜喀拉块体南端,且升温幅度再次增强,与此同时羌塘块体、巴颜喀拉块体、柴达木块体在5月出现的辐射增强依然存在,7月和8月各区域前期出现的辐射增强现象逐渐消失,恢复平静。由此我们可以看出,川滇块体出现的辐射增强相对其他区域在时间上比较连续,且呈现了块体内部由北往南,面积逐渐变大、幅度逐渐增强的变化,其他地块的辐射增强则相对随机。

图7 2014年3—8月亮温月距平图像 Fig.7 Monthly departure of brightness temperature from March to August,2014

将距平研究区域出现辐射增强的2014年3—6月的月距平做平均处理得到图8距平的平均图像。从图8可以看出,经过平均处理,川滇块体的辐射增强异常尤为突出,而羌塘块体、巴颜喀拉块体、柴达木块体及祁连块体出现的带状辐射增强,以及南亚次大陆出现的辐射增强明显被弱化了。除此,川滇块体的辐射增强区域在块体东边界存在明显的界限,巴颜喀拉块体南端也存在这个现象,这可能是川滇块体和巴颜喀拉块体在整个运动中受到四川盆地和华南块体的阻挡,应力累积引起的辐射增强也受到限制的原因。

图8 亮温距平平均图像(2014年3月至2014年6月平均值)Fig.8 Mean value of monthly departure of brightness temperature (from March to June,2014)

同理将川滇块体进行分区,分析大区内部鲁甸M6.5地震前的异常(图9)。从图9中可以看出川滇块体小区差值曲线地震前的异常经历了两个峰值,分别为2014年6月1日至6月20日和2014年6月21日至7月16日。图10为两个时段块体内部小区辐射增强幅度图。第一个峰值时段,3～8区的辐射增强幅度均超过了2倍标准差阈值线,峰值最高区是6、7区,幅度差最大值为2.91 K[图10(a)];第二个峰值时段,2～8区的幅度均超过了2倍标准差阈值线,6和7区依然为峰值最高区,幅度差最大值为1.63 K[图10(b)]。经过小区的辐射增强的进一步分析可以看出,鲁甸地震震中附近的6区和7区在震前两个峰值时段[图10(a)和(b)]中,均出现了最大幅度的辐射增强。该现象可对作为强震地点判定的依据。

图9 川滇块体小区亮温低频信息差值曲线(2013-01-01—2014-08-30)Fig.9 The difference value of low frequency of smoothing infrared brightness temperature and its background in subareas of Sichuan-Yunnan Block (2013-01-01—2014-08-30)

图10 川滇块体内部小区辐射增强幅度图Fig.10 The amplitude diagram of radiation enhancement in subareas of Sichuan-Yunnan Block

4 结论与讨论

研究采用三种分析方法对川滇块体研究时段M≥5.5地震前的红外辐射进行分析研究初步,并对宁蒗M5.7地震和鲁甸M6.5地震做了较详细的震例研究,得出以下几点认识:

(1) 本研究中的个别5.5～5.9级地震在震前3～6个月川滇块体未出现显著红外辐射增强异常,而M≥6.0地震在震前3～6个月基本能发现较为明显的红外辐射增强异常。这对该地区出现显著红外辐射增强异常后的地震预测震级判定有一定指示意义。

(2) 距离川滇块体较近的汶川8.0级地震、芦山7.0级地震前,川滇块体未出现异常,异常主要集中在巴颜喀拉块体。这说明孕育地震的红外异常分布并非随机分布,而可能是受到相关块体的控制。

(3) 宁蒗M5.7地震和鲁甸M6.5地震震例研究发现,震前辐射增强较高的小范围区域与震中位置有一定关联。这可为未来中、强震的地点判定提供了一些依据。

前兆异常与地震的发生并非一一对应[28],研究时段内川滇块体一些5级地震在震前并未出现显著辐射增强异常,这可能是因为小地震发震所需要累积的应力在地表无法产生大面积的辐射增强异常,而通常比较小范围、小幅度的辐射增强可能会被高频信息或其他干扰因素削弱掉。

宁蒗地震、鲁甸地震前显著辐射增强区域位于川滇块体,而汶川和芦山地震前辐射增强区域位于巴颜喀拉块体[21]的现象表明,在红外资料跟踪分析的区域选取时,应选择较大范围,不仅应该分析断裂带、断层周边,还需要更多关注相关地质体。出现异常后应重点关注相关地质体周边处于闭锁状态的断裂带及断层,这可能会是未来强震的优势发震地点。

致谢:感谢审稿专家提出的宝贵意见和建议。