多参量联合分析的地震空间探测异常研究进展＊

贾雪璨 龚 川 刘珠妹 李盛乐

（中国地震局地震研究所，地震大地测量重点实验室，湖北武汉 430071）

引言

地震是影响人们生命财产安全的最为严重的自然灾害之一。对地震前后可能的异常信号研究是地球动力学和地震学的重要课题[1-3]。卫星遥感技术因其观测范围广、不受地面自然条件限制等优点，在获取地震异常信息方面具有重要的研究意义和应用前景[4-9]。

早在20世纪80年代末，前苏联学者Gornyi等[10]利用NOAA卫星亮度温度数据，在分析中东的地震活动时发现了地震前红外辐射异常；此后30多年，俄罗斯、美国、中国、日本、印度等各国专家利用空间遥感、地面观测和数值模拟等多种手段，对中强地震前的热异常现象进行了深入探索，取得了众多有意义的研究成果[11-26]。

随着卫星对地观测技术的发展，越来越多的地震学者认为，地震的发生不仅与震源区的孕震过程有关，还和内（地体环境）外（日地空间）环境因素密切相关[27]。Pulinets等[28-30]提出了地震异常交叉检验与综合分析范式，即岩石圈—大气圈—电离层耦合（Lithosphere-Atmosphere-Ionosphere Coupling，LAIC）模型，为地震电离层研究提供了物理基础。大量研究表明，孕震区上空存在电离层异常扰动[31-36]，总电子含量（total electron content，TEC）、电子密度（electron density，Ne）和电子温度（electron temperature，Te）等参数成为电离层扰动研究中着重分析的对象[37-42]。

但由于地质构造活动、孕震过程的复杂性，地震遥感异常的探索仍面临着较大的不确定性。正如Mohamed等[43]指出，针对单一遥感参量震前异常的研究多具有偶然性，单参量异常的时空、强度可能会因数据源和处理手段的不同而表现出不同的趋势。若多个参量在震前均显示异常，并表现出规律的时间、空间和多圈层耦合作用，则将其联合异常作为发震的指示可作为预测地震的一种方式。本文利用文献计量法，对近30年2 556篇国内外地震遥感异常研究文献中的手段、方法和热点趋势进行了详细的分析，并认为遥感多参量联合分析已成为当前研究的重要趋势方向，并通过3个多参量地震遥感异常分析的国际前沿研究成果，进一步验证多参量联合分析在地震前兆研究中的优势和必要性。

1 基于文献计量分析的遥感地震异常研究趋势

本文以Web of Science （WOS）和中国知网（CNKI）数据库为文献检索平台，以 “地震” and “遥感” and “异常” 为主题，并以 “地表温度” or “潜热通量” or “总电子含量” 等表1所列参量为关键词，检索了1991年—2021年7月空间对地观测技术在地震前兆异常方向的研究成果，得到中/外文研究文献共2 940篇（其中，中文文献1 541篇，外文文献1 399篇）。排除征稿通知、期刊声明、会议新闻及不相关文献等无效记录，筛选得到中/外文研究文献共2 556篇（其中，中文文献1 160篇，外文文献1 396篇），作为计量分析的输入数据。

表1 文献检索关键词表Table 1 Table of literature keywords

借助CiteSpace软件，结合引用分析与共引分析原理，通过绘制地震遥感异常研究中/外文文献年发文量折线图、研究国家和研究机构共现图谱、国内外研究手段时间发展趋势图以及国内外近5年关键词图谱来展示空间对地观测技术在地震领域的研究热点、演进趋势，进行空间对地观测技术在地震异常研究中的发展趋势与应用联系的具体分析。

1.1 总体趋势

近30年来，空间对地观测技术在地震异常分析领域得到迅猛发展（图1）。自1991年以来，地震遥感异常研究领域的外文年发文量总体来说呈指数上升趋势，说明利用空间对地观测手段进行地震前兆异常研究越来越受到研究人员的关注与重视。相较于外文发文量，中文文献在2008年和2014年有一个较为明显的发文量峰值（图1红色柱体），这与2008年汶川以及2013年芦山两次大地震有关，说明这两次地震很大程度上促进了国内地震遥感领域的研究。在此之后，中文发文量便趋于平稳，而外文发文量依旧迅速增长，大量中国学者将研究成果发表于国际刊物，占据了该领域研究的主导力量，这一点在下文的主要研究国家和研究机构分析中也得到了明显验证。

图1 空间对地观测技术在地震遥感异常应用领域年发文量情况Fig. 1 Annual publications of earth observation technology in seismic anomaly

通过研究国家和研究机构的发文量可直观判断某国家或某机构对空间对地观测技术在地震遥感异常应用领域的关注程度，图2是我们对研究国家与研究机构的发文量分析得到的共现图谱。

由图2可明显得知，中国、美国、日本、俄罗斯、印度、意大利对该研究领域的发文做出了较多贡献，分别占比25%、11%、8%、7%、7%、6%，一方面是由于地震频发而受到广泛关注，另一方面与各国空间对地观测技术的发展水平有关。国内研究机构如中国地震局（Chinese Earthquake Adm.）、台湾中央大学（Natl. Cent. Univ.）、中国科学院（Chinese Acad. Sci.）、武汉大学（Wuhan Univ.）等贡献突出。另外，美国加州理工学院（CALTECH）和查普曼大学（Chapman Univ.）、日本千叶大学（Chiba Univ.）、俄罗斯科学院（Russian Acad. Sci.）、印度理工学院（Indian Inst. Technol.）、意大利Ist Nazl Geofis & Vulcanol等国外机构对该领域关注与贡献也较多。

图2 地震遥感异常应用研究国家和研究机构共现图谱Fig. 2 Co-occurrence map of research countries and institutions in the field of seismic anomaly applications using earth observation technology

1.2 研究手段演进分析

遥感技术与GPS应用的空前活跃，很大程度上促进了地震遥感异常领域的发展。由国内外地震遥感异常研究手段时间演进趋势图（图3）可看出，研究初期，国内的地震遥感异常研究手段集中在 “卫星热红外” ，国际上的研究手段则分散在 “遥感（remote sensing）” “GPS” “重力波（gravity wave）” 和 “电离层（ionosphere）” 等多方面；2004年 “总电子含量（total electron content）” 关键词的提出，促进了电离层与地震异常之间联系的研究。2007年之后，国内文献中 “电离层” 以及 “总电子含量” 等关键词出现爆炸性增长，表明我国开始进入电离层地震异常研究的蓬勃发展阶段。

图3 地震遥感异常应用领域研究手段时间发展趋势图Fig. 3 Trend of research methods in the field of seismic anomaly using earth observation technology

1.3 关键词阶段性热点分析

关键词作为学术论文的重要组成部分和精髓，能够敏锐、直接地反映出某一领域的研究热点与前沿。关键词在某段时间内出现较多或使用频率较高可以反映该领域阶段性的前沿研究与趋势。

根据CiteSpace相关分析，图4展示了自2000年以来国际与国内在不同时期所侧重的研究热点及集中研究阶段。阶段性关键词图谱表明， “电离层（ionosphere）” 一词的相关研究在国际上一直占据重要地位；近年来，国际上 “辐射（radiation）” 一词的相关研究增长速度较快，其中主要指的是 “热红外辐射” 等相关关键词的研究，表明虽然在以研究电离层异常相关的主流下，国际上研究热红外异常的文章仍保持着较快的增长量。在国内的相关文献研究中，近年来频率增加较快的是 “相对功率谱” 方面的研究，主要是利用小波变换和相对功率谱估计法对地震前后的卫星热红外数据进行处理，分析并讨论异常演化的过程及区别；此外，2008—2012年期间 “demeter卫星” 一词的快速增长，恰好契合了国内在2007年之后对电离层地震研究的关注与蓬勃发展的趋势。值得一提的是，由于学者对文献关键词的选择具有很强的主观性，阶段性关键词图谱并不能完全覆盖所有的研究热点。例如，张衡一号卫星（China Seismo-Electromagnetic Satellite，CSES）自2018年发射升空，近三年引起研究学者们的广泛关注与应用研究，但在该图谱中没有得到明显体现。

图4 国际/国内阶段性关键词图谱Fig. 4 Map of international/domestic periodical keywords

1.4 关键词共现分析

为更详细地研究近年来空间对地技术在地震异常研究领域的应用，分析2016—2021年以来的文献研究热点，以每个节点代表一个关键词，节点间的连线代表两个关键词之间有共现关系，绘制了关键词图谱（图5）。分析表明，近5年国际上在该应用领域的研究包括2个聚类： ① 与电离层相关的聚类； ② 与热红外相关的聚类。其中，与电离层相关的地震研究占主要部分。国内学者除了研究以上2个聚类以外，还包括与大气层相关的聚类研究。

图5 地震遥感异常研究关键字图谱Fig. 5 Keywords map of the seismic anomalies research using remote sensing technology

国际上电离层相关聚类中主要包含了 “总电子含量” “扰动” “重力波” “异常” 等关键词，其中有关 “总电子含量” 的研究最多。国内电离层聚类主要包括了 “总电子含量” “电离层” “电离层扰动” 等关键词，此外，还聚集于 “汶川地震” “九寨沟地震” “尼泊尔地震” 等典型地震案例的分析；在研究地震前后电离层扰动探测的过程中，使用较多的异常探测方法为滑动四分位距法。

热红外聚类在国际上主要集中于 “长波辐射” 及 “地表潜热通量” 两个内容上，并且与 “盖层” 及 “大气层” 的其他众多分量存在紧密联系。例如联合微波亮度温度、近地表空气温度和一氧化碳浓度的变化，研究发震前后热异常从震源区向大气的转移过程，将被动微波卫星数据与其他地表和大气参数相结合，以更好的阐述与解释热异常的物理机制。国内热红外聚类包含 “亮度温度” “长波辐射” 等关键词，且集中于热红外异常的提取算法，以 “相对功率谱法” “小波变换” 和 “RST算法” 为主。

国内大气层方面的聚类主要针对的是 “一氧化碳” “二氧化碳” “臭氧” 和 “甲烷” 等气体的研究，通过了解地震前后气体的地球化学异常特征及其与地震和构造活动的关系，为地震监测预报提供参考。

值得注意的是，近5年的关键词图谱中，各参量并不是独立分析的，由图中关键词节点间的连线可以看出，虽聚类分类明确但聚类间多个节点相互连接，表明多圈层观测参量之间紧密联系，逐渐形成一个综合的地震异常研究热点网。

1.5 研究趋势小结

纵观地震遥感异常研究发展历程，可以发现国内外学者研究侧重点的不同。国内早期主要是利用热红外遥感技术来研究地震异常现象，2007年开始关注电离层相关的地震异常研究，并在2014年后迅速发展，而 “热红外地震异常” 研究则贯穿着整个研究阶段。总体上看，国内针对盖层的热红外地震异常研究相较于电离层与大气层更丰富。国际上很大部分文献都围绕着电离层、总电子含量等参量展开地震方面的研究，形成了与电离层异常相关的较多交叉研究领域，在盖层与大气层方面的地震异常研究的发文量相较而言较少。

纵使国内外地震遥感异常研究侧重点存在差异，但盖层、大气层、电离层多圈层参量之间的联合分析已引起研究学者广泛关注，为更进一步推动地震遥感异常的研究发展，多圈层/多参量遥感异常的综合分析将成为未来研究的主流趋势。

2 多参量地震遥感异常前沿研究案例

为验证多参量异常联合分析的可靠性，本文选取了国际最新的3个地震遥感异常研究案例（表2）：2017年8月8日中国九寨沟发生的MW6.5地震（案例一），2018年2月4日和6日中国台湾省花莲县发生的MW6.1和MW6.4地震（案例二），以及2019年7月4日和6日美国加州里奇克雷斯特镇发生的MW6.5和MW7.1地震（案例三），分别进行了遥感异常提取及其可靠性检验。

我们进一步统计对比了3个研究案例中的不同参量异常变化（表3），包括：各参量异常出现和消逝的时间、各参量异常展布的空间尺度和方位以及各参量的异常变化的同步特征。

从表2、表3可知，3个研究案例在选用数据、异常分析方法、异常现象以及电离层异常机制方面既有共通性又有特异性：

表2 研究案例基本信息Table 2 Introduction of the research case

表3 各案例地震异常参量时空展布及同步特性Table 3 Temporal and spatial distribution and synchronization characteristics of seismic anomalous parameters in each case

（1）数据源：在多参量地震异常的研究中，电离层TEC常被作为主要的研究参量，此外，还常引入红外观测资料（TBB, MIB, OLR），以及其他高空探测数据（Ne，Te等）作为联合验证手段，并结合地磁观测数据（Kp,Dst,F10.7）进行磁暴因素的排除。多圈层观测资料的联合分析，可在一定程度上相互检验和验证，排除气象因素、大气干扰等因素的影响，增强了遥感异常分析的可靠性与准确性。

（2）分析方法：在3个案例中，针对TEC数据异常提取，均采用了滑动四分位距法，当前多项研究结果表明，该方法对于TEC异常的识别具有较好的效果[31,44-45]。值得注意的是，在案例一和案例三TEC滑动四分位距法分析中，研究者采用的异常阈值为x±1.5IQR（Interquartile Range，IQR，四分位距），但在案例二中TEC滑动四分位距法异常分析中，采用的阈值为x±2IQR。可见，在不同场景下可通过扩大阈值范围来提高异常标准以提取更加精准的TEC异常值。

（3）异常现象：3个震例均在震前出现了遥感异常，但出现时间不同。案例一地震TEC异常出现在震前10天，震后约1周消失；案例三地震TEC、Ne、Te异常出现在震前15天出现，震后约1周消失；案例一热异常约在震前1个月出现，震后1个月完全消失。

3个案例多参量异常间都具有时间同步性：案例一中TBB、MIB、OLR 3个参量的功率谱最高值都出现在8月14日；案例二地震所有的异常都是在震前1天出现；案例三地震中Ne和Te异常基本与TEC异常时间同步。

3个案例多参量异常间都具有空间同步性：案例一热异常分布在震中东南方向，从映秀—北川断层南部沿华容山断层展布，TEC异常在震中南部与华容山断层南部，且华容山断裂带有明显的红外异常时几乎与最大的TEC异常区域完全重叠；案例二所有异常均分布在震中西北方向，并且沿着菲律宾板块的运动方向移动；案例三异常都分布在震中的赤道面（震中东南和西南）。

（4）机制探讨：3个案例均对电离层异常进行了与LAIC物理机制相关的探讨。案例一电离层异常可考虑是由震源产生的电磁辐射从岩石层传播到大气和电离层，引起卫星观测到的电离层扰动，可作为LAIC机制的证据；案例二中认为是震中周围岩石受力释放氡使气体电离进一步引发OLR变化与电离层扰动，LAI耦合现象引发了大气和电离层综合异常；案例三中进一步分析发现检测结果也与使用电离层物理模型（SAMI2或SAMI3）模拟地震前电离层异常电场对电离层等离子体参数的影响实验吻合较好，电离层异常可能归因于孕震期的LAIC机制。

以上分析表明，多参量遥感异常的结合分析具有显著优势，利用各种数据进行异常检测、分析和交叉验证，可以在时间和空间尺度上对数据进行比较和互补，从而能够准确提取和识别异常。

3 结论与展望

本文利用文献计量分析法介绍了国内外遥感地震异常的研究进展，并列举国际前沿震例研究，以揭示当前研究的发展趋势：

（1）纵观地震遥感异常研究发展历程，国际上以电离层手段为主，而国内针对盖层的热红外地震异常研究相较于电离层与大气层更丰富。最近5年来，越来越多的学者开始关注多圈层、多参量异常的综合研究。

（2）通过国际前沿案例分析，我们发现：在针对地震多参量异常研究时，电离层数据TEC常被作为研究对象之一，并结合其他圈层如OLR、地表温度等参量进行研究，以探究不同圈层的地震异常扰动信号的同步性。除了本文案例中用到的OLR、地表温度等参量外，大气温度（AT）、含碳气体（CO2, CO,CH4）、气溶胶光学厚度（AOD）、潜热通量（SLHF）等也常被作为同步异常分析的参量。

（3）在针对TEC的异常分析中，常采用滑动四分位距法，该方法当前应用广泛且成效明显，在设置阈值时研究人员根据需求和实际情况来调整阈值系数以提高异常提取的准确度；在针对热异常（如，OLR,MIB, TBB）的分析中，相对功率谱法和方差分析法经常被使用。

（4）在针对多参量的异常同步性研究中，应考虑在控制变量下（如排除太阳风暴、地磁风暴等气象条件等干扰因素）各参量之间的时空异常对应关系，而不仅是地震期间的异常分布与对应。例如，为排除太阳风暴和地磁风暴的对TEC扰动的影响，研究中都会引入Dst,Kp,F10.7等指标，确保TEC异常是由地震诱发。

总体来说，多平台、多参量、多圈层遥感异常的综合分析在地震前兆的研究中显示出更可靠的结果。未来可通过对不同圈层的多参数异常进行综合分析和交叉验证，这将有益于为地震前兆研究提供更为可靠的观测指标，并为进一步深入探讨LAIC耦合机制和地震孕育机制提供必要的信息支持。