基金项目:中国地震局地震预测研究所2009年度基本科研业务专项(2009A79)资助.
(1.中国地震局兰州地震研究所,兰州 730000; 2.中国地震局地震预测研究所兰州创新基地,兰州 730000)
(1.Lanzhou Institute of Seismology,CEA,Lanzhou 730000,Gansu,China)(2.Lanzhou Base of Institute of Earthquake Prediction,CEA,Lanzhou 730000,Gansu,China)
satellite infrared remote sensing; strong earthquake; thermal anomalies; wavelet; relative power spectrum; Andaman Islands earthquake
备注
基金项目:中国地震局地震预测研究所2009年度基本科研业务专项(2009A79)资助.
应用中国静止气象卫星FY-2C红外遥感资料对2009年8月11日安达曼群岛MS7.5地震以及近年在震中(14.21°N,92.84°E)及周围区域(5°~24°N,82 °~102 °E)发生的多次强震进行了研究,结果表明:MS7.5地震发生前约两个月震中以南区域开始出现热红外异常,异常区范围随时间逐渐扩大,至震前约20天异常面积达到最大,随后逐渐缩小,震后5天异常消失; 区域内系列强震热红外异常呈现为震级大、热异常峰值大等特征。
Using the infrared remote-sensing data of brightness temperature got from Chinese geostationary meteorological satellite,FY-2C,we analyze the thermal-infrared anomalous variation of the MS7.5 Andaman Islands earthquake occurred on August 11,2009,and other strong earthquakes in the adjacent areas(5°-24° N,82°-102° E)of its epicenter in recent years.We find that,in the south region of the epicenter,the thermal-infrared anomalies began to appear about two months before the earthquake.Then the anomalous range gradually broadened in the early stage of the seimogenic process.The anomalous area reached up to maximum about 20 days prior to the earthquake,then the anomalous range shrunk abruptly.About 5 days after the earthquake,the anomaly disappeared.Besides,a series of strong earthquakes in the same region also displayed the characteristics of thermal-infrared anomalies.
引言
热红外异常作为一种地震前兆一直被研究,近十几年来,随着卫星遥感技术的快速发展及其在地震领域的广泛应用,这项研究取得了一定的进展(强祖基等,1990,1998; 张元生等,2002,2004; 郭晓,2005; 钟美娇,张元生,2007),人们对地震热红外异常的空间分布和持续时间有了更进一步的认识。但目前,地震热红外成因机理、热红外异常变化特征信息提取、异常特征与地震参数的关系研究仍是地震热红外研究的难点和关键点。
地震热红外成因机理是地震热红外异常研究的难点,由于地震孕育机理和地震热红外异常的复杂性,人们对地震热红外成因认识依然是一个逐渐清晰的过程。郭增建和秦保燕(1978)认为,大震震源区锁住的断层会产生预位移,使沿断层(带)的温度升高。随着红外遥感技术在地震领域的深层次应用以及对震例的深入分析,地震学者逐渐形成“地球放气温室效应”理论(徐秀登等,1991; Wakita et al,1978; Xu et al,1995)。Zhang等(2010)在对汶川MS8.0地震热红外异常深入研究的基础上,提出“地球放气温室效应—大气耦合”的地震热红外异常成因机理,认为“地球放气温室效应”(基本成因)主要与区域应力积累快速增加、区域活动构造和地质环境有关,地质环境主要指地层的含气量及其分布; 大气耦合(间接成因)主要与区域大气水汽含量有关。
地震热红外异常信息提取和异常特征与地震参数的关系是地震热红外异常研究的关键点,研究人员主要从热红外异常空间分布与活动构造的相关性,临震时地面温度的时空演变过程与发震时间的关系,异常面积与震级的相关性以及地形地貌、地物类型和气象等非震因素对地表热红外辐射的影响等方面来分析研究热红外异常变化特征与地震参数的关系(Tronin,1996; Saraf,Choudhury,2005; 马瑾等,2006; Lu et al,2005),但是这些研究结果存在差异且相互佐证不紧密,难以在地震预测工作中应用,因此还未被多数人认同。
笔者通过分析2009年8月11日安达曼群岛MS7.5地震(14.21°N,92.84°E)(图1)前后热红外异常变化过程以及近年来震中附近区域的系列强震,运用小波变换和相对功率谱方法提取了该海域系列地震的热红外异常信息,初步获得了地震热异常变化特征,并得到了安达曼群岛MS7.5地震异常特征与地震参数的相关性,为深入研究海域地震热异常打下了一定基础。
图1 安达曼群岛地震定位结果(中国地震信息网,2009)
Fig.1 Location of the MS 7.5 Andaman Islands Earthquake(Based on the China Earthquake Information Network)1 资料处理
1.1 数据来源本研究所用卫星资料是中国静止气象卫星FY-2C的红外遥感亮温产品数据,来源于中国地震局兰州地震研究所兰州观象台(地球物理国家野外科学观测研究站)静止卫星接收站和中国气象局国家卫星气象中心。FY-2C卫星于2004年发射,定点于105°E赤道上空,每30分钟对地球约三分之一的面积观测一次,覆盖全中国和周边广阔区域,星下点红外分辨率为5 km。静止卫星遥感数据具有时间的一致性和地点的可比性。所用资料区域范围为5°~50°N,55°~150°E,起始时间为2006年1月1日,每天取午夜的几次观测数据,用补窗法对这几次数据进行简单处理,可去除部分云影响,计算其平均值,构成日值。
1.2 资料影响因素分析卫星传感器接收的区域亮温是源(地表或海面)辐射亮温和传播途径效应的叠加(徐希儒,2005; 殷晓斌等,2007)。在常温下,源(地表或海面)可以做黑体近似,其热红外辐射能量大小主要取决于地表(海面)温度,其次与地表(海面)比辐射率有关,由普朗克(Planck)定律、史蒂芬—波尔兹曼(Stefan-Boltzman)定律和维恩位移定律等三个定律得出(屈春燕等,2007); 传播途径效应主要为“大气效应”:大气中气体、水滴、雪和尘埃等对红外辐射有吸收和散射作用,散射和吸收的强弱及其类型与大气中散射物质的浓度、大小和性质等有关。地震引起的区域地表(海面)温度异常被“大气效应”削弱,淹没在复杂的背景噪声中,如何在这种强干扰、弱信号的条件下有效分析和去除非震因素的影响,提取真正与地震相关的信息,人们提出了不同数据处理算法(Qiang et al,1991a,1991b,1997,1999; Andrew et al,2002; 何立明等,2005; 董仁杰等,2007; 李金平等,2009; 刘放等,2003)。
1.3 数据处理过程早期的地震热红外遥感数据大多是极轨卫星数据,研究人员主要是根据卫星热红外图像进行震例异常特征分析。这种方法随机性大,且不易操作,难以应用。笔者运用不同于以前的卫星资料处理方法,并选用静止卫星红外遥感资料通过小波变换和相对傅氏功率谱分析系列强震。
第一步,将原始卫星亮温数据经过小波变换,在时间域扣除年变和高频部分; 第二步,取n=64天为窗长和m=1天为滑动窗长做傅氏变换计算其功率谱,对每个象元的时程数据滑动一次可获得一组功率谱,时间约定为窗内数据的起始时间,这样就获得了时频空间数据; 第三步,对变换后数据做加权和相对处理; 最后,通过异常演化成图和区域时间序列曲线分析地震热红外异常变化特征。
2 资料处理结果
2.1 地震热红外异常时空演化特征2009年8月11日安达曼群岛MS7.5地震震中(14.21°N,92.84°E)及周围区域(5°~24°N,82°~102°E)热红外异常总体演化趋势为:地震发生前出现热红外异常,异常区范围随时间逐渐扩大,异常面积达到最大后逐渐缩小,震后5天异常消失。图2显示该地震发震前近两个月,震中以南区域开始出现热异常(图中绿色区域),异常区范围随时间推移由南及北、由东及西不断扩大,至震前20天(2009年7月22日)左右面积达到最大,此后异常范围不断缩小,震后5天(2009年8月16日)左右异常消失。异常区域内最大异常(图中红色区域,其值达到平均值的10倍以上)与整体异常变化在时间和幅度上不完全同步,主要表现为:震前40天(2009年7月2日)左右异常区局部开始出现最大异常,刚开始面积不断增大,震前25天(2009年7月17日)至震前20天(2009年7月22日)期间异常面积达到最大,此后以5天为时间段依次按近似比例消散,到发震当天(2009年8月11日)最大异常完全消失。该区域热异常变化持续时间较长、异常区域相对集中,这与正常气候变化不相符,应属地震引起的热异常变化。
图2 安达曼群岛MS7.5地震前后热红外异常时间演化图(图中功率谱数据经过相对处理,故无量纲)
Fig.2 Time evolution map of thermal infrared anomalies in the nearby area of MS7.5 earthquake's epicenter (The data of the Power spectrum in the chart has been processed relatively,so there is no dimension)2.2 地震热红外区域时序曲线变化特征该区域地震热红外异常信息明显,易于提取,热异常与地震震例有很好的对应(图3)。图3所示时间序列曲线主要有如下几个特征:(1)该区异常值大小与震级呈现相关性,总体表现为,异常幅度比值大,震级大;(2)该区地震都发生在异常峰值后一段时间,这与2008年5月12日汶川MS8.0地震和2008年3月21日于田MS7.3地震有所差别(汶川地震和于田地震都发生在异常时刻)(Zhang et al,2010),影响热红外变化的因素较多包括环境、地理位置如海洋与陆地差异、经纬度差异等,从而使海域地震和大陆地震的异常峰值位置有所不同;(3)该区地震引起的热异常持续时间都在45天左右;(4)该区域热异常存在明显的年变化特征,2008年和2009年变化较大,出现多次较大峰值,2006年和2007年变化平缓,没有出现较大峰值。
3 结论与讨论
热红外异常时空演化图和区域时间序列曲线是分析判断地震热红外异常变化信息的有效手段。笔者通过分析安达曼群岛MS7.5地震热红外异常演化图和震中周围区域2006年3月5日到2009年12月31日期间区域象元平均功率谱相对值时间序列曲线,得到如下结论:
图3 红外有效观测时段该区时间序列曲线(纵坐标为功率谱数据,经过相对处理,故无量纲; 研究区域范围:12.0°~12.5°N,91.5°~92°E)
Fig.3 Time-series curves of infrared effective observation period in this area(The ordinate stands for the power spectrum,which has been processed relatively,so there is no dimension.Region:12.0°~12.5°N,91.5°~92°E)(1)演化图显示,该地震区域的热异常变化与正常气候变化不相符,属地震引起的热异常变化。热异常变化区域整体表现为先扩大后缩小过程,这可能是由于该区域应力积累快速增加、地震引发地下温室气体排放导致底层大气升温(基本成因),海面大气升温后在大气作用下又伴随着降温过程(间接成因),二者联合作用的结果。
(2)该区域系列强震热红外异常特征明显,热异常变化与区域象元平均功率谱相对值时间序列曲线有很好的对应关系,震级与峰值的关系总体上表现为震级大峰值也大,各震例发震时间都在峰值出现后,但距峰值的时间不尽相同。
(3)该区域象元平均功率谱相对值时间序列曲线存在明显的年变特征,热异常年变化明显。
地震热红外异常可以作为地震前兆,但由于对地震热红外成因机理认识不够完善,热红外异常信息用于地震预测还存在很多问题尚需解决,如确定异常变化趋势与发震时间的关系需要海量的震例归纳总结。另外,非震因素对提取地震热红外异常信息有很大影响,如何有效去除非震因素的影响是当今研究热红外的关键点之一,区域地震年活动性和震源深度可以作为提取地震热红外异常变化的佐证,区域地震活动性可能会减少非震因素的干扰。对于大陆地震,地形地貌、地物类型和气象等非震因素对地表热红外辐射的影响较大; 对于海域地震,洋流和海风等非震因素对地表热红外辐射的影响较大。浅源地震的热红外异常变化比较容易判断和提取。目前这些结论没有得到验证,还有待于深入研究。
本研究部分静止卫星数据资料由中国气象局国家卫星气象中心提供; 感谢审稿者提出的宝贵意见。
- 董仁杰,李铜基,陈清莲,等.2006.热红外波段大气透过率和程辐射的估算方法[J].海洋技术,25(2):78-83.
- 郭晓,张元生,钟美娇.2005.卫星热红外遥感资料在地震预报中的应用研究[J].西北地震学报,27(3):223-227.
- 郭增建,秦保燕.1979.震源物理[M].北京:地震出版社.
- 何立明,阎广建,李小文,等.2005.从宽波段热红外图像反演组分温度的相关问题讨论——通道相应函数和比辐射率波段变化的影响[J].遥感学报,9(3):234-241.
- 李金平,吴立新,刘善军,等.2008.强震前热红外异常识别方法与定量分析模型[J].中国矿业大学学报,37(6):808-813.
- 刘放,程万正,但尚铭.2003.卫星遥感热红外辐射信息与云南永胜6.0级地震[J].地震研究,26(2):120-125.
- 马瑾,陈顺云,刘培洵,等.2006.用卫星热红外信息研究关联断层活动的时空变化——以南北地震构造带为例[J].地球物理学报,49(3):816-823.
- 强祖基,赁常恭.1998.卫星热红外图像亮温异常——短临震兆[J].中国科学(D辑),28(6):564-573.
- 强祖基,徐秀登,赁常恭.1990.卫星热红外异常——临震前兆[J].科学通报,35(17):1324-1327.
- 屈春燕,单新建,马瑾.2007.地震活动热红外异常的影响因素分析[J].地震研究,30(2):113-119.
- 徐希孺.2005.遥感物理[M].北京:北京大学出版社.
- 徐秀登,强祖基,赁常恭.1991.临震卫星热红外异常与地面增温异常[J].科学通报,33(4):291-294.
- 徐秀登,强祖基,赁常恭.1991.卫星热红外图像与震兆异常——澜沧地震前热红外图像的启示[J].环境遥感,6(4):261-266.
- 殷晓斌,刘玉光,王振占,等.2007.红外和微波辐射计反演海表面温度的比较[J].海洋通报,26(5):3-10.
- 张元生,郭晓,张小美,等.2004.应用静止卫星热红外遥感亮温资料反演地表温度的方法研究[J].西北地震学报,26(2):113-117.
- 张元生,沈文荣,徐辉.2002.新青8.1级地震前卫星热红外异常[J].西北地震学报,24(1):1-4.
- 中国地震信息网.安达曼群岛发生7.5级地震[EB/OL].(2009-08-11)[2009-08-25]http://www.csi.ac.cn/manage/fastReport.jsp?id=VV123062015b600).
- 钟美娇,张元生.2007.2005年10月8日巴基斯坦7.8级地震热红外异常[J].西北地震学报,29(2):137-140.
- Andrew A T,Masashi H,Oleg A M.2002.Thermal IR satellite data application for earthquake research in Japan and China[J].Journal of Geodynamics,33(4-5):519-534.
- Lu Z Q,Wu B H,Qiang Z J,et al.2005.Brightness temperature anomalies in satellite-based thermal infrared remote sensing along the offshore china seas[J].Geoscience,19(1):74-82.
- Qiang Z J,Dian C G,Li L Z,et al.1999.Satellitic thermal infrared brightness temperature anomaly image-short-term and impending earthquake precursors[J].Science in China(Ser D),42(3):313-324.
- Qiang Z J,Kong L C,Guo M H,et al.1997.An experimental study on temperature increasing mechanism of satellitic thermo-infrared[J].Acta Seismologica Sinica,10(2):247-252.
- Qiang Z J,Xu X D,Dian C G.1991a.Thermal infrared anomalies under the non-temperature-increment background and the mechanism discussion[J].Chinese Science Bulletin,36(22):1901-1906.
- Qiang Z J,Xu X D,Dian C G.1991b.Thermal infrared anomaly-precursor of impending earthquakes[J].Chinese Science Bulletin,36(4):319-323.
- Saraf A K,Choudhury S.2005.NOAA-AVHRR detects thermal anomaly associated with the 26 January 2001 Bhuj earthquake,Gujarat,India[J].International Journal of Remote Sensing,26(6):1065-1073.
- Tronin A A.1996.Satellite thermal survey-a new tool for the study of seismoactive regions[J].International Journal of Remote Sensing,17(8):1439-1455.
- Wakita H,Fuji N,Matsuo S,et al.1978.“Helium Spots”:Caused by a diapiric magma from the upper mantle[J].Science,200(4340):430-432.
- Xu X D,Xu X M,Ma S D,et al.1995.Preliminary inquiry into the causes of anomaly increase of air temperature by an impending earthquake[J].Acta Seismologica Sinica,8(1):149-154.
- Zhang Y S,Guo X,Zhong M J,et al.2010.Wenchuan earthquake:brightness temperature changes from satellite infrared information[J].Chinese Science Bulletin,55(18):1917-1924.