臨震天體引潮力和地面長波輻射OLR異常

任靜 康春麗 馬未宇 楊天青 林向洋

中國地震臺網中心，北京市西城區三里河南橫街5號 100045

0 引言

20世紀90年代，中國科學家利用NOAA氣象衛星熱紅外波段的資料研究了多個強震震例，進一步證實了震前熱紅外異常現象的存在。其中利用衛星遙感地-氣系統射出的長波輻射(OLR)信息月平均數據，檢測地震前震中區附近長波輻射異常特征，取得了許多有應用價值的成果(葉秀薇等，2010)。這些成果表明，地震孕育發生區不僅可能有熱現象，而且有以輻射為表征的能量流，在地—氣系統內傳播直至外層空間被衛星遙感器接收到，進而形成了利用衛星對地遙感獲取地震短期征兆信息的新技術途徑(康春麗等，2009)。

目前提出的熱紅外異常信息識別方法主要有圖像解譯、差值分析、透熱指數、亮溫增溫異常點對比等，各種方法各有優缺點(葉秀薇等，2010)。研究顯示，正常背景選擇的差異性對研究結果有較大影響，這主要由于基于統計原理的多年平均算法消除了由短期構造快速變化造成的熱輻射波動。地震是地球構造應力積累達到一定強度后，突破了巖石彈性破裂臨界值，快速釋放的過程，故而探索地震學與力學相關聯的算法，具有一定的價值(李延興等，2001)。天體引潮力是誘發地應力累計到臨界狀態發生地震的重要外部誘因之一，而探究震前增溫與天體引潮力變化，與地震活動表現出的增溫異常現象，在本質上是一致的，反映的都是構造運動達到一定程度發生突變即短臨地震活動發生在臨界點的判定問題(Matthewet al，2011)。另外，天體引潮力作為目前唯一能夠預先計算出地球形變的物理量，不僅在時間域上具有一定指示作用，還為熱異常表現的構造運動和地應力強度判識提供支持(馬未宇等，2006a)，本文選擇我國地形地貌復雜的云南、西藏地區4次地震前的長波輻射OLR異常增強特征對引潮力變化進行性探索，對檢驗這一方法的有效性、豐富技術手段具有一定的價值。

1 發震構造及天體引潮力附加構造應力

1.1 發震構造

發震構造的資料(表1)來自中國地震臺網中心①http://www.ceic.ac.cn/。

表1 4次地震基本參數

圖1給出了這4次地震的震中位置與震區活動斷裂分布。

圖1 震中與震區活動斷裂(發震斷層)分布圖

2 潮汐計算及地面長波輻射數據處理

2.1 潮汐的計算

月球和太陽引潮力引起的地球的周期性彈性變形稱為固體潮。對地震具有觸發作用的天體引潮力主要是日、月潮汐引力(張晶等，2007)，固體潮汐應力是固體潮在地球內部引起的、具有周期性變化特征的應力(Qin et al，2012)。長期以來，國內外針對潮汐應力是否會影響或調制地震的發生開展了大量工作，吳小平等(2009)指出潮汐應力對處于臨界應力狀態的斷層觸發地震，對地震具有臨界觸發效應;郗欽文等(1994)認為引潮力誘發的地震多發生在周期振幅相位最大值的臨近時刻(馬未宇等，2006b;李志安等，1994;劉軍等，2014)，但如何判定發震構造的應力強度是否達到臨界狀態，還有待研究。

本文研究發震時刻和引潮力周期振幅相位最大值之間的關系，通過分析潮汐周期背景下的遙感OLR輻射異常變化，判斷其是否誘發地震。

根據卡爾文的計算方法，任意天體i在地球內部任意一點P產生的引潮力位為Wi()p(吳慶鵬，1997;郗欽文等，1986)

Pn( c oszm)為 ( c oszm)的勒讓德多項式。zm為星體的天頂距。M為月球、地球的質量。k為萬有引力常數，r為震中與地心距離，rm為月心與地心的距離，rs為日心與地心的距離。

對于月亮，取n=2和n=3則月球對地球內部產生的二階和三階引潮力位為

同理對于太陽取n=2，則太陽對地球的二階引潮力位之和為

對于地球整體則有

其中δS和δm是日、月赤尾，φ為震中緯度，HS和Hm是日、月天頂距。

2.2 長波輻射(OLR)數據資料及其處理

射出長波輻射(簡稱OLR)是指地氣系統向外層空間發射的電磁波能量密度，單位W/m2;它是通過NOAA極軌衛星載荷的輻射測量儀，在紅外窗區通道(10.5～12.5μm)，對地球和大氣進行掃描測量，獲取地面射出的長波輻射(馬未宇等，2008)。

目前，研究采用的OLR數據，取自美國http://www.emc.ncep.noaa.gov網站通播的全球信息數據。該熱紅外長波輻射已積累有30多年數據。由于OLR是基于紅外波段遙感產出的成果，對海洋表層和近地表溫度的變化響應最為敏感，因此在監測與“熱”成因現象相關的一些地學災害征兆方面，是一種很理想的技術手段(康春麗，2008)。

本文為了考察2010～2011年云南、西藏地區的4次地震長波輻射信息場的變化特征，選取了2010～2011年4次地震的日平均網格數據，構成OLR信息的數值分布場，研究范圍在22°～36°N，90°～108°E內。為提取該區域內4次地震前每天的OLR數據的變化特征，本文按下式對研究區域的網格點臨震前(日際尺度)的OLR數值進行計算，得到輻射增強區表征信息量的各格點位的數值分布

其中，ΔSi(x，y)代表各格點位的 OLR數值增量;Si(x，y)代表各格點位的 OLR數值;S背景(x，y)代表固定的背景OLR數值，本文對4次地震分別采用引潮力值發震周期震前最低點為時間背景，x為緯度，y為經度，i為格點位標。

3 震例研究

3.1 引潮力變化

利用(1)～(5)式，計算出上述4次地震前后天體引潮力隨時間變化曲線如圖2所示。由圖2可以看出，天體引潮力具有明顯的低谷→高峰→低谷周期性變化，4次地震均發生在與發震時刻相對應的引潮力最大振幅相位附近，顯示了4次地震發生在引潮力高峰相位點，反映引潮力對地應力達到臨界點的活動構造有誘發發地震的作用，但是地應力的強度變化情況如何?為此我們進一步分析潮汐周期背景下的遙感OLR異常變化。

圖2 4次地震前后天體引潮力時序變化曲線

3.2 地震前OLR時空變化特征

大量的實驗證實，中強震前出現的衛星紅外異常具有階段性特征，在巖石持續受力狀態下，紅外輻射不斷增強，這種紅外增溫異常可分為初始增溫-加強增溫-相對平靜3個階段，這一過程與巖石力應力加載-破裂過程中輻射變化的過程相吻合(吳立新等，2004;強祖基等，1990;徐秀登，2001))，這為我們開展工作提供理論依據。

基于潮汐周期(圖2)和(6)式，提取衛星數據OLR的變化情況(對聶榮地震、都江堰地震、爐霍地震和騰沖地震分別以2010年3月16日、5月17日、4月8日和8月5日為背景，連續相減，獲得的OLR的連續日變化(圖3～6)。

圖3 西藏聶榮M S 5.7地震增溫異常時空演化圖像 圖中紅色圓點為震中，世界時12:00

對于聶榮地震(圖3):震區附近OLR日輻射場自2010年3月17～25日連續增強，3月17日(引潮力處于周期低峰相位點附近)開始，OLR日平均增量場的增強中心從震中區附近西移，并在震前一天即3月23日(引潮力處于周期高峰相位點附近)達到最高，3月24日(引潮力處于周期高峰相位點附近并在這天達到峰值后逐漸減小)10時06分，聶榮發生5.7級地震。10時44分，聶榮再次發生5.5級地震后，OLR日平均輻射的增強中心區域完全消失。結合圖2可以看出，伴隨著引潮力由低谷向高峰連續增強，輻射也不斷增強，輻射所反映出的構造應力不斷增強，在引潮力接近最高峰的時候，輻射也達到最強，然后發生地震，發震時刻在引潮力值的最大振幅相位附近。

圖4 四川都江堰 M S 5.0地震長波輻射增量場分布(圖中紅色圓點為震中，世界時12:00)

同理，用該方法我們處理了該地區其他3個地震，結果具有相似的演化過程，地震發生在引潮力由低谷向高峰連續增長并接近最大振幅相位時刻，長波輻射經歷起始-增強-高峰-震后快速衰減的過程。4次地震發生在引潮力高峰相位點，反映引潮力對地應力達到臨界點的活動構造具誘發地震的作用;通過分析潮汐周期背景下的遙感OLR輻射異常變化(圖3～6)看出，依據引潮力獲得的長波輻射OLR異常增強區域的分布與地質構造，特別是與活動斷裂的關系密切，同時潮汐的變化與輻射強度的增加具有一定的同步性，經歷了增長-高峰-衰減的演變過程，也表明了天體引潮力對地應力處于臨界狀態的活動斷層具有誘發地震的可能。

4 結論和討論

圖5 四川爐霍M S 5.3地震長波輻射增量場分布(圖中紅色圓點為震中，世界時12:00)

目前在利用遙感資料研究地震構造活動時，經常由于云層的干擾，阻礙了對震前溫度異常的觀測。由于長波輻射(OLR)表征了地-氣系統向外層空間發射的電磁波能量密度，是最直接反映下墊面屬性、能量變化參量的輻射物理量，而且其波段(10.5～12.5μm)集中在大氣窗口，受云層干擾小(馬未宇，2008)，因此選擇地面長波輻射(OLR)數據進行研究。而上述4例地震中，OLR的影像變化也展示其在震前存在的明顯異常變化，表明OLR可能發展成為地震短臨預測中進行發震地區判定的有效數據源。

由以上4個震例可見，依據潮汐值變化周期獲得OLR震前輻射增強圖像經歷連續的震前起始-加強-高峰-震后衰減-平靜的演變過程，而這一過程與巖石應力加載-破裂過程中輻射變化的過程相吻合(劉善軍等，2009;崔承禹等，1993)。由此推斷:震前OLR輻射變化過程是活動地震構造初始微破裂-擴大微破裂-主震構造大破裂(發震)-牽動各向活動構造破裂-構造調整-趨近穩定的發震過程中宏觀輻射的表征。

天體引潮力附加構造應力對地應力的處于臨界狀態(即長波輻射OLR異常高峰-衰退期)的活動斷層具有明顯的誘震作用。但這僅是誘發地震的外部因素，而不是決定因素(陳聞晨等，2010)。決定地震發生的內部因素是地殼構造活動。引潮力的變化究竟如何調制、誘發地震的發生，如何影響長波輻射OLR的異常，其機理還不清楚，需要積累更多的震例分析和更加深入的研究。但這種現象的存在以及研究中取得的一些認識表明，利用遙感衛星技術獲取地表輻射信息，并通過輻射場的動態化數值分析提取區域強震異常指征將是提高地震預測水平的新技術途徑。

圖6 云南騰沖M S 5.3地震長波輻射增量場分布(圖中紅色圓點為震中，世界時12:00)