1998年廣西環江MS 4.9地震前衛星熱紅外異常分析*

文 翔，周 斌，2，閻春恒，畢熙榮

(1.廣西壯族自治區地震局，廣西南寧530022;2.中國地震局地球物理研究所，北京100081)

0 引言

衛星遙感熱紅外異常是指地球大氣系統輻射的能量信息，通過反演后得到的地面溫度包含著地球內部的熱信息 (強祖基等，1992)。通過對衛星熱紅外異常的時空分析，不僅可以識別已有的地質構造，而且還可能依據熱紅外異常的變化過程分析地質構造的活動狀態，發現地質災害前兆。20世紀90年代開始，國內外不少地震學者 (馬瑾等，2000，2006;徐秀登等，2000;李茂瑋，楊忠東，1996;孔令昌，強祖基，1997;單新建等，2005a，b;鄧志輝等，2003;陳梅花等，2003，2007;劉德富，羅灼禮，1997;張元生等，2002;康春麗等，2003;Ouzounov et al.，2006;Tramutoli et al.，2005;Arun，Swapnamita，2005;郭 曉等，2005;方穎，張艷梅，2012;Freund，2003;Gabrielov et al.，2000)分別對不同地區中強構造地震震前熱紅外地溫、亮溫、長波輻射等異常進行了研究，試圖找出異常與地震“時、空、強”三要素之間的對應關系。

目前，地震前紅外異常與活動斷裂的熱活動狀態研究已取得了大量有意義的成果，但就現實存在的問題，也有學者提出一些值得討論的難點問題 (馬瑾等，2005;郭衛英等，2004，2006，2008;屈春燕等，2006a，b)。一是地物紅外輻射異常的成因復雜;二是地形地貌、大氣狀況、巖石含水性和導電性、植被長勢、風雨雪、緯度和季節變化等自然因素都會給我們正確判識震兆異常帶來困難。因此，客觀認識各種非震因素的干擾，提取真正與斷層活動有關的熱信息，是利用衛星紅外遙感技術進行地震預報的前提條件之一。本文在前人研究工作基礎上，以1998年4月16日廣西環江MS4.9地震為例，基于NOAA/AVHRR衛星遙感熱紅外數據，反演得到震中附近地表溫度場變化圖像，分析地震前、后地表溫度異常時間演化過程及其異常空間分布與活動斷裂關系，并討論了震中附近地形地貌、季節性氣候等非構造因素對地溫異常的影響。

1 研究區域概況

1998年 4月 16日廣西環江 (25.12°N，107.98°E)發生MS4.9地震，震源深度11 km。地震等烈度線長軸走向為北北西向，極震區包括廣西環江縣和貴州荔波縣部分鄉鎮，烈度達Ⅵ度。1970年有儀器記錄以來，距震中100 km范圍內共記錄到15次MS≥2.5地震，其中MS≥3.0地震5次，此次環江地震是這一地區迄今為止所發生的最大地震。震區一帶分布有三組斷裂，分別為北西向 (F1)、北東向 (F2)和北北東向 (F3)斷裂。其中F3斷裂最為密集，長度最大;F2斷裂次之;F1斷裂數量最少，長度最短。現場考察認為F1是發震斷裂，稱為水源—木論斷裂，長約20 km，地震發生在斷裂西北端部，地震發震構造如圖1所示。

圖1 1998年環江M S4.9地震發震構造圖Fig.1 Seismogenic tectonic for the Huanjiang M S4.9 earthquake in 1998

2 NOAA/AVHRR數據與反演過程

美國國家海洋和大氣局 (NOAA)的極軌氣象衛星系列已在太空運行30多年，與MODIS等衛星相比，NOAA/AVHRR地面分辨率較低 (星下點像元面積為1.1 km2)，但它免費接收、地表覆蓋范圍大以及每日兩次的高重復率等優點，已使這一衛星數據得到廣泛應用。根據熱紅外輻射在大氣中傳輸的特點，NOAA/AVHRR第4和第5熱通道(分別為10.5～11.3和11.5～12.5)最適合反演地表溫度，并考慮到夜間時段太陽輻射造成的影響最小，最能反映地表溫度場狀況，故本文選用當地夜間時段NOAA/AVHRR第4和第5通道熱紅外數據，利用覃志豪等 (2001)提出的劈窗算法(Split window algorithm)反演震中附近溫度場變化圖像。劈窗算法表達式為

式中，TS為地面溫度;A和B為劈窗算法參數;T4、T5分別為AVHRR第4、第5通道的亮度溫度(覃志豪等，2001)。

衛星遙感觀測到的熱紅外地表溫度非常復雜，它在空間分布上受地形、地貌、介質的物理化學性質等影響，即使在正常氣象條件和無地震活動情況下，紅外地溫背景也是不均一的 (徐秀登等，2000)。在時間上它同時受氣象和構造活動的影響，震前紅外異常往往疊加了氣象因素引起的地溫變化，這為震前紅外異常識別增加了難度。對紅外增溫機制目前也無統一的認識，研究區域越廣，下墊面差異就越大，影響因子也越多。因此，將研究區域局限于活動斷裂帶附近，可以在一定程度上簡化影響因子。本文以環江MS4.9地震附近活動斷裂區域 (24°～26°N，106°～109°E)為研究對象，選取1998年2月7日～7月7日NOAA/AVHRR數據進行地表溫度反演，分析地震前后熱紅外異常時間演化過程，并將提取的異常圖像與活動斷裂疊加，探討熱紅外異常空間分布與活動斷裂關系，反演結果見圖2。

從圖2可以看出，從3月12日開始震中及周邊區域異常熱源面積逐步增大，擴展成片，異常區域顏色發黃 (圖2d);4月11日至發震當天的溫度場反演圖像顯示震中附近地表溫度達到峰值，異常升溫主要分布于北東向 (F2)、北北東向(F3)斷裂與水源—木論斷裂 (F1)共軛交匯區域(圖2g);地震發生后，震區附近地表溫度逐步下降，震中深棕色增溫區域減少，色彩偏淡，熱源由震中向四周擴散 (圖2h)。4月27日之后，震區附近異常增溫區域基本消失 (圖2i)，具體異常描述見表1。

圖2 環江M S4.9地震前后熱紅外異常演化圖像Fig.2 The evolution patterns of thermal infrared anomaly before and after the Huanjiang M S4.9 earthquake

表1 環江M S4.9級地震前異常升溫統計表Tab.1 Statistic of anomalous of land surface temperature increasing before Huanjiang M S4.9 earthquake

3 討論

3.1 震區地溫異常與地形地貌因子關系

地形因子是正確判識震兆異常的干擾因素之一，單新建和屈春燕 (2004)認為高原、山脈等海拔較高地區地表溫度整體背景偏低，盆地和低海拔地區地表溫度整體背景偏高，它們之間有較好的對應關系;特別要注意溝谷和山脈，由于溝谷地勢較低，水系縱橫，地表含水量高，即使正常情況地表溫度也往往比附近山脈地區高出約5～10℃。但在一定的區域、時間段內，地溫背景與地形是穩定的，通過跟蹤時間演化過程及對比其他年份，可以有效地提取熱紅外異常信息。筆者利用震區附近數字高程柵格數據與熱紅外地表溫度場疊加，研究活動斷裂附近地形地貌與熱異常動態關系。從地形溫度場可以明顯看出，與1997年3月16日～4月16日無震時段 (圖3a)相比，環江MS4.9地震前震區附近出現明顯高溫異常，呈棕紅色 (圖3b)。為了更直觀認識此現象，利用數字高程地形圖在震中附近跨水源—木論斷裂沿北北東向繪制1條長約16 km地形剖面 (剖面線位置見圖3c中A-A')，讀取剖面線A-A'同名象素點震前 (1998年3月16日～4月16日)、無震時期(1997年3月16日～4月16日)熱紅外地溫均值，繪制地溫剖面圖 (圖3d中藍色曲線為1997年3月16日～4月16日無震時段同名像素點地溫均值，紅色曲線為1998年3月16日～4月16日環江MS4.9地震前同名像素點地溫均值)，與地形剖面圖 (圖3d中黑色曲線為高程值)對比發現，隨著地形抬升，與地形同名像素點紅外地溫隨之降低，二者表現出良好的負相關性;同時從同名像素點無震時段地溫均值曲線看出，地溫背景較為穩定，而環江MS4.9地震前地溫均值高于無震時期3～4℃。與地形地貌因子相關分析表明，震區附近地溫總體呈現出隨地形海拔上升而下降趨勢，并且此次環江地震附近斷裂反映出較明顯的震前構造“升溫”信息。

圖3 震中附近地形溫度場反演圖像及其剖面地形高差與地溫值關系圖像Fig.3 The inversion image of terrain temperature field near the epicenter region of Huanjiang earthquake and the relationship between the terrain elevation and land surface temperature for the A-A'profile

3.2 震區地溫異常與季節性氣候因子關系

氣候因子是正確判識震兆異常另一個干擾因素，因此，對震區正常氣候年變形態的了解是判別熱紅外地溫異常的必要前提。本文選取震中附近 (23°～27°N，105°～109°E)1990 ～2014 年每一年的3月16日～4月16日實測平均地溫進行縱向對比，從圖4可以看出，在地震活動平靜年份，震區附近平均地溫保持在19～21℃之間，與環江低緯亞熱帶季風氣候相符;而在環江MS4.9地震發生前，震區附近平均地溫明顯增強，增幅達到3～4℃，表明震前在一定程度上反映出反季節變化的熱紅外“增溫”現象。

3.3 異常增溫為何由震中沿共軛斷裂發育

章光月等 (1980)和程萬正 (1984)認為構造活動不是某一條斷裂的單獨活動，而是在一定范圍內受區域應力場共同影響。因此，除前兆異常、前震以及余震受控于主震斷層外，區域應力場也會影響其它斷層活動。這些斷層的分布可以平行于主震斷層面，也可以與主震斷層共軛發育，而地震前兆異常集中分布區域往往處于彼此共軛斷裂的交匯帶，這對于短臨前兆異常場的影響更加顯著。此次環江MS4.9地震發震斷層為北西向水源—木論斷裂 (F1)，與北東向 (F2)、北北東向斷裂 (F3)共軛交匯，其共軛交匯斷裂往往處于應力狀態變化復雜的敏感部位，異常多由交匯部位向幾條相關斷層上遷移 (單新建，屈春燕，2004)，這較好解釋了此次環江地震前異常增溫由震中附近沿F1、F2與F3斷裂共軛發育現象。

圖4 1990～2014年震中附近地表溫度變化曲線Fig.4 Curve of surface temperature in epicenter area from 1990 to 2014

圖5 震區溫度隨時間變化圖像Fig.5 Curves of temperature change varied with time in epicenter area

3.4 異常升溫條帶是否為環江地震“前兆信息”

地震前兆異常，是相對于正常而言。從1998年2月7日～5月7日環江MS4.9地震前后整個異常演化過程可以看出:一是升溫面積。隨著發震時間臨近，異常升溫面積明顯擴大;二是升溫幅度。為了形象直觀地進行分析，本文在每一景數據的震中附近采集溫度數據，結合環江縣氣象資料繪制溫度隨時間變化曲線對比圖，從圖5中可以看出，熱紅外遙感反演的震中溫度與環江縣氣象局實測溫度基本相符，2月14日～3月20日升溫幅度不顯著，3月21日開始升溫幅度逐步增大，在環江地震前半個月達到峰值;三是升溫區域。北東向斷裂 (F2)、北北東向斷裂 (F3)與水源—木論斷裂 (F1)共軛交匯區域震前構造活動確有明顯的熱紅外異常升溫，異常沿NW與NE向交叉發育為主，與環江地震NW向發震構造較吻合。充分考慮地形地貌、季節性氣候等非構造因素對異常升溫的影響，認為此次環江MS4.9地震前熱紅外升溫可能為震前短臨異常現象。

4 結論

通過環江地震的例子說明，雖然地殼活動產生的地表溫度異常隱藏于地形地貌、季節性氣候、雨雪天氣等非構造因素產生的復雜變化之中，但通過分析它們與紅外異常的關系，去除非構造因素干擾，是有可能獲得地殼活動某些信息的。應指出的是，利用地表溫度獲取地震前兆相關的熱信息，一方面需要去除非構造因素的影響;另一方面，獲得的熱信息，還應與其他手段獲得的成果 (如潛熱通量、亮溫、長波輻射、氣象資料)能夠形成相互解釋的邏輯鏈，關鍵是熱場空間展布應與斷層活動方式及其力學模式相符。后者相當于結果驗證，只有經過檢驗才能提高可信度。

本研究得到了陳梅花副教授、徐甫坤工程師的悉心指導，廣西環江縣氣象局提供了地表溫度數據產品，在此一并致謝。

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