2017年8月9日精河MS 6.6地震熱紅外亮溫異常分析

張治廣 張璇 張元生 王在華

1）新疆維吾爾自治區地震局，烏魯木齊市新市區科學二街338號 830011

2）甘肅省地震局，蘭州 730000

0 引言

據中國地震臺網測定，2017年8月9日7時27分新疆博爾塔拉蒙古自治州精河縣（44.27°N，82.89°E）發生MS6.6地震（圖 1），震源深度約 11km，震中距精河縣城約 38km，位于庫松木契克山前斷裂附近。該斷裂為逆沖性質的全新世活動斷裂，1900年以來距震中200km范圍內發生 11次 6級以上地震。矩張量反演結果（http：//www.cea-igp.ac.cn/tpxw/275882.html）表明此次地震為逆沖型。

為了盡量減少地震造成的災害損失，國內外許多研究人員積極開展地震前兆觀測研究，并對地震預測進行探索。自Gorny等（1988）發現1984年加茲利地震震前衛星熱紅外輻射值異常后，震前衛星熱紅外異常研究得到了迅速發展，已成為地震學、遙感學研究所關注的熱點（Tronin et al，2002；Saraf et al，2003、2008；Ouzounov et al，2004；Choudhury et al，2006；Pulinets et al，2006）。我國的衛星熱紅外與地震間關系的研究始于20世紀80年代末，馬瑾院士對前蘇聯進行學術訪問時帶回了這方面研究的進展情況，隨后強祖基等（1990、1998）、徐秀登等（1990、1994）開始了對這一領域的探索研究。遙感熱紅外技術在地震預測中的應用研究主要集中在以下3個方面：①震前熱紅外增溫異常識別提取方法研究；②熱紅外異常與地震三要素間關系的研究；③地震熱紅外增溫的機制研究。強祖基等（1990、1998）、徐秀登等（1990、1994）的研究主要通過目視解譯法來獲得遙感圖像增溫區域的演變趨勢，同時結合地震地質知識對震例進行總結，得出衛星紅外亮溫增溫異常與地震三要素間的關系，并提出“地球放氣說”的紅外增溫機制。遙感-巖石力學實驗研究（耿乃光等，1992；吳立新等，2004）表明，巖石從受壓到破裂前，以及斷層黏滑失穩前的紅外輻射溫度場都出現隨應力-應變發展的規律性升溫現象。Tronin等（2002）、呂琪琦等（2000）對一些地震進行研究發現，紅外影像上的熱異常與地殼線性構造和斷裂帶有關。馬瑾等（2006）利用衛星紅外數據提取斷層活動信息，證明了熱紅外信息可以作為研究斷層相互作用的新的獨立物理量。荊鳳等（2009a、2009b）對中國大陸地區長波輻射背景場特征展開研究，并將其應用到中強震的震例分析中。陳順云等（2004、2009）提出并提取了地表亮溫年變基準場，為利用熱紅外輻射數據提取地殼活動信息提供了參考背景。多位學者（吳立新等，2008；魏樂軍等，2008；康春麗等，2009；馬未宇，2008；張元生等，2010）分別使用不同的方法和熱紅外數據源對2008年汶川8.0級地震前熱紅外數據變化進行研究發現，震前存在熱紅外異常。相關研究（魏從信等，2013；張鐵寶等，2013；徐秀登等，2013；張璇等，2013；解滔等，2015）也表明，在近幾年中國大陸7級以上強震前同樣存在熱紅外異常現象。

本文應用張元生等（2010）、郭曉等（2010）提出的相對功率譜方法及其開發的FIXSATELLITE軟件對風云靜止氣象衛星熱紅外亮溫數據進行處理，獲取地震前后熱紅外數據時空變化圖像，研究精河MS6.6地震前熱紅外亮溫數據有無前兆異常。

圖1 精河MS 6.6地震震中和周邊斷層分布

1 數據選取和處理方法

1.1 數據選取

本文使用的衛星資料是中國靜止氣象衛星FY-2E、FY-2G（FY-2E的替代衛星）的紅外遙感亮溫產品數據，來源于中國氣象局國家衛星氣象中心。FY-2E、FY-2G分別發射于2008年6月15日、2014年12月31日，定點于105°E赤道上空，距地面約35000km，星下點紅外分辨率為5km，有效觀測范圍為 60°N～60°S、45°～165°E，每30min或1h對地球約1/3面積觀測1次。紅外觀測波段分別為 10.3～11.3、11.5～12.5μm，熱紅外亮溫觀測每小時進行 1次（http：//www.nsmc.org.cn/NewSite/NSMC/Home/Index.html）。與極軌衛星相比，靜止衛星的優勢在于衛星與觀測點的相對位置幾乎是固定的，觀測點到衛星的熱輻射傳播路徑的影響也是固定的。由于白天太陽照射會引起地表溫度的大幅升高，難以將由構造活動或地震孕育引起的地表溫度小幅變化從周圍背景中區分出來，并且光照條件的不同也會造成不同區域日間地表溫度存在差異，不利于異常識別，且白天人為活動也會對數據造成一定的干擾。為了減少太陽輻射及人為活動對數據的影響，盡可能真實地反映當天地表輻射亮溫，在進行大數據量運算的同時，為保證數據跟蹤分析的時效性，故選取北京時間 01：00～05：00（GMT17：00～21：00）時間段的 5次觀測數據進行分析。

1.2 數據處理方法

首先，用補窗法對各像元每天5個時間點的亮溫數據進行處理，去除短時間范圍內云層對數據的部分影響，再取其平均值作為每天該像元的觀測值，對所有像元每天數據作同樣的處理得到各像元的日均值序列。然后，利用小波變換對每個像元進行2階尺度函數與7階尺度函數相減的處理，以去除連續亮溫數據信息中所包含的地球基本溫度場（直流部分）、年變溫度場、日變溫度場、雨云和寒熱氣流等非震因素引起的溫度變化，保留地震因素引起的溫度微變化信息，得到在時間域里正負相間的亮溫相對變化波形數據。考慮短臨地震異常出現的時間一般為10～90天，故以n=64天為窗長、m=1天為滑動窗長對小波變換后的每個像元作傅里葉變換，計算其功率譜，并對每一像元的所有頻率的功率譜作相對幅值處理，得到功率譜相對變化的時空數據（張元生等，2010；郭曉等，2010）。最后，利用計算得到的時-頻空間數據進行全時空和全頻段掃描，提取并識別異常區域時空變化特征。

2 結果分析

盡管采用了上述方法對資料進行處理以去除各種干擾因素，但結果圖像中仍然存在一些離散的高值噪聲異常點。為得到可能與構造活動、地震等有關的異常信息，在前人研究的基礎上（解滔等，2015），對結果圖像分析時采用以下4條判別準則識別異常信息：①主要異常像元需集聚成一定規模的異常區域，而非零星離散分布；②顯著異常需持續20天以上；③異常區域需沿構造斷裂帶分布，尤其是活動斷裂帶；④相對功率譜值達到其平均功率譜幅值的4倍以上。

2.1 地震熱紅外異常時空演化過程分析

圖2為精河MS6.6地震前后紅外亮溫功率譜異常時空演化圖。由圖2可見，2017年7月12日在北天山地震帶中、東部和阿爾泰地震帶中部（朱令人，2002）開始出現相對功率譜高值聚集現象，隨后幅值、面積逐漸增大，至7月18日高值區域集中成片出現，主要分布在北天山地震帶中東部、阿爾泰地震帶和準噶爾盆地內部，7月27日幅值、面積達到最大值，然后至7月30日高值異常區域向西遷移且延伸至北天山地震帶西部，隨后逐漸減小，至8月14日高值基本消失，異常持續約1個月。異常由最大值逐步恢復至正常背景值的過程中，即8月9日在異常區域邊緣發生精河MS6.6地震。

圖2 精河MS 6.6地震前后紅外亮溫相對功率譜異常時空演化

2.2 亮溫功率譜平均值時間變化特征

為了分析北天山地震帶紅外亮溫功率譜在精河MS6.6地震前后的變化過程，對圖2中紫色四邊形區域的平均值進行研究，其相對幅值時間變化序列見圖3。由圖3可見，2010年以來，研究區亮溫平均功率譜相對幅值基本在4倍均值（正常背景值）以下，2010～2016年共達到4倍均值5次，但持續時間較短且幅度較小，未達到異常判定指標。2017年7月16日相對幅值為4.21，開始超過4倍均值線，7月20日達到最大值9.34；8月8日降到4倍均值以下，高值異常持續24天。精河MS6.6地震前，研究區亮溫平均功率譜相對幅值變化過程與圖2整個異常區域的時間演化過程類似，地震發生在亮溫平均功率譜相對幅值由最大值恢復至正常背景值的過程中。

圖3 精河MS 6.6地震亮溫平均功率譜相對幅值時序變化

3 結論與討論

以上分析結果表明，精河地震前熱紅外亮溫資料相對功率譜出現顯著異常。7月12日在北天山地震帶中、東部和阿爾泰地震帶中部開始出現相對功率譜高值聚集現象，隨后幅值、面積逐漸增大，至7月18日高值區域集中成片出現，主要分布在北天山地震帶中東部、阿爾泰地震帶和準噶爾盆地內部，7月27日幅值、面積達到最大值，然后逐漸減弱，8月14日后高值基本消失，異常持續大約1個月。8月9日在北天山地震帶西部的庫松木契克山前斷裂發生精河MS6.6地震。

地震實際上是在區域構造應力作用下，應變在活動斷裂帶上某些部位不斷積累并達到極限狀態后局部巖層突發失穩破裂的結果（Molnar et al，1975）。目前，對于地震熱紅外異常機理的解釋主要有以下幾個方面：①應力擠壓導致地下流體向地表擴散，存在地熱和富含油氣的地區震前更容易出現熱異常現象（Cicerone et al，2009；張元生等，2010）；②震前裂隙通道增加，深部熱能向上對流（王洪濤等，1995；Tronin et al，2002）；③巖石變形破裂面錯動及摩擦導致增溫（吳立新等，2006；徐忠印等，2015）。精河地震前熱紅外相對功率譜異常在空間上主要分布在北天山地震帶、阿爾泰地震帶和準噶爾盆地，這可能是在印度洋板塊向北水平推進動力的作用下（Molnar et al，1975），應力沿著塔里木盆地向北傳遞，北天山地震帶、阿爾泰地震帶和準噶爾盆地內部發生相對變形，在地震發生前，應力逐漸積累達到巖層破裂的臨界狀態，貫通地表的裂隙數量也逐漸增多，地殼流體成分溢出和斷層裂隙摩擦錯動造成增溫，同時，伴隨裂隙增多的過程，地下巖層與地表的熱對流也隨之增強，可能是這些因素的共同作用使震前熱紅外異常在上述地區集中出現，具體哪個因素占主導地位，目前的研究還無法判定。

利用相對功率譜方法對以往震例的研究結果表明，地震通常發生于異常區域邊緣（張元生等，2010；張治廣等，2017；張璇等，2017）。精河地震發生在異常區域的邊緣——北天山地震帶西部，震中位于SWW向的準噶爾盆地西緣斷裂帶與北天山地震帶交匯部位，而不是異常幅度大、持續時間長的北天山地震帶中東部和阿爾泰地震帶，這可能與斷裂帶的構造環境、動力環境、巖石成分性質及裂隙發育度、應力積累狀態和區域大氣環境等因素有關。震前異常過程表現為異常出現—增強—達到極大值—衰減—異常消失—發震的過程，與巖石實驗結果相似（徐忠印等，2015），即紅外輻射呈現初始階段變化很小、彈性階段緩慢增加、塑性階段快速增加以及臨破裂前回落的變化特征。綜上所述，本文討論的熱紅外亮溫相對功率譜異常可能是精河MS6.6地震的前兆異常，該項異常可能對發震時間、震中具有一定的指示意義。

致謝：感謝中國氣象局國家衛星氣象中心免費提供熱紅外亮溫資料，感謝兩位審稿專家的建設性修改意見。