陳順云 馬 瑾 劉培洵 劉力強 扈小燕 任雅瓊

(中國地震局地質(zhì)研究所，地震動力學(xué)國家重點實驗室，北京 100029)

0 引言

熱紅外遙感在地震研究中的應(yīng)用，主要沿著2個方向發(fā)展:一是用于尋找地震前兆信息;一是用于探索斷層現(xiàn)今活動。

1988年，前蘇聯(lián)學(xué)者首先運用熱紅外遙感信息來尋找地震前兆信息(Gornyy et al.，1988)，緊接著便有國內(nèi)外學(xué)者利用熱紅外遙感信息開展地震預(yù)報研究(強祖基等，1990，1992，1998;徐秀登等，1991;Tramutoli et al.，2001;Ouzounov et al.，2004)。許多震例被報道出來。例如，2001年印度古吉拉特邦地震前的熱異常(Ouzounov et al.，2004;Blackett et al.，2011)、2001年昆侖山8.1級地震(陳梅花等，2003;郭衛(wèi)英等，2004)、2005年巴基斯坦地震前熱紅外輻射增強現(xiàn)象(鐘美嬌等，2007)、2008年汶川地震(張元生等，2010)、2011年日本地震(張元生等，2011)，等等。一直以來，由于缺乏可驗證性，利用熱紅外信息研究地震前兆受到較多質(zhì)疑。然而，無論國內(nèi)國際，對地震熱紅外異常的震例分析和機理探索一直沒有停止(Genzano et al.，2007;Tronin，2010;Blackett et al.，2011;張元生等，2011)。尤其是，意大利學(xué)者提出了一套較為可靠的提取熱紅外異常的算法(Tramutoli et al.，2001，2005)，已引起了一定關(guān)注(Genzano et al.，2007)。

2000年，考慮到斷層及其現(xiàn)今活動是聯(lián)系地震與前兆的橋梁，馬瑾等(2000)將關(guān)注重點從地震預(yù)報轉(zhuǎn)為研究現(xiàn)今斷層活動。利用熱紅外信息研究構(gòu)造現(xiàn)今活動，要解決的問題很多，既要排除大氣作用等外部因素的影響，又要提取來自深部構(gòu)造活動的信息。經(jīng)過多年努力，在繼承傳統(tǒng)遙感方法的基礎(chǔ)上(陳順云等，2004，2006)，開展天地對比研究(陳順云等，2011)，建立了能夠反映構(gòu)造活動的熱物理指標(biāo)(陳順云等，2012)，逐步形成了具有特點的定量遙感方法。在熱與應(yīng)力關(guān)系研究的基礎(chǔ)上(劉培洵等，2004;劉培洵等，2007;馬瑾等，2007;陳順云等，2009)，地殼變形狀態(tài)與熱場分布的關(guān)系也日趨完善。深入下去，有望形成一套完整的方法(馬瑾等，2005，2010)。

無論是哪一個發(fā)展方向，均需要考慮大氣等非構(gòu)造因素的影響和物理解釋，以及與現(xiàn)有成果的關(guān)系等基礎(chǔ)性問題。實際上，無論是地震前是否會出現(xiàn)熱紅外異常，抑或是現(xiàn)今構(gòu)造活動是否真能引起地表溫度改變，地震前后相關(guān)物理變化強烈，相對容易開展工作。發(fā)生于2008年5月12日的汶川地震屬于內(nèi)陸地震，受到了廣泛關(guān)注，研究成果比較豐富，利于開展對比研究。本文即以汶川地震為例，探索衛(wèi)星獲取地表溫度場中可能存在的構(gòu)造活動信息。

1 現(xiàn)象分析

1.1 數(shù)據(jù)及處理

衛(wèi)星接收到的信息是經(jīng)過大氣改造過的地表熱輻射，直接使用衛(wèi)星影像分析地殼活動存在許多不確定因素，進行大氣校正是其基礎(chǔ)工作之一。文中擬選用國際上較成熟的地表溫度產(chǎn)品作為研究對象(Wan et al.，1997;Wan et al.，2002;Wan et al.，2008)，地表溫度既能反映地表熱信息，又可利用衛(wèi)星遙感熱紅外資料經(jīng)過大氣校正等處理后獲得。選用地表溫度產(chǎn)品意味著不用專門考慮大氣校正方面的問題。

問題是，地表溫度場中，存在正常背景嗎?異?？偸窍鄬τ谡６缘摹]有正常，就沒有異常。地表溫度場中，正常背景主要包括地形、緯度等靜態(tài)因素的影響，以及周期性的太陽輻射的影響。地表溫度中，影響最大的是太陽的穩(wěn)定年周期變化，以及地形和緯度與能量平衡等靜態(tài)因素引起的長期穩(wěn)定成分，二者合稱為年變基準(zhǔn)場(陳順云等，2004，2009)。年變基準(zhǔn)場屬于地表溫度場中的信號最強的成分，可以作為參考背景。找到年變基準(zhǔn)場相當(dāng)于找到最大干擾源，有利于進一步從地表溫度場中提取地殼活動的信息(陳順云等，2006)。

去除了年變基準(zhǔn)場后余下的部分，稱為年變殘差，還受大氣、植被及構(gòu)造活動等多種因素的影響。這些因素中，又可分為來自大氣環(huán)流等外部因素和產(chǎn)生于本地的原地因素影響。對于短期變化而言，外部因素中的太陽輻射和局地因素中的植被，由于在短時間內(nèi)不會發(fā)生明顯變化，可以視為穩(wěn)定成分。因此，關(guān)鍵是去除大氣環(huán)流對原地溫度場所帶來的影響，提取出源于原地的溫度信息，才可能獲得與地殼活動有關(guān)的熱信息。從空間尺度上看，大氣環(huán)流與局地因素對地表溫度的影響，存在明顯的差異:大氣環(huán)流的空間尺度跨度大，而局地因素空間尺度小，尤其是斷裂帶多成線性特征，呈現(xiàn)出明顯的一維特征?？梢酝ㄟ^二維空間分析方法達到提取源于局地的地表溫度信息(陳順云等，2013)。

本文選取根據(jù)白天/夜間地表溫度反演算法獲取的V5版MODIS/Terra和MODIS/Aqua地表溫度數(shù)據(jù)產(chǎn)品(Wan et al.，1997;Wan et al.，2002;Wan，2008)進行分析。其中，該產(chǎn)品空間分辨率0.05°，時間分辨率為8d。熱紅外遙感的不足之一就是云層的干擾:地表熱輻射穿不透云層。有云時，探測不到地表溫度。連續(xù)多日有云的情況比較普遍，難以獲得地震當(dāng)天完整的地表溫度場。為了獲取完整地表溫度場，常采用多日合成的方法。本文采用的數(shù)據(jù)為8d合成產(chǎn)品。該產(chǎn)品是選取8d內(nèi)無云層干擾的地表溫度，經(jīng)過簡單平均獲得的晴天地表溫度。

數(shù)據(jù)處理過程:首先，獲取地表溫度的年變基準(zhǔn)場，得到了年變殘差;然后，考慮到人類活動、大氣環(huán)流和本地因素對地表溫度影響的空間差異，選用正交Coiflet小波對年變殘差進行空間分解。年變殘差被分解為3個空間尺度:＜80km×80km、＞600km×600km和中間尺度成分。其中，空間尺度＞600km的成分主要為大氣環(huán)流帶來的影響，人類活動引起的變化集中于＜80km的空間成分，余下成分則代表本地因素對地表溫度的貢獻。數(shù)據(jù)處理詳細描述參見文獻(陳順云等，2013)。

本文僅選取空間尺度＞80km×80km且＜600km×600km的中間成分進行分析，如前文所述，該成分主要代表本地因素對地表溫度的貢獻，為了與原始地表溫度區(qū)別開，本文稱之為原地溫度。

1.2 結(jié)果

選取地震前后共40d連續(xù)變化的地表溫度進行分析，時間跨度為2008年4月30日至6月8日，即震前12d，震后28d。由于數(shù)據(jù)是8d合成產(chǎn)品，40d時間，共有5幅完整地表溫度場，震前1幅，震時1幅，震后3幅。后文逐一論述。

1.2.1 震前:2008年4月30日至5月7日

圖1給出了震前(2008年4月30日至5月7日)原地溫度場及其典型空間剖面。從圖1a中可以看出，原地溫度場中看不出明顯的地形信息。原地溫度場中最突出的特征是，巴顏喀拉地塊溫度整體性高于周邊地區(qū)(圖1b)。從時間過程看，整體性溫度偏高出現(xiàn)在地震前后較短的時段內(nèi)，應(yīng)與地貌無關(guān)。同時，存在2個條帶狀降溫區(qū)，一條總體位于東構(gòu)造結(jié)北部(BD)，西起羌塘塊體南邊界中部東至川滇塊體東邊界(P1);另一條沿阿爾金與祁連山斷裂帶分布，東邊止于鄂爾多斯西邊界(P2)。

為了考察上述特征的定量關(guān)系，圖1b給出了1條平行于汶川地震發(fā)震斷裂帶且位于西側(cè)的溫度空間剖面。從剖面可看出，過巴顏喀拉地塊一段，溫度明顯偏高，高出其他地區(qū)3K左右;巴顏喀拉地塊兩側(cè)出現(xiàn)明顯的低溫(P1和P2)，其中，南側(cè)降溫幅度大于北側(cè)，降溫約－5K，而北側(cè)約為－4K。

1.2.2 同震:2008年5月8—15日

需要特別指出的是，如前文所述，由于采用的數(shù)據(jù)是8d合成產(chǎn)品，文中同震地表溫度信息屬于8d時間分辨率級別上的同震響應(yīng)，混雜了震前與震后各4d的信息。

圖2給出了地震時原地溫度場及其典型空間剖面。圖2a溫度場中，出現(xiàn)了1條空間展布上與發(fā)震構(gòu)造密切相關(guān)的降溫條帶，該條帶由兩段組成，AB段和BC段。AB段，長650km，呈NE向，位于川滇地塊與鄂爾多斯地塊之間，沿發(fā)震斷裂帶分布，涵蓋巴顏喀拉地塊東邊界帶，包含整個發(fā)震斷層帶，同震響應(yīng)在發(fā)震斷層西邊一側(cè)的區(qū)域比東邊一側(cè)大;BC段，長約2 100km，近EW向，始于川滇地塊東邊界，從東到西穿過川滇地塊與羌塘地塊到達羌塘地塊南邊界后，沿羌塘地塊南邊界分布。另外，BC段所涉區(qū)域約為AB段的3倍。

圖2b為垂直于AB段的溫度變化，相當(dāng)于垂直于發(fā)震斷層的地表溫度剖面。從圖中可以看出，在過發(fā)震斷層段，存在一個明顯的降溫，下降幅度約8.0K。降溫范圍的寬度為232km，其中上盤160km(AB左側(cè))，下盤72km(AB右側(cè))。

關(guān)于上述地震時原地溫度場中的現(xiàn)象，還通過另一顆衛(wèi)星資料(MODIS/Aqua)驗證過其可靠性(陳順云等，2013)。

1.2.3 震后:2008年5月16—23日

圖2 同震原地溫度場(a)及其空間剖面(b)Fig.2 The co-seismic in-situ temperature field(a)and its spatial profile(b).

圖3給出了震后第1時間(2008－05－16—23)原地溫度場及典型空間剖面。如圖3a所示，原地溫度場中，存在3個近EW向條帶狀低溫區(qū)。3個低溫條帶相互平行，沿NE方向展布，如箭頭Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ所示。從Ⅰ至Ⅲ，條帶長度逐漸減少。第Ⅰ條長約2 000km，第Ⅲ條長約600km。圖3b為上述3個低溫條帶中點連線方向的溫度剖面，其中“0”起點位于剖面箭頭處，箭頭所指方向即為剖面方向。從圖中可以看出，剖面曲線中存在一個顯著的溫度波，其振幅為±4K，波長約1 200km。并且，波谷正好為3個低溫條帶的位置。

也就是說，3個近EW向的低溫條帶構(gòu)成了一個沿NE方向展布的、逐漸衰減的溫度波場。其中，波長約1 200km。應(yīng)指出的是，Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ3個低溫條帶位置正好與大的地形地貌所在區(qū)域相符。然而，地形地貌屬于相對穩(wěn)定的靜態(tài)因素，已被去除。事實上，大的地形地貌單元也恰好是構(gòu)造活動強烈的地區(qū)。這些相距上千km的大型構(gòu)造單元出現(xiàn)聯(lián)動，有2方面原因:大尺度的大氣影響或者地球內(nèi)部活動。而大尺度的大氣影響正是本文努力消除的非構(gòu)造因素。因此，上述溫度波并不能簡單歸結(jié)為地形地貌的影響，值得進一步關(guān)注。

圖3 震后原地溫度場(a)及其空間剖面(b)Fig.3 The in-situ temperature field(a)and its spatial profile(b)during the period of 16－23 May，2008 after earthquake.

1.2.4 震后:2008年5月24—31日

圖4給出了震后(2008－05－24—31)原地溫度場及典型空間剖面。圖4a所示的原地溫度場中，存在1條顯著的低溫條帶。該條帶從西到東，首先沿巴顏喀拉地塊北邊界，鄂爾多斯南邊界，穿過秦嶺;然后，轉(zhuǎn)為NE方向，沿郯廬斷裂帶分布。

圖4 震后原地溫度場(a)及其空間剖面(b)Fig.4 The in-situ temperature field(a)and its spatial profile(b)during the period of 24－31 May，2008 after earthquake.

該條帶跨度大，幾乎涉及到了整個中國大陸。為了考察該低溫條帶不同部位的特性，從東至西，分別選取4個垂直于該條帶的溫度剖面(P1～P4)，以過條帶點為每條剖面的“0”點，P1～P4字符所在點為起點，結(jié)果如圖4b所示。4條剖面中，在“0”點附近，剖面P1溫度最低(－4K)，剖面P4溫度最低(－7K)。不過P1～P33條剖面在“0”點附近的溫度基本一致，無明顯差別，約為－4K。

簡言之，在2008年5月24—31日(合成)的原地溫度場中，出現(xiàn)了1條貫穿整個中國大陸、沿地塊邊界分布的低溫條帶，其中寬度約120km。并且，西部(P4)的降溫幅度明顯比東部(P1)要強。

1.2.5 震后:2008年6月1—8日

圖5給出了震后(2008－06－01—08)原地溫度場及典型空間剖面。圖5a所示的原地溫度場中，比較典型的特征是青藏高原上出現(xiàn)了一個顯著的低溫區(qū)域。低溫區(qū)域所涉范圍比巴顏喀拉地塊(西部)稍寬，但主要沿巴顏喀拉地塊分布。

圖5 震后原地溫度場及其空間剖面Fig.5 The in-situ temperature field(a)and its spatial profile(b)during the period of 1－8 June，2008 after earthquake.

為了更好地理解巴顏喀拉地塊原地溫度的空間變化情況，圖5b給出了沿巴顏喀拉地塊南北中間線分布的溫度剖面。剖面的起點在巴顏喀拉地塊的西邊界，終點為其東邊界。從圖5b可以看出，巴顏喀拉地塊西部溫度低，東部溫度高，溫度從西到東呈逐漸上升的趨勢(粗線)，從－6K升到1K。

總之，巴顏喀拉地塊，特別是西部區(qū)域，出現(xiàn)了顯著降溫。并且，從西到東，溫度呈逐漸上升的趨勢。

2 物理機制探索

從前文給出的現(xiàn)象可以看出，原地溫度場中含有豐富的與構(gòu)造有關(guān)的信息。如何去理解這些現(xiàn)象，首先面臨物理機制的問題。衛(wèi)星位于天空，構(gòu)造活動發(fā)生于地下。通過衛(wèi)星遙感獲得的地表溫度，相當(dāng)于近地表大氣和淺層地表熱作用的綜合反映。從地表溫度角度看，物理機制主要包括2方面問題:1)近地表“地－氣”耦合條件下的溫度關(guān)系;2)地殼活動與溫度變化的關(guān)系。

2.1 地下溫度與地表溫度之間的關(guān)系

通過衛(wèi)星熱紅外遙感獲取的地表溫度，實際上是屬于陸地表面薄層內(nèi)的平均溫度。該溫度影響因素復(fù)雜，主要受太陽和大氣作用控制。地下溫度的變化并不能影響到來自太陽的總能量，但對來自太陽總能量分配上產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。這個調(diào)節(jié)作用對近地表氣溫產(chǎn)生影響，從而間接地影響到地表溫度?？紤]到熱紅外輻射的皮膚效應(yīng)(Norman et al.，1995)，獲得了近地表氣溫的變化，即可以間接地估算出地表溫度的變化。

為了弄清近地表氣溫與地表溫度之間的關(guān)系，在北京西北部地區(qū)開展了近地表氣溫觀測，其中觀測高度為4層，分別為0.0、0.25、0.5和1.0m。圖6給出了近地表氣溫隨時間的變化情況。從圖6a中可以看出，0.25、0.5和1.0m 3個高度的氣溫變化基本一致，夜間0.25、0.5和1.0m 3個氣溫更趨于一致，差異較小;白天均比0.0m氣溫低，夜間則比0.0m氣溫高;其中，白天0.25m氣溫為最高，夜間則最低。3個高度的氣溫與0.0m氣溫變化幅度和相位都存在較為明顯的差異，出現(xiàn)這種差異的一個重要原因是:0.0m的氣溫，即地表溫度，地表本身是一個難以界定的概念，在傳感器表層可能由于刮風(fēng)下雨等自然原因，會有不同程度的覆蓋層，從而難以弄清地表溫到底屬于那一個深度上的溫度。

圖6 實地觀測結(jié)果近地表氣溫(a)及其不同高度之間的溫度差異(b)Fig.6 Temperatures of air near ground(a)and their difference between heights 0.25m and 0.0m(b).

圖6b給出了不同高度近地表氣溫的差值。從圖中可以看出，0.25m氣溫與0.0m地溫相比，白天高出約10°，夜間低約6°。這個幅度和通過衛(wèi)星遙感獲得的地表溫度與實測得到的地表溫度之間的差異相當(dāng)(陳順云等，2011)。上述結(jié)果說明，衛(wèi)星觀測到的地表溫度與近地表氣溫密切相關(guān)。

根據(jù)上文分析結(jié)果(圖6b)，可以得出地表溫度與淺層地溫傳熱關(guān)系(圖7)。白天，地表溫度高于地下溫度，溫度向下擴散。夜間，地下溫度高于地表溫度，地下溫度向上擴散。

假若地下溫度發(fā)生了微小變化，對地表溫度的影響有多大?微小變化的意思是，不改變白天與夜間熱量的傳輸方向。由于熱量的傳遞取決于溫度差，對于夜間，地下溫度高于地表溫度，熱量是由地下向地表傳輸，地下溫度的微小變化不會對地表溫度產(chǎn)生明顯的影響。

對于白天，情況則有本質(zhì)差別。白天，由于太陽的加熱作用，大氣和淺表地層通過分配太陽輻射的能量而產(chǎn)生溫度變化?；疚锢磉^程是:地表由于太陽輻射加熱的作用，溫度上升，超過地下溫度時，地表熱量向下傳遞，傳遞熱量的多少取決于二者的溫差。相對于通常情況，如果地下溫度為上升了ΔT，則地表溫度與地下溫度之間的溫差減少了ΔT，導(dǎo)致地表向下傳遞的熱量就會減少，而留在地表的熱量增加;反之，地下溫度下降時，地表溫度與地下溫度之間的溫差增加了ΔT，地表向下傳遞的熱量相應(yīng)增加，留在地表的熱量就會減少。

圖7 地表溫度與淺層地溫傳熱關(guān)系示意圖Fig.7 Schematic diagram of heat transfer between ground and shallow air.

如前文所述，地表溫度是指地表“皮膚”薄層的溫度，這一薄層的溫度由近地表大氣和近地表地殼共同控制，準(zhǔn)確地界定二者相互作用的高度是困難的。大氣的流動性強，近地表大氣的作用高度應(yīng)比近地表地殼的作用深度要大。然而，本文僅著眼于考慮相互作用的上限值，進而在“皮膚薄層”這一概念上，近地表大氣與近地表地殼的耦合深度可簡單認為相等(圖7)。對于白天，地表達到熱平衡時，有

式(1)中:ΔT為溫度變化，c為熱容量，ds代表大氣，dg代表固體地球。

固體地球的熱容量比大氣要大得多。例如，花崗巖密度為2 600kg/m3，比熱為820J/(kg·K)(劉培洵等，2004)。標(biāo)態(tài)下的空氣定壓比熱容為 1.004kJ/(kg·K)，定容比熱容為0.717kJ/(kg·K);密度為1.29Kg/m3。以空氣定壓比熱容計算，固體地球的熱容量是大氣的1 650倍。根據(jù)式(1)，可以看出，由于固體地球介質(zhì)的熱容量遠大于空氣，對于白天地下溫度的微小變化所引起的熱量變化對近地表氣溫的影響是不容忽視的。

總之，白天，地下溫度的微弱變化，會對近地表大氣溫度產(chǎn)生明顯的影響。接下來的問題是，地下溫度會發(fā)生變化嗎?

2.2 地殼變形與溫度的關(guān)系

同震時段，斷層的高速滑動將使斷層面溫度上升，但主要局限于幾至幾十cm量級厚度的很薄一層斷層錯動面內(nèi)。由于巖石熱傳導(dǎo)率極低，短時間內(nèi)影響范圍有限。文中衛(wèi)星遙感地表溫度場的空間分辨率為5km，難以探測到摩擦生熱產(chǎn)生的溫度效應(yīng)。重點關(guān)注巖石變形過程產(chǎn)生的溫度變化。

斷層摩擦引起升溫為大家所熟知，關(guān)于彈性變形產(chǎn)生的溫度變化則研究很少。為了更清晰地理解溫度與應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系，簡單回顧一下熱力學(xué)理論是有益的。對于一般的彈性系統(tǒng)的熱力學(xué)狀態(tài)，可用應(yīng)力(σ)、應(yīng)變(ε)和溫度(T)3個參量描述，寫成微分形式(謝銳生，1980):

式(2)中:E為楊氏模量，β為熱應(yīng)力系數(shù)。此狀態(tài)方程經(jīng)常用來研究熱脹冷縮引起的應(yīng)力問題，但涉及應(yīng)力引起溫度變化的研究很少引起注意。

對于等溫情況(d T=0)，上式變?yōu)楹硕?dσ=E dε)，也即為彈性力學(xué)側(cè)重研究的內(nèi)容。絕熱情況，固體彈性變形的狀態(tài)方程不再是胡克定律，溫度與應(yīng)力變化相關(guān)聯(lián)。實驗研究已證實:巖石材料彈性變形會產(chǎn)生溫度變化(劉培洵等，2004，2007;馬瑾等，2007;陳順云等，2009)。

實際上，對于緩慢過程，可近似為等溫過程。對于快速變化(如地震)，更接近絕熱過程。地殼活動會產(chǎn)生應(yīng)力變化是客觀事實。也就是說，地殼發(fā)生應(yīng)力調(diào)整時，溫度隨之改變也是必然的。

因此，在理論分析的基礎(chǔ)上，通過地應(yīng)力或地殼變形的測量，可以推算出由構(gòu)造變形引起的地下溫度的改變量。進一步結(jié)合式(1)，則有望驗證衛(wèi)星獲取的地表溫度變化的合理性。

2.2.1 地應(yīng)力與溫度變化

震源深處的劇烈溫度變化直接傳到地表需要經(jīng)歷漫長的時間，不可能基于熱傳導(dǎo)方式獲得來自震源深處的溫度信息?？墒?，地震發(fā)生時，不僅震源深處，淺表巖石也會產(chǎn)生應(yīng)力變化，同樣會產(chǎn)生溫度變化?？陀^上，地震從孕育到發(fā)震，所涉及的地質(zhì)體可能遠不止發(fā)震斷裂帶附近區(qū)域，尤其是強震，孕震區(qū)與震后影響范圍可能更大。地震前后，不僅僅發(fā)震斷層會產(chǎn)生應(yīng)力調(diào)整，關(guān)聯(lián)斷層也同樣伴有應(yīng)力狀態(tài)的變化。

對于絕熱過程，一維情況下應(yīng)力與溫度之間存在下列簡單關(guān)系(劉培洵等，2004):

式(3)中:T為初始溫度，a為與材料性質(zhì)有關(guān)的熱物理常數(shù);負號表示壓縮為正。

在汶川MS8.0大震發(fā)生前一周，郭啟良等(2009)采用水壓致裂技術(shù)在龍門山發(fā)震斷裂帶±400m深度上測得的最大水平主應(yīng)力值為21～22MPa，與其附近下盤之差高達8～10MPa。大震后的原地重復(fù)測量結(jié)果表明，發(fā)震斷裂帶上的最大、最小水平主應(yīng)力值分別降低了29%和23%，而在下盤大震前后的地應(yīng)力作用狀況并無變化。上述結(jié)果表明，地震前后存在4.8～6.1MPa的應(yīng)力下降。

根據(jù)實驗研究(劉培洵等，2004，2007;馬瑾等，2007;陳順云等，2009)，對于一維彈性介質(zhì)，溫度變化與應(yīng)力變化的量級為1個至幾個mK/MPa。上述汶川地震產(chǎn)生的應(yīng)力下降，則有可能產(chǎn)生幾個至幾十個mK的溫度變化。若溫度變化與應(yīng)力變化的量級取1mK/MPa，則產(chǎn)生4.8～6.1mK的溫度變化。

將上述溫度結(jié)果代入式(1)，則前述應(yīng)力下降可在地表引起7.9～10.1K的溫度下降。如前所述，衛(wèi)星獲得的地表溫度，在經(jīng)過發(fā)震斷層段存在約8.0K降溫(圖2b)。理論推算結(jié)果與衛(wèi)星觀測結(jié)果，二者吻合得相當(dāng)好，必有其深刻的物理含義。

2.2.2 應(yīng)力松弛區(qū)——同震變形響應(yīng)

上文通過龍門山發(fā)震斷裂帶地應(yīng)力測量，初步估算了汶川地震應(yīng)力下降引起的地表溫度變化量。實際上，地表溫度獲得的空間場，應(yīng)力調(diào)整存在一定的空間尺度。應(yīng)力與溫度變化之間，除了量級關(guān)系外，空間分布也是對比分析的一個方面。并且，同震形變的測量結(jié)果比較豐富，可在應(yīng)力調(diào)整的空間分布上提供有用的信息。

彈性回跳理論(Reid，1910)認為:間震期的應(yīng)變能積累與同震時的應(yīng)變能釋放相反。也就是說，同震應(yīng)變的響應(yīng)區(qū)，實際上就是同震應(yīng)力釋放區(qū)。根據(jù)同震位移響應(yīng)觀測，可以估算應(yīng)力松弛區(qū)。圖8a給出的彈性回跳位移響應(yīng)示意圖，圖8b為相應(yīng)的應(yīng)變響應(yīng)，圖8b中的D，即為同震應(yīng)力釋放區(qū)。

圖8 彈性回跳位移(a)與應(yīng)變響應(yīng)(b)及龍門山斷裂帶南段同震位移響應(yīng)(c)Fig.8 Elastic rebound displacement(a)，strain(b)and co-seismic displacement response(c)of south segment of Longmenshan Fault zone to Wenchuan earthquake.

圖8c給出了龍門山斷裂帶南段同震位移響應(yīng)剖面(楊少敏等，2012)。從圖中可以獲得斷層兩側(cè)同震應(yīng)力釋放寬度(D)約230km(上盤150km，下盤80km)。這與圖2b給出的同震降溫條帶的寬度為232km(上盤160km，下盤72km)相吻合，并且降溫條帶的寬度，在斷層兩側(cè)存在明顯的非對稱性。同震降溫區(qū)的分布特征，與同震位移響應(yīng)的分布極其類似。

根據(jù)彈性理論，式(3)可重寫為:式(4)中:T為初始溫度，c為與材料性質(zhì)有關(guān)的熱物理常數(shù);負號表示壓縮為正。

同震位移響應(yīng)本質(zhì)上是位移增量，與之相應(yīng)的應(yīng)變(εy)也同樣是應(yīng)變增量(Δε)。同震變形與溫度響應(yīng)，分別為同震應(yīng)力變化的不同物理響應(yīng)。并且，二者之間還存在如公式(4)所示的線性關(guān)系。因此，同震位移和同震降溫呈現(xiàn)出類似的分布特征，是不奇怪的，正好反映出兩者之間存在深刻的物理聯(lián)系。

應(yīng)指出的是，理論上可以通過應(yīng)變觀測結(jié)果推算溫度響應(yīng)的變化幅度。然而，實際觀測的同震位移及其同震應(yīng)變存在較多不確定性，因此文中沒有用同震變形來推測同震溫度響應(yīng)變化量級，相關(guān)工作有待進一步完善。

另外，相對于變化幅度的定量比對，空間位置的相對變化關(guān)系，其可靠性更高。采用同震變形響應(yīng)(圖8a，b)來幫助確定同震應(yīng)力釋放的寬度(D)，而且這一寬度的對比分析可在不需要考慮量級的情況下獨立進行。這大大增加了對比分析的可信度。

3 討論

如前文所述，由于汶川地震震中區(qū)位于龍門山斷裂帶，變形明顯，受到了較多關(guān)注，可以用來驗證本文通過溫度場獲得地殼活動信息。上文選取地應(yīng)力測量和同震變形資料，以理論分析為基礎(chǔ)，開展與汶川地震同震熱響應(yīng)的對比分析，溫度場獲得結(jié)果與地殼變形觀測結(jié)果高度吻合。這說明地表溫度場中蘊含有豐富的地殼變形活動信息。也就是說，通過利用衛(wèi)星遙感熱場信息能獲得地殼現(xiàn)今活動是有可能的。

從前文給出的現(xiàn)象可以看出，原地溫度場中，不僅是同震時段，震前與震后均含有豐富的與構(gòu)造有關(guān)的信息。從熱與變形的關(guān)系看，這些信息可能反映了汶川地震前后地殼變形狀態(tài)的時空演化。此處，選取地震前后典型降溫區(qū)的時空分布作一些初步討論。

地氣耦合分析時，只考慮了垂直方向的變化，簡化為一維問題。實際上，大氣具有流動性，這種流動性隨氣壓和溫度的變化而變化。從定性分析來說，地下溫度上升，大氣溫度隨之上升;地下溫度下降，大氣溫度隨之下降。溫度變化會改變大氣的狀態(tài)，改變了大氣的局地穩(wěn)定性。然而，溫度的上升與下降，影響是不一樣的。當(dāng)?shù)叵聹囟冉档蜁r，大氣溫度隨之下降，低層大氣密度增加，有減緩大氣對流的趨勢。反之，當(dāng)?shù)叵聹囟壬邥r，大氣溫度隨之上升，低層大氣膨脹，大氣對流增強。也就是說，從地氣耦合的角度來看，地表溫度場中的低溫區(qū)，可信度更高，更有利于分析其與變形狀態(tài)的關(guān)系。

圖9匯集了汶川地震前后降溫區(qū)(主要是同震和震后)的時空分布情況。從空間分布上看，降溫區(qū)主要分布于青藏高原，且沿著大型活動地塊的邊界展布，其中大部分降溫區(qū)位于巴顏喀拉地塊和羌塘地塊邊界，但不僅限于此范圍。值得注意的是，巴顏喀拉地塊與羌塘地塊溫度分布表現(xiàn)出明顯的完整性。

從時間演化過程看，震前，降溫區(qū)出現(xiàn)在東構(gòu)造結(jié)北部附近(BD);震時，巴顏喀拉地塊東邊界(AB)和羌塘地塊南邊界(BC)出現(xiàn)低值;震后，先是羌塘地塊南邊界(BC)出現(xiàn)低值，隨后出現(xiàn)一條幾乎涉及到了整個中國大陸的低溫條帶(CAEF)，該條帶沿巴顏喀拉地塊北邊界(CA)，沿鄂爾多斯地塊南邊界穿過秦嶺(AE)，然后轉(zhuǎn)為NE方向，沿郯廬斷裂帶分布(EF)。

從力與溫度變化的關(guān)系看，降溫意味著構(gòu)造變形狀態(tài)上的拉張增強，或者說應(yīng)力松弛。降溫區(qū)主要沿著大型活動地塊的邊界展布，降溫區(qū)反映出這些塊體之間的相對拉張的運動關(guān)系。

圖9 汶川地震前后降溫區(qū)空間分布示意圖Fig.9 Schematic diagram of the temperature-lowering areas before and after Wenchuan earthquake.

4 結(jié)論

綜上所述，本文以汶川地震為例，探索衛(wèi)星遙感獲取的地表溫度場中可能存在的構(gòu)造活動信息，主要開展了3方面工作:

(1)通過汶川地震前后的熱場演化過程可看出，原地溫度中存在豐富的、與構(gòu)造展布密切相關(guān)的熱信息。衛(wèi)星反演獲得的原始地表溫度中包含了地形、大氣和穩(wěn)定年周期太陽輻射等因素的影響，難以直接用于構(gòu)造熱活動分析。去除了這些非構(gòu)造因素的影響之后，可獲得屬于源于本地因素的原地溫度場。在原地溫度場中，許多與構(gòu)造活動有關(guān)的熱信息得以呈現(xiàn)出來。從汶川地震前后的熱場演化可以看出，原地溫度場中包含有構(gòu)造活動信息，震前、同震及震后，原地溫度場的空間展布，有共性，也存在明顯差異。利用衛(wèi)星遙感熱信息探索現(xiàn)今構(gòu)造活動屬于新方法，衛(wèi)星遙感能夠提供全場視角，看到的現(xiàn)象是臺站觀測難以提供的，也是以前沒有遇到過的，如何理解這些信息并用于地殼動力學(xué)分析，還有待深入探索。

(2)結(jié)合淺層氣溫的實際觀測資料，初步開展了地氣耦合分析，嘗試建立地表溫度與地殼應(yīng)變之間的關(guān)系。地殼變形引起的溫度變化，可對近地表大氣溫度產(chǎn)生比較明顯的影響。從地氣耦合的角度看，地表溫度場中的低溫區(qū)，可信度較高，更有利于分析其與地殼變形狀態(tài)的關(guān)系。

汶川地震前后，降溫區(qū)主要沿著大型活動地塊的邊界展布，反映出這些塊體之間存在相對拉張的運動關(guān)系(圖9)。震前，東構(gòu)造結(jié)北部附近(BD)出現(xiàn)低值;震時，巴顏喀拉地塊東邊界(AB)和羌塘地塊南邊界(BC)出現(xiàn)低值;震后，先是羌塘地塊南邊界(BC)出現(xiàn)低值，隨后是巴顏喀拉地塊北部邊界區(qū)域出現(xiàn)低值;最后，整個巴顏喀拉地塊整體(但不限于)處于低值狀態(tài)(圖5a)。汶川地震前后，青藏高原內(nèi)部的地塊均出現(xiàn)了較為明顯的變形調(diào)整。

(3)以汶川地震同震變形響應(yīng)和地殼應(yīng)力測量成果為基礎(chǔ)，開展了變形與熱之間的對比分析，結(jié)果表明溫度場獲得結(jié)果與地殼變形觀測結(jié)果高度吻合。這說明:通過溫度場發(fā)現(xiàn)的汶川地震時整個青藏高原出現(xiàn)了明顯地殼變形調(diào)整，存在合理性，可以用來分析地震前后地殼變形的時空演化過程。

總之，地表熱信息中蘊含有豐富的力學(xué)信息，可以用來提取地殼活動狀態(tài)。也就是說，除了可以通過變形測量獲得應(yīng)力外，還可以通過“熱”的方式來獲得應(yīng)力變化狀態(tài)。更為有利的是，地表熱場可以通過衛(wèi)星遙感獲得。目前，熱紅外遙感衛(wèi)星普遍的用于氣象觀測和資源探測，其中地球和太陽同步軌道2種氣象衛(wèi)星，常年對地氣系統(tǒng)進行觀測，可以便捷地獲得地球表面熱場信息的時空演化過程。

陳梅花，鄧志輝，賈慶華.2003.地震前衛(wèi)星紅外異常與發(fā)震斷裂的關(guān)系研究:以2001年昆侖山8.1級地震為例［J］.地震地質(zhì)，25(1):100—108.

CHEN Mei-hua，DENG Zhi-hui，JIA Qing-hua.2003.The relationship between the satellite infrared anomalies before earthquake and the seismogenic fault:A case study on the 2001 Kunlun earthquake［J］.Seismology and Geology，25(1):100—108(in Chinese).

陳順云，劉力強，劉培洵，等.2009.應(yīng)力應(yīng)變與溫度響應(yīng)關(guān)系的理論與實驗研究［J］.中國科學(xué)(D輯)，39(10):1446—1455.

CHEN Shun-yun，LIU Li-qiang，LIU Pei-xun，et al.2009.Theoretical and experimental study on relationship between stress-strain and temperature variation［J］.Sci China(Ser D)，52(11):1825—1834.

陳順云，劉培洵，劉力強，等.2006.地表熱紅外輻射的小波分析及其在現(xiàn)今構(gòu)造活動研究中的意義［J］.地球物理學(xué)報，49(3):824—830.

CHEN Shun-yun，LIU Pei-xun，LIU Li-qiang，et al.2006.Wavelet analyses to thermal infrared radiation of land surface and its implementation for exploring the current tectonic activity［J］.Chinese J Geophys，49(3):716—722.

陳順云，劉培洵，劉力強，等.2011.遙感與實測地表溫度的對比分析及在地震研究中的意義［J］.地球物理學(xué)報，54(3):747—755.

CHEN Shun-yun，LIU Pei-xun，LIU Li-qiang，et al.2011.Comparative analysis between land surface temperatures obtained by field measurement and satellite remote sensing and its implication in earthquake research［J］.Chinese Journal of Geophysics，54(2):189—196.

陳順云，馬瑾，劉培洵，等.2009.中國大陸地表溫度年變基準(zhǔn)場研究［J］.地球物理學(xué)報，52(9):2273—2281.

CHEN Shun-yun，MA Jin，LIU Pei-xun，et al.2009.A study on the normal annual variation field of land surface temperature in China［J］.Chinese J Geophys，52(5):962—971.

陳順云，馬瑾，劉培洵，等.2004.中國地表亮度溫度年變基準(zhǔn)場［J］.地震地質(zhì)，26(3):528—538.

CHEN Shun-yun，MA Jin，LIU Pei-xun，et al.2004.Normal annual variation field of land surface brightness temperature in China［J］.Seismology and Geology，26(3):528—538(in Chinese).

陳順云，馬瑾，劉培洵，等.2012.利用衛(wèi)星遙感獲取現(xiàn)今構(gòu)造活動信息的熱物理指標(biāo)研究［J］.中國科學(xué)(D輯)，42(2):211—216.

CHEN Shun-yun，MA Jin，LIU Pei-xun，et al.2012.A thermal physical index to explore current tectonic activity with satellite remote sensing［J］.Sci China(Ser D)，55(2):290—295.

陳順云，馬瑾，劉培洵，等.2013.利用Terra和Aqua衛(wèi)星地表溫度探索汶川地震同震熱響應(yīng)［J］.地球物理學(xué)報，56(11):3788—3799.

CHEN Shun-yun，MA Jin，LIU Pei-xun，et al.2013.Exploring co-seismic thermal response of Wenchuan earthquake by using land surface temperatures of Terra and Aqua satellites［J］.Chinese Journal of Geophysics，56(11):3788—3799(in Chinese).

鄧起東，張培震，冉勇康，等.2002.中國活動構(gòu)造基本特征［J］.中國科學(xué)(D輯)，32(12):1020—1030.

DENG Qi-dong，ZHANG Pei-zhen，RAN Yong-kang，et al.2003.Basic characteristics of active tectonics of China［J］.Science in China(Ser D)，46(4):356—372.

郭啟良，王成虎，馬洪生，等.2009.汶川MS8.0級大震前后的水壓致裂原地應(yīng)力測量［J］.地球物理學(xué)報，52(5):1395—1401.

GUO Qi-liang，WANG Cheng-hu，MA Hong-sheng，et al.2009.In-situ hydro-fracture stress measurement before and after the Wenchuan MS8.0 earthquake of China［J］.Chinese Journal of Geophysics，52(5):1395—1401(in Chinese).

郭衛(wèi)英，單新建，馬瑾.2004.對2001年昆侖山8.1級地震前斷層帶紅外增溫異常的討論［J］.地震地質(zhì)，26(3):548—556.

GUO Wei-ying，SHAN Xin-jian，MA Jin.2004.Discussion on the anomalous increase of ground temperature along the seismogenic fault before the Kunlunshan MS8.1 earthquake in 2001［J］.Seismology and Geology，26(3):548—556(in Chinese).

劉培洵，劉力強，陳順云，等.2004.地表巖石變形引起熱紅外輻射的實驗研究［J］.地震地質(zhì)，26(3):502—511.

LIU Pei-xun，LIU Li-qiang，CHEN Shun-yun，et al.2004.An experiment on the infrared radiation of surficial rocks during deformation［J］.Seismology and Geology，26(3):502—511(in Chinese).

劉培洵，馬瑾，劉力強，等.2007.壓性雁列構(gòu)造變形過程中熱場演化的實驗研究［J］.自然科學(xué)進展，17(4):454—459.

LIU Pei-xun，MA Jin，LIU Li-qiang，et al.2007.An experimental study on variation of thermal fields during the deformation of a compressive en echelon fault set［J］.Progress in Natural Science，17(3):298—304.

馬瑾，陳順云，扈小燕，等.2010.大陸地表溫度場的時空變化與現(xiàn)今構(gòu)造活動［J］.地學(xué)前緣(4):1—14.

MA Jin，CHEN Shun-yun，HU Xiao-yan，et al.2010.Spatial-temporal variation of the land surface temperature field and present-day tectonic activity［J］.Geoscience Frontiers，1(1):57—67.

馬瑾，單新建.2000.利用遙感技術(shù)研究斷層現(xiàn)今活動的探索:以瑪尼地震前后斷層相互作用為例［J］.地震地質(zhì)，22(3):210—215.

MA Jin，SHAN Xing-jian.2000.An attempt to study activity of fault using remote sensing technology:A case of the Mani earthquake［J］.Seismology and Geology，22(3):210—218(in Chinese).

馬瑾，劉力強，劉培洵，等.2007.斷層失穩(wěn)錯動熱場前兆模式:雁列斷層的實驗研究［J］.地球物理學(xué)報，50(4):1141—1149.

MA Jin，LIU Li-qiang，LIU Pei-xun，et al.2007.Thermal precursory pattern of fault unstable sliding:An experimental study of en echelon faults［J］.Chinese Journal of Geophysics，50(4):995—1004.

馬瑾，汪一鵬，陳順云，等.2005.衛(wèi)星熱紅外信息與斷層活動關(guān)系討論［J］.自然科學(xué)進展，15(12):1467—1475.

MA Jin，WANG Yi-peng，CHEN Shun-yun，et al.2006.Insights into correlation between satellite infrared information and fault activities［J］.Progress in Natural Science，16(4):59—68.

強祖基，孔令昌，王弋平，等.1992.地球放氣，熱紅外異常與地震活動［J］.科學(xué)通報，37(24):2259—2262.

QIANG Zu-ji，KONG Ling-chang，WANG Yi-ping，et al.1992.Earth gas emission，infrared thermo-anomaly and seismicity［J］.Chinese Science Bulletin，37(24):2259—2262(in Chinese).

強祖基，賃常恭，李玲芝，等.1998.衛(wèi)星熱紅外圖像亮溫異常:短臨震兆［J］.中國科學(xué)(D輯)，28(6):564—573.

QIANG Zu-ji，DIAN Chang-gong，LI Ling-zhi，et al.1998.Satellite infrared brightness temperature anomaly-Earthquake imminent precursor［J］.Science in China(Ser D)，28(6):564—573(in Chinese).

強祖基，徐秀登，賃常恭.1990.熱紅外異常:臨震前兆［J］.科學(xué)通報，35(17):1324—1327.

QIANG Zu-ji，XU Xiu-deng，DIAN Chang-gong.1990.Satellite infrared thermo-anomaly:Earthquake imminent precursor［J］.Chinese Science Bulletin，35(17):1324—1327(in Chinese).

謝銳生.1980.熱力學(xué)原理［M］.北京:人民教育出版社.

XIE Rui-sheng，1980.Mechanics of Thermodynamics［M］.The People's Education Press，Beijing(in Chinese).

徐秀登，強祖基，賃常恭.1991.臨震衛(wèi)星熱紅外異常與地面增溫異常［J］.科學(xué)通報，36(4):291—294.

XU Xiu-deng，QIANG Zu-ji，DIAN Chang-gong.1991.Earthquake imminent infrared thermo-anomaly and temperature increase on earth surface［J］.Chinese Science Bulletin，36(4):291—294(in Chinese).

楊少敏，蘭啟貴，聶兆生，等.2012.用多種數(shù)據(jù)構(gòu)建2008年汶川特大地震同震位移場［J］.地球物理學(xué)報，55(8):2575—2588.

YANG Shao-min，LAN Qi-gui，NIE Zhao-sheng，et al.2012.Coseismic displacement caused by the 2008 great Wenchuan earthquake derived from various types of geodetic data［J］.Chinese Journal of Geophysics，55(8):2575—2588.

張元生，郭曉，魏從信，等.2011.日本9級和緬甸7.2級地震熱輻射表現(xiàn)特征［J］.地球物理學(xué)報，54(10):2575—2580.

ZHANG Yuan-sheng，GUO Xiao，WEI Cong-xin，et al.2011.The characteristics of seismic thermal radiation of Japan MS9.0 and Myanmar MS7.2 earthquake［J］.Chinese Journal of Geophysics，54(10):2575—2580.

張元生，郭曉，鐘美嬌，等.2010.汶川地震衛(wèi)星熱紅外亮溫變化［J］.科學(xué)通報，55(10):904—910.

ZHANG Yuan-sheng，GUO Xiao，ZHONG Mei-jiao，et al.2010.Whenchuan earthquake:Brightness temperature changes from satellite infrared information［J］.Chinese Science Bulletin，55(18):1917—1924.

鐘美嬌，張元生.2007.2005年10月8日巴基斯坦7.8級地震熱紅外異常［J］.西北地震學(xué)報，29(2):137—140.

ZHONG Mei-jiao，ZHANG Yuan-sheng.2007.Thermal infrared anomaly before Pakistan earthquake(MS=7.8)on October 8，2005［J］.Northwestern Seismological Journal，29(2):137—140(in Chinese).

Blackett M，Wooster M J，Malamud B D.2011.Exploring land surface temperature earthquake precursors:A focus on the Gujarat(India)earthquake of 2001［J］.Geophysical Research Letters，38(15).

Genzano N，Aliano C，F(xiàn)ilizzola C，et al.2007.A robust satellite technique for monitoring seismically active areas:The case of Bhuj-Gujarat earthquake［J］.Tectonophysics，431(1):197—210.

Gornyy V I，Salman A G，Tronin A A，et al.1988.Outgoing terrestrial infrared radiation as an indicator of seismic activity［J］.Dokl Akad Nauk USSR，301:67—69(in Russian).

Norman J M，Becker F.1995.Terminology in thermal infrared remote sensing of natural surfaces［J］.Agricultural and Forest Meteorology，77(3):153—166.

Ouzounov D，F(xiàn)reund F.2004.Mid-infrared emission prior to strong earthquakes analyzed by remote sensing data［J］.Advances in Space Research，33(3):268—273.

Reid H F.1910.The mechanism of the earthquake［A］.In:The California Earthquake of April 18，1906，Report of the State Earthquake Investigation Commission，Vol.2.Washington，DC:Carnegie Institution.1—192.

Tramutoli V，Cuomo V，F(xiàn)ilizzola C，et al.2005.Assessing the potential of thermal infrared satellite surveys for monitoring seismically active areas:The case of Kocaeli(Izmit)earthquake，August 17，1999［J］.Remote Sensing of Environment，96(3):409—426.

Tramutoli V，Di Bello G，Pergola N，et al.2001.Robust satellite techniques for remote sensing of seismically active areas［J］.Annali Di Geofisica，44:295—312.

Tronin A A.2010.Satellite remote sensing in seismology:A review［J］.Remote Sensing，2(1):124—150.

Wan Z.2008.New refinements and validation of the MODIS land-surface temperature/emissivity products［J］.Remote Sensing of Environment，112(1):59—74.

Wan Z，Li Z L.1997.A physics-based algorithm for retrieving land-surface emissivity and temperature from EOS/MODIS data［J］.Geoscience and Remote Sensing，IEEE Transactions on，35(4):980—996.

Wan Z，Zhang Y，Zhang Q，et al.2002.Validation of the land-surface temperature products retrieved from Terra Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer data［J］.Remote Sensing of Environment，83(1):163—180.