張志宏 焦明若 張 麗 李夢(mèng)瑩 黃明威 楊牧萍

1 遼寧省地震局，沈陽(yáng)市黃河北大街44號(hào)， 110034

關(guān)于地震與熱輻射的研究開(kāi)始于20世紀(jì)80年代。強(qiáng)祖基等[1]認(rèn)為，熱紅外異常是由于地震時(shí)構(gòu)造板塊間的摩擦使巖體內(nèi)的溫室氣體沿?cái)嗔芽p隙逸出所致，也稱(chēng)作“地球放氣”，惰性氣體被低空電場(chǎng)電離后形成了各種波段的紅外光。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)某個(gè)地區(qū)的單次地震都進(jìn)行了很好的震例總結(jié)[1-7]，但針對(duì)某個(gè)地區(qū)連續(xù)相當(dāng)震級(jí)的地震前后熱紅外異常特征的研究較少。吉林松原連續(xù)3 a發(fā)生了2017-07-23 MS4.9、2018-05-28 MS5.7和2019-05-18 MS5.1地震，為研究松原地區(qū)地震前后熱紅外異常特征提供了必要的條件。同時(shí)，松原地區(qū)又屬于松遼盆地，盆地內(nèi)油氣資源豐富，基于此，本文利用小波變換和相對(duì)功率譜估計(jì)法對(duì)松原地區(qū)3次地震前后的衛(wèi)星熱紅外亮溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析并討論異常演化的過(guò)程及區(qū)別。

1 熱紅外亮溫?cái)?shù)據(jù)

衛(wèi)星熱紅外遙感儀器觀測(cè)的是地物的熱輻射強(qiáng)度，經(jīng)處理后可獲得輻射溫度[8]，為區(qū)分物體的真實(shí)輻射溫度，將計(jì)算的輻射溫度稱(chēng)為亮溫。本文使用中國(guó)靜止氣象衛(wèi)星FY-2C/E/G亮溫小時(shí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品(數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心)，選擇的有效數(shù)據(jù)起止時(shí)間為2012-01-01～2020-01-01，為避免太陽(yáng)直射對(duì)數(shù)據(jù)的干擾，通常選擇北京時(shí)間凌晨1～5點(diǎn)整點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用這5個(gè)時(shí)次的5幅觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用補(bǔ)窗法獲得當(dāng)天的1幅日值數(shù)據(jù)，形成亮溫日值數(shù)據(jù)[8]。

2 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果

2.1 小波變換

有限時(shí)間序列的小波變換公式為：

(1)

以2018-05-28松原MS5.7地震為例，圖1給出震中(45.27°N，124.71°E)處2016～2019年的原始亮溫(brightness temperature，BT)值(圖1(a))及小波變換后的信息(圖1(b)為2階小波尺度部分)?？梢钥闯?，7階小波尺度部分(圖1(d))的年變特征突出，因此可將地球年變溫度場(chǎng)等長(zhǎng)周期成分通過(guò)去除7階小波尺度部分來(lái)消除影響，圖1(c)為通過(guò)去除2階小波細(xì)節(jié)部分來(lái)消除云雨等溫度的微變，處理后的數(shù)據(jù)為亮溫?cái)?shù)據(jù)(圖1(e))。

圖1 經(jīng)小波變換的熱紅外亮溫?cái)?shù)據(jù)信息分離Fig.1 Divorcing information of wavelet transformation with thermal infrared brightness temperature data

2.2 功率譜估計(jì)與相對(duì)處理

本文的功率譜估計(jì)法參考了Welch算法，對(duì)N個(gè)長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)進(jìn)行分段，再對(duì)每段數(shù)據(jù)加窗求FFT，最后計(jì)算各段功率譜的均值[9]。具體計(jì)算式為：

i=1，…L

(2)

對(duì)衛(wèi)星亮溫?cái)?shù)據(jù)經(jīng)小波變換后再計(jì)算功率譜，以n=64 d為窗長(zhǎng)、m=1 d為滑動(dòng)窗長(zhǎng)作FFT，可以得到每個(gè)像元的一組功率譜，再對(duì)其進(jìn)行幅值的相對(duì)處理，最后得到各像元的相對(duì)功率譜值，功率譜計(jì)算及相對(duì)處理過(guò)程見(jiàn)文獻(xiàn)[9-10]。

2.3 結(jié)果與分析

2.3.1 松原MS4.9地震熱紅外時(shí)空變化

2017-07-23 松原發(fā)生MS4.9地震，震源深度為12 km，震中為45.3°N、124.81°E。通過(guò)對(duì)地震前的日常資料(圖2)掃描分析發(fā)現(xiàn)，2017-06-01以來(lái)5頻段小波相對(duì)功率譜逐漸升高，06-20高值區(qū)域面積擴(kuò)大，07-05幅值、面積達(dá)到最大值，隨后逐漸衰減，07-23發(fā)震至07-27高值基本消失，異常持續(xù)1個(gè)多月。分析此次地震前后熱紅外異常的時(shí)空演化發(fā)現(xiàn)，熱紅外亮溫資料的相對(duì)功率譜出現(xiàn)顯著異常，異常變化持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，震前出現(xiàn)熱紅外異常的區(qū)域面積相對(duì)較大，形態(tài)較突出，異常過(guò)程表現(xiàn)為異常出現(xiàn)-增強(qiáng)-達(dá)到極大值-衰減-發(fā)震-異常消失，與巖石實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似[10]，即紅外輻射呈初始階段變化很小、彈性階段緩慢增加、異常值由最大值逐步恢復(fù)至正常背景值的過(guò)程，在峰值后第18 d即07-23，在異常區(qū)域邊緣發(fā)生松原MS4.9地震。

從構(gòu)造空間來(lái)看，本次異常最初出現(xiàn)在依蘭-伊通斷裂和密山-敦化斷裂交匯處，于06-20沿依蘭-伊通斷裂和密山-敦化斷裂走向逐漸擴(kuò)展，異常整體也顯示為增強(qiáng)趨勢(shì)，與郯廬斷裂帶北段的展布一致，主要分布于松遼盆地東部邊緣。07-15以后異常伴隨著面積收縮，到07-23發(fā)震后異常面積仍呈縮小趨勢(shì)，07-27后異常消失。本次地震前后的熱輻射異?？臻g演化經(jīng)歷了從依蘭-伊通斷裂和密山-敦化斷裂交匯處擴(kuò)展到松遼盆地、最后收縮于依蘭-伊通斷裂和密山-敦化斷裂交匯處的過(guò)程。異常隨時(shí)間的演變可能與應(yīng)力的積累變化過(guò)程有關(guān)，應(yīng)力持續(xù)變化導(dǎo)致地?zé)豳Y源豐富的區(qū)域逸出氣體增多[11]，可能是該相似性出現(xiàn)的原因。

2.3.2 松原MS5.7地震熱紅外時(shí)空變化

圖2 2017-07-23松原MS4.9地震前后5頻段亮溫相對(duì)功率譜異常時(shí)空演化Fig.2 Time-space evolution of the 4.9 band RWPS anomalies before Songyuan earthquake on July 23, 2017

圖3 2018-05-28松原MS5.7地震前后5頻段亮溫相對(duì)功率譜異常時(shí)空演化Fig.3 Time-space evolution of the 5.7 band RWPS anomalies before Songyuan earthquake on May 28, 2018

2018-05-28松原發(fā)生MS5.7地震，震源深度為10 km，震中為45.27°N、124.71°E。通過(guò)對(duì)地震前的日常資料(圖3)掃描分析發(fā)現(xiàn)，2018-05-25以來(lái)5頻段小波相對(duì)功率譜逐漸升高，05-27高值區(qū)域面積擴(kuò)大，06-12幅值、面積達(dá)到最大值，隨后逐漸衰減，06-17基本消失。分析此次地震前后熱紅外異常的時(shí)空演化發(fā)現(xiàn)，熱紅外亮溫資料的相對(duì)功率譜出現(xiàn)異常變化持續(xù)僅3 d就發(fā)生了地震，出現(xiàn)熱紅外異常的最大區(qū)域面積是在地震后的12 d，異常過(guò)程表現(xiàn)為異常出現(xiàn)-增強(qiáng)-發(fā)震-達(dá)到極大值-衰減-異常消失。從構(gòu)造空間來(lái)看，本次異常最早出現(xiàn)在依蘭-伊通斷裂和第二松花江斷裂的交匯處，于05-27沿第二松花江斷裂走向逐漸擴(kuò)展，異常整體也顯示為增強(qiáng)趨勢(shì)，與郯廬斷裂帶北段的展布一致，主要分布于松遼盆地東南部邊緣。

2.3.3 松原MS5.1地震熱紅外時(shí)空變化

2018-05-28松原發(fā)生MS5.7地震，震源深度為10 km，震中為45.30°N、124.75°E。在地震前的日常資料掃描中沒(méi)有提取到亮溫異常。

2.3.4 地震熱紅外亮溫平均譜值時(shí)序曲線特征

熱紅外異常區(qū)的平均譜值時(shí)序曲線能夠反映異常持續(xù)時(shí)間及相對(duì)變化率，由2次地震重合的異常顯著區(qū)域在2012～2020年44.0°～44.5°N、128°～128.5°E范圍內(nèi)的相對(duì)功率譜均值(圖4)可知：1)2017-07-23 MS4.9地震前相對(duì)功率譜幅值大于4的開(kāi)始時(shí)間是06-19，持續(xù)32 d后于07-21幅值降低至1.62，07-23地震發(fā)生當(dāng)天的幅值為0.63，地震后幅值恢復(fù)至背景水平；2)2018-05-28 MS5.7地震前相對(duì)功率譜幅值大于4的開(kāi)始時(shí)間是05-10，持續(xù)38 d后于06-17幅值降低至3.25，05-28地震發(fā)生當(dāng)天的幅值為5.43。

圖4 異常區(qū)小范圍的相對(duì)功率譜平均值時(shí)序曲線Fig.4 Time series curve of relative power spectrum average value in a small range of abnormal area

根據(jù)異常區(qū)的功率譜平均值時(shí)序曲線可知，2017-07-23 MS4.9地震是在異常峰值下降至正常范圍的過(guò)程中發(fā)生的，而2018-05-28 MS5.7地震是在異常峰值之前發(fā)生的。通過(guò)以往的震例結(jié)果及相關(guān)判斷經(jīng)驗(yàn)推斷，2次地震在幅值不同階段發(fā)震可能與震中地區(qū)應(yīng)力積累的速率相關(guān)。

3 對(duì)盆地效應(yīng)的探討

3.1 松原地區(qū)地質(zhì)概況

松原地區(qū)地處吉林省西北部，屬于平原地貌，其地質(zhì)構(gòu)造屬于郯廬斷裂帶北段及松遼盆地中央凹陷帶(圖5，圖中紅色實(shí)心圓代表3次松原地震區(qū)域，藍(lán)色橢圓代表熱紅外亮溫異常出現(xiàn)的區(qū)域)。郯廬斷裂帶是中國(guó)東部中新生代以來(lái)長(zhǎng)期活動(dòng)的深大斷裂，長(zhǎng)約2 400 km，其北段(肇興-昌圖段)從松原地區(qū)東側(cè)穿過(guò)，北起黑龍江肇興縣，南至遼寧昌圖縣，走向 NE 40°～45°，延伸約 800 km ，分依蘭-伊通斷裂和密山-敦化斷裂兩條主干斷裂。松原地區(qū)周邊斷裂主要包括扶余-肇東斷裂、扶余北斷裂、第二松花江斷裂、孤店斷裂及查花干-道子井?dāng)嗔?，地處松嫩平原腹地，地表主要是厚度?80～100 m的第四系松散沉積物[12-13]。地震導(dǎo)致松原地區(qū)地表沉積物出現(xiàn)液化現(xiàn)象[14]，應(yīng)力薄弱帶甚至有砂火山噴發(fā)的跡象。

圖5 松遼盆地地形圖Fig.5 Topographic map of Songliao basin

3.2 盆地與其周緣地震熱輻射關(guān)系

強(qiáng)祖基等[1]研究發(fā)現(xiàn)，富含油氣區(qū)的熱紅外異常更容易被識(shí)別；郭衛(wèi)英等[2]研究發(fā)現(xiàn)，2003年伽師-巴楚MS6.8地震前熱紅外在塔里木盆地西邊緣異常明顯；張麗峰等[9]研究發(fā)現(xiàn)，2017年九寨溝MS7.0地震前熱紅外異常的分布與汶川地震前相似，都是沿著四川盆地的邊緣展布。這些研究都表明，地?zé)?、油氣等自然資源含量豐富的盆地可能與震前觀測(cè)到的熱幅射異常有一定關(guān)聯(lián)。松遼盆地的北部油氣資源非常豐富[15-16]，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，巖體結(jié)構(gòu)發(fā)育，孕震前后應(yīng)力的調(diào)整使得盆地周緣的巖體裂隙通道擴(kuò)張或收縮，進(jìn)而加速了天然氣或溫室氣體的釋放。由圖5可以看出，吉林松原2018-05-28 MS5.7地震和2017-07-23 MS4.9地震前的熱紅外亮溫異常也出現(xiàn)在海拔大于400 m的松遼盆地邊緣位置。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以靜止衛(wèi)星資料為數(shù)據(jù)源，應(yīng)用小波變換和功率譜估計(jì)法對(duì)松原地區(qū)2017-07-23 MS4.9地震、2018-05-28 MS5.7地震和2019-05-18 MS5.1地震的熱輻射異常進(jìn)行研究。結(jié)果顯示，前2次地震有明顯的熱輻射異常存在，其空間展布與郯廬斷裂帶北段走向一致，主要分布在油氣資源豐富的松遼盆地東部邊緣；2次地震熱輻射異常的最大面積大致相當(dāng)，約為1.9×105km2；2次地震都發(fā)生在增溫區(qū)域的西部邊緣，震前的熱輻射異常都從盆地的東部邊緣開(kāi)始擴(kuò)展，原因可能是盆地東部邊緣的油氣含量更高、斷裂更加發(fā)育，有利于溫室氣體的釋放。2019-05-18 MS5.1地震前后熱輻射強(qiáng)度表現(xiàn)為正常水平，可能是盆地內(nèi)二氧化碳和甲烷等溫室氣體在前2次地震前后已經(jīng)得到了最大量的釋放。

地震時(shí)序演化特征顯示，2017-07-23 MS4.9和2018-05-28 MS5.7地震的相對(duì)功率譜異常幅值超過(guò)了均值的2倍；2017-07-23 MS4.9地震的相對(duì)功率譜幅值的異常持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)32 d，地震發(fā)生在幅值下降時(shí)段；2018-05-28 MS5.7地震的相對(duì)功率譜的異常持續(xù)時(shí)間為38 d，地震發(fā)生在幅值上升的過(guò)程中。

綜合異常分析結(jié)果可知，松原地區(qū)熱紅外亮溫異常跟以往國(guó)內(nèi)研究的震例相似：1)異常在盆地的邊緣分布；2)地震的震中不在異常區(qū)內(nèi)；3)在輻射增強(qiáng)或減弱的過(guò)程中，地震都有可能發(fā)生。

致謝：熱紅外亮溫資料由中國(guó)氣象局國(guó)家衛(wèi)星氣象中心提供，甘肅省地震局張?jiān)芯繂T提供了熱紅外數(shù)據(jù)分析計(jì)算軟件，在此一并表示感謝！