基金项目:中国地震局地震监测预报预警工作任务(EA-ZQGZ-202501027);海南省地震局青年基金课题(HDKJ202401)联合资助。
作者简介:郭昱琴(1988-),女,工程师,主要从事形变监测及地震热辐射异常研究。E-mail:skylineguo@126.com
通信作者:张元生(1965-),男,研究员,主要从事地球内部结构和卫星遥感技术的研究与应用。E-mail:zhangys@gsdzj.gov.cn
1.海南省地震局,海口 570101;2.甘肃省地震局,兰州 730030;3.贵州省地震局,贵阳 550001
1.Hainan Earthquake Agency , Haikou 570101, China;2.Gansu Earthquake Agency , Lanzhou 730030, China;3.Guizhou Earthquake Agency , Guiyang 550001, China
Luodian earthquake swarm;Thermal infrared anomaly;Relative power spectrum method
DOI: 10.13512/j.hndz.2025.01.05
利用地球同步卫星等现代空间技术采集到的热红外及电磁等相关监测数据,较地面观测数据具有抗干扰强、观测范围广、测点分布均匀等优点,吸引着越来越多的地震研究学者开展深入的专项研究。已有研究表明,地壳构造在能量的积累和释放过程中(如地震),会伴随着地面热红外辐射的异常变化。地壳结构可以与地面热红外辐射的变化相耦合而热红外辐射常在地震前的短临阶段出现异常[1-7]。基于此观测结果,提出了多种假说,如地气热说、应力致热说、地下热传导说、断层蠕动摩擦生热说等[8-11]。
强祖基等对中强地震前增温异常的机理研究提出“地球放气说”和“瞬变电场”,研究发现震前温室气体需要在瞬变电场的作用下才会引起增温,而且用多年遥感图像资料做了研究发现地壳在破裂前会出现非常显著的增温异常[12-13]。马宗晋等对1966—1976年十年间的大地震进行了调查,发现地震前存在与构造有关的热异常现象[14]。刘德富等利用长波辐射资料对1976—1985年十年间龙陵、唐山、松潘、乌恰、共和五个地区的强震进行分析,发现强震发生的前一个月,在震区周围都出现较为明显的热红外异常[15]。张元生等利用卫星热红外遥感亮温资料对青海昆仑山口西8.1级地震、汶川8.0级和于田7.3级地震等几次不同震级的地震研究发现,这些地震震前都存在显著的热红外异常增强现象[9,16]。张璇等研究指出热辐射变化本身虽然在地域敏感程度上存在一些差别,但是震级相对小点的地震也会产生热辐射异常[17-19]。本文利用中国静止气象卫星风云二号系列的亮温产品数据对黔—桂交界区域震情跟踪发现,震前出现了短临阶段的热红外异常。且空间对地手段观测和地面定点观测结果起到互相印证、互相弥补的作用。研究结果可为预报业务异常识别方面发挥促进作用,减少华南沿海中强地震判断的失误,对提高华南地区中强地震预测具有重要意义。
研究所使用的数据为中国静止气象卫星风云二号FY-2G的相当黑体温度(TBB)亮温资料数据, FY-2G发射于2014年12月,位于东经(99.5°赤道上空/2015年6月之前、105°赤道上空/2015年6月—2018年4月、99.2°赤道上空/2018年4月之后),轨道高度36 000 km。热红外几何分辨率为5 km。因地表物体24 h辐射温度变化:岩石和土壤、植被、静水、师弟、金属物体在午夜前2h至午夜后5 h内物体辐射变化趋于平稳,一般小于2°[20]。选取北京凌晨1∶00—5∶00期间5 h的数据文件,对数据进行简单去云处理后得到每日的亮温资料数据。进行小波变换分析,考虑到地震热辐射异常的影响因素具有不同周期这一特征,去除云雨等短周期因素及地球年变温度场等长周期影响成分;相对功率谱估计时利用傅里叶变换将时域信号转换为频域信号,以64 d为窗长,1 d为滑动窗长进行傅里叶变换。为对比地震前后功率谱的不同,对各对应周期的功率谱以年均值为背景取幅值相对变化,最终得到每个像元每个对应周期每天的相对功率谱值。6个频率的对应特征周期为64 d(第一周期)、32 d(第二周期)、21 d(第三周期)、16 d(第四周期)、13 d(第五周期)、11 d(第六周期)[21]。
文中小波分析采用Daubecheies小波方法,是一种迭代产生的方法,通常称为dbN,N代表小波阶数,首先对部分去除云雨影响的数据求均值得到日值,然后采用db8小波基对数据进行处理,用2阶尺度部分减去7阶尺度部分的差值,相当于进行带通滤波,3至6阶细节部分累加至7阶细节分量,消除高频和低频的信息。去除2阶细节部分可消除云雨等短周期变化对数据的影响,去除7阶尺度部分的目的是消除地球温度场年变等高频长周期部分对结果的影响。采用的相对功率谱估计方法是对功率谱数据做相对处理,以得到谱幅值,利用傅里叶变换获得的时频数据对研究区域进行全时空、全频段的扫描,寻找幅值变化较大的对应周期时间和区域空间,构成时序曲线和异常演化图,以便对可能的发震区域进行异常分析[22]。对每个像元而言,经小波变换处理后的数据在时间域里是正负相间的长波辐射相对变化波形数据(单位为W/m2),它的时间周期范围包含着强震信息的短临异常周期范围[22]。简而言之,通过功率谱方法能去除背景性的年变化趋势和短时间气象或者人类活动产生的热红外信息,剩下的热红外信息大概率和地面构造、断裂活动有关。
罗甸县位于贵州南部,人口密度86人/km2。是一个山区县。构造位置处在贵州高原南缘向南边丘陵过渡的斜坡地带,位于扬子准地台黔南台陷之贵定南北向构造变形区。地质构造复杂,以挤压型的北东向构造为主,发育小量近东西向的小构造[23]。黔桂地区存在一条明晰的北西向构造带,未威宁—六盘水—水城—六枝—紫云—罗甸—南丹—河池构造带。黔南坳陷和黔中隆起相连,在黔中隆起地带的南边,西南与紫云—都安断裂毗邻,延展方向为沿兴义—册亨—紫云—罗甸北—河池方向延展。海西运动和印支运动时期在黔东南区域发生过拉张裂陷,燕山运动时期在黔南坳陷缓慢出现了近南北向的隔槽式褶皱和相伴生的断裂[24]。根据中国地震台网测定2024年6月21日至7月3日,贵州黔南州罗甸县发生8次3级以上地震(最大震级3.6、最小震级3.0)(表1),1级以上地震累计167次。地震震中最近断裂为威宁—水城东南端、巴马—博白、南丹—河池。震中空间分布集中,震源较浅(图1)。
表1 贵州黔南州罗甸县震群M≥3地震列表Table 1 List of earthquakes with M≥3 in Luodian earthquake swarm in Qiannan Buyei and Miao Autonomous Prefecture,Guizhou Province
图1 贵州黔南州罗甸县震群震中分布图Fig.1 Epicenter distribution map of Luodian earthquake swarm in Qiannan Buyei and Miao Autonomous Prefecture,Guizhou Province
利用相对功率谱法做了热红外异常的提取,计算得到的周期分别为第一对应周期(64 d)、第二对应周期(32 d)、第三对应周期(21 d)、第四对应周期(16 d)、第五对应周期(13 d)、第六对应周期(11 d)。其中在第五对应周期为13 d的计算结果中扫描到了热红外的异常显著增强,地震发生在热红外异常区,位于异常峰值区域的一百公里范围内。
在周期为13 d(第五对应周期)的结果中,从2024年5月下旬开始,在威宁—水城断裂东南端、巴马—博白、南丹—河池断裂中间为核心(即热红外异常持续时间最久,异常幅度增强最明显的地区),出现了北北西向展布的热红外异常(图2,图3,图4)。6月14日的峰值异常分布范围约160 km ×100 km,异常持续约1个月,异常核心区的功率谱(以25°~25.1°N,107.5°~107.6°E为中心)最高值超过16倍(图5),6月27日出现了第二轮再增温过程,异常核心区的功率谱(以25°~25.1°N, 107.5°~107.6°E为中心)最高值达到9倍,7月9日异常现象逐渐消失,7月13日异常现象完全消失。
图2 2024年5月黔—桂交界热异常时空演化特征分布图Fig.2 Distribution of spatio-temporal evolution characteristics of thermal anomalies in the Guizhou-Guangxi border region in May 2024
图3 2024年6月黔—桂交界热异常时空演化特征分布图Fig.3 Distribution of spatio-temporal evolution characteristics of thermal anomalies in the Guizhou-Guangxi border region in June 2024
图4 2024年7月黔—桂交界热异常时空演化特征分布图Fig.4 Distribution of spatio-temporal evolution characteristics of thermal anomalies in the Guizhou-Guangxi border region in July 2024
图5 第五对应周期(13 d)的相对功率谱时序曲线图Fig.5 Time series diagram of relative power spectrum at fifth cycle(13 d)
张元生使用中国静止气象卫星(FY-2C/2E)资料研究了汶川8.0级强震热辐射现象,提出了“地球放气温室效应与大气耦合”的地震热红外异常成因机理[25]。作者认为,“地球放气温室效应”(基本成因)主要与区域应力积累加速增加、区域活动构造和地质所处环境有关,地质环境主要指地层中所含气量及其分布;大气耦合(间接成因)主要与区域范围内大气水汽的含量有关系。郭晓等认为孕震区域内的介质在受力作用下产生物质与能量的强烈互换,促使介质破裂,在微破裂发展过程中应力不断增加,并形成破裂体。在破裂体内的裂隙数量明显增多,导致地底逸出气体增加,大量水汽、甲烷和二氧化碳等温室气体混合作用引起温室效应,导致地壳内部热传导加强,使地表及地下大气温度显著上升,进而致使出现大面积的长波辐射异常。上地幔顶部上隆,地幔低速层埋深浅,大地热流值高,地球物理场局部变化强烈,从而导致深部热物质运移,并沿裂隙上涌[26]。
根据中国地震台网中心提供的震源机制结果来看(图6),8次地震中七次地震以逆冲断裂为主,矩心深度浅。其中仅6月28日地震计算结果的错动方式为正断。从空间分布上看,8个地震似沿南北向条带分布。结合最大震级M3.6附近地质构造及震源机制解分析,此次震群的主震发震断层沿EW向,断层走向为94°,断层倾角77°~79°,近乎直立,运动性质为逆冲型,断层走向与巴马—博白断裂及南丹—河池断裂的走向近乎垂直,因此主震的发震构造可能是巴马—博白断裂的次级隐伏断层。热红外高值异常在巴马—博白断裂及南丹—河池断裂中间,这可能也是研究区内异常显著的直接原因,且热红外异常展布形态与震源机制解分析结果基本一致。
图6 罗甸小震群M≥3震源机制解图Fig.6 Focal mechanism solution of earthquakes with M≥3 in Luodian small earthquake swarm
表4 罗甸小震群M≥3震源机制解结果Table 4 Results of focal mechanism of earthquakes with M≥3 in Luodian small earthquake swarm
罗甸震群异常显著对应周期及异常最大幅值与震级大小未见显著规律。热红外辐射信息的影响要素众多,各种影响源引起的热变化很难完全被分离,这部分还需进一步深入定量分析。
利用中国静止气象卫星风云二号系列亮温产品信息数据为资料,对黔—桂交界区域震情跟踪,根据热红外异常特征和震群发震机制分析,取得以下结果与认识:
(1)罗甸震群第五周期特征显著,震前30 d出现增温异常,震前7d异常达到最大,小震群多次发生期间热异常明显增温集中,且在震中正东方向呈北北西向分布,该震例对小震群地震发生的时间有一定的预测指示意义。
(2)热红外异常形态与震群空间分布及震群震源机制解结果基本一致。
致谢:台网中心提供了震源机制解参数,在此表示感谢。