以门源M6.9地震为契机的祁连带中东段地震热红外异常区域特征研究

张丽峰, 张 璇, 郭瑛霞, 胡维云, 孙玺皓

(1. 青海格尔木青藏高原内部地球动力学野外科学观测研究站, 青海 西宁 810005;2. 青海省地震局, 青海 西宁 810005; 3. 甘肃省地震局, 甘肃 兰州 730030)

0 引言

传统地震定点观测手段受地面条件限制并在台站建设及运维方面具有不便利性,而卫星热红外遥感资料可以弥补上述不足,特别在定点观测资料空白的区域能够为震情分析提供关键依据。卫星热红外遥感资料用于地震研究始于20世纪80年代,自前苏联科学家注意到地震前两条断层交汇部位存在热辐射异常以来,该资料用于地震研究得到了快速发展并取得了大量科学成果。国内外的相关研究成果主要有以下几个方面:(1)震前热辐射异常特征总结及预测意义研究,大量研究证实了地震前确实存在异常,并且为短期异常[1-6];(2)地震热辐射异常机理研究,这是相关研究的难点之一,目前仍没有统一认识,而是形成了一些不同的观点[7-10];(3)异常提取理论及方法研究,地表热辐射受多方面因素影响,地震热能量是混杂在强背景下的弱信号,相关提取方法有涡度背景场法、功率谱相对变化法、红外异常指数法等,这些方法都成功地应用到了一些震例研究中[11-14]。近年来该领域的研究取得了一些新的研究成果,主要有多物理参量协同分析、热辐射异常提取新方法及多卫星数据应用等。Natarajan等[15-16]将长波辐射资料与跨学科数据相结合,分析不同学科资料在震前的异常变化及相关关系,并进行了深入的机理分析。王淑艳等[17]利用射出长波辐射资料(OLR),结合加卸载响应比(LURR)方法提取了青海玛多7.4级地震前的OLR及LURR异常,通过两种物理参量协同,反映出了玛多地震前岩石介质及断层应力的状态。买合木提江·维吉旦等[18]基于MODIS的LST数据,采用了STL分解法,研究了伽师—阿图什交界5.8级地震热红外异常,该方法有效地去除了地表温度数据中年变趋势和季节因素影响,并提取到明显的震前热红外异常。刘文宝等[19]提出了基于偏度的地震热红外异常提取方法,提取了2017年九寨沟7.0级地震的热异常时空分布,并总结了热异常特征,该方法有效减少云对温度空间分布差异造成的热异常假象。孙珂等[20]使用不同卫星资料研究了尼泊尔地震的热辐射异常特征。潘元贵等[21]利用岩石加载试验,研究岩石表面温度场随应力增加的变化,并提出了温度标准差指标,该指标比温度变化曲线出现更早且现象突出,此研究为利用遥感技术监测地表岩石破坏预警信息提供理论参考。孟亚飞等基于夜间多时相遥感数据,在卫星稳健分析技术的基础上,结合Eleftheriou等提出的三条热异常判定条件,又增加了一条判定条件,能够更有效地判断地震与热异常的相关性[22-23]。除上述研究以外,一些学者还对区域地震热辐射异常特征进行了总结。路茜等[24]利用多年MODIS/Terra卫星红外亮温数据,对川滇地区中强震前的热辐射异常进行了系统总结。王莹等[25]以中国静止气象卫星亮温资料为数据源,利用功率谱相对变化法对云南几次中强震前的热异常进行了对比研究。上述相关资料及方法的应用研究对吉林松原地区、西藏的一些震例热辐射异常也作了系统分析,另外对于盆地地区的震例热红外异常也作了对比研究[26-28]。这些研究对片区地震热辐射异常认识及地震预测预报提供了实用价值。

2022年1月8日凌晨1时45分,在青海门源县发生了M6.9地震,西宁、张掖等地震感强烈,该地震造成地表破裂约22 km,震源性质以走滑型为主,发震构造为左旋走滑兼具逆冲的冷龙岭断裂,未造成人员伤亡。利用中国静止气象卫星FY-2G亮温资料,使用功率谱相对变化法在日常热辐射资料跟踪过程中,发现在门源6.9级地震前震中及附近区域出现了大片高强度的热辐射异常。本文系统梳理了该异常的演化过程,并以门源6.9级地震为契机,系统研究了祁连山地震带中东段相关震例的热辐射异常特征。研究中所采取的红外资料有效起始时间为2006年,因此对2006年以来的震例进行梳理,以补充以往研究的不足,并为热红外资料用于祁连山地震带中东段的震情分析不断总结经验。

1 数据与方法

本文所使用的亮温资料来源于风云卫星遥感数据服务网。该网站由中国气象局国家卫星气象中心进行数据处理和维护,有众多风云卫星数据产品,以及MODIS、NOAA等卫星数据。我们使用最多的为风云二号卫星,该系列第一颗业务星于2004年10月发射,定点于105°E赤道上空,距离地面35 000 km,其星下点分辨率为5 km,2005年6月开始提供数据服务。风云二号系列卫星的有效载荷为红外和可见光自旋扫描辐射仪,红外波段有4个通道,我们所使用的亮温数据由卫星通道红外2(11.5～12.5 μm)反演而来。风云二号系列卫星对地球约三分之一的面积每天至少观测24次,最终形成的亮温产品分不同时间尺度,文中选取标称格式1小时亮温数据。为避免太阳直接辐射,选取午夜多个时次(北京时间1∶00—5∶00),通过自编程序提取中国大陆及邻区的亮温数据,利用补窗法对数据进行简单的去云和去错值处理,平均5个时次的数据得到亮温日值。

文中的数据处理方法分为两步。第一步为对连续的亮温日值进行小波变换处理,目的为将混合在一起的多种频率成分进行分离。数据处理过程中采用Daubechies(dbN)小波系中的db8小波基进行小波变换。不同阶数的亮温时间序列所显示的频率不同,其中7阶小波低频部分年变特征明显,因此一些具有年变特征的影响因素,如年变温度场等长周期成分可通过剔除7阶小波低频部分来去除。实际的亮温数据还受云雨、极端天气等气象因素干扰,这些干扰因素周期较短,一般为几小时到几天,与2阶小波高频部分的频率对应,因此此类气象因素的去除可通过剔除2阶小波高频部分来完成。处理后数据包含了可能的地震信息,为了有效去除海拔、地物类型等因素造成的差异,我们进行了第二步数据处理,即求取每个像元的相对功率谱。本文以64天为窗长,1天为滑动窗长对数据作傅里叶变换,得到不同频率的功率谱。最终通过求取某一像元与其年均值的比值来提取与地震相关的热信息,即为每个像元的相对功率谱。上述数据处理过程相关理论计算公式见参考文献[28-29]。

2 门源6.9级地震热辐射异常

门源6.9级地震发生在青海省与甘肃省交界附近,区域构造位于祁连山断裂带中东段,地处青藏高原东北部边缘,区内活动构造密布,以NWW向、EW向活动断裂为主。在日常亮温资料数据分析及会商讨论中发现,2021年9月中旬在青海海晏、大通、门源及甘肃武威、古浪、景泰等地出现小范围的亮温相对功率谱异常,其整个发展过程可分为3个阶段:初始演化阶段、增强持续阶段及减弱消失阶段(图1)。(1)初始演化阶段,异常呈北东向条带状,与区内NWW向的断裂近乎垂直,初始阶段并非类似其他震例表现出持续扩展,而是经历了一个减弱的过程,此过程截止到9月21日,后又逐渐增强(9月23日—10月3日),整体走向与前期大体一致,辐射面积有所增大,异常区域为未来的强辐射核心区,震中位于其西北部。(2)增强持续阶段(10月5日—11月2日),该阶段异常从形态扩展及幅度上都迅速增强,并持续保持大面积、高强度的热辐射状态,面积最大时(10月19日)强辐射区(相对功率谱幅值为9倍以上)的面积约为8万km2,幅度最高时约为平均值的17倍,类比其他震例[30-31],该异常显示出更为突出的增强持续现象。随时间演化,其北东向条带状特征再次显现。(3)减弱消失阶段(11月11—17日),该阶段异常开始明显收缩,异常核心区衰减迅速,至11月17日基本消失。异常整体演化时间为2个月,限于篇幅图1仅选取了22天的相对功率谱图,异常变化较快时以1天、2天为间隔选图,异常形态和幅度变化较缓时以5天、8天等为间隔选图,以此来凸显异常发展的上述3个阶段,也清晰地展示了异常在起始、减弱阶段变化较快,增强阶段变化较缓的特征。

图1 门源6.9级地震前的热辐射异常演化图Fig.1 Thermal infrared anomaly before Menyuan M6.9 earthquake

选取热辐射较强区域(36.0°～36.5°N,102.5°～103°E),研究其近几年数据的相对功率谱曲线变化(图2),发现在2021年10月18日相对功率谱达到峰值,峰值为平均值的17倍,地震发生在峰值后82天,相对功率谱大于平均值2倍、6倍的持续时间分别为57天、45天。跟踪和分析本次异常的发展过程认为,该异常呈北东向条带状展布,与区内构造垂直,相对功率谱峰值较高,整个异常持续时间大于一个月,均符合地震热辐射异常特征[10,27,29];异常核心区幅度高、分布集中,增强过程面积大、持续时间长;在空间上门源6.9级地震发生在异常区边缘,在时间上地震发生在相对功率谱峰值出现后82天,与大多震例经验结论一致。综合分析认为本次异常与门源6.9级地震有一定的相关性。

图2 门源6.9级地震热辐射异常相对功率谱时序曲线Fig.2 Relative power spectrum curve of thermal infrared anomaly for Menyuan M6.9 earthquake

3 祁连带中东段震例异常特征

本文以门源6.9级地震为契机,对祁连山中东段相关震例的热辐射异常特征进行了系统研究。考虑到FY-2C卫星数据的有效使用时间为2006年,因此选取2006年以来祁连地震带中东段的5级以上地震作为热辐射异常研究对象,震级选取5级已是充分考虑了相关区域的历史震例研究情况[32]。满足上述条件的地震事件一共有6次(包括一次4.9级地震),空间分布如图3所示,其他详细信息列于表1。6次地震震前均出现清晰可辨的热异常分布,其中4次地震在日常会商工作中提出过明确的预测意见。现对上述地震进行条理性的热异常特征分析总结如下:

图3 祁连带中东段地震及断层分布图Fig.3 Distribution of epicenters and faults along the middle-eastern Qilian seismic belt

表1 地震相关参数及热辐射异常特征总结表

(1) 2008年3月30日在甘肃肃南县发生M5.0地震,据代炜等[33]的研究,本次地震的发震构造不清晰,震源机制解为走滑型。通过资料扫描发现本次地震前出现大片区域的热辐射异常[图4(a)],2008年3月20日辐射区扩展到最大,强辐射区面积约为8万km2,该区四周均有断层围限,地震发生在强辐射区的西侧边缘。整个异常持续时间约为2个月,经历了出现-增强-减弱的演变过程。时间演化曲线显示[图5(a)],本次地震异常较为突出,相对功率谱峰值为15.5倍,出现在2008年3月26日,大于平均值2倍、6倍的持续时间分别为73天、38天。

(2) 2013年9月20日青海门源发生M5.1地震,依据《中国震例》,本次地震的发震构造为冷龙岭断裂,震源机制解以逆冲为主,兼有走滑分量[34]。该地震在震前也存在热辐射异常,辐射区域相对较小,持续时间较短,但空间展布较为集中,主要位于震中南部[图4(b)]。辐射面积在2013年8月30日达到最大,强辐射区面积约为0.5万km2。异常持续时间为1个月以上,与上述震例演变过程一致。相对功率谱时序曲线显示[图5(b)],门源5.1级地震前的异常明显,2013年1月份相对功率谱有一次小的起伏,幅值低于平均值的6倍,因此2013年9月份的异常无论从时间、还是幅值更具有代表性,其峰值为9.6倍,出现在2013年8月30日,大于平均值2倍、6倍的持续时间分别为46天、12天。

(3) 2015年11月23日青海祁连发生M5.2地震,本次地震的发震断层为托莱山断裂,震源机制解为走滑兼逆冲型地震[35]。该地震后2个月,发生了2016年1月21日门源M6.4地震,其震源机制解为逆冲型,发震断层为冷龙岭断裂带西段北侧的分支断层[36]。这两次地震的发震时间间隔短,热辐射异常的空间尺度较大,在时间、空间上本次异常对应这两次地震。异常呈北西西向条带状展布,与区内的断层走向一致,两次地震位于异常区的东端[图4(c)]。2015年7月20日辐射面积最大,强辐射区面积约为2万km2,整体持续时间为2个月,异常经历了出现-增强-减弱-再次增强-减弱-消失的演化阶段。相对功率谱时序曲线显示[图5(c)],这两次地震前的异常幅度较高,峰值为16.8倍,出现在2015年7月23日,大于平均值2倍、6倍的持续时间为62天、53天。

(4) 2019年8月9日在青海门源发生M4.9地震,40天后发生了甘肃甘州M5.0地震。据GCMT和甘肃省地震局公布,门源4.9级地震的震源机制解以逆冲为主,兼有走滑分量,距冷龙岭断裂6.3 km;甘州5.0级地震的震源机制解同样以逆冲为主,兼有走滑分量,发震断层为祁连山北缘断裂。在震前的热辐射资料追踪中就发现此次异常,并给出预测结论,这两次地震的发生,使得预测得到检验。异常呈“V”字型分布,根据震例统计结果,交叉分布的热异常形态中的交点位置为未来发震的高频区域,两次地震就发生在交点位置[图4(d)]。辐射面积在2019年6月20日达到最大,强辐射区面积约为3万km2。异常持续时间为2个月,演变分为“V”字型交叉的两部分,震中西侧异常与区内断层走向一致,总体表现为出现-增强-减弱的演变过程。相对功率谱时序曲线显示[图5(d)],其峰值为14.4倍,出现在2019年6月23日,2018年8月、2019年10月时序曲线有两次起伏,但其最大值均小于平均值的6倍;相对功率谱大于平均值2倍、6倍的持续时间为58天、26天。

上述震例分析显示地震前均出现了热辐射异常(图4),异常多与区内构造有一定的相关性,相对功率谱时序曲线显示地震前热异常信息明显(图5),其变化特征如表1所列。2013年青海门源5.1级地震的相对功率谱峰值较小,为平均值的9.6倍,其余震例辐射峰值均在平均值的14倍以上;一些震例的时序曲线显示有起伏,起伏峰值均在6倍以下,并非地震异常,反之,与地震相关的热辐射异常大于6倍,且大于6倍的持续天数大多在26天以上,这可作为地区异常判定的指标;2016年门源6.4级地震和2015年祁连5.2级地震的辐射峰值出现在震前半年内,其余震例峰值出现在震前3个月;2013年青海门源5.1级地震强辐射区面积最小,为5 000 km2,其余在2万km2以上;相对功率谱大于2倍的持续时间在40～70天,可代表整个异常演变的时间指标。异常幅值、面积与地震震级的关系不明确。同一地区的地震,仅2013年门源5.1级单次逆冲兼走滑型地震的异常幅度相对较低、持续时间相对较短、强辐射区面积相对较小;反观其他震例,似乎走滑型地震或者具有逆冲分量的多次地震热辐射异常具有幅值高、面积大的特点,但这需要更加深入的研究。

4 结论与讨论

本文以中国静止气象卫星亮温资料为数据基础,使用小波变换和功率谱估计法研究了2022年1月8日门源M6.9地震前的热辐射异常,并对祁连带中东段以往震例的热辐射异常进行了回溯研究,以期明确一些对该区域未来地震预测可作为判定依据的指标。

(1) 门源6.9级地震的热辐射异常发展过程可分为3个阶段:初始演化阶段、增强持续阶段、减弱消失阶段。异常呈北东向条带状展布,与区内NWW向的断裂近乎垂直。整个演化又可细分为如下过程:出现-增强-减弱-增强-保持-减弱-消失。面积最大时强辐射区的面积约为8万km2,地震发生在强辐射区的西北部。相对功率谱时序曲线显示:在2021年10月18日相对功率谱达到峰值,峰值为平均值的17倍,地震发生在峰值后82天,相对功率谱大于平均值2倍、6倍的持续时间分别为57天、45天。本次异常突出的现象是大面积、高强度的热辐射状态持续时间长,约1个月。异常在起始、减弱阶段变化较快,增强阶段变化较缓。类比已研究震例的热辐射异常特征,结合本次异常与门源6.9级地震的时空关系,综合分析认为异常与该地震有一定的相关性。

(2) 对祁连带中东段的几次地震作回溯性研究,可为区域震情判定积累经验。研究结果显示几次地震前均出现了热辐射异常,地震异常多与区内构造有一定的相关性,相对功率谱峰值多在平均值的14倍以上(占83%),峰值多出现在震前3个月内(占67%),强辐射区面积多在2万km2以上(占83%)。与地震相关的相对功率谱异常大于6倍,且大于6倍的持续天数大多在26天以上,这可作为地区异常判定的指标。相对功率谱大于2倍的持续时间在40～70天,可代表整个异常演变的时间指标。异常幅值、面积与地震震级关系不明确。同一地区的地震,似乎走滑型地震或者具有逆冲分量的多次地震热辐射异常幅值更高,面积更大,这需要更加深入的研究。

(3) 本次门源6.9级地震与2008年肃南5.0级地震相距57 km,震源机制解均为走滑型,两次地震震级差别大,但在强辐射区面积、持续时间等方面表现出相似性。2008年3月21日新疆于田发生了7.3级地震,该地震后9天在祁连山地震带发生了响应地震,即2008年肃南5.0级地震[33]。受篇幅限制2008年肃南5.0级地震的热辐射异常只展示出部分区域[图4(a)]。图6中的热异常分布更为完整,可以看出该异常充斥整个塔里木盆地,并贯穿阿尔金断裂和祁连带,异常的西南端对应发生了2008年于田7.3级地震。该地震的震源机制解为正断型,可能是阿尔金断裂左旋扭错,牵引其西南端位于阿什库勒盆地的分支断裂发生张性破裂的结果[37]。拉张型或走滑型地震更有利于地下热流的传导,造成强的地表辐射,因此整个异常面积较大,且2008年肃南5.0级地震的热辐射异常面积较大是受于田7.3级地震的影响。故而2008年肃南5.0级地震既是于田7.3级地震的响应地震,其热辐射异常又是于田地震热异常的影响区。这就不难理解本次门源6.9级地震与2008年肃南5.0级地震震级差别大,但强辐射区面积都较大的情况了。

图6 2008年于田7.3级地震与肃南5.0级地震前热辐射异常Fig.6 Thermal infrared anomalies before Yutian M7.3 earthquake and Sunan M5.0 earthquake in 2008

致谢:本研究由中国气象局国家卫星气象中心提供研究数据,张元生研究员提供热红外数据分析计算软件,在此一并表示感谢。