2021年8月26日阿克塞....5地震热红外亮温异常研究_张桉赫.pdf

文章编号:1001-8956(2023)02-0137-08中图分类号:P3157文献标识码:A2021 年 8 月 26 日阿克塞 MS55 地震热红外亮温异常研究张桉赫，李越帅(新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)摘要:基于相对功率谱方法分析 2021 年 8 月 26 日阿克塞 MS55 地震前红外亮温相对功率谱时空演化特征。结果表明:阿克塞 MS55 地震前震中西侧出现明显亮温相对功率谱增强，增强区域沿阿尔金断裂与柴达木北缘断裂分布，持续大约 1 个月后消失，地震在异常消失 8 d 后发生。相对功率谱值呈现上升下降再上升再下降的变化过程，地震在功率谱值回落之后发生。根据震例统计结果显示，2008 年以来新疆地区共有 15 次热红外亮温异常，热红外异常出现后 3 个月内，在异常区周边及附近 250 km 范围内发生 7 组 MS50 地震，且异常面积与对应地震震级存在正相关关系。关键词:阿克塞 MS55 地震;热红外亮温;相对功率谱doi:1016256/jissn1001-8956202302003地震是世界上破坏性最强的自然灾害之一，地震前兆信息的提取和地震预测研究始终是研究的难点1-2。随着卫星遥感技术的快速发展，大尺度、全天候、高分辨率的海量卫星遥感资料为地震预测研究提供了机会。地震前卫星热红外异常首先由前苏联科学家 Gorny 等3 在1984 年加兹利地震前发现，之后地震热异常迅速成为地震和遥感交叉领域的研究热点4。岩石力学实验研究表明5-6，机械能能够直接激发固体物质分子的振动态能级之间跃迁，物理变形会导致温度场变化，这为用卫星红外遥感观测地壳表层应力场分布并预测地震奠定了理论基础。中国关于地震热异常的研究开始于 20 世纪 80 年代末7-8。吕琪琦等9 发现张北地震前出现过较大范围的热红外温度异常，且异常与区域性构造背景有一定关联性。荆凤等10 通过研究玉树 MS71 地震前后甘孜玉树断裂带的亮温演化特征，指出断裂带亮温的显著变化对构造活动有一定指示作用。张铁宝等11 回顾汶川 MS80 地震和庐山 MS70 地震时发现，2次地震前巴颜喀拉块体东段均有红外亮温升温异常。张元生等12 提出了使用相对功率谱方法对热红外亮温数据进行处理。相关研究表明在 2 次于田 MS73 地震、米林 MS69 地震、皮山MS65 地震、松原 MS57 地震和聂荣 MS51 地震前震中附近均出现了相对能谱值超出背景值的异常现象13-18。据中国地震台网测定，北京时间 2021 年 8 月 26 日 7 时 38 分，甘肃酒泉市阿克塞县(9550E，3888N)发生 MS55 地震，震源深度 15 km。本文中使用热红外相对功率谱方法对第37卷第2期2023年6月内陆地震INLANDEATHQUAKEVol37No2Jun2023收稿日期:2021-12-16;修回日期:2022-02-11课题项目:新疆地震科学基金项目(202206);新疆地震科学基金任务类专项(2022WL02);自治区重点研发子课题(2020B030063);新疆维吾尔自治区自然基金特培项目(2022D03031)作者简介:张桉赫(1993 )，男，工程师，硕士，2019 年毕业于新疆大学地理学专业，主要从事地震分析预报工作E-mail:626394366 qqcom阿克塞 MS55 地震前卫星热红外数据时空演化过程进行研究。相关研究结果对于地球物理观测台站密度较为稀疏的新疆地区有重要意义19。通过新疆地区热红外亮温异常震例梳理，总结异常与地震之间的关系，是对新疆地区现有地震预报方法的一种补充。1数据源与研究方法11数据源阿克塞县隶属甘肃省酒泉市，位于甘肃河西走廊西陲，青藏高原北缘，属大陆性干旱气候，平均海拔 2 800 m(图 1)。阿克塞县属塔里木地台敦煌地块与柴达木祁连板块结合带，区域褶皱构造发育，其中阿尔金古陆边缘地块构成基底，由线状褶皱组成;断裂构造主要为阿尔金大断裂及伴生断裂，具有韧性韧脆性特征20-21。1900 年以来，震中 100 km 范围内发生了7 次 MS50 地震(MS60 地震 1 次)，最大地震为 1951 年 12 月 27 日肃北 MS60 地震。本文中使用中国静止气象卫星风云二号 G 星(FY-2G 卫星)的红外遥感亮温产品作为数据源。FY-2G 卫星于 2014 年 12 月 31 日成功发射，2015 年 1 月 6 日定点于东经 995赤道上空，2015 年 6 月 1 日，FY-2G 卫星漂移至东经 105，取代超期服役的 E 星成为主业务卫星。FY-2G 搭载的扫描辐射计包括 1 个可见光和 4 个红外通道，可实现每小时或每半小时获取覆盖地球表面约 333%的全圆盘图像。红外波段分布分别为 103 113 m 和 115 125m22。为避免由于太阳照射导致的地表温度升高对观测数据的干扰，选取北京时间 01:0005:00(GMT17:0021:00)时间段 5 次观测数据进行分析。12小波变换小波变换作为一种分析非稳态信号的有效方法，在地球物理学和地震学中有广泛应用23。有限时间序列的小波变换公式，Wf(a，b)=(1/af(t)(t b)/a)d t(1)式中:f(t)为原始信号;Wf(a，b)为小波变换后的各频段分量;a 为尺度因子，控制小波函数的伸缩，对应于变量的频率;b 为时间平移因子，控制小波函数的平移;(1/a)(tb)/a)为小波母函数，本文中使用 Daubechies 小波系中的 db8 小波基对亮温数据进行小波变换处理24。去除小波 7 阶的低频部分用于消除地球基本温度场、年变温度场和地形的影响;去除小波 2 阶的高频部分用于消除天气变化引起的短时温度变化;最后将小波 2 阶的低频部分减去小波 7阶的低频得到亮温相对变化波形数据。13功率谱估计与相对处理功率谱估算法参考 Welch 算法，对 N 个长度的数据进行分段，再对每段数据加窗进行快速傅里叶变换，最后计算各段功率谱的均值25，Px()=1LLi=11MUM1n=0 xi(n)(n)ejn2，t=1，l(2)式中:U=1MM1n=02(n)为归一化因子;(n)为窗函数;Px()为功率谱均值。831内陆地震37 卷图 1阿克塞地震相对功率谱异常时空演化(a)2021-07-19(b)2021-07-22(c)2021-07-25(d)2021-07-28(e)2021-07-31(f)2021-08-03(g)2021-08-06(h)2021-08-09(i)2021-08-12(j)2021-08-15(k)2021-08-18Fig1Spatio-temporal evolution of relative power spectrum for Akesai earthquake对亮温数据经小波变换后再计算功率谱，以 64 d 为窗长、1 d 为步长进行快速傅里叶变换，可以得到每个像元的 1 组功率谱，再对其进行幅值的相对处理，得到各像元的相对功率谱值12，Aik=1llj=1Wijk，(i=1，2，n;k=1，2，m)(3)9312 期张桉赫等:2021 年 8 月 26 日阿克塞 MS55 地震热红外亮温异常研究ijk=Wijk/Aik，(i=1，2，n;j=1，2，l;k=1，2，m)(4)式中:n 为像元总数;m 是频率点个数;l 为时间序列数据总数;Wijk为第 i 像元第 j 天第 k 频率的功率谱幅值。Aik为第 i 像元第 k 频率在统计时间长度 l 内的平均功率谱幅值，第 i 像元第 j天第 k 频率的功率谱相对变化幅值由公式(4)计算。以上计算过程由 FIXSATELLITE 软件完成。2结果与分析21地震热红外异常时空演化过程分析通过上述方法对红外遥感亮温产品进行处理后，可得到研究区域亮温相对功率谱图像。但是，所得到的相对功率谱图像往往会存在离散的高值异常点，这些高值异常点通常为与地震无关的噪声。为了更好地提取与构造活动和地震有关的异常信息，根据前人的研究结果15，将以下 4 条判别标准作为判定亮温相对功率谱异常的条件:(1)相对功率谱异常区域需聚集成一定的规模，零星的高值点不作为异常;(2)相对功率谱高值需至少持续 20 d 以上;(3)相对功率谱异常区域需分布在活动断裂带附近并沿断裂发展;(4)相对功率谱值需达到其年均功率谱幅值 4 倍以上。从图 1 可以看出，阿克塞 MS55 地震前，震中西侧出现过明显的热红外亮温相对功率谱异常。相对功率谱增强开始于 2021 年 7 月 19 日，首先在阿尔金断裂带与柴达木北缘断裂带交汇处出现离散高值点，随后离散高值点逐渐扩大，7 月 25 日汇聚成高值异常区，并沿阿尔金断裂带呈 NE 向分布。此后，异常区域沿阿尔金断裂带延伸拓展，面积持续扩大，并在 8 月 6 日左右面积达到峰值，大约为104km2。随后异常区面积不断减小，并在8 月18 日完全消失。8 d后，在距离异常区大约 80 km 处发生 8 月 26 日甘肃阿克塞 MS55 地震。22亮温相对功率谱平均值时间变化特征热红外异常区域平均亮温时序曲线通常可以反映地震异常时间信息，为了分析阿克塞MS55 地震前热红外亮温功率谱的变化过程，以异常区域为中心，取0505区域日均亮温相对功率谱值进行研究，做出其时间变化序列图(图 2)。2018 年 1 月至 2021 年 5 月，在 2018 年图 2阿克塞地震相对功率谱时序曲线Fig2Time-series curve of relative power spectrumfor Akesai earthquake和 2019 年出现过 2 次短暂高值过程，但这一区域附近并未发生 MS50 地震，其他时间幅值均在 4 倍以下正常背景值。而从 2021 年 5 月开始，异常区附近相对功率谱幅值先出现一个短暂上升又回落的过程，回落结束后相对功率谱幅值迅速上升并超过 4 倍正常背景值，并于 7 月 21 日达到 796 倍的最高值，然后波动下降至 4 倍正常背景值以下，整个异常过程大约持续 30 d。在高值异常结束后即发生了 8 月 26 日甘肃阿克塞MS55 地震，该变化过程与图 2 反映出的041内陆地震37 卷亮温相对功率谱时空演化过程基本一致。23历史震例分析根据以往对热红外亮温相对功率谱异常的分析，其对新疆及周边地区 MS65 强震具有一定指示意义，其对应关系见表 1。2008 年以来，新疆及周边地区共发生 MS65 地震 7 次，4次地震前震中附近区域出现热红外亮温相对功率谱异常。图 3震级与异常面积的关系Fig3elationship between magnitudeand anomalous area由于阿克塞 MS55 地震前震中附近出现了显著热红外亮温相对功率谱异常，因此梳理2008 年以来满足异常判定标准的相对功率谱异常(表 2)。2008 年以来，新疆共出现 15 次热红外亮温相当功率谱异常，其中 7 组在异常发展过程中或异常结束后发生 MS50 地震，对应率为 47%，最大地震为 2008 年 3 月 21 日于田 MS73 地震。对应的 7 组 14 次地震中，8次地震发生在异常开始 3 个月内，6 次地震发生在异常结束后 2 个月内。为进一步判定异常发生后地震可能的发生位置，统计地震发震位置与异常区域面积的距离(0 表示发震位置位于异常区的内部或边缘)，14 个地震中仅有5 个地震发生在异常区域的内部或边缘，其余9 个地震多发生在异常区周边 250 km 以内。因此，热红外亮温相对功率谱出现异常后，优势发震地点位于异常区周边 250 km 范围内。为分析异常面积大小与对应地震震级的关系，将异常面积与震级大小做散点图，结果如图3 所示。热红外亮温相对功率谱异常面积与震级大小呈现不显著的正比关系(2=0135 5，P(005)=0532)，y=0006 5x+5628 3(5)虽然异常面积与震级的关系未通过显