2011 年3 月24 日緬甸孟帕亞MS7.2 地震熱輻射異常研究

朱鵬濤，沈 寧，王晨曦，張仁鵬

（1.寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001；2.吉林省地震局，吉林 長春 130117）

0 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)正式測定，2011 年3 月24 日緬甸孟帕亞縣發(fā)生了MS7.4 地震，震中位于99.949°E，20.705°N，震源深度20 km，距離中國云南邊界約86 km。地震造成74 人遇難，110 人受傷，240 多棟建筑物倒塌。為了減少地震造成的損失，國內(nèi)外諸多學(xué)者致力于地震前兆的研究。隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星熱紅外信息被認(rèn)為可能是研究斷層相互作用的一個新的獨(dú)立物理量[1-2]。20 世紀(jì)后期，美國極軌衛(wèi)星NOAA 熱紅外與地震的關(guān)系得到了廣泛的關(guān)注，逐步開發(fā)了多種數(shù)據(jù)分析方法。例如RST 法[3]、內(nèi)外溫差法[4]。21 世紀(jì)初，中國風(fēng)云二號系列靜止軌道氣象衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)日益成熟。國內(nèi)地震學(xué)者們掀起了新的熱紅外與地震研究的熱潮，張元生等[5]應(yīng)用小波連續(xù)變換和相對功率譜方法分析FY-2C 熱紅外亮溫數(shù)據(jù)，結(jié)果表明汶川MS8.0 地震和日本MW9.0 地震前存在明顯的熱紅外亮溫異常。解滔等[6]應(yīng)用小波能譜分析方法獲得了FY-2E 2012 年云南彝良MS5.7 地震和2013 年蘆山MS7.0 地震前亮溫小波相對能譜信息。

基于熱紅外異常與7 級以上地震對應(yīng)較好的認(rèn)識，本文應(yīng)用中國靜止氣象衛(wèi)星FY-2E/G獲取熱紅外觀測資料，應(yīng)用可變時窗的連續(xù)小波變化和多頻段的相對功率譜分析方法，以期獲取7 級以上地震前熱紅外的異常演化特征，為進(jìn)一步探索熱紅外異常與地震的關(guān)系積累資料。

1 資料來源和數(shù)據(jù)處理

本文采用中國靜止氣象衛(wèi)星FY-2E/G 記錄的熱紅外亮溫資料，數(shù)據(jù)來源于中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心。兩顆衛(wèi)星FY-2E、FY-2G 分別發(fā)射于2008 年6 月15 日、2014 年12 月31日，靜止軌道距離地球35800 km，其攜帶的掃描輻射儀從太空遙感地球大氣，逐個像元地獲得來自地球表面和云的若干個波段相對黑體溫度數(shù)據(jù)。紅外分辨率可達(dá)到5 km，有效觀測范圍為60°N～60°S、45°～165°E，觀測波段分別為10.3～11.3 μm 和11.5～12.5 μm，相比極軌衛(wèi)星觀測周期，風(fēng)云靜止衛(wèi)星具有觀測周期短、范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。

1.1 亮溫計算

固體或液體，在任何溫度T 下發(fā)射電磁波，這種發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。若物體在任何溫度T 下，對任何波長的輻射能的吸收比等于1，則稱該物體為絕對黑體，簡稱黑體。根據(jù)普朗克黑體輻射定律，其光譜分布可表述為[7]：

式中B 是波數(shù)ν 和溫度T 處的光譜輻射出射度，h 為普朗克常數(shù)，c 為光速，k 為玻耳茲曼常數(shù)。某一波段的B 是普朗克公式對該波段各個波長值和響應(yīng)函數(shù)的積分，可以表述為：

式中i 為波段數(shù)，fi（v）為第i 波段響應(yīng)函數(shù)，v1i和v2i分別是i 波段上、下限波長對應(yīng)波數(shù)?？捎貌〝?shù)間隔Δv=5 cm-1求和代替積分，因此，波段的黑體輻射公式可用下式表述：

式中mi=（v2i-v1i）/Δv，依據(jù)式（3）對每個紅外波段進(jìn)行數(shù)值積分，可得出每個紅外波段i的Wi（T）與T 的對應(yīng)關(guān)系。

1.2 亮溫數(shù)據(jù)處理

風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星可直接觀測地物的熱輻射強(qiáng)度，經(jīng)處理（定標(biāo)處理和幾何校正）得到相應(yīng)波段的輻射亮度，數(shù)據(jù)信息中包括地球基本、年變、日變?nèi)齻€溫度場，云雨、寒熱氣流引起的溫度變化和未知因素引起的溫度微變信息[8]?？紤]到太陽直接輻射的干擾，本文選擇的觀測數(shù)據(jù)為北京時間凌晨1 點(diǎn)至5 點(diǎn)的小時值實時觀測相對黑體溫度TBB 數(shù)據(jù)。

有關(guān)地震的信號處理常用到傅立葉變換，對于隨著時間變換的非平穩(wěn)信號傅立葉變換無法區(qū)分頻譜，因此，時域相差較大的兩個信號可能與頻譜圖一致。而小波變換直接把傅立葉變換的無限長的三角函數(shù)基換成了有限會衰減的小波基。這樣不僅能夠獲得頻率，還可以定位時間。小波變換公式可表述為：

式中：f（t）為原始信號；Wψf（a，b）為小波變換后的各頻段分量；a 為尺度因子，控制小波函數(shù)的伸縮，b 為時間平移因子；為小波母函數(shù)[9]。

考慮到空間自然天氣引起的溫度變化為短時變化，舍去小波2 階細(xì)節(jié)部分可以去除自然天氣引起的干擾。同理，舍去小波7 階的尺度部分，可以消除地球基本和年變溫度場。對每個像元而言，2 階尺度函數(shù)與7 階尺度函數(shù)相減后的數(shù)據(jù)在時間域里正負(fù)相間的亮溫相對變化波形數(shù)據(jù)。本文應(yīng)用dbN 小波系中的db8 小波基函數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行了小波變換處理[10]。

1.3 功率譜估計與相對處理

隨機(jī)信號的功率譜密度用來描述信號的能量隨頻率的變化關(guān)系，也簡稱為功率譜估計。本文小波變換后的大量數(shù)據(jù)無法進(jìn)行全時空分析，所以采用功率譜估計法。

功率譜估計法又分為經(jīng)典譜估計法和現(xiàn)代譜估計法，而經(jīng)典譜估計法也稱為非參數(shù)譜估計。經(jīng)典譜估計法又分為語譜圖、周期圖法和相關(guān)圖法。Welch 算法是在經(jīng)典功率譜估計周期圖法的基礎(chǔ)上，依靠Matlab 強(qiáng)大的數(shù)值分析和信號處理能力，進(jìn)行仿真實驗改進(jìn)而來的。本文中的功率譜估計法參考了該算法，先將TBB 數(shù)據(jù)經(jīng)過小波變換后再計算功率譜，以n（n=64d）為窗長，m=1d 為滑動窗長做傅立葉變換，得到相應(yīng)頻率為64d，32d，21d，16d，13d，9d，8d，7d，6d，…。約定窗內(nèi)起始時間對每個像元的時程數(shù)據(jù)滑動一次可獲得一組功率譜，其表達(dá)式為：

為了對比分析地震前后功率譜的變化，本文采用了功率譜幅值相對處理，得到相對功率譜時頻空間數(shù)據(jù)。最后，對時頻數(shù)據(jù)進(jìn)行全頻段和全時空掃描得到相對功率譜對應(yīng)的頻率、時間和空間參數(shù)[10]。

2 資料處理結(jié)果分析

2.1 地震熱紅外異常演化過程及特征

緬甸孟帕亞縣MS7.2 地震發(fā)生在緬甸東北部，地處長期受歐亞板塊和印度洋板塊強(qiáng)烈碰撞和擠壓地帶，該地區(qū)構(gòu)造活動劇烈，震中位于20.8 °N、99.88 °E，處NE 向孟帕亞—勐臘斷裂最西段塔蘭村一帶，震源深度20 km，屬淺源地震。

為了進(jìn)一步深入跟蹤分析地震發(fā)生前熱紅外亮溫異常的時空演化過程，本文計算了17～27°N、93～101°E 范圍內(nèi)的TBB 數(shù)據(jù)，通過對6 個頻段相對功率譜時空演化圖像進(jìn)行檢驗發(fā)現(xiàn)，在緬甸MS7.2 地震前可以看到顯著的震前熱紅外異常變化，且在5 頻段呈現(xiàn)出了兩次不同程度的熱輻射異常變化，其遷移和演化趨勢如圖1 所示。

圖1 緬甸MS7.2 地震熱紅外亮溫相對功率譜異常時空演化Fig.1 The temperal-spatial evolution maps of thermal infrared anomalies before Burma MS7.2 earthquake using relative power spectrum

對所選數(shù)據(jù)的相對功率譜時空演化圖像（圖1）進(jìn)行分析可以看出，第一次異常特征為：2010 年8 月29 日前后開始出現(xiàn)熱紅外亮溫異常，零星出現(xiàn)在震中區(qū)以南方向。隨著時間的推移異常面積開始集中成片出現(xiàn)，9 月10日左右異常達(dá)到最大值，隨后異常逐漸減弱，9月27 日異常消失，異常主要分布于震中區(qū)南部。第二次異常特征表現(xiàn)為：2010 年10 月1日高值亮溫異常再一次出現(xiàn)，震前175 天內(nèi)異常區(qū)域沿NW 方向持續(xù)擴(kuò)展、加速，異常面積迅速擴(kuò)大，幅度增強(qiáng)，主要集中于打洛—景洪斷裂北部；隨后面積和幅值開始大面積集中成片出現(xiàn)，并南移向震中靠攏，逐漸包絡(luò)震中，幅度迅速增大，呈現(xiàn)明顯大片熱紅外異常區(qū)域；2010 年11 月5 日達(dá)到極大值，隨后異常逐漸衰減，消失在緬甸MS7.2 地震震中的北部地區(qū)，地震發(fā)生在有NE 向斷裂分布的地殼形變復(fù)雜地區(qū)。分析此次熱異常的時空演化特征發(fā)現(xiàn)，震前出現(xiàn)熱異常的區(qū)域面積很大，異常持續(xù)時間高達(dá)98 天，異常形態(tài)顯著，地震發(fā)生在異常集中區(qū)域內(nèi)部孟帕亞斷裂帶上。

2.2 地震熱紅外亮溫平均譜值時序變化特征

熱紅外亮溫異常區(qū)域時序曲線可以直接反映出異常增溫區(qū)域的歷史變化情況，能夠得到亮溫異常的持續(xù)時間和相對功率譜幅值，能夠有效的識別判斷地震熱紅外異常。本文提取了異常區(qū)域小范圍（21～21.5°N，99～99.5°E）近6 年數(shù)據(jù)的平均值亮溫變化數(shù)據(jù)（圖2）。時序變化表明，該區(qū)域相對功率譜異常特征：（1）地震引起的熱異常持續(xù)時間在90 天以上，異常持續(xù)時間較長；（2）震前相對功率譜幅值為近6年來最大，且大于4 倍的持續(xù)時間在60 天以上的背景值，異常時間特征突出；（3）熱異常特征周期為64 d，相對變化率達(dá)16 倍以上（2010年10 月30 日左右）；（4）2010 年10 月12 日至2010 年11 月14 日，相對功率譜值陡增，發(fā)震時刻在異常峰值回落后且恢復(fù)正常值范圍后階段；（5）在2009 年出現(xiàn)了相對功率譜為7 倍左右的峰值，但是未有地震發(fā)生，對比本次異常峰值，2009 年出現(xiàn)的異常變化表現(xiàn)持續(xù)時間短，異常幅值較小等特征，可能與地質(zhì)環(huán)境、大氣環(huán)境等復(fù)雜因素有關(guān)。

圖2 異常區(qū)域相對功率譜平均值時序曲線Fig.2 Time series curve of mean value of relative power spectrum in the abnormal areas

3 結(jié)論與討論

如果地震是介質(zhì)應(yīng)力和應(yīng)變能量的積累和釋放過程，那么應(yīng)變能量可理解為以力和熱能的方式傳導(dǎo)。衛(wèi)星熱紅外觀測到的熱異常也可解釋為由于地殼受力形變引起巖層中出現(xiàn)微裂隙或大的微破裂，巖層中大量CO2、CH4等溫室氣體沿著裂隙或裂縫通道上涌至地面，逸出溫室氣體吸收地面的紅外輻射產(chǎn)生局部溫室效應(yīng)，促使孕震區(qū)地表增溫，這也是熱紅外異常機(jī)理的合理解釋[11]。

應(yīng)用小波變換和相對功率譜估計方法對2011 年3 月24 日緬甸MS7.2 地震進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明：（1）此次地震前熱紅外異?，F(xiàn)象顯著，震前熱異常過程表現(xiàn)為“異常出現(xiàn)—增強(qiáng)—衰減—增強(qiáng)—達(dá)到極大值—衰減—異常消失—發(fā)震”，持續(xù)時間高達(dá)90 天以上。異常區(qū)域沿著斷裂走向遷移和延展，異常較大面積的熱紅外輻射強(qiáng)度驟增，震中出現(xiàn)在異常最大區(qū)域內(nèi)部，可能是地殼應(yīng)力變化及構(gòu)造活動能量釋放的結(jié)果；（2）2007 年1 月至2011 年3 月期間異常區(qū)域特征功率譜幅值最高達(dá)到平均值的16 倍以上。地震特征周期相對較長，受地形地貌、水系分布、氣象等多種因素的干擾，異常結(jié)束后約3 個月左右發(fā)震，該熱紅外異常與本次緬甸地震MS7.2 有較大的相關(guān)性。

致謝：本研究數(shù)據(jù)來源于中國氣象局國家衛(wèi)星氣象中心，在此表示感謝。