衛(wèi)星熱紅外遙感技術在地震監(jiān)測中的應用

衛(wèi)星熱紅外遙感技術在地震監(jiān)測中的應用

中國位于歐洲和太平洋之間的地震帶之間。頻繁的地震活動和廣泛的地震災害。從公元前1831年中國最早地震記載開始，至今共有地震記載近千次，其中6級以上的破壞性地震800多次。地震給人類造成的災難數(shù)不勝數(shù)。例如，1976年7月28日的河北唐山7.8級地震，地震破壞范圍超過3萬km2，有感范圍廣達14個省、市、自治區(qū)，相當于全國面積的1/3;2008年5月12日的四川汶川8.0級大地震，死亡人數(shù)超過8萬，受傷人數(shù)達37萬多，受災人口達4624萬，波及17個省、市、自治區(qū)。所以，做好中國地震監(jiān)測預測工作非常關鍵。傳統(tǒng)的地震臺網(wǎng)監(jiān)測，因數(shù)目和觀測范圍的局限性，加之在中國西部地震多發(fā)地區(qū)臺站更加稀疏，很難給出面上的精細信息，而衛(wèi)星熱紅外遙感技術以其獲取信息范圍大、數(shù)據(jù)更新快、可以實施時空動態(tài)監(jiān)測的優(yōu)勢彌補了傳統(tǒng)觀測方法的不足，使地震前兆的監(jiān)測從傳統(tǒng)的靜態(tài)定點觀測模式向動態(tài)連續(xù)的大面積觀測模式發(fā)展，為地震活動性研究開辟了一條新的途徑。1熱紅外影像的應用1984年，蘇聯(lián)學者Λ.Р.Bunopkuǔ在對中亞加茲利的一系列地震研究中發(fā)現(xiàn)，震前10d左右，震中區(qū)兩組斷裂交匯部位的上空出現(xiàn)紅外輻射異常的現(xiàn)象，由此提出震前有熱紅外異常。1990-1992年，中國科學家強祖基等、徐秀登等利用熱紅外影像進行地震預報研究，在判讀衛(wèi)星熱紅外遙感圖片時發(fā)現(xiàn)一些震前地表溫度異常增高現(xiàn)象，認為臨震前出現(xiàn)溫度的異常升溫是非常普遍的現(xiàn)象，是一種地震前兆熱異常信息，并由此開展了研究工作并成功地預報了一些地震。1998年，蘇聯(lián)學者Gorny和Tronin等在對中亞地區(qū)的地震衛(wèi)星熱紅外圖像分析時發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)的一些中強地震（Ms≥5.5）震前衛(wèi)星紅外圖像上存在熱異?，F(xiàn)象，且與斷裂構造的活動有關，在活動斷層表面存在著穩(wěn)定和不穩(wěn)定的熱紅外輻射異常，異常增溫可達到度的量級，異常的形態(tài)為線性條帶。表1是目前應用衛(wèi)星紅外遙感技術進行地震預報的成功案例。1.1應力致熱學說為什么地震前會出現(xiàn)熱異常，或者說如何解釋地震前出現(xiàn)的熱紅外輻射異常，眾多學者在不斷努力探索熱紅外異常產(chǎn)生的機理。對臨震熱紅外異常成因機理的解釋，目前主要有以下兩種觀點。強祖基等經(jīng)過試驗研究，認識到地震前斷層的破裂-氣體擴散-地面增溫-低空電場突變整個過程；把熱紅外異常原因解釋為地下的CO2、水蒸氣、H2等氣體沿微裂隙溢出地面，這些氣體易于吸收太陽和地面的紅外波段輻射和反射，產(chǎn)生局部溫室效應，導致孕震區(qū)地面-低層大氣增溫，即“地球放氣說”。2007年，孟丹等以江西11.26地震為例研究了衛(wèi)星紅外遙感圖像增溫信息，證明CO2和CH4等氣體在震前有增溫2～6℃。應力致熱學說指在地球介質受到附加力的作用時，隨著應力的增大，介質的輻射溫度、紅外熱像以及波譜特性都可能發(fā)生變化，而這些變化的物理量均可以成為孕震前兆特征指標而加以跟蹤監(jiān)測。崔成禹、耿乃光和鄧明德等通過一系列巖石加載實驗，觀測到巖石應力增加引起紅外輻射增高的物理現(xiàn)象和紅外輻射的前兆信息。劉善軍等通過實驗說明在巖石加載實驗過程中存在熱彈效應和摩擦熱效應。熱彈效應貫穿整個加載過程，而摩擦熱效應僅在巖石出現(xiàn)微破裂的塑形階段出現(xiàn)，兩種熱效應共同作用使得巖石表面的輻射溫度場復雜多樣化。遙感-巖石力學基礎實驗研究結果表明，無論巖石破裂還是摩擦滑動都會產(chǎn)生熱力耦合效應，從而引起紅外輻射。劉培洵等通過實驗研究表明，巖石彈性階段加載升溫的量級為mK/MPa；若構造活動引起的應力為1000MPa，則彈性加載升溫量級為度。另外，W.Ma等在利用一些大地震研究構造應力和地震的關系時，發(fā)現(xiàn)震前隨著構造應力的變化導致溫度隨之發(fā)生變化，揭示了當構造應力處于活動斷裂的臨界狀態(tài)時，天體潮汐力可能會導致地震的發(fā)生。S.A.Pulinets指出，利用電離層頂部探測、GPS電子總含量（TEC）和熱紅外遙感技術進行的電離層成像，可以進行地震預報。這是地震的電離層耦合物理機理。1.2臨界振動熱異常的特征1.2.1地表溫度或地表粗糙度異常地震時地表溫度一定會發(fā)生異常變化，這便是臨震前兆。許多學者利用熱紅外遙感影像對地震前出現(xiàn)的這種熱異常及其時空動態(tài)變化特征展開了大量的研究工作。利用這些衛(wèi)星紅外遙感資料的對比或追蹤分析，得出地震前會出現(xiàn)地表溫度或地表亮度溫度（LSBT）異常，并在大多數(shù)情況下表現(xiàn)為異常升溫（表2）。從表2統(tǒng)計的熱異常特征可以看出，地震前熱異常出現(xiàn)的時間在1年以上的有1次，3mon以上的有5次，1～2mon的有15次，15d之內的有10次,即熱異常主要出現(xiàn)在震前的2mon內，升溫幅度在1～7℃或3～10K,有些高達7℃以上。例如2003年2月24日發(fā)生在新疆伽師-巴楚的6.8級地震，震前9d出現(xiàn)異常增溫7.2℃。但震前也有極少數(shù)出現(xiàn)異常降溫現(xiàn)象，例如1996年11月19日新疆和田的7.1級地震。1.2.2種熱紅外長波輻射異常的特征及與震前長波對比分析長波輻射（OutgoingLong-waveRadiation,OLR）是指地-氣系統(tǒng)向外層空間發(fā)射出的電磁波能量密度，又稱為熱輻射通量密度，其物理測量單位為W/m2。OLR是由紅外窗區(qū)通道（10.5～12.5μm）對地球和大氣掃描遙測得到的地-氣長波輻射量。美國NOAA序列衛(wèi)星遙感可提供地-氣系統(tǒng)射出的長波輻射月平均數(shù)據(jù)。許多學者利用震前出現(xiàn)的這種熱紅外長波輻射異常進行了大量的研究工作（表3）。例如，2001年1月26日印度普杰（23.2°N,69.7°E)7.8級地震，震前2mon在（22.5°N,67.5°E）附近出現(xiàn)OLR高值達288.8W/m2。從表3統(tǒng)計的長波輻射異常特征可以看出，地震前OLR高值區(qū)異常出現(xiàn)時間在1年以上的0次，3mon以上的4次，1～2mon的17次，15d內的0次。綜合以上分析，得出震前長波輻射異常多出現(xiàn)在震前1～2mon。從表2和表3的對比分析可以看出，地震前出現(xiàn)的熱紅外溫度異常和熱紅外OLR異常的出現(xiàn)時間有些同時，有些則各異。例如1976年7月28日發(fā)生在河北唐山的7.8級地震，出現(xiàn)OLR異常和溫度異常的時間都是在震前1～2mon，而1995年7月12日發(fā)生在中緬邊境的7.3級地震，OLR異常比溫度異常出現(xiàn)的時間早。大多數(shù)情況是OLR異常在前，然后才出現(xiàn)異常增溫現(xiàn)象。另外，OLR異常很少出現(xiàn)在1年以上，或者晚到15d內才出現(xiàn)。綜上所述，將熱異常作為一種臨震前兆，對強震的預報具有一定的映震效應?？梢岳眯l(wèi)星熱紅外遙感技術識別和提取地震“熱征兆”的這種溫度異常信息或OLR異常區(qū)進行地震的預報工作，并可望在地震的監(jiān)測預測領域上開創(chuàng)出新的技術途徑。2地表真實溫度反演技術利用熱紅外遙感進行地震的監(jiān)測預報，其關鍵是獲取與地震真正有關有用的前兆熱異常信息及其時空演化特征。而在地表亮度溫度的提取和地表溫度的反演方法上，已有一些學者通過實驗分析比較，提出了一些熱紅外信息的提取和反演的辦法。地表真實溫度的反演方法主要有單窗算法、劈窗算法、晝夜法、雙溫雙通道法等。由于反演地表真實溫度存在許多的不確定性因素，例如比輻射率、大氣廓線未知等，限制了反演的精度。所以，大多數(shù)學者在提取或反演熱紅外輻射時用地表的亮度溫度表征，這對于地震研究更有現(xiàn)實意義。目前常用的熱信息提取方法主要有以下兩種，即透熱指數(shù)法和均值梯度法。2.1指數(shù)相對于地震的發(fā)生地表溫度的變化主要來源于天氣的影響，而地下熱異常對地表溫度的影響十分微弱。如無法有效地消除天氣的干擾，從衛(wèi)星影像上找到地下熱異常的可能性極小。為了較好地消除氣候因素的影響，劉培洵等由熱傳導理論出發(fā)，根據(jù)地下熱信號通過不同熱擴散率材料傳到地表時將產(chǎn)生較大時間差的特點，提出了提取地下熱異常的新指標———透熱指數(shù)法。其特點是透熱指數(shù)高意味著地下熱活動強，進一步可能指示現(xiàn)今的斷層活動和地震的發(fā)生。實驗證實，透熱指數(shù)法是區(qū)別地下熱信息與氣象影響的理想模型。當?shù)叵聼嵝畔⑹且詿醾鲗У姆绞搅鱾鞯降孛媲覞M足常務性條件時，透熱指數(shù)可較好地消除氣象要素的影響。劉培洵等利用NOAA衛(wèi)星1995年1月至1995年6月共18幅旬值衛(wèi)星影像，對青藏高原地區(qū)進行透熱指數(shù)試算，所得出圖像中顯示了一些線性條帶，許多條帶在位置上與活動構造較為一致。馬瑾等、陳順云等利用透熱指數(shù)法分析1997年11月8日發(fā)生在西藏瑪尼7.9級地震時，均發(fā)現(xiàn)地震就發(fā)生在瑪尼-玉樹-鮮水河斷裂帶HPI（透熱指數(shù)）值峰值附近。在對1995-1996年云南孟連地震和麗江地震，后又在西區(qū)（新疆西部）發(fā)生的兩個強震、中區(qū)發(fā)生的西藏瑪尼地震進行研究時，發(fā)現(xiàn)這些地震均與3個區(qū)域在該階段的透熱指數(shù)變化過程相呼應。這說明地震的發(fā)生，或者斷裂活動增強，透熱指數(shù)會出現(xiàn)升高。因此，透熱指數(shù)對地震和構造活動有一定的指示性。在利用透熱指數(shù)法進行地下熱異常信息提取時，首先應盡量選取熱擴散率差異大、相鄰的區(qū)域進行透熱指數(shù)計算；其次是應當根據(jù)研究的問題選取合適的時間窗。2.2響應的空間差異因為熱輻射探索構造活動具有“強背景，弱信息”的特點，地表輻射的探測精度與構造活動引起的輻射增強同屬一個量級，有效信息可能被淹沒于反演誤差之中，獲得足夠的精度后如何突出構造活動信息也是難點。為了突出構造活動信息，據(jù)構造因素與非構造因素對地表熱輻射影響的空間差異提出一種新方法———均值梯度法。該方法的基本特點是，首先以損失一定時間信息為代價獲取更高的數(shù)據(jù)精度，然后根據(jù)大氣和構造活動對地表熱輻射影響的不同，利用熱輻射梯度突出正在活動的斷裂帶的空間分布。出現(xiàn)梯度帶明顯增強的區(qū)域意味著其構造活動強烈，并可能發(fā)生地震。陳順云等利用此方法分析了西藏瑪尼1997年11月8日的7.9級地震前的均值梯度，發(fā)現(xiàn)在1997年，在瑪尼附近有2條明顯增強的梯度帶，發(fā)生地震的TLM（年變殘差低頻成分的平均值）高值條帶溫度一般比周圍地區(qū)高出3～5K，高值區(qū)線性特征明顯。說明均值梯度的高值條帶與斷裂帶的現(xiàn)今活動相一致，利用空間梯度能夠勾畫出構造現(xiàn)今活動的空間分布，并進一步預測可能發(fā)生的地震。此方法的不足在于要求的精度越高，損失的時間信息越嚴重，僅采用地震區(qū)分輻射高值帶與構造活動的關系，其手段較為單一。2.3熱異常判別技術屈春燕等在研究熱異常與活動斷裂帶、地震的關系研究中，提出除了扣除與地震活動有關的各類非震因素影響的熱異常外，結合GPS等地殼形變監(jiān)測結果及其他前兆觀測結果，將有助于地震紅外異常的識別，并提高異常判斷的準確性與可靠性。在對若干震例和地震活動區(qū)的熱紅外影像進行長期分析研究的基礎上，屈春燕等提出了幾種熱異常判別方法，如震前震后亮溫差值法、斷裂帶內外亮溫差值法、不同熱紅外通道亮溫對比分析法等。宋曉麟針對EOSTerra衛(wèi)星數(shù)據(jù)，利用小波分析處理突變信號的優(yōu)勢，把熱紅外信息作為非平常信號，對2005年4月8日西藏仲巴6.5級強震進行了分析研究，結果表明，震前出現(xiàn)明顯突變，可看作熱紅外異常。3衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)處理隨著空間技術的發(fā)展，熱紅外遙感在地震監(jiān)測預報中的應用將會越來越廣泛。衛(wèi)星熱紅外觀測以其大視野、高精度、周期短和不受地面條件限制等諸多優(yōu)勢以及對某些強震熱紅外前兆的良好反映，成為研究解決地震短臨預報的斷裂活動性很有前途的遙感觀測手段。遙感數(shù)據(jù)越來越豐富，為臨震熱異常研究提供了保證。美國、俄羅斯、法國、日本等已開展了大量提高更高分辨率地震電磁衛(wèi)星的研制。美國制定并實施的全球地震衛(wèi)星系統(tǒng)GESS研究計劃，已于2003年發(fā)射了QuakeSat-1電磁小衛(wèi)星，并計劃2008年發(fā)射QuakeSat-2，該計劃同時已經(jīng)將InSart、熱紅外和地磁監(jiān)測作為地震監(jiān)測的有力手段。目前，中國第