2. 中国矿业大学环境与测绘学院, 江苏 徐州 221008;
3. 东北大学资源与土木工程学院, 辽宁 沈阳 110819
2. School of Environment and Geo-Information, China University of Mining & Technology, Xuzhou 221008, China;
3. School of Resources and Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China
地震是地球岩石圈活动构造应力变化积累及运动过程失稳的结果，地震前的热异常变化现象早已被国内外关注。文献[1]对1966—1976年我国发生的9次大地震进行震前地热现象调查，发现绝大多数地震发生前存在增温异常。20世纪80年代起，国内外开始大量报道地面气象站记录到的地震前气温异常现象。例如，文献[2]分析1979年唐山大地震前我国185个气象站的气温数据，发现震区及其外围135个台站在地震前皆呈趋势性增温；文献[3]分析了120多个地面气象站的观测资料，发现在中亚地区地震前存在气温异常现象，气温最大值一般出现在震前孕震过程的1月至1年内(中长期异常)或者几小时至1—2 d内(短临异常)。
1988年，文献[4]在前苏联科学院会议上报告了一项重大发现：分析中亚地区的卫星红外图像时，发现在地震活动区的断层交汇部位，许多中强地震前出现了短临的热红外辐射增强现象。该文献掀起了断裂活动和孕震过程遥感热异常研究的热潮，并引领地震监测分析进入了卫星遥感应用的新时代。文献[5]分析指出：地震是断层在构造应力作用下发生构造变形破裂的结果，了解断层活动及孕震过程是认识地震规律的基础，而卫星遥感是从整体上开展区域断裂活动、卫星红外异常及地震应力失稳三者之间关联性分析的重要手段。近30年来，卫星遥感应用在断裂活动及孕震过程热异常分析研究十分活跃，具有跨学科交叉性和科学探索性特征，不仅促进了遥感科学与遥感应用的发展，而且展现了卫星遥感在固体地球灾害监测分析及地球系统科学研究中的巨大潜力。
回顾历史、展望未来。本文从地球观测数据应用、地震异常分析方法、地震异常认知理论3个方面进行研究回顾和进展分析，并提出了协同观测和地球感知的未来攻关重点。
1 地球观测数据应用回顾断裂活动及孕震过程遥感热异常研究与卫星遥感应用发展具有同步性。所应用的地球观测数据有以下基本特征：① 多分辨率，包括90 m的ASTER数据、1 km的MODIS数据、1°的同化资料；② 多观测模式，包括AVHRR/NOAA、MODIS/EOS、AATSR/ENVISAT等极轨卫星观测，以及SEVIRI/MSG、VISSR/FY-2等静止卫星观测；③ 多物理参数，包括地面温度、红外亮温、射出长波辐射(outgoing longwave radiation，OLR)、微波亮度、近地表气温、地表潜热通量(surface latent heat flux，SLHF)等；④ 时空连续的空天地同化资料，包括NCEP/NCAR reanalysis、NCEP-FNL、MERRA、ERA-Interim等产品。
1.1 红外亮温数据应用自1990’s开始，前苏联/俄罗斯、中国、日本、意大利、美国、印度等国学者[6-27]先后使用AVHRR/NOAA、MODIS/EOS、AATSR/ENVISAT等卫星热红外亮温数据，分析研究了断裂活动及孕震过程的区域地表亮温变化特征及异常现象。通过大量震例分析，各国科学家在全球范围检验证实了地震卫星遥感热异常现象的普遍性。其中，文献[5, 28—29]利用AVHRR/NOAA红外亮温数据，对中国西部断裂如南北地震构造带、东昆仑断裂带、玛尼-玉树-鲜水河断裂带、阿尔金断裂带等进行了系统研究。结果表明：与断层活动有关的地表亮温高值区往往与随后的强震活动区相符，其升温时期往往与地震活跃期相符。但是，因红外亮温受云雨影响，在全覆盖、连续观测与异常精准识别方面还存在一定困难。
1.2 微波亮温与长波辐射数据应用除卫星红外亮温外，中国地震局、美国查普曼大学等单位的研究人员[30-32]还将气象领域常用的OLR(一种由卫星遥感反演得到的地球表面、大气和云层向外层空间发射的长波红外辐射)数据引入到地震热异常研究中，发现了地震前的OLR异常增强现象。此外，在卫星微波亮温方面，也取得了较好的应用效果，如：日本宇航研发机构(JAXA)的研究人员使用美国地球观测系统EOS-AQUA卫星搭载的先进微波扫描辐射计AMSR-E的观测数据，率先分析了地震构造活动导致的微波辐射异常现象[33-34]；文献[35]使用AMSR-E/EOS数据，检测分析了2010年玉树地震前岩石破裂引起的微波辐射异常；文献[36]提出了分析提取微波辐射地震异常的“两步法”，可消除地形地貌、局部气象条件等非地震因素的影响。
1.3 对地观测同化数据应用近年，融合了多种对地观测和模拟模型的同化数据[37-38]也在地震遥感异常分析中得到重视。文献[39]将美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction, NCEP)的同化资料引入到地震热异常研究中，为云雨天气条件下的卫星红外遥感失效提供了重要补充；文献[40]使用NCEP同化资料的SLHF，分析了印度5次地震前的地表潜热变化，发现沿海地区强震前普遍存在SLHF异常; 随后，文献[41]跟踪验证了这一现象；文献[42—43]聚焦中国内陆强震前的SLHF变化，分析发现内陆地震前也有SLHF异常，并认为这可能与震区附近存在大规模水体有关。
1.4 多源数据综合应用本世纪初以来，随着对地观测技术的快速发展和遥感数据的多源化，除红外、微波之外的其他遥感参数也在地震异常分析中得到重视。尤其2008年汶川地震后，多参数关联性分析成为地震热异常遥感研究的重要思路。例如，文献[44]使用搭载于AQUA卫星的AIRS与AMSU传感器的气温、地表温度、相对湿度等数据，以及搭载于DMSP卫星的微波辐射成像计SSM/I的微波亮温数据，综合分析了汶川地震前的多参数热异常；文献[45]分析了汶川地震前的OLR、SLHF、气温等热参数异常变化；文献[46]研究发现2010年新西兰坎特伯雷地震及2011年新西兰克莱斯特彻奇地震之前，从卫星遥感同化资料均发现了在震区附近出现了局部土壤湿度、SLHF及地表气温异常；文献[47—48]使用多种遥感参数识别分析了2008年中国于田地震、2008年中国汶川地震、2009年意大利拉奎拉地震前的多参数热异常特征。
2 地震异常分析方法回顾与进展地震异常具有“强干扰背景、弱变化信息”的特点，如何排除非震因素的复杂干扰而从遥感数据中有效提取断裂活动及孕震过程导致的热异常信息，是一个经典难题。近30年来，地震热异常遥感分析方法及模型不断发展和完善。总结相关研究成果，可将其概括为3个发展阶段，即目视解译定性分析阶段、图像处理定量分析阶段、多参数时空关联分析阶段。
2.1 目视解译定性分析阶段上世纪末之前的地震热异常遥感分析主要采用目视解译法，即对热红外卫星影像进行假彩色合成，根据不同地物的热辐射特征差异及卫星热像进行目视判读。这一阶段，以上世纪90年代前苏联/俄罗斯、中国为主。通过对卫星红外热像的目视解译，定性分析并总结得到了地震前热红外异常的一般性特征[6-14]：① 震级大于5级的地震前一般存在热像异常；② 热像异常呈现突变性特征，一般在地震前几天至几十天内突然出现，并持续数日；③ 地震震级与热像异常幅度、异常区面积呈正相关，但无明确的定量关系；④ 热像异常区的空间分布与震区断裂构造有紧密关系；⑤ 地震震中位置一般位于热像异常区随时间运动迁移的前缘或其前锋与地震带、活动构造带的交汇区，或是孤立异常的凹陷部位。总之，该方法对地震地质、气象云图等多学科知识综合运用的经验要求很高，多用于定性研究，且存在主观臆断的可能。
2.2 图像处理定量分析阶段本世纪的最初10年，随着遥感图像变化检测技术的快速发展，产生了背景场差值分析和卫星数据鲁棒分析技术(robust satellite data analysis technique，RST)等新的地震热异常分析方法。背景场差值分析是通过计算震前温度数据与背景场温度数据的差值，来定量分析孕震区温度的相对变化情况。该方法的优点是考虑了非震年份地表温度的时空分布特征，可获取地震年份异常区面积及其增温幅度；缺点是背景场选取的时空不确定性较大，根据不同的背景场会得到不同的结果。例如，文献[8, 24]用2002、2003年的数据做背景场计算陆地地表温度(land surface temperature, LST)差，分析了2001年印度古吉拉特地震前的热异常，发现地震前6 d在震中附近200 km范围内构造断层区域出现了异常增温；文献[22]用2000—2004年的年均值作背景场计算LST差，分析了2005年巴基斯坦克什米尔地震前的热异常。文献[49]分析指出，在使用背景场差值法分析地震热异常时，要考虑云覆盖像元及邻近轨道拼接误差引起的异常误判。通过选取长时间序列的非地震年数据来构建背景场，以此消除气候气象、地形地貌等非震因素的影响，可在一定程度上克服背景场选取的随意性。例如，文献[50]使用30年的同化资料作为背景场，分析发现2012年意大利北部两次地震前5 d、8 d在震中附近出现了温度异常热点；文献[51]针对全球范围内发生的典型震例，按照不同的空间位置、不同季节、不同震级、不同震源深度分别建立红外背景场，开展了地震热异常的时空统计分析；文献[26—27]针对AVHRR/NOAA图像提出一种称之为RAT(Robust AVHHRR techniques)的多时相遥感统计方法，分析了印度、希腊、土耳其、意大利等国家的地震热异常，并将此推广到其他的卫星遥感数据，称之为RST、RETIRA(robust estimator of TIR anomalies)方法。文献[52—53]在RST基础上，提出了一种基于参考基准场的震前热红外遥感定量分析模型与异常识别方法。
此外，文献[54]使用涡度法分析了震前OLR异常，该方法的原理是将遥感图像中每个像元的数据与其相邻像元数据进行差值处理，得到OLR空间分布的涡度图像。文献[55]基于热传导与热辐射的时间差异，提出了反映地下热异常的指标—“透热指数”来消除天气因素的干扰，其原理是利用基岩、土壤或植被等地物因热惯量、热扩散率差异导致的对地下热信号响应的时间差别，而从地表温度信号中提取地下的热异常。文献[56]使用欧洲静止卫星SEVIRI/MSG的高时间分辨率LST数据，通过线性回归计算夜间热梯度(night thermal gradient，NTG)，并以此定量表征热异常信号，分析识别了2009年意大利拉奎拉地震前与发震断裂密切相关的热异常的空间分布细节。
与此同时，小波分析法、功率谱法、鞅理论等信号处理与统计方法也逐渐在该领域得到应用。例如，文献[57—60]利用小波分析法分别分析了地震前的红外亮温、OLR、SLHF和气温参数。该方法的原理是通过小波变换，将热参数信息的时间域信号转化为频率域信号，根据影响热参数的不同因素在不同频带的能量差异而检测出与地震相关的信号。文献[61—62]将功率谱法应用到VISSR/FY-2静止卫星数据中开展了多个震例分析，得到了较好效果。该方法的原理是利用波形数据处理中的功率谱法获得优势频率和幅值，并通过分析地震前后温度变化的功率谱差异来识别与孕震过程相关的遥感热异常。文献[63]使用概率统计理论中的鞅理论，分析识别了2008年汶川地震6 d前的OLR异常。
2.3 多参数时空关联分析阶段近10年，诞生了地震异常多参数时空关联分析方法。地面温度是地表能量平衡系统中多因素共同作用的结果，地面温度、红外亮温、微波亮温、OLR、SLHF等多个热参数之间存在密切的物理联系。例如，地表因吸收各种辐射而增温，以及地表因自身发生热辐射而降温，这些过程均首先从地表开始，然后通过土壤传导到土壤深层；地表水分通过蒸发逸向空中，带走潜热，引起地面温度的降低；红外亮温、微波亮温、OLR是下垫面物理温度在不同波段的反映，其值与地面物理温度密切相关。可见，多个热参数之间存在复杂的共生或因果关系，需要综合分析其时间、空间、强度变化及其与断裂活动及孕震过程的关系。尽管文献[44—45]分别使用多源遥感数据，分析了汶川震前的地表温度、微波亮温、SLHF等多个热参数变化，但是各参数之间的时空关联性分析不够。文献[47]提出了地震异常遥感观测多参数协同识别的偏离度-时间-空间准则(deviation-time-space，DTS准则)，即：① 异常强度的偏离度准则(D准则-由于气候气象、地形地貌、地表覆盖等因素综合影响，每个观测参数均存在特定的周期性变化和有限的随机性变化(方差))，当某天的观测值与总体趋势值之差超过了某倍方差值(一般取2倍方差)，则可判断为一次潜在异常的时间点；② 时间同步窗口准则(T准则)-虽然不同地震之前出现异常的参数个数可能不同，但一般会在地震前若干天的时间窗口内集中出现，即不同的观测参数出现异常的时间点具有准同步性；③ 空间邻近性准则(S准则)-受孕震构造及活动断裂控制，遥感异常区与地震孕震区必然存在客观的空间联系，即不同参数的异常区应集中出现在某一相邻区域或沿某一断裂带展布。基于DTS准则，文献[64]具体提出了热异常分析DTS-T(基于DTS的thermal异常)方法及其技术流程；进一步，为评估热异常识别的可靠性，建立了地震热异常定量评估指标(reliability index)。
地震孕育和发生过程，不仅可能改变地表热能及热辐射的空间分布状况，而且可能引起大气层上部的电离层扰动[65-73]。近年，地震热异常与电离层扰动现象的多参数关联分析也引起了高度关注。例如，文献[74]比较了2003年日本8.3级地震前大气潜热与电离层低频电波信号的变化情况，发现前后2—3 d内两者出现了准同步异常；文献[75]发现2003年墨西哥7.8级地震前3 d出现了同步的大气潜热与电离层总电子含量(total electron content，TEC)异常变化；文献[76]使用多年的卫星遥感同化资料和DEMETER电磁卫星资料，分析揭示了2007年普洱地震前11 d、10 d分别在孕震区附近出现了明显的大气潜热与电离层参数(electron density, ED)局部异常增强现象；文献[77]分析发现2010年玉树地震前6 d、5 d分别在孕震区附近出现了明显的大气潜热与电离层能量谱密度(power spectrum density，PSD)局部异常增强。我国首颗自主研发的电磁监测试验卫星“张衡一号”即将发射入轨并投入使用，热参数遥感异常及电离层原位扰动的关联性分析，将成为地震遥感异常多参数、多维时空关联分析的重要内容，也将为断裂活动及孕震过程同源耦合效应下的异常机理研究提供重要支撑。
3 机理认知回顾与进展为科学解释断裂活动及孕震过程遥感热异常产生的物理机制，国内外学者通过空气电场观测试验、岩石加载辐射监测试验等多种手段，对热异常现象产生的机理开展了探索性研究，先后提出了地球放气、应力致热、地壳岩石电池转换、氡衰变潜热释放、多圈层耦合效应等理论学说。
3.1 地球放气说最早报道地震卫星红外异常的前苏联学者认为[4]：孕震区震前遥感热异常现象可能与震前断裂活动导致的断层上方近地表大气成分的改变有关。由于震前构造活动加剧，区域内岩石和地表的微破裂张开，使得地下封闭的气体如H2、CO、CO2、CH4、Rn等气体沿裂隙通道逸出地面。在大气电场作用下，温室气体将出现增温效应。文献[78—79]通过CO2、CH4等混合气体的电场试验证明，在太阳辐照和瞬变电场作用下可引起3~6℃的增温；文献[80—81]进行了几十次不同电场强度下不同气体的增温效应的观测对比试验，认为地震短临热红外辐射增强的原因是太阳辐照下大气电场变化诱导气体激化产生红外辐射。文献[82]通过试验证明热红外温度异常与太阳照射、大气电场、大气成分密切相关，非极性气体如CO2、CH4的含量越高，则增温越大，而极性气体如水蒸气则相反；CO2、CH4含量高的大气，其增温远远超过单纯由温室效应引起的增温，其幅度可达10℃。文献[83—84]则认为，由于地震前地壳逸出物(氡、惰性气体和金属气溶胶等)的化学反应改变了大气边界层的电导率，进而产生了附加大气电场，激发了红外电磁波辐射。文献[13, 16]认为在构造应力作用下，震前深部地下流体可沿断裂、裂缝向上传输，并在地下分解为水和气体(CH4、CO2、Rn等)，一方面引起了温泉和表层水的离子含量、水温变化，另一方面通过热对流、热辐射等方式改变地表温度及近地表气温。尽管地球放气假说已有部分试验证明，也得到了较多原位观测的验证(有例外)，但其对断裂活动及孕震过程遥感热异常产生机制的充要性还有待研究。
3.2 应力致热说文献[85—86]通过岩石加载模拟试验，观测了走滑型和破裂型两种不同地震类型的温度异常前兆特征，认为地震前出现的热异常是因地壳应力作用使得机械能转化为热能，并通过岩石中的孔隙和震前的微小破裂而传输到地面。文献[89—90]开展了多种加载方式下煤系岩石的红外辐射观测试验。2000年，文献[91]正式阐明了遥感岩石力学(remote sensing rock mechanics，RSRM)的定义、内涵和基本框架。随后，文献[92]总结梳理了RSRM多年的研究成果，并提出了未来发展的两个主要方向。此后十多年，文献[93—105]以非连续组合断层、断层双剪粘滑、交汇断层粘滑、岩石压剪刀破裂等多种构造地震孕震机制为模拟对象，利用双轴加载试验系统、红外热像仪、微波辐射仪和声发射仪等开展了大量的基础试验研究；与此同时，文献[106—109]也开展了岩石加载红外辐射观测试验工作。
3.3 地壳岩石电池转换说位于地壳深部的岩石通常被认为是绝缘体，但美国NASA Ames研究中心的科学家FRIEDEMANN T F从火成岩加载过程的电位观测发现，岩样远端未加载部分存在正电荷集聚现象。据此，文献[110—115]提出岩石矿物一阶氧离子对(O--O-)破断与电子捕获、酸根离子亚晶格(即岩石孔隙正电荷P-Hole)激活迁移的P-Hole模型，构建了岩石材料受力电流激发(类电解质模式的岩石电池转换)、岩石表面正电荷集聚、空气电离的响应链条。利用P-Hole响应链条，可解释部分地震的异常前兆现象，如低频电磁辐射、电离层等离子体密度变化、井水水位变化、动物异常等；也可在一定程度上解释地下震源与地表遥感异常之间、地表震中与地表热异常之间存在空间位置差异的原因。
3.4 氡衰变潜热释放与多圈层耦合效应说地壳岩石及地表土壤层的孔隙中封闭有一定量的辐射性氡气(222Rn)，构造应力作用下地下岩层及土体开裂会促使氡气与其他流体一起沿贯通性裂缝逃逸出地表。文献[75]认为：强震前来自活动断裂的逸出氡衰变后产生的高能α粒子，可引起断裂活动区上方近地表大气分子电离、边界层大气垂直电场变化以及区域电离层异常，并成为低层大气水汽凝结核而导致潜热释放和大气增温。文献[116]报道了2003年6月9日土耳其地震前出现的土壤氡气和气温的准同步异常变化现象，佐证了其提出的氡衰变释放潜热的假说。之后，震前氡异常的观测结果和分析研究多有报道。进一步，俄罗斯、日本、美国等国学者[117-118]，以氡衰变引发空气电离而释放潜热、改变近地面大气电场为主要物理过程，提出了岩石圈-大气层-电离层(lithosphere-atmosphere-ionosphere, LAI)多圈层耦合效应，试图以此解释地震前多种异常现象的机理，并在国际地震火山电磁方法研讨会(Workshop on Electromagnetic Studies of Earthquakes and Volcanoes)、欧洲地球科学联盟年会(EGU General Assembly)等系列学术会议上进行了广泛讨论。
4 攻关重点展望总体而言，上世纪80年代末开始的断裂活动及孕震过程遥感热异常分析，迄今已取得丰硕成果。虽然这些关于孕震过程的遥感异常研究多是震后进行的(非监测预测性)，但从科学层面揭示了客观现象、探索了自然规律，为攻克地震监测预报这一世界性难题奠定了遥感科学基础。非震因素的扣除及地震异常的可靠识别是断裂活动及孕震过程遥感热异常研究的关键技术，未来仍是挑战性问题。近年，以美国Suomi NPP极轨卫星、欧洲第2代静止轨道气象卫星(MSG)、日本Himawari-8静止卫星、我国风云四号卫星(FY-4) 为代表的新一代气象卫星系统的相继投入应用，以及随着地震台站、地面与高空气象站观测网络的持续加密，越来越多高时空分辨率的空天地观测数据可用于地震异常研究和地球感知分析。这些多源的地球观测数据的持续获取与关联使用，为非震因素扣除及地震异常识别提供了新的途径。总结过去的经验与难题，提出以下3项未来攻关重点方向：
4.1 面向典型活动构造区的遥感监测识别在研究实践方面，国内外大量震例分析表明：并非所有地震前都有可识别的遥感异常现象，不同地区甚至同一地区不同时段出现的异常也有所不同，遥感异常幅度与地震震级之前并不是线性关系，等等。以往研究者多倾向于选择致灾影响较大、遥感异常显著的典型震例进行分析，未能充分顾及构造活动的空间关联性、孕震过程的发育阶段性和辐射传输的反演复杂性。未来应以典型活动构造区为例进行重点研究，顾及其地质构造、地层岩性、地形地貌、地表覆盖、气象条件等影响因素，将其划分为若干子区，整理各子区长期以来5.5级以上地震的遥感相关信息和多时空尺度的辐射背景场，并从构造区块的特殊性角度，去系统、深入地研究孕震过程与异常时间、空间、强度的关联性指标及其遥感前兆模型。
4.2 基于地球系统地震响应的遥感异常理解在科学认知层面，要面向断裂活动及地震孕育发生的时空过程，深化提升地震前地球系统多圈层耦合的机理认识。近年，国际上试图用LAI耦合效应，从地球系统科学角度来探讨震前多参数异常现象及其机理。顾及地表不同盖层(coversphere, 即介于地球岩石圈与大气圈之间的水体、冰雪、土壤、沙漠、植被等地表覆盖层)的纽带作用及其对卫星遥感信号的重要影响，文献[47]特别指出了盖层对地气耦合、辐射传输及遥感反演的重要性，并建议以岩石圈-盖层-大气层-电离层(LCAI)耦合为统一框架去综合分析多个热异常参数和地球系统地震响应，去理解和揭示多参数异常的因果关系与尺度联系。但是，基于地球系统地震响应的多圈层耦合机理还有待完善，一些关键性耦合机制及时空链条尚不清楚。
4.3 空天地立体观测数据的时空关联分析在技术方法层面，要在GEOSS框架之下，充分耦合大气、海洋、陆地及地球物理卫星系列的观测能力，强化卫星遥感综合应用及空天地对地观测大数据分析。文献[119]认为前兆异常将随着地震临近而趋于增多，因此，时间同步窗口识别是多参数时空关联分析的关键，是地震遥感异常可靠性检验的重要准则，应努力在遥感大数据时空关联分析技术方面寻求突破。此外，空天地立体观测数据是构造活动及孕震过程中地球系统地震响应在岩石圈、地表、海洋、大气层、电离层的投射，需要顾及地球系统在球体空间中的多圈层耦合过程，进行多维动态时空关联分析。
5 结语构造活动及孕震过程的卫星遥感分析研究任重道远，一些已报道的地震遥感异常现象还有待进一步甄别。地球感知、认知及预知极富挑战，是地球科学的永恒主题；地震遥感异常智能识别与可靠性验证至关重要，是卫星遥感地震应用的核心议题；地震遥感监测预报，是多学科交叉融合的重要舞台。在科技政策方面，未来应持续加强机构协作和国际化密切合作，充分发挥空天地协同观测能力，努力提升对地观测数据资源的共享利用效能，更好地服务于地震减灾防灾和人类社会可持续发展。在学科领域方面，要切实加强院校联合和多学科深度融合，共同提升空天地观测数据的时空关联分析水平，强化地震异常遥感识别及地震过程认知预知能力，共同攀登构造活动及地震热异常遥感观测的新高峰。
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