2021, Vol. 41
关于地震与热辐射的研究开始于20世纪80年代。强祖基等[1]认为，热红外异常是由于地震时构造板块间的摩擦使岩体内的温室气体沿断裂缝隙逸出所致，也称作“地球放气”，惰性气体被低空电场电离后形成了各种波段的红外光。国内外学者对某个地区的单次地震都进行了很好的震例总结[1-7]，但针对某个地区连续相当震级的地震前后热红外异常特征的研究较少。吉林松原连续3 a发生了2017-07-23 MS4.9、2018-05-28 MS5.7和2019-05-18 MS5.1地震，为研究松原地区地震前后热红外异常特征提供了必要的条件。同时，松原地区又属于松辽盆地，盆地内油气资源丰富，基于此，本文利用小波变换和相对功率谱估计法对松原地区3次地震前后的卫星热红外亮温数据进行处理，分析并讨论异常演化的过程及区别。
1 热红外亮温数据卫星热红外遥感仪器观测的是地物的热辐射强度，经处理后可获得辐射温度[8]，为区分物体的真实辐射温度，将计算的辐射温度称为亮温。本文使用中国静止气象卫星FY-2C/E/G亮温小时数据产品(数据来源于中国气象局国家卫星气象中心)，选择的有效数据起止时间为2012-01-01~2020-01-01，为避免太阳直射对数据的干扰，通常选择北京时间凌晨1~5点整点观测数据，利用这5个时次的5幅观测数据，采用补窗法获得当天的1幅日值数据，形成亮温日值数据[8]。
2 数据处理及结果 2.1 小波变换有限时间序列的小波变换公式为：
| $ W_{\psi} f(a, b)=\frac{1}{\sqrt{a}} \int_{-\infty}^{\infty} f(t) \psi\left(\frac{t-b}{a}\right) \mathrm{d} t $ | (1) |
式中, f(t)为原始信号；Wψf(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；
以2018-05-28松原MS5.7地震为例，图 1给出震中(45.27°N，124.71°E)处2016~2019年的原始亮温(brightness temperature，BT)值(图 1(a))及小波变换后的信息(图 1(b)为2阶小波尺度部分)。可以看出，7阶小波尺度部分(图 1(d))的年变特征突出，因此可将地球年变温度场等长周期成分通过去除7阶小波尺度部分来消除影响，图 1(c)为通过去除2阶小波细节部分来消除云雨等温度的微变，处理后的数据为亮温数据(图 1(e))。
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图 1 经小波变换的热红外亮温数据信息分离 Fig. 1 Divorcing information of wavelet transformation with thermal infrared brightness temperature data |
本文的功率谱估计法参考了Welch算法，对N个长度的数据进行分段，再对每段数据加窗求FFT，最后计算各段功率谱的均值[9]。具体计算式为：
| $ \begin{gathered} \overline{P_{x}(w)}=\frac{1}{L} \sum\limits_{i=1}^{L} \frac{1}{M U}\left|\sum\limits_{n=0}^{M-1} x_{i}(n) w(n) \mathrm{e}^{-\mathrm{j} u n}\right|^{2}, \\ i=1, \cdots L \end{gathered} $ | (2) |
式中，
对卫星亮温数据经小波变换后再计算功率谱，以n=64 d为窗长、m=1 d为滑动窗长作FFT，可以得到每个像元的一组功率谱，再对其进行幅值的相对处理，最后得到各像元的相对功率谱值，功率谱计算及相对处理过程见文献[9-10]。
2.3 结果与分析 2.3.1 松原MS4.9地震热红外时空变化2017-07-23松原发生MS4.9地震，震源深度为12 km，震中为45.3°N、124.81°E。通过对地震前的日常资料(图 2)扫描分析发现，2017-06-01以来5频段小波相对功率谱逐渐升高，06-20高值区域面积扩大，07-05幅值、面积达到最大值，随后逐渐衰减，07-23发震至07-27高值基本消失，异常持续1个多月。分析此次地震前后热红外异常的时空演化发现，热红外亮温资料的相对功率谱出现显著异常，异常变化持续时间较长，震前出现热红外异常的区域面积相对较大，形态较突出，异常过程表现为异常出现-增强-达到极大值-衰减-发震-异常消失，与岩石实验结果相似[10]，即红外辐射呈初始阶段变化很小、弹性阶段缓慢增加、异常值由最大值逐步恢复至正常背景值的过程，在峰值后第18 d即07-23，在异常区域边缘发生松原MS4.9地震。
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图 2 2017-07-23松原MS4.9地震前后5频段亮温相对功率谱异常时空演化 Fig. 2 Time-space evolution of the 4.9 band RWPS anomalies before Songyuan earthquake on July 23, 2017 |
从构造空间来看，本次异常最初出现在依兰-伊通断裂和密山-敦化断裂交汇处，于06-20沿依兰-伊通断裂和密山-敦化断裂走向逐渐扩展，异常整体也显示为增强趋势，与郯庐断裂带北段的展布一致，主要分布于松辽盆地东部边缘。07-15以后异常伴随着面积收缩，到07-23发震后异常面积仍呈缩小趋势，07-27后异常消失。本次地震前后的热辐射异常空间演化经历了从依兰-伊通断裂和密山-敦化断裂交汇处扩展到松辽盆地、最后收缩于依兰-伊通断裂和密山-敦化断裂交汇处的过程。异常随时间的演变可能与应力的积累变化过程有关，应力持续变化导致地热资源丰富的区域逸出气体增多[11]，可能是该相似性出现的原因。
2.3.2 松原MS5.7地震热红外时空变化2018-05-28松原发生MS5.7地震，震源深度为10 km，震中为45.27°N、124.71°E。通过对地震前的日常资料(图 3)扫描分析发现，2018-05-25以来5频段小波相对功率谱逐渐升高，05-27高值区域面积扩大，06-12幅值、面积达到最大值，随后逐渐衰减，06-17基本消失。分析此次地震前后热红外异常的时空演化发现，热红外亮温资料的相对功率谱出现异常变化持续仅3 d就发生了地震，出现热红外异常的最大区域面积是在地震后的12 d，异常过程表现为异常出现-增强-发震-达到极大值-衰减-异常消失。从构造空间来看，本次异常最早出现在依兰-伊通断裂和第二松花江断裂的交汇处，于05-27沿第二松花江断裂走向逐渐扩展，异常整体也显示为增强趋势，与郯庐断裂带北段的展布一致，主要分布于松辽盆地东南部边缘。
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图 3 2018-05-28松原MS5.7地震前后5频段亮温相对功率谱异常时空演化 Fig. 3 Time-space evolution of the 5.7 band RWPS anomalies before Songyuan earthquake on May 28, 2018 |
2018-05-28松原发生MS5.7地震，震源深度为10 km，震中为45.30°N、124.75°E。在地震前的日常资料扫描中没有提取到亮温异常。
2.3.4 地震热红外亮温平均谱值时序曲线特征热红外异常区的平均谱值时序曲线能够反映异常持续时间及相对变化率，由2次地震重合的异常显著区域在2012~2020年44.0°~44.5°N、128°~128.5°E范围内的相对功率谱均值(图 4)可知：1)2017-07-23 MS4.9地震前相对功率谱幅值大于4的开始时间是06-19，持续32 d后于07-21幅值降低至1.62，07-23地震发生当天的幅值为0.63，地震后幅值恢复至背景水平；2)2018-05-28 MS5.7地震前相对功率谱幅值大于4的开始时间是05-10，持续38 d后于06-17幅值降低至3.25，05-28地震发生当天的幅值为5.43。
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图 4 异常区小范围的相对功率谱平均值时序曲线 Fig. 4 Time series curve of relative power spectrum average value in a small range of abnormal area |
根据异常区的功率谱平均值时序曲线可知，2017-07-23 MS4.9地震是在异常峰值下降至正常范围的过程中发生的，而2018-05-28 MS5.7地震是在异常峰值之前发生的。通过以往的震例结果及相关判断经验推断，2次地震在幅值不同阶段发震可能与震中地区应力积累的速率相关。
3 对盆地效应的探讨 3.1 松原地区地质概况松原地区地处吉林省西北部，属于平原地貌，其地质构造属于郯庐断裂带北段及松辽盆地中央凹陷带(图 5，图中红色实心圆代表 3次松原地震区域，蓝色椭圆代表热红外亮温异常出现的区域)。郯庐断裂带是中国东部中新生代以来长期活动的深大断裂，长约2 400 km，其北段(肇兴-昌图段)从松原地区东侧穿过，北起黑龙江肇兴县，南至辽宁昌图县，走向NE 40°~45°，延伸约800 km，分依兰-伊通断裂和密山-敦化断裂两条主干断裂。松原地区周边断裂主要包括扶余-肇东断裂、扶余北断裂、第二松花江断裂、孤店断裂及查花干-道子井断裂，地处松嫩平原腹地，地表主要是厚度为80~100 m的第四系松散沉积物[12-13]。地震导致松原地区地表沉积物出现液化现象[14]，应力薄弱带甚至有砂火山喷发的迹象。
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图 5 松辽盆地地形图 Fig. 5 Topographic map of Songliao basin |
强祖基等[1]研究发现，富含油气区的热红外异常更容易被识别；郭卫英等[2]研究发现，2003年伽师-巴楚MS6.8地震前热红外在塔里木盆地西边缘异常明显；张丽峰等[9]研究发现，2017年九寨沟MS7.0地震前热红外异常的分布与汶川地震前相似，都是沿着四川盆地的边缘展布。这些研究都表明，地热、油气等自然资源含量丰富的盆地可能与震前观测到的热幅射异常有一定关联。松辽盆地的北部油气资源非常丰富[15-16]，地质环境复杂，岩体结构发育，孕震前后应力的调整使得盆地周缘的岩体裂隙通道扩张或收缩，进而加速了天然气或温室气体的释放。由图 5可以看出，吉林松原2018-05-28 MS5.7地震和2017-07-23 MS4.9地震前的热红外亮温异常也出现在海拔大于400 m的松辽盆地边缘位置。
4 结语本文以静止卫星资料为数据源，应用小波变换和功率谱估计法对松原地区2017-07-23 MS4.9地震、2018-05-28 MS5.7地震和2019-05-18 MS5.1地震的热辐射异常进行研究。结果显示，前2次地震有明显的热辐射异常存在，其空间展布与郯庐断裂带北段走向一致，主要分布在油气资源丰富的松辽盆地东部边缘；2次地震热辐射异常的最大面积大致相当，约为1.9×105 km2；2次地震都发生在增温区域的西部边缘，震前的热辐射异常都从盆地的东部边缘开始扩展，原因可能是盆地东部边缘的油气含量更高、断裂更加发育，有利于温室气体的释放。2019-05-18 MS5.1地震前后热辐射强度表现为正常水平，可能是盆地内二氧化碳和甲烷等温室气体在前2次地震前后已经得到了最大量的释放。
地震时序演化特征显示，2017-07-23 MS4.9和2018-05-28 MS5.7地震的相对功率谱异常幅值超过了均值的2倍；2017-07-23 MS4.9地震的相对功率谱幅值的异常持续时间长达32 d，地震发生在幅值下降时段；2018-05-28 MS5.7地震的相对功率谱的异常持续时间为38 d，地震发生在幅值上升的过程中。
综合异常分析结果可知，松原地区热红外亮温异常跟以往国内研究的震例相似：1)异常在盆地的边缘分布；2)地震的震中不在异常区内；3)在辐射增强或减弱的过程中，地震都有可能发生。
致谢: 热红外亮温资料由中国气象局国家卫星气象中心提供，甘肃省地震局张元生研究员提供了热红外数据分析计算软件，在此一并表示感谢！
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