CH₄与地震和构造活动关系密切，其释放量能反应出地震和构造的活动强度，是构造活动地区地震监测的重要参数(Toutain and Baubron, 1999)。大量观测数据表明，地震前后水体(高小其等，2001；周晓成等，2012)、土壤(Li et al., 2009；周晓成等，2012)、大气(崔月菊等, 2016a, 2016b)中普遍存在CH₄异常。利用AIRS数据对汶川Ms8.0地震前后的CH₄总含量(崔月菊等, 2016a, 2016b)和芦山M_S7.0地震前龙门山地区CH₄浓度(王杰等，2013)的变化研究表明，地震前后大气中的CH₄浓度变化与地震和构造活动有成因联系(王杰等，2015)。

CO也是地震监测的前兆参数之一。Singh等(2010)利用MOPITT卫星数据分析了不同高度的CO浓度变化，发现古吉拉特(Gujarat)7.6级地震前几天CO浓度增强，指出CO气体应该是地震前兆信息，是地震前应力增加导致的CO排放，同时认为该地震前几天的地表温度异常增高也跟CO排放有关。此外，利用AIRS卫星数据研究了2004年12月26日苏门答腊8.9级地震(孙玉涛等，2014)、2010年下加利福尼亚7.2级地震(崔月菊等，2011；Cui et al., 2013)和汶川地震前后的CO总量(崔月菊等，2016b)变化，表明卫星遥感技术监测大气中的CO变化可以应用到地震监测领域。

2008年5月12日汶川M_S8.0地震(震中31.0°N，103.4°E)发生在龙门山断裂带上，形成了约300 km的地表破裂带(张培震等，2008；Fu et al., 2011)，向大气中释放了大量的温室气体(王成善等，2009；Zhou et al., 2010；张景廉等，2011；岳中琦，2013；Zheng et al., 2013；崔月菊等，2016a；b)，引起了国内外学者的广泛关注。2013年4月20日芦山Ms 7.0地震震中(30.3°N，103.0°E)与汶川地震震中相距85 km，也是发生在龙门山断裂带上(周永胜和何昌荣，2009；刘杰等，2013)。短时间内在同一条断裂带连续发生两次7级以上大地震，是各种地震前兆研究的难得震例。

本文采用卫星高光谱传感器监测到的大气CH₄和CO总含量数据，利用差值和异常指数2种方法研究了汶川和芦山两次大地震前后大气CH₄和CO变化，分析了异常与地震活动和断裂构造的关系和其反映的两次大地震之间的联系。

研究用CH₄和CO数据均选自美国宇航局(National Aeronautical Space Agency，简写为NASA)地观测卫星Aqua上搭载的大气红外探测器AIRS(Atmospheric Infrared Sounder，简写为AIRS)感器的降轨数据。NASA的戈德地球科学数据和信息服务中心提供的标准产品数据包含了CH₄和CO总含量参数(http://disc.sci.gsfc.nasa.gov)。CH₄和CO总含量数据为空间分辨率1.0×1.0°的经纬度格网化数据，有升轨(白天)和降轨(晚上)2种模式，几乎可以实现全球一天两次覆盖(Aumann et al., 2003; Won，2008)。AIRS分别利用7.66 μm和4.58~4.50 μm的震动转换波谱，采用SVD(Singular Value Decomposition)方法对大气中的CH₄和CO浓度进行反演(Barnet et al., 2003; Xiong et al., 2008; McMillan et al., 2005)。

本文选择2种异常提取方法对数据进行研究。一种异常定义为地震当前时刻的气体浓度值与背景值的差值(A，式1)，可以直观反映异常的绝对变化量；另一种定义为异常指数(A_index)，异常差值(式1)与标准偏差(式4)之比(式2)，类似于热异常的定义(Tramutoli et al., 2001；Ouzounov et al., 2007)。异常指数可以表征特定空间位置和时间的气体异常幅度，判断异常的可靠性。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：G表示当前气体含量值，G_bac(x，y，t)为计算的平均背景场值，定义为N年(N=10，取2003~2012年)经度x，纬度y像元在t月的气体含量的月平均值。σ(x，y，t)为同一位置、同一时刻对应的标准偏差。与地震有关的异常一般认为出现在地震前后的震中、断裂带交汇处或者沿断裂带呈线性分布，置信水平取+2σ，也就是A_index>2，异常可靠性达到95.44%。

汶川地震和芦山地震前后采用差值法和异常指数法获取的地震相关的大气CH₄和CO总含量异常特征见表 1。

表 1

表 1 汶川和芦山地震相关的大气CH4和CO异常特征 Table 1 Characteristics of atmospheric CH4 and CO anomaly related to the Wenchuan and Lushan earthquakes 地震名称 方法 CH4异常特征 CO异常特征 时间 空间 最大幅度 时间 空间 最大幅度 汶川 A 5月 沿NE和NW向断裂带呈线性分布；双环形极值 6.4×1017 5月 沿北东和北西向断裂带呈线性分布；断裂交汇部位异常最强 6.0×1016 A_index 5月 1.5 5月 1.6 芦山 A 1~3月 震中呈外低内高的环形分布 1.4×1018 1~2月 沿北西向断裂带呈线性分布 1.3×1017 A_index 2月 双环形极值 4.6 1~2月 沿北西向断裂带呈线性分布 2.7 注：A表示差值法；A_index表示异常指数法；差值异常幅度单位为molecules/cm2。

表 1 汶川和芦山地震相关的大气CH4和CO异常特征 Table 1 Characteristics of atmospheric CH4 and CO anomaly related to the Wenchuan and Lushan earthquakes

2008年5月12日汶川地震前后采用差值法和异常指数法提取的CH₄和CO总含量地震异常均出现在地震发生当月(图 1，2)。2种方法获取的CH₄异常在空间上分布特征相似，异常沿北东向龙门山断裂带和北西向荥经一马边断裂带呈线性分布，异常极值在震中西南和东北方向的龙门山断裂带上呈双环形分布，震中西南方向两条断裂带交汇部位异常幅度最大(图 1)。2008年5月CH₄总含量高出背景值6.4×10¹⁷ molecules/cm²，最大异常指数约为1.5 σ。CO弱异常同样沿震中附近的两条主断裂带分布，在两条主断裂交汇部位异常幅度达到最大，为6.0×10¹⁶ molecules/cm²(1.6 σ)，呈外低内高环形分布(表 1)。

图 1

红色星星和线条分别表示震中和断层，黑色线条表示省界，下同 图 1 利用差值法(上，单位molecules/cm2)和异常指数法(下)得到的汶川地震前后CH4总含量异常变化 Figure 1 Variations of total column CH4 anomaly associated with the Wenchuan earthquake extracted by using difference value(Upper, unit: molecules/cm2) and anomaly index(Lower)methods

图 2

图 2 利用差值法(上)和异常指数法(下)得到的汶川地震前后CO总含量异常变化 Figure 2 Variations of total column CO anomaly associated with the Wenchuan earthquake extracted by using difference value(Upper) and anomaly index(Lower)methods

2013年4月20日芦山地震前3个月差值法得到的CH₄总含量在震中附近出现明显的高值异常，呈外低内高的环形分布，越靠近震中异常值越高，最大高出背景值1.4×10¹⁸ molecules/cm²，而异常指数法得到的异常仅出现在地震前的2月份，空间上位于震中西南和东北方向的龙门山断裂带上，最大异常幅度约为4.6 σ(图 3，表 1)。CO异常在地震前的1月份最明显，最多高出背景值1.3×10¹⁶ molecules/cm²，为2.7 σ。2月份2种方法得到的异常都大幅度减弱，空间上位于震中东南方向，沿NW向荥经一马边断裂带呈线性分布，而在龙门山断裂带未发现有CO异常(图 4，表 1)。

图 3

图 3 利用差值法(上)和异常指数法(下)得到的芦山地震前后CH4总含量异常变化 Figure 3 Variations of total column CH4 anomaly associated with the Lushan earthquake extracted by using difference value(Upper) and anomaly index(Lower)methods

图 4

图 4 利用差值法(上)和异常指数法(下)得到的芦山地震前后CO总含量异常变化 Figure 4 Variations of total column CO anomaly associated with the Lushan earthquake extracted by using difference value(Upper) and anomaly index(Lower) methods

汶川地震断裂带科学钻探(WFSD)发现，龙门山断裂带附近地壳中的韧性流变层赋存有大量高温、高压状态的CO₂、CH₄和CO等地质流体(朱永峰，1998；周永胜和何昌荣，2009；刘舒波等，2012)。地震孕育过程中，地壳应力增大，发生形变，迫使地壳及更深部气体沿固有的断裂带或新形成的破裂带向上逸出到大气中(Irwin and Barnes, 1980；王成善等，2009)，导致大气中的CO₂、CH₄和CO等气体出现异常。地球深部CH₄气体在沿断裂带向上逸出的过程中，氧化还原环境发生变化，致使部分CH₄发生氧化转化成CO和CO₂(McConnell et al., 1971; Thompson and Cicerone, 1986)，也会影响大气中的CO变化，因此通常CH₄异常的出现要早于CO异常，持续时间比CO长(图 3、4；崔月菊等，2016b)。反之，大气中的CH₄和CO气体异常的影响因素众多，除了地震和构造活动引起的地下排气外，四川盆地及其周边地区作为大型含油气盆地中含碳的烃类气体(CH₄等)的渗漏，四川盆地西部稻田CH₄的排放，气象变化以及人类活动等也是不可忽视的要素。地震异常在时间和空间分布特征上与非震异常有差异，时间上出现在地震前后，空间上与断裂构造空间分布一致，呈线性分布。非震异常则无这些特征，如图 1中所示的6月份异常就可能是气象、人类活动等非地震因素造成的。

汶川地震前后，龙门山断裂带的地质构造发生变化，导致5年后同一断裂带发生的芦山地震前后的气体异常特征受汶川地震的影响。相对于汶川地震，芦山地震前的CH₄和CO异常出现时间早、持续时间长、异常幅度大。龙门山地区在汶川地震前连续多年没有发生5级以上地震，因其西侧巴颜喀拉地块推挤导致大尺度、长时期、缓慢的地壳应变积累，龙门山断裂带为显著闭锁状态，地壳弹性变形趋于极限而难以发生变形(江在森等，2009)，不利于地下气体沿固有的断裂带释放，所以直到汶川地震临震时(崔月菊等，2016b)，才有少量的CH₄气体释放，汶川地震发生后，断层解锁，地表形成近300 km的破裂带，CH₄沿破裂带释放量增大，导致异常明显，在两条断裂带交汇部位达到最大范围和幅度，然后减弱、消失(图 1、2；崔月菊等，2016b)。而芦山地震发生前，地下气体可沿汶川地震形成的众多破裂向大气中释放，所以芦山地震前3个月就出现了CH₄和CO异常，且异常幅度明显高于汶川地震前形成的异常幅度(图 3、4)。

异常指数可以反映异常的可靠性，置信水平为1σ时，A_index>1，可靠性达到68.27%；置信水平为2σ时，A_index>2，可靠性达到95.44%。汶川地震前后的CO最大异常指数(A_index=1.6)略高于CH₄(A_index=1.5)。因为大气中CH₄浓度体积比约为1700×10^-9(Barnet et al., 2003)，背景含量高，CO浓度体积比通常为50×10^-9~350×10^-9(Barnet et al., 2003)，背景含量低。所以理论上更易监测到CO的相对变化，即CO异常指数高于CH₄。而芦山地震前后的CH₄最大异常指数(A_index=4.6)却远高于CO(A_index=2.7)，可能是汶川地震后该地区破裂程度增大，氧逸度比地震前高，CH₄在释放过程中更多地直接氧化成为CO₂，没有形成CO这个中间产物，反应式为CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O(McConnell et al., 1971; Thompson and Cicerone, 1986)。

差值法可直观反映空间上异常相对于背景值的绝对变化量，其适用性较广。异常指数法考虑了标准偏差，可以反映异常可靠性。标准偏差是基于多年历史数据建立的，如果数据量较少或者变化较大，则得到的标准偏差对异常结果影响就会比较大。因此，异常指数法对用于建立背景场的数据要求较高。

(1) 汶川地震的发生导致龙门山断裂带地区地质构造发生变化，使得芦山地震前后的气体异常受到汶川地震的影响。相对于汶川地震，芦山地震的CH₄和CO异常出现时间早，持续时间长，异常幅度大。

(2) CO来源除地下排气外，还可由CH₄氧化生成。汶川地震后，破裂增多，地下氧逸度增大，使得CH₄直接氧化为CO₂。所以，CO异常指数从汶川地震时大于CH₄到芦山地震时变成小于CH₄。

(3) 差值法反映了异常相对于背景值的绝对变化量，而异常指数法反映了异常可靠性。2种方法得到的地震前后的CH₄和CO异常时间上反映与地震活动关系，空间上与断裂构造空间分布一致，呈线性分布，最大异常位于震中或者断裂交汇处，反映了与构造的关系。