0 引言

在地震孕育与发展过程中，地下深部热物质上涌、地层应力集聚、断层摩擦、岩石微破裂以及温室气体的释放与聚集均可能导致地表温度上升(强祖基等，1992；徐秀登等，2007)，从而使得通过地表温度变化来预测地震成为一种可能。传统的地表温度异常研究主要是利用实测的气温、浅层地温以及中、深层水温等数据，对震中附近局部地区的地表及地下一定深度的热状况进行时空演变分析。这种方法能够较真实地反映局部地区温度异常情况，但难以得到孕震范围内大面积的温度动态演变资料。随着航空航天技术的发展，人们可以利用热红外遥感迅速获得大面积热异常空间图像，连续观测还可描绘每一观测单元温度的变化过程。

最早利用遥感发现震前温度异常的是前苏联的ΓΟΡΗЫЙ BH等(1990)，他们分析红外辐射航片时发现，在1984年中亚地区几次4—5级地震前，活动断裂区出现几万km²、高达几℃的异常增温现象。Tronin(1996)利用10 000景NOAA卫星热红外影像，对中亚地震活动带进行研究，认为：热红外异常的活动性与中亚地震活动带之间具有统计上的相关性。在活动断层上空存在稳定和不稳定的热红外辐射异常，异常增温可达几℃量级，异常形态为线性条带。

中国许多学者也在该领域进行大量探索。强祖基等(1992)使用NOAA卫星红外观测数据，研究1990年4月24日青海共和M_S 7.0地震前出现的大规模地面增温现象。强祖基等(1998)研究发现，地震前7—9天孕震区及周围地区可能出现几万至100多万km²、累积增温2℃—10℃的持续异常。这种异常经常沿断裂构造带向四周成带状、片状展布，在多组断裂构造带的交汇部位异常有显著增强。孔令昌等(2003)对热红外增温的理论基础及与其他异常的关系进行深入探讨，论述了震前地表增温的普遍性。根据这种温度异常，目前已经成功实现某些地区的地震活动性监测(吕琪琦等，2000；解涛等，2013；惠少兴等，2014)。

作为华北地震带的重要组成部分，山东半岛地震活动性近年来有增强趋势，如沂沭带及乳山、长岛海域近年来均有4级以上地震发生。本研究以山东省为研究区域，通过2000—2016年MODIS地表温度数据与活动断层、地震震中等的空间关系，分析地表温度变化与地震活动性之间的关系。

1 研究区发震背景

山东省地处华北板块和扬子板块交界，内陆及沿海分布3条大型活动断裂带，即：中国东部最大规模的郯庐断裂带呈NNE向纵贯山东省中部；渤海—威海断裂带呈NW向穿越渤海直达山东半岛北部，并与郯庐断裂带在渤海中部交汇；NE向聊考断裂带位于山东西部。还有其他规模不等、方向不一的次级断裂活动，特定的地质构造背景决定了山东及其近海是一个地震多发地区，也是华北地震区中、强地震活动频繁的断裂带交汇区(潘素珍等，2015)。有历史地震记载以来，山东及近海共发生5级以上地震70余次，其中20世纪有10次地震发生，公元1668年郯城8.5级地震是中国东部强度最大地震。

2 研究思路

使用2000—2016年地表温度影像，逐栅格计算山东省区域内地表温度变异系数(Coefficient of Variation，CV)，绘制山东省地表温度变异系数分布图，与山东活动断裂带、地震震中等图层进行叠加及缓冲区分析，通过不同区域多年地表温度CV空间统计值，探讨地表温度变化与地震活动性的关系。其中，CV是系列数据标准差与系列数据平均数的比，即

${\rm{CV}} = \frac{1}{{\bar x}}\sqrt {\frac{{\sum {_{i = 1}^n\left( {{x_i} - \bar x} \right)} }}{{n - 1}}} $

(1)

式中，x为诸像元地表温度在2000—2016年的时间平均值；x_i为诸像元每年实际地表温度值；n为年数，在本研究中n= 17。由于CV是反映数据离散程度的无量纲值，若某一地区地表温度CV值大，说明该处地表温度年际变化大，可能是地表温度异常变化区。运用CV可以有效避免不同地区间因纬度、地形、距海远近、地表物质不同造成的温度差异，使不同地区地表温度异常的比较成为可能。

3 数据处理

地表温度影像来自美国地质调查局地表数据存储分发中心网站https://lpdaac.usgs.gov/的MOD11A2数据集，空间分辨率为1 km×1 km，时间分辨率为8天。该数据由MODIS31、32波段获取的地表热红外辐射通过分裂窗算法计算得到，受大气及太阳短波辐射影响较小，能较好反映地层本身的热量状态。本研究使用最大值算法，将每月4景数据合成为月地表温度。考虑到山东省冬季冰雪较多、夏季云量较大，均会对地表温度的精度产生影响，因此选定春季(3—5月)和秋季(9—11月)共6个月的地表温度时间均值作为年度代表地表温度。

山东省活动断裂分布图主要是依据《中国岩石圈动力学地图集》(马杏垣，1989)中的山东地震构造图及相关资料，通过扫描数字化导入ArcGIS软件。地震震中分布图由地震目录导入ArcGIS获取。

具体的数据处理在MRT和ArcGIS软件中实现：①使用MRT软件，将MOD11A2数据集重投影为UTM，以与断裂带、地震、行政区划等图层相匹配；②利用ArcGIS的空间掩膜工具(Mask)，将山东省陆地部分地表温度数据、断层数据、地震震中数据切割出来，并用缓冲区工具(Buffer)计算断裂带缓冲区；③利用ArcGIS的ArcPy模块，编程实现年度代表地表温度、地表温度CV值的逐像元计算；④利用ArcGIS的空间统计工具(zonal statistics)，实现地表温度与其他图层的叠加及空间统计计算。

4 结果与分析

利用ArcGIS软件，计算山东省2000—2016年地表温度CV值，见图 1。经空间统计，山东省区域2000—2016年地表温度CV空间均值为0.076 4，最大值为0.233 7，最小值为0.030 9，空间标准差为0.014 3。其中，东营市海岸线附近出现的成片高值，经对比landsat历史卫片，判定为2000—2016年黄河入海口部分海域、湿地淤积成陆导致的剧烈变化，不能算作地表温度异常。

4.1 地表温度变化与活动断裂关系

世界上90%以上地震及绝大部分破坏性地震为构造地震。构造地震由地层断裂发生错动引起，因此断裂带特别是10万年以来曾经活动的活动断裂与地震关系密切。刘峰等(2009)通过研究活动断裂与地震关系发现，80%的破坏性地震落入距活动断裂25 km的缓冲区内。山东省范围内分布郯庐、渤海—威海、聊考3大断裂带，共计80多条活动断裂。因此，可以通过分析地表温度CV值分布与断裂带的空间关系，统计落入山东省活动断裂带图层半径3 km和6 km的断裂带缓冲区地表温度CV值(图 2，表 1)，研究地表温度变化与活动断裂的关系。

由山东省活动断层不同缓冲区地表温度CV空间统计(图 2，表 1)发现，距离活动断裂 < 6 km的缓冲区内地表温度CV值明显高于缓冲区以外，距离活动断裂 < 3 km的缓冲区内地表温度CV值高于距离3—6 km的值。说明距活动断层越近，地表温度的年际变化越大，这种年际变化可能是地表温度异常的表现。值得注意的是，地表温度CV值空间标准差随着缓冲区半径变小而变小。由于地表温度CV值空间标准差度量的是CV值在空间分布上的离散程度，该值越小说明CV值在空间上一致性更强、离散性更小。因此，活动断层附近诸像元在较低的CV值空间标准差说明该区域在地表温度年际变化上趋向于一致。

4.2 地表温度变化与地震活动关系

为研究地表温度变化与地震在时间与震级上的对应关系，将山东省陆域地震依据时间段(1970—1999年与2000—2016年)与震级(M_L < 3.0与M_L ≥3.0)划分为4部分，分别与地表温度CV图叠加(图 3仅展示1970—2016年M_L ≥3.0地震)。地表温度CV图的像元大小为1 km×1 km，可利用ArcGIS的点提取工具(Extract Values by Points)将震中所在像元值提取出来进行空间统计，并与整体值进行比较。为探讨地区差异性，除以山东省为统计比较整体(表 2)外，参考传统的行政分区习惯和主要地震断裂带影响范围，将胶东半岛地区(包括烟台、青岛、威海3个地级市，主要受渤海—威海断裂带影响)、鲁中地区(包括济南、泰安、莱芜、淄博、潍坊、东营、临沂、日照、枣庄9个地级市，主要为郯庐断裂带经过与影响地区)、鲁西地区(包括德州、聊城、滨州、荷泽、济宁5个地级市，主要为聊考断裂带经过与影响地区)分别作为统计比较的整体(表 2)。由表 2可知，如以山东全省为比较整体，则4类地震震中区的地表温度CV空间均值高于整体空间均值；如以各地区为比较整体，则胶东半岛和鲁中地区除1970—1999年M_L < 3.0地震外，鲁西地区除2000—2016年M_L < 3.0地震外，其他震中地区地表温度CV空间均值也都高于整体空间均值。3个地区震中区地表温度CV空间均值还存在以下关系：胶东半岛 > 鲁中地区 > 鲁西地区。

以上统计说明，山东地区地震活动确实与地表温度变化存在一定对应关系，且具有由西至东增强趋势。就地震强度而言，在山东省及其3个地区M_L≥3.0地震地表温度CV值均高于M_L < 3.0地震，说明随震级的增强，地表温度变化幅度有增强趋势；就时间段而言，地表温度变化与同期地震的对应更为明显，而与之前地震对应关系较弱，但依然有一定对应关系。特别是在胶东半岛与鲁中地区，震中区地表温度CV较高值与研究期之前(1970—1999年)的M_L≥3.0地震仍有较明显的对应，说明地表温度变化对地震的反应可以不同期，地震活动后依然有温度异常变化，可能与较强地震多分布于断裂带及周边有关。此外，所有震中区的地表温度CV值空间标准差均小于山东全省或地区均值，由于标准差越小数据一致性越强，说明地震温度异常在地震震中区具有相当的一致性。

4.3 山东省分区域地表温度变化

为进一步对山东省未来地震活动性变化进行推测，本研究将胶东半岛、鲁中、鲁西3部分的地表温度CV空间均值进行比较(表 3)。结果表明胶东半岛地区的地表温度变化CV值明显高于鲁中鲁西地区，这有可能预示着该地区未来地震活动性较强。

5 结束语

遥感地表温度异常与地震的对应关系在山东省的研究较少，与山东省近年来缺乏中强震震例有关，也与地表温度受到海陆差异、纬度、海拔、土地覆盖与土地利用等因素的影响有关。为克服这些困难，本研究采用地表温度变异系数这一指标，将地表温度变化幅度按各地温度均数进行标准化，在一定程度上消除了与地理位置有关因素的影响；采用较大尺度数据(空间分辨率1 km×1 km)来降低土地利用变化因素的影响；通过地表温度变异系数与地震断层及地震震例的空间联系对地震活动与地表温度变化的关系进行探讨，减小对中强震例的依赖。结果表明，在活动断层及周边、地震震中区，地表温度确实存在异常变化，变化幅度与变化的普遍性多高于其他地区，可见山东省地表温度异常与地震活动确实存在一定对应关系。研究还表明，胶东半岛地区的地表温度变化明显强于鲁中、鲁西地区，可能预示着胶东半岛未来具有较强的地震活动性。