20世纪80年代, 前苏联科学家在分析中亚地区卫星热红外遥感图像时意外发现了地震前存在热辐射异常现象^[1], 从此, 利用卫星热红外遥感数据开展与地震孕育有关的辐射异常研究得到了广泛关注, 并取得了一定成果^{[2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16]}。近年来, 陆续有震例研究表明, 一些在震前检测到的辐射异常与发震断层具有一定的关联性^{[17, 18]}。众所周知, 地震通常是由断层活动引发的, 有关应力场与温度场相关性的岩石力学试验结果表明, 温度场对变形场具有很好的响应, 对断层开展温度变化监测有利于研究断层活动^{[19, 20]}; 研究热红外异常与断层活动的关系是解决红外异常与地震关系的首要条件^[21]。此外, 通过对主要活动断裂带开展红外辐射特征分析, 研究其红外辐射变化特征与周边区域地震活动的关联性, 有助于提高对地震红外信息识别的准确率和可靠性, 为开展地震监测提供技术支撑。

本文针对2010年4月14日发生在我国青海省玉树县的Ms 7.1级地震, 对地震前后发震断裂的红外亮温图像进行了分析, 并与2011年同期该断裂带的亮温变化进行比较, 希望能为进一步利用卫星热红外遥感数据开展地震断层活动性监测提供参考。

2010年4月14日, 青海省玉树藏族自治州玉树县发生了Ms 7.1级地震, 这是继2008年5月12日汶川地震后我国发生的又一次破坏性极强的大地震。地震的震中位于N33.2° , E96.6° (图1), 震源深度达14 km。发震断裂为左旋走滑的甘孜— 玉树断裂带。该断裂带与鲜水河断裂带在甘孜附近呈左阶排列, 并与鲜水河断裂带共同构成巴彦喀拉地块南边界。根据震后野外地质调查结果^[22], 本次地震形成的地表破裂带总长约51 km, 实测最大水平位错发生在主破裂北段约1.8 m处, 认为玉树地震是巴颜喀拉山地块和川滇地块向东挤出而产生的。

图1

Fig.1

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	图1 玉树地震震中及发震构造分布Fig.1 Locations of epicentre and seismogenic structure of Yushu earthquake

使用MODIS热红外波段(10.78~11.28 μ m)遥感数据, 图像空间分辨率为1 km。通过数据定标及普朗克公式计算, 将辐射率转换成亮度温度数据; 通过阈值限制对图像进行去云处理; 对1个月内数据进行均值计算, 获得晴空条件下的月际亮温图像。利用该方法获得了2010年玉树地震发震构造甘孜— 玉树断裂带及其周边地区的亮度温度月值图像。

分析玉树地震前后震中区的亮温图像(图2)发现, 在地震前1个月内, 甘孜— 玉树断裂带北段和南段出现了微弱的亮温高值区, 断裂带的西南方向也出现了零散分布的亮温高值区, 亮度温度在285 K左右; 地震发生当月, 断裂带北段和南段的2处亮温持续增加, 且北段高值的覆盖面积和温度高于南段, 断裂带西南方出现的小面积亮温高值区也呈现出北移, 向震中靠近, 且面积扩大、强度增强, 亮温最高值接近290 K; 地震后一个月, 断裂带亮温条带南北两端的高值显著下降, 特别是北段的亮温高值条带急剧衰减, 衰减程度强于南段, 而出现在3月和4月份断裂带西南侧的亮温高值区域也完全消失。

图2

Fig.2

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	图2 2010年3— 5月甘孜— 玉树断裂带亮温图像Fig.2 Image of brightness temperature for Ganzi-Yushu fault from March to May, 2010

针对地震发生当月(2010年4月)断裂带显示出的亮温变化特征, 重点分析该月每10 d晴空条件下的亮温分布情况(图3)。

图3

Fig.3

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	图3 2010年4月甘孜— 玉树断裂带亮温图像Fig.3 Image of brightness temperature for Ganzi-Yushu fault in April, 2010

从图3可以看出, 在2010年4月1— 10日, 断裂带的亮温高值出现在玉树断裂带的南北两端, 与月际亮温图像所显示的2处亮温高值分布相同; 4月11— 20日, 南北两端的亮温高值区范围扩大, 且整个区域的亮温值都有增高的趋势; 4月21— 30日, 断裂带的条带亮温值最高, 主要分布在断裂带北段以及断裂带西南一侧。可见, 本次地震发震断裂带亮温的最高值出现在震后7~16 d内。据地震发生期间水汽和CO变化情况的研究结果^[23], 水汽含量和CO的增多现象都发生在震后, 且震后这一时间段内水汽含量和CO含量均表现为上升, 认为这主要是由于震后大量的地下热水汽以及CO沿地震产生的地表破裂带向大气扩散所致。因此认为, 震后7~16 d出现的亮温增高可能与震后地下大量气体释放有关。

为了与2010年3— 5月份甘孜— 玉树断裂带亮温特征进行对比, 本研究处理并得到了2011年同时期、同区域的亮温图像(图4), 发现在2011年3— 4月期间, 该地区亮温分布格局较为均一, 整条断裂亮温呈均一的条带状分布; 到了2011年5月, 该断裂带的亮温值又整体升高, 西南侧出现了大面积的亮温高值区域(图4(c))。通过检索地震目录, 发现2011年6月26日在本区囊谦县发生过Ms 5.3级地震, 震中位置为N32.4° , E96.05° , 恰好是甘孜— 玉树断裂带西南侧的亮温高值区域, 因此推测这一亮温值增高现象可能与一个月后发生的这次地震活动有关。

图4

Fig.4

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	图4 2011年3— 5月甘孜— 玉树断裂带亮温图像Fig.4 Image of brightness temperature for Ganzi-Yushu fault from March to May, 2011

通过对2010年4月14日青海省玉树Ms 7.1级地震前后月际亮度温度图像的分析看出, 甘孜— 玉树断裂带上亮温变化最显著的区域发生在断裂带北段, 位于(N33° , E97° )点附近, 这一位置与震后野外调查发现的玉树地震产生的地表破裂带相吻合^[22]。而震后4月21— 30日的断裂带及其周边的亮度温度也显示出这个位置及其西南方向是亮度温度增高区。结合本次地震震后发现的水汽及CO增强现象, 认为这一亮度温度增高现象可能是由于同震破裂引起的摩擦和震后大量地下气体上涌而引起的。单新建等^[21]在用红外资料分析2001年昆仑山口西8.1级地震时也发现过类似的现象。

在分析本区热红外亮温数据时还发现, 甘孜— 玉树断裂带无论在有震还是无震时都呈现出清晰的线性条带特征, 这是由下垫面的辐射特性所决定的^{[24, 25]}, 这与红河断裂带的亮温特征相似; 屈春燕等^[26]对红河断裂带亮温条带的分析结果显示, 在有震发生年, 红河断裂带的亮温值要高于无震发生年, 而且断裂的不同部位也由于活动性的不同显示出不同的亮温变化特征。而在本文中所分析的2次地震前1个月, 断裂带位置均发生了较为显著的增温现象, 包括断裂带上局部及断裂带周边区域亮温的增高, 这些变化可能均与断裂活动有关。

地震的发生与活动构造关系密切, 利用卫星热红外遥感数据研究主要断裂带的红外辐射特征, 能够达到监测地震构造带是否活动的目的。本文利用MODIS热红外遥感数据, 分析了2010年玉树地震前后甘孜— 玉树断裂带的亮温变化情况, 获得了以下初步认识:

1)由于下垫面的辐射特性, 一些活动断裂带能够在亮温图像上显示出清晰的条带状影像特征, 分析这些条带的亮温变化, 能够间接获得断裂带的活动信息。

2)2010年4月14日玉树Ms 7.1级地震期间和2011年6月26日囊谦县Ms 5.3级地震前一个月, 甘孜— 玉树断裂带均出现了明显的亮温增高现象, 认为这与断裂的活动性增强有关。

3)2010年玉树地震前, 甘孜— 玉树断裂带北段出现的亮温高值区与野外考察所发现的本次地震造成的地表破裂带位置一致, 而亮温最高值出现的时间也与本次地震水汽含量和CO含量显著增强的时间吻合。因此认为, 断裂带显示出的亮温变化与该区震前及同震的应力集中、摩擦增强以及震后大量地下气体上涌有关。

4)利用卫星热红外遥感数据监测主要活动断裂带亮温变化, 同时有效结合其他观测成果的分析, 能够为日常地震监测提供辅助决策信息。