衛(wèi)星熱紅外遙感技術(shù)在地震監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

衛(wèi)星熱紅外遙感技術(shù)在地震監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

中國(guó)位于歐洲和太平洋之間的地震帶之間。頻繁的地震活動(dòng)和廣泛的地震災(zāi)害。從公元前1831年中國(guó)最早地震記載開(kāi)始，至今共有地震記載近千次，其中6級(jí)以上的破壞性地震800多次。地震給人類造成的災(zāi)難數(shù)不勝數(shù)。例如，1976年7月28日的河北唐山7.8級(jí)地震，地震破壞范圍超過(guò)3萬(wàn)km2，有感范圍廣達(dá)14個(gè)省、市、自治區(qū)，相當(dāng)于全國(guó)面積的1/3;2008年5月12日的四川汶川8.0級(jí)大地震，死亡人數(shù)超過(guò)8萬(wàn)，受傷人數(shù)達(dá)37萬(wàn)多，受災(zāi)人口達(dá)4624萬(wàn)，波及17個(gè)省、市、自治區(qū)。所以，做好中國(guó)地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)工作非常關(guān)鍵。傳統(tǒng)的地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)，因數(shù)目和觀測(cè)范圍的局限性，加之在中國(guó)西部地震多發(fā)地區(qū)臺(tái)站更加稀疏，很難給出面上的精細(xì)信息，而衛(wèi)星熱紅外遙感技術(shù)以其獲取信息范圍大、數(shù)據(jù)更新快、可以實(shí)施時(shí)空動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)觀測(cè)方法的不足，使地震前兆的監(jiān)測(cè)從傳統(tǒng)的靜態(tài)定點(diǎn)觀測(cè)模式向動(dòng)態(tài)連續(xù)的大面積觀測(cè)模式發(fā)展，為地震活動(dòng)性研究開(kāi)辟了一條新的途徑。1熱紅外影像的應(yīng)用1984年，蘇聯(lián)學(xué)者Λ.Р.Bunopkuǔ在對(duì)中亞加茲利的一系列地震研究中發(fā)現(xiàn)，震前10d左右，震中區(qū)兩組斷裂交匯部位的上空出現(xiàn)紅外輻射異常的現(xiàn)象，由此提出震前有熱紅外異常。1990-1992年，中國(guó)科學(xué)家強(qiáng)祖基等、徐秀登等利用熱紅外影像進(jìn)行地震預(yù)報(bào)研究，在判讀衛(wèi)星熱紅外遙感圖片時(shí)發(fā)現(xiàn)一些震前地表溫度異常增高現(xiàn)象，認(rèn)為臨震前出現(xiàn)溫度的異常升溫是非常普遍的現(xiàn)象，是一種地震前兆熱異常信息，并由此開(kāi)展了研究工作并成功地預(yù)報(bào)了一些地震。1998年，蘇聯(lián)學(xué)者Gorny和Tronin等在對(duì)中亞地區(qū)的地震衛(wèi)星熱紅外圖像分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)的一些中強(qiáng)地震（Ms≥5.5）震前衛(wèi)星紅外圖像上存在熱異?，F(xiàn)象，且與斷裂構(gòu)造的活動(dòng)有關(guān)，在活動(dòng)斷層表面存在著穩(wěn)定和不穩(wěn)定的熱紅外輻射異常，異常增溫可達(dá)到度的量級(jí)，異常的形態(tài)為線性條帶。表1是目前應(yīng)用衛(wèi)星紅外遙感技術(shù)進(jìn)行地震預(yù)報(bào)的成功案例。1.1應(yīng)力致熱學(xué)說(shuō)為什么地震前會(huì)出現(xiàn)熱異常，或者說(shuō)如何解釋地震前出現(xiàn)的熱紅外輻射異常，眾多學(xué)者在不斷努力探索熱紅外異常產(chǎn)生的機(jī)理。對(duì)臨震熱紅外異常成因機(jī)理的解釋，目前主要有以下兩種觀點(diǎn)。強(qiáng)祖基等經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究，認(rèn)識(shí)到地震前斷層的破裂-氣體擴(kuò)散-地面增溫-低空電場(chǎng)突變整個(gè)過(guò)程；把熱紅外異常原因解釋為地下的CO2、水蒸氣、H2等氣體沿微裂隙溢出地面，這些氣體易于吸收太陽(yáng)和地面的紅外波段輻射和反射，產(chǎn)生局部溫室效應(yīng)，導(dǎo)致孕震區(qū)地面-低層大氣增溫，即“地球放氣說(shuō)”。2007年，孟丹等以江西11.26地震為例研究了衛(wèi)星紅外遙感圖像增溫信息，證明CO2和CH4等氣體在震前有增溫2～6℃。應(yīng)力致熱學(xué)說(shuō)指在地球介質(zhì)受到附加力的作用時(shí)，隨著應(yīng)力的增大，介質(zhì)的輻射溫度、紅外熱像以及波譜特性都可能發(fā)生變化，而這些變化的物理量均可以成為孕震前兆特征指標(biāo)而加以跟蹤監(jiān)測(cè)。崔成禹、耿乃光和鄧明德等通過(guò)一系列巖石加載實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)到巖石應(yīng)力增加引起紅外輻射增高的物理現(xiàn)象和紅外輻射的前兆信息。劉善軍等通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明在巖石加載實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在熱彈效應(yīng)和摩擦熱效應(yīng)。熱彈效應(yīng)貫穿整個(gè)加載過(guò)程，而摩擦熱效應(yīng)僅在巖石出現(xiàn)微破裂的塑形階段出現(xiàn)，兩種熱效應(yīng)共同作用使得巖石表面的輻射溫度場(chǎng)復(fù)雜多樣化。遙感-巖石力學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，無(wú)論巖石破裂還是摩擦滑動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生熱力耦合效應(yīng)，從而引起紅外輻射。劉培洵等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究表明，巖石彈性階段加載升溫的量級(jí)為mK/MPa；若構(gòu)造活動(dòng)引起的應(yīng)力為1000MPa，則彈性加載升溫量級(jí)為度。另外，W.Ma等在利用一些大地震研究構(gòu)造應(yīng)力和地震的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)震前隨著構(gòu)造應(yīng)力的變化導(dǎo)致溫度隨之發(fā)生變化，揭示了當(dāng)構(gòu)造應(yīng)力處于活動(dòng)斷裂的臨界狀態(tài)時(shí)，天體潮汐力可能會(huì)導(dǎo)致地震的發(fā)生。S.A.Pulinets指出，利用電離層頂部探測(cè)、GPS電子總含量（TEC）和熱紅外遙感技術(shù)進(jìn)行的電離層成像，可以進(jìn)行地震預(yù)報(bào)。這是地震的電離層耦合物理機(jī)理。1.2臨界振動(dòng)熱異常的特征1.2.1地表溫度或地表粗糙度異常地震時(shí)地表溫度一定會(huì)發(fā)生異常變化，這便是臨震前兆。許多學(xué)者利用熱紅外遙感影像對(duì)地震前出現(xiàn)的這種熱異常及其時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征展開(kāi)了大量的研究工作。利用這些衛(wèi)星紅外遙感資料的對(duì)比或追蹤分析，得出地震前會(huì)出現(xiàn)地表溫度或地表亮度溫度（LSBT）異常，并在大多數(shù)情況下表現(xiàn)為異常升溫（表2）。從表2統(tǒng)計(jì)的熱異常特征可以看出，地震前熱異常出現(xiàn)的時(shí)間在1年以上的有1次，3mon以上的有5次，1～2mon的有15次，15d之內(nèi)的有10次,即熱異常主要出現(xiàn)在震前的2mon內(nèi)，升溫幅度在1～7℃或3～10K,有些高達(dá)7℃以上。例如2003年2月24日發(fā)生在新疆伽師-巴楚的6.8級(jí)地震，震前9d出現(xiàn)異常增溫7.2℃。但震前也有極少數(shù)出現(xiàn)異常降溫現(xiàn)象，例如1996年11月19日新疆和田的7.1級(jí)地震。1.2.2種熱紅外長(zhǎng)波輻射異常的特征及與震前長(zhǎng)波對(duì)比分析長(zhǎng)波輻射（OutgoingLong-waveRadiation,OLR）是指地-氣系統(tǒng)向外層空間發(fā)射出的電磁波能量密度，又稱為熱輻射通量密度，其物理測(cè)量單位為W/m2。OLR是由紅外窗區(qū)通道（10.5～12.5μm）對(duì)地球和大氣掃描遙測(cè)得到的地-氣長(zhǎng)波輻射量。美國(guó)NOAA序列衛(wèi)星遙感可提供地-氣系統(tǒng)射出的長(zhǎng)波輻射月平均數(shù)據(jù)。許多學(xué)者利用震前出現(xiàn)的這種熱紅外長(zhǎng)波輻射異常進(jìn)行了大量的研究工作（表3）。例如，2001年1月26日印度普杰（23.2°N,69.7°E)7.8級(jí)地震，震前2mon在（22.5°N,67.5°E）附近出現(xiàn)OLR高值達(dá)288.8W/m2。從表3統(tǒng)計(jì)的長(zhǎng)波輻射異常特征可以看出，地震前OLR高值區(qū)異常出現(xiàn)時(shí)間在1年以上的0次，3mon以上的4次，1～2mon的17次，15d內(nèi)的0次。綜合以上分析，得出震前長(zhǎng)波輻射異常多出現(xiàn)在震前1～2mon。從表2和表3的對(duì)比分析可以看出，地震前出現(xiàn)的熱紅外溫度異常和熱紅外OLR異常的出現(xiàn)時(shí)間有些同時(shí)，有些則各異。例如1976年7月28日發(fā)生在河北唐山的7.8級(jí)地震，出現(xiàn)OLR異常和溫度異常的時(shí)間都是在震前1～2mon，而1995年7月12日發(fā)生在中緬邊境的7.3級(jí)地震，OLR異常比溫度異常出現(xiàn)的時(shí)間早。大多數(shù)情況是OLR異常在前，然后才出現(xiàn)異常增溫現(xiàn)象。另外，OLR異常很少出現(xiàn)在1年以上，或者晚到15d內(nèi)才出現(xiàn)。綜上所述，將熱異常作為一種臨震前兆，對(duì)強(qiáng)震的預(yù)報(bào)具有一定的映震效應(yīng)?？梢岳眯l(wèi)星熱紅外遙感技術(shù)識(shí)別和提取地震“熱征兆”的這種溫度異常信息或OLR異常區(qū)進(jìn)行地震的預(yù)報(bào)工作，并可望在地震的監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)領(lǐng)域上開(kāi)創(chuàng)出新的技術(shù)途徑。2地表真實(shí)溫度反演技術(shù)利用熱紅外遙感進(jìn)行地震的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，其關(guān)鍵是獲取與地震真正有關(guān)有用的前兆熱異常信息及其時(shí)空演化特征。而在地表亮度溫度的提取和地表溫度的反演方法上，已有一些學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析比較，提出了一些熱紅外信息的提取和反演的辦法。地表真實(shí)溫度的反演方法主要有單窗算法、劈窗算法、晝夜法、雙溫雙通道法等。由于反演地表真實(shí)溫度存在許多的不確定性因素，例如比輻射率、大氣廓線未知等，限制了反演的精度。所以，大多數(shù)學(xué)者在提取或反演熱紅外輻射時(shí)用地表的亮度溫度表征，這對(duì)于地震研究更有現(xiàn)實(shí)意義。目前常用的熱信息提取方法主要有以下兩種，即透熱指數(shù)法和均值梯度法。2.1指數(shù)相對(duì)于地震的發(fā)生地表溫度的變化主要來(lái)源于天氣的影響，而地下熱異常對(duì)地表溫度的影響十分微弱。如無(wú)法有效地消除天氣的干擾，從衛(wèi)星影像上找到地下熱異常的可能性極小。為了較好地消除氣候因素的影響，劉培洵等由熱傳導(dǎo)理論出發(fā)，根據(jù)地下熱信號(hào)通過(guò)不同熱擴(kuò)散率材料傳到地表時(shí)將產(chǎn)生較大時(shí)間差的特點(diǎn)，提出了提取地下熱異常的新指標(biāo)———透熱指數(shù)法。其特點(diǎn)是透熱指數(shù)高意味著地下熱活動(dòng)強(qiáng)，進(jìn)一步可能指示現(xiàn)今的斷層活動(dòng)和地震的發(fā)生。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，透熱指數(shù)法是區(qū)別地下熱信息與氣象影響的理想模型。當(dāng)?shù)叵聼嵝畔⑹且詿醾鲗?dǎo)的方式流傳到地面且滿足常務(wù)性條件時(shí)，透熱指數(shù)可較好地消除氣象要素的影響。劉培洵等利用NOAA衛(wèi)星1995年1月至1995年6月共18幅旬值衛(wèi)星影像，對(duì)青藏高原地區(qū)進(jìn)行透熱指數(shù)試算，所得出圖像中顯示了一些線性條帶，許多條帶在位置上與活動(dòng)構(gòu)造較為一致。馬瑾等、陳順云等利用透熱指數(shù)法分析1997年11月8日發(fā)生在西藏瑪尼7.9級(jí)地震時(shí)，均發(fā)現(xiàn)地震就發(fā)生在瑪尼-玉樹(shù)-鮮水河斷裂帶HPI（透熱指數(shù)）值峰值附近。在對(duì)1995-1996年云南孟連地震和麗江地震，后又在西區(qū)（新疆西部）發(fā)生的兩個(gè)強(qiáng)震、中區(qū)發(fā)生的西藏瑪尼地震進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些地震均與3個(gè)區(qū)域在該階段的透熱指數(shù)變化過(guò)程相呼應(yīng)。這說(shuō)明地震的發(fā)生，或者斷裂活動(dòng)增強(qiáng)，透熱指數(shù)會(huì)出現(xiàn)升高。因此，透熱指數(shù)對(duì)地震和構(gòu)造活動(dòng)有一定的指示性。在利用透熱指數(shù)法進(jìn)行地下熱異常信息提取時(shí)，首先應(yīng)盡量選取熱擴(kuò)散率差異大、相鄰的區(qū)域進(jìn)行透熱指數(shù)計(jì)算；其次是應(yīng)當(dāng)根據(jù)研究的問(wèn)題選取合適的時(shí)間窗。2.2響應(yīng)的空間差異因?yàn)闊彷椛涮剿鳂?gòu)造活動(dòng)具有“強(qiáng)背景，弱信息”的特點(diǎn)，地表輻射的探測(cè)精度與構(gòu)造活動(dòng)引起的輻射增強(qiáng)同屬一個(gè)量級(jí)，有效信息可能被淹沒(méi)于反演誤差之中，獲得足夠的精度后如何突出構(gòu)造活動(dòng)信息也是難點(diǎn)。為了突出構(gòu)造活動(dòng)信息，據(jù)構(gòu)造因素與非構(gòu)造因素對(duì)地表熱輻射影響的空間差異提出一種新方法———均值梯度法。該方法的基本特點(diǎn)是，首先以損失一定時(shí)間信息為代價(jià)獲取更高的數(shù)據(jù)精度，然后根據(jù)大氣和構(gòu)造活動(dòng)對(duì)地表熱輻射影響的不同，利用熱輻射梯度突出正在活動(dòng)的斷裂帶的空間分布。出現(xiàn)梯度帶明顯增強(qiáng)的區(qū)域意味著其構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，并可能發(fā)生地震。陳順云等利用此方法分析了西藏瑪尼1997年11月8日的7.9級(jí)地震前的均值梯度，發(fā)現(xiàn)在1997年，在瑪尼附近有2條明顯增強(qiáng)的梯度帶，發(fā)生地震的TLM（年變殘差低頻成分的平均值）高值條帶溫度一般比周?chē)貐^(qū)高出3～5K，高值區(qū)線性特征明顯。說(shuō)明均值梯度的高值條帶與斷裂帶的現(xiàn)今活動(dòng)相一致，利用空間梯度能夠勾畫(huà)出構(gòu)造現(xiàn)今活動(dòng)的空間分布，并進(jìn)一步預(yù)測(cè)可能發(fā)生的地震。此方法的不足在于要求的精度越高，損失的時(shí)間信息越嚴(yán)重，僅采用地震區(qū)分輻射高值帶與構(gòu)造活動(dòng)的關(guān)系，其手段較為單一。2.3熱異常判別技術(shù)屈春燕等在研究熱異常與活動(dòng)斷裂帶、地震的關(guān)系研究中，提出除了扣除與地震活動(dòng)有關(guān)的各類非震因素影響的熱異常外，結(jié)合GPS等地殼形變監(jiān)測(cè)結(jié)果及其他前兆觀測(cè)結(jié)果，將有助于地震紅外異常的識(shí)別，并提高異常判斷的準(zhǔn)確性與可靠性。在對(duì)若干震例和地震活動(dòng)區(qū)的熱紅外影像進(jìn)行長(zhǎng)期分析研究的基礎(chǔ)上，屈春燕等提出了幾種熱異常判別方法，如震前震后亮溫差值法、斷裂帶內(nèi)外亮溫差值法、不同熱紅外通道亮溫對(duì)比分析法等。宋曉麟針對(duì)EOSTerra衛(wèi)星數(shù)據(jù)，利用小波分析處理突變信號(hào)的優(yōu)勢(shì)，把熱紅外信息作為非平常信號(hào)，對(duì)2005年4月8日西藏仲巴6.5級(jí)強(qiáng)震進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明，震前出現(xiàn)明顯突變，可看作熱紅外異常。3衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)處理隨著空間技術(shù)的發(fā)展，熱紅外遙感在地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。衛(wèi)星熱紅外觀測(cè)以其大視野、高精度、周期短和不受地面條件限制等諸多優(yōu)勢(shì)以及對(duì)某些強(qiáng)震熱紅外前兆的良好反映，成為研究解決地震短臨預(yù)報(bào)的斷裂活動(dòng)性很有前途的遙感觀測(cè)手段。遙感數(shù)據(jù)越來(lái)越豐富，為臨震熱異常研究提供了保證。美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)、日本等已開(kāi)展了大量提高更高分辨率地震電磁衛(wèi)星的研制。美國(guó)制定并實(shí)施的全球地震衛(wèi)星系統(tǒng)GESS研究計(jì)劃，已于2003年發(fā)射了QuakeSat-1電磁小衛(wèi)星，并計(jì)劃2008年發(fā)射QuakeSat-2，該計(jì)劃同時(shí)已經(jīng)將InSart、熱紅外和地磁監(jiān)測(cè)作為地震監(jiān)測(cè)的有力手段。目前，中國(guó)第