卫星热红外遥感技术在地震监测中的应用

卫星热红外遥感技术在地震监测中的应用

中国位于欧洲和太平洋之间的地震带之间。频繁的地震活动和广泛的地震灾害。从公元前1831年中国最早地震记载开始，至今共有地震记载近千次，其中6级以上的破坏性地震800多次。地震给人类造成的灾难数不胜数。例如，1976年7月28日的河北唐山7.8级地震，地震破坏范围超过3万km2，有感范围广达14个省、市、自治区，相当于全国面积的1/3;2008年5月12日的四川汶川8.0级大地震，死亡人数超过8万，受伤人数达37万多，受灾人口达4624万，波及17个省、市、自治区。所以，做好中国地震监测预测工作非常关键。传统的地震台网监测，因数目和观测范围的局限性，加之在中国西部地震多发地区台站更加稀疏，很难给出面上的精细信息，而卫星热红外遥感技术以其获取信息范围大、数据更新快、可以实施时空动态监测的优势弥补了传统观测方法的不足，使地震前兆的监测从传统的静态定点观测模式向动态连续的大面积观测模式发展，为地震活动性研究开辟了一条新的途径。1热红外影像的应用1984年，苏联学者Λ.Р.Bunopkuǔ在对中亚加兹利的一系列地震研究中发现，震前10d左右，震中区两组断裂交汇部位的上空出现红外辐射异常的现象，由此提出震前有热红外异常。1990-1992年，中国科学家强祖基等、徐秀登等利用热红外影像进行地震预报研究，在判读卫星热红外遥感图片时发现一些震前地表温度异常增高现象，认为临震前出现温度的异常升温是非常普遍的现象，是一种地震前兆热异常信息，并由此开展了研究工作并成功地预报了一些地震。1998年，苏联学者Gorny和Tronin等在对中亚地区的地震卫星热红外图像分析时发现，该地区的一些中强地震（Ms≥5.5）震前卫星红外图像上存在热异常现象，且与断裂构造的活动有关，在活动断层表面存在着稳定和不稳定的热红外辐射异常，异常增温可达到度的量级，异常的形态为线性条带。表1是目前应用卫星红外遥感技术进行地震预报的成功案例。1.1应力致热学说为什么地震前会出现热异常，或者说如何解释地震前出现的热红外辐射异常，众多学者在不断努力探索热红外异常产生的机理。对临震热红外异常成因机理的解释，目前主要有以下两种观点。强祖基等经过试验研究，认识到地震前断层的破裂-气体扩散-地面增温-低空电场突变整个过程；把热红外异常原因解释为地下的CO2、水蒸气、H2等气体沿微裂隙溢出地面，这些气体易于吸收太阳和地面的红外波段辐射和反射，产生局部温室效应，导致孕震区地面-低层大气增温，即“地球放气说”。2007年，孟丹等以江西11.26地震为例研究了卫星红外遥感图像增温信息，证明CO2和CH4等气体在震前有增温2～6℃。应力致热学说指在地球介质受到附加力的作用时，随着应力的增大，介质的辐射温度、红外热像以及波谱特性都可能发生变化，而这些变化的物理量均可以成为孕震前兆特征指标而加以跟踪监测。崔成禹、耿乃光和邓明德等通过一系列岩石加载实验，观测到岩石应力增加引起红外辐射增高的物理现象和红外辐射的前兆信息。刘善军等通过实验说明在岩石加载实验过程中存在热弹效应和摩擦热效应。热弹效应贯穿整个加载过程，而摩擦热效应仅在岩石出现微破裂的塑形阶段出现，两种热效应共同作用使得岩石表面的辐射温度场复杂多样化。遥感-岩石力学基础实验研究结果表明，无论岩石破裂还是摩擦滑动都会产生热力耦合效应，从而引起红外辐射。刘培洵等通过实验研究表明，岩石弹性阶段加载升温的量级为mK/MPa；若构造活动引起的应力为1000MPa，则弹性加载升温量级为度。另外，W.Ma等在利用一些大地震研究构造应力和地震的关系时，发现震前随着构造应力的变化导致温度随之发生变化，揭示了当构造应力处于活动断裂的临界状态时，天体潮汐力可能会导致地震的发生。S.A.Pulinets指出，利用电离层顶部探测、GPS电子总含量（TEC）和热红外遥感技术进行的电离层成像，可以进行地震预报。这是地震的电离层耦合物理机理。1.2临界振动热异常的特征1.2.1地表温度或地表粗糙度异常地震时地表温度一定会发生异常变化，这便是临震前兆。许多学者利用热红外遥感影像对地震前出现的这种热异常及其时空动态变化特征展开了大量的研究工作。利用这些卫星红外遥感资料的对比或追踪分析，得出地震前会出现地表温度或地表亮度温度（LSBT）异常，并在大多数情况下表现为异常升温（表2）。从表2统计的热异常特征可以看出，地震前热异常出现的时间在1年以上的有1次，3mon以上的有5次，1～2mon的有15次，15d之内的有10次,即热异常主要出现在震前的2mon内，升温幅度在1～7℃或3～10K,有些高达7℃以上。例如2003年2月24日发生在新疆伽师-巴楚的6.8级地震，震前9d出现异常增温7.2℃。但震前也有极少数出现异常降温现象，例如1996年11月19日新疆和田的7.1级地震。1.2.2种热红外长波辐射异常的特征及与震前长波对比分析长波辐射（OutgoingLong-waveRadiation,OLR）是指地-气系统向外层空间发射出的电磁波能量密度，又称为热辐射通量密度，其物理测量单位为W/m2。OLR是由红外窗区通道（10.5～12.5μm）对地球和大气扫描遥测得到的地-气长波辐射量。美国NOAA序列卫星遥感可提供地-气系统射出的长波辐射月平均数据。许多学者利用震前出现的这种热红外长波辐射异常进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级地震，震前2mon在（22.5°N,67.5°E）附近出现OLR高值达288.8W/m2。从表3统计的长波辐射异常特征可以看出，地震前OLR高值区异常出现时间在1年以上的0次，3mon以上的4次，1～2mon的17次，15d内的0次。综合以上分析，得出震前长波辐射异常多出现在震前1～2mon。从表2和表3的对比分析可以看出，地震前出现的热红外温度异常和热红外OLR异常的出现时间有些同时，有些则各异。例如1976年7月28日发生在河北唐山的7.8级地震，出现OLR异常和温度异常的时间都是在震前1～2mon，而1995年7月12日发生在中缅边境的7.3级地震，OLR异常比温度异常出现的时间早。大多数情况是OLR异常在前，然后才出现异常增温现象。另外，OLR异常很少出现在1年以上，或者晚到15d内才出现。综上所述，将热异常作为一种临震前兆，对强震的预报具有一定的映震效应。可以利用卫星热红外遥感技术识别和提取地震“热征兆”的这种温度异常信息或OLR异常区进行地震的预报工作，并可望在地震的监测预测领域上开创出新的技术途径。2地表真实温度反演技术利用热红外遥感进行地震的监测预报，其关键是获取与地震真正有关有用的前兆热异常信息及其时空演化特征。而在地表亮度温度的提取和地表温度的反演方法上，已有一些学者通过实验分析比较，提出了一些热红外信息的提取和反演的办法。地表真实温度的反演方法主要有单窗算法、劈窗算法、昼夜法、双温双通道法等。由于反演地表真实温度存在许多的不确定性因素，例如比辐射率、大气廓线未知等，限制了反演的精度。所以，大多数学者在提取或反演热红外辐射时用地表的亮度温度表征，这对于地震研究更有现实意义。目前常用的热信息提取方法主要有以下两种，即透热指数法和均值梯度法。2.1指数相对于地震的发生地表温度的变化主要来源于天气的影响，而地下热异常对地表温度的影响十分微弱。如无法有效地消除天气的干扰，从卫星影像上找到地下热异常的可能性极小。为了较好地消除气候因素的影响，刘培洵等由热传导理论出发，根据地下热信号通过不同热扩散率材料传到地表时将产生较大时间差的特点，提出了提取地下热异常的新指标———透热指数法。其特点是透热指数高意味着地下热活动强，进一步可能指示现今的断层活动和地震的发生。实验证实，透热指数法是区别地下热信息与气象影响的理想模型。当地下热信息是以热传导的方式流传到地面且满足常务性条件时，透热指数可较好地消除气象要素的影响。刘培洵等利用NOAA卫星1995年1月至1995年6月共18幅旬值卫星影像，对青藏高原地区进行透热指数试算，所得出图像中显示了一些线性条带，许多条带在位置上与活动构造较为一致。马瑾等、陈顺云等利用透热指数法分析1997年11月8日发生在西藏玛尼7.9级地震时，均发现地震就发生在玛尼-玉树-鲜水河断裂带HPI（透热指数）值峰值附近。在对1995-1996年云南孟连地震和丽江地震，后又在西区（新疆西部）发生的两个强震、中区发生的西藏玛尼地震进行研究时，发现这些地震均与3个区域在该阶段的透热指数变化过程相呼应。这说明地震的发生，或者断裂活动增强，透热指数会出现升高。因此，透热指数对地震和构造活动有一定的指示性。在利用透热指数法进行地下热异常信息提取时，首先应尽量选取热扩散率差异大、相邻的区域进行透热指数计算；其次是应当根据研究的问题选取合适的时间窗。2.2响应的空间差异因为热辐射探索构造活动具有“强背景，弱信息”的特点，地表辐射的探测精度与构造活动引起的辐射增强同属一个量级，有效信息可能被淹没于反演误差之中，获得足够的精度后如何突出构造活动信息也是难点。为了突出构造活动信息，据构造因素与非构造因素对地表热辐射影响的空间差异提出一种新方法———均值梯度法。该方法的基本特点是，首先以损失一定时间信息为代价获取更高的数据精度，然后根据大气和构造活动对地表热辐射影响的不同，利用热辐射梯度突出正在活动的断裂带的空间分布。出现梯度带明显增强的区域意味着其构造活动强烈，并可能发生地震。陈顺云等利用此方法分析了西藏玛尼1997年11月8日的7.9级地震前的均值梯度，发现在1997年，在玛尼附近有2条明显增强的梯度带，发生地震的TLM（年变残差低频成分的平均值）高值条带温度一般比周围地区高出3～5K，高值区线性特征明显。说明均值梯度的高值条带与断裂带的现今活动相一致，利用空间梯度能够勾画出构造现今活动的空间分布，并进一步预测可能发生的地震。此方法的不足在于要求的精度越高，损失的时间信息越严重，仅采用地震区分辐射高值带与构造活动的关系，其手段较为单一。2.3热异常判别技术屈春燕等在研究热异常与活动断裂带、地震的关系研究中，提出除了扣除与地震活动有关的各类非震因素影响的热异常外，结合GPS等地壳形变监测结果及其他前兆观测结果，将有助于地震红外异常的识别，并提高异常判断的准确性与可靠性。在对若干震例和地震活动区的热红外影像进行长期分析研究的基础上，屈春燕等提出了几种热异常判别方法，如震前震后亮温差值法、断裂带内外亮温差值法、不同热红外通道亮温对比分析法等。宋晓麟针对EOSTerra卫星数据，利用小波分析处理突变信号的优势，把热红外信息作为非平常信号，对2005年4月8日西藏仲巴6.5级强震进行了分析研究，结果表明，震前出现明显突变，可看作热红外异常。3卫星探测数据处理随着空间技术的发展，热红外遥感在地震监测预报中的应用将会越来越广泛。卫星热红外观测以其大视野、高精度、周期短和不受地面条件限制等诸多优势以及对某些强震热红外前兆的良好反映，成为研究解决地震短临预报的断裂活动性很有前途的遥感观测手段。遥感数据越来越丰富，为临震热异常研究提供了保证。美国、俄罗斯、法国、日本等已开展了大量提高更高分辨率地震电磁卫星的研制。美国制定并实施的全球地震卫星系统GESS研究计划，已于2003年发射了QuakeSat-1电磁小卫星，并计划2008年发射QuakeSat-2，该计划同时已经将InSart、热红外和地磁监测作为地震监测的有力手段。目前，中国第