引言

长波辐射(Outgoing Long-wave Radiation,简称OLR),又称热辐射通量密度,是指地-气系统向外层空间发射的电磁波能量密度,OLR是对红外单波段遥测数据经再处理后形成的宽波段(5—50μm)信息(康春丽等,2007刘德富等,2003)。1990年孙洪斌等探讨了OLR与地震的关系,首次将OLR引入地震预测领域(孟庆岩等,2014)。此后,我国科研人员陆续利用美国国家海洋大气局(NOAA)等机构提供的OLR数据,研究其与地震的关系,并研制如距平、涡度、小波等异常提取方法,研究2004年苏门答腊岛8.7级地震、2008年汶川8.0级地震、2013年岷县漳县6.3级地震、2015年阿拉善左旗5.8级地震等典型震例,总结OLR相关异常判定依据和预测指标(魏志恒等,2017戴勇等,2016康春丽等,2009荆凤等,2009戴勇等,2009康春丽等,2008王亚丽等,2008Ouzounov et al., 2007刘德富等,2005刘德富等,2003刘德富等,1999刘德富等,1997),同时通过开展岩石试验、尝试结合气象参数等对异常机理进行研究(康春丽等,2008吴立新等, 2004a, 2004b, 2004c, 2004d邓明德等,1997Freund,2003徐秀登等,2001强祖基等,1992)。OLR在地震预测领域中的应用具有广阔前景,地震学家可在震例积累、强干扰弱信息提取技术、机理分析等方面开展深入研究。

2017年8月8日21时19分(北京时间),四川省阿坝州九寨沟县(103.82°E,33.20°N)发生7.0级强震(简称九寨沟地震),震源深度20km,此次地震是继2008年汶川8.0级地震和2013年芦山7.0级地震后,在四川发生的又一次破坏性地震。九寨沟地震附近有塔藏断裂、虎牙断裂、岷江断裂和雪山梁子断裂等多条活动断裂带,这些断裂是青藏高原或其块体的边界断裂带,周边地震活动极为强烈,震中附近200km范围内曾发生9个7.0级以上地震,其中包括1654年甘肃天水8.0级地震和1879年甘肃武都8.0级地震(房立华等,2018杨彦明等,2017)。本文将九寨沟地震震中所在区域(95.00°—110.00°E,25.00°—45.00°N)作为研究区,重点分析九寨沟地震前后研究区内OLR时空演化特征。

1 资料与处理方法

研究所用的OLR数据是由美国国家海洋大气局(NOAA)提供的分辨率为2.5°×2.5°网格化数据(夜间),单位为W/m2。为剔除OLR地形、地貌和季节等因素,利用式(1)计算OLR距平值网格数据(康春丽等,2009):

$ \Delta OLR(t) = {S^{\rm{*}}}({x_{i, j}}, {y_{i, j}}, t) - {\overline S ^{\rm{*}}}({x_{i, j}}, {y_{i, j}}, t) $ (1)

式中$\Delta OLR(t)$表示各格点OLR距平值;$S{\rm{*}}({x_{i, j}}, {y_{i, j}}, t)$表示各格点位月度OLR在2017年的值;${\overline S ^{\rm{*}}}({x_{i, j}}, {y_{i, j}}, t)$表示各格点位月度OLR在2006—2016年的平均值;x表示纬度;y表示经度;ij表示格点位标。

2 主要结果
2.1 OLR空间演化特征

图 1所示为九寨沟地震震区月尺度OLR背景场变化特征。由图 1可知,冬季(12、1、2月)和春季(3—5月),研究区未出现显著的逐月变化,仅在30°N以南区域存在呈纬向分布的OLR大于228W/m2的高值区。夏季(6—8月)和秋季(9—11月),夏季和秋季期间,青藏高原OLR逐月变化不明显,环青藏高原区域OLR逐月变化显著,其中,35°N以北区域主要分布有巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠、乌兰布和沙漠、库布齐沙漠、毛乌素沙漠等(李宽,2017),区域内植被稀少,地面比热容小,OLR自6月开始显著增强,至8月达到最强,之后逐月减弱;35°N以南、104°E以东区域主要分布有海拔相对较低的成都平原,季节性变化显著,夏季气温高且雨水充沛,OLR自7月开始显著增强,至8月达到最强,9月显著减弱。


图 1 九寨沟地震震区OLR背景场逐月变化图 Fig. 1 Monthly variation of OLR background field in the Jiuzhaigou Earthquake region in 2017

图 2所示为九寨沟地震震区在2017年的OLR逐月变化特征,与该区域OLR月尺度背景场相比,相同之处是环青藏高原区域OLR存在明显的逐月变化特征;不同之处是:①研究区2017年的OLR逐月变化比背景场逐月变化更加显著;②对于巴颜喀拉块体来说,2017年7月OLR值明显高于OLR多年以来的背景场值,该异常现象出现后,巴颜喀拉块体西北缘发生九寨沟地震。


图 2 九寨沟7.0级地震震区2017年OLR场逐月变化图 Fig. 2 Monthly variation of OLR field in the Jiuzhaigou Earthquake region in 2017

研究区OLR原始值的变化受地形、地貌、季节等因素的影响,为了对可能的异常进行有效识别,采用距平方法剔除OLR背景变化特征,结果如图 3所示。由图 3可知,震前1个月内九寨沟地震震中附近出现Y形态高值区,其主体区域沿着巴颜喀拉块体南缘边界带,重要分支横跨巴颜喀拉块体,直接延伸至九寨沟地震震中。在震时和震后,上述高值区消失。


图 3 九寨沟7.0级地震震区2017年OLR距平场逐月变化图 Fig. 3 Monthly variation of OLR anomalies in the Jiuzhaigou Earthquake region in 2017
2.2 震中附近格点OLR时序特征

本节重点分析紧邻震中的(105.00°E,32.50°N)、(105.00°E,35.00°N)、(102.50°E,35.00°N)、(102.50°E,32.50°N)4个格点OLR时序特征(见图 4)。


图 4 九寨沟地震震中附近格点OLR时序曲线 Fig. 4 OLR time series curves of grids near the epicenter of the Jiuzhaigou Earthquake

图 4可知,4个格点OLR背景值在4—9月均存在由季节变化引起的上升—转折—下降的变化过程,其中最高值均出现在8月。4个格点OLR在2017年4—9月同样出现上升—转折—下降的变化,但与背景变化的区别是,最高值出现在7月,比由季节引起的OLR变化提前一个月。去除背景变化后的4个格点OLR值在2017年4—9月未出现连续的上升和下降变化,仅在2017年7月出现显著大于其他月份的现象,说明九寨沟地震发生前震中区域附近存在显著OLR增加异常现象。

3 结论

(1)九寨沟地震震区月尺度OLR背景场存在分区特征,青藏高原OLR逐月变化不明显,而环青藏高原区域OLR逐月变化显著。其中,35°N以北区域显著变化时段为6—10月,35°N以南、104°E以东区域显著变化时段为7—9月。

(2)2017年7月巴颜喀拉块体OLR值明显高于该区域OLR多年以来的背景场值,该异常现象出现后,巴颜喀拉块体东北缘发生九寨沟地震。

(3)距平结果显示,震前1个月内九寨沟地震震中附近出现OLR高值区,其主体区域沿着巴颜喀拉块体南缘边界带,重要分支横跨巴颜喀拉块体,直接延伸至九寨沟地震震中(见图 5)。


图 5 巴颜喀拉块体东缘活动构造特征和历史强震(谢祖军等,2018 Fig. 5 Characteristics of active tectonics and historical strong earthquakes in the eastern margin of the Bayan Hara block (Xie Zujun et al., 2018)

(4)紧邻九寨沟地震震中的4个格点OLR变化特征基本一致,即在2017年4—9月出现上升—转折—下降变化,最高值出现在7月。去除背景变化后的4个格点OLR值变化特征也基本一致,即在2017年4—9月未出现连续的上升和下降变化,仅在2017年7月出现显著大于其他月份的现象,说明九寨沟地震发生前震中区域存在显著OLR增加异常现象。

(5)运用地球放气假说(强祖基等,1997徐秀登等,1995)对九寨沟地震前OLR异常机理进行初步探讨:九寨沟地震前,OLR异常区出现在构造块体边界带上或断裂附近,可能由于震前CO2、CH4等气体沿断裂逸出,增加了断裂及其附近区域低空温室气体含量,致使上述区域OLR增强显著,当然,这仅是合理假设,九寨沟地震OLR异常变化也可能是由多种因素综合引起的,需要通过搜集气象、地质、地球物理等方面的资料进行处理、分析和论证。

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