青海門源 MS6.9 地震震前OLR異常與InSAR同震形變關聯性分析

祝杰 李婉秋 陶志剛 劉洋洋 馬未宇

1)中國地震臺網中心,北京 100045

2)山東建筑大學測繪地理信息學院,濟南 250101

0 引言

地震的孕育和發生是地應力長期累積、失穩,并快速釋放的結果,目前地應力無法通過直接觀測快速監測。Gorny等(1988)發現加茲利地震前出現大范圍紅外長波輻射異常增強現象,開拓了利用衛星熱紅外遙感技術研究地震的新途徑。劉德富等(1997)首次利用地面射出長波輻射(OLR)資料分析我國1976—1985年龍陵、唐山、松潘、烏恰、共和5個7級以上強震震前一個月的OLR月均距平輻射結果,發現在強震區月均距平輻射顯著增強并達到歷年同期最高值。為探索震前熱紅外異常機理,各國學者通過分析多物理參量、多衛星數據資料源,探測地表面熱異常分布與地震的關系(馬瑾等,2020;Ouzounov et al,2007; 康春麗等,2007; 馬未宇等,2020),相關的震例研究顯示震前熱紅外異常與地震存在關聯性。

以往研究缺乏震前紅外預測與地震形變監測對比的實證性觀測結果。震前紅外長波輻射異常是電磁輻射能量的變化,其熱力來源是下墊面的熱量交換,包含了構造和非構造因素(如地形地貌、氣象、季節等環境因素),從構造和非構造雜糅的熱紅外信號中找到與地震活動真正相關的信息,獲得震前預測的紅外輻射異常區域是否與地震構造形變區域對應是關鍵性問題(馬瑾等,2005)。InSAR技術因其高精度、高時空分辨率、全天時全天候廣域監測等特性,在地震同震、震間和震后形變監測、地面沉降監測、地質災害隱患識別等領域取得諸多成功應用(王琪等,2020; 王超等,2002; 張景發等,2008; 許強等,2019; 徐小波等,2020)。聯合InSAR技術與OLR輻射兩種空間對地觀測技術是研究地表形變多參量異?？臻g耦合關系的新思路(申旭輝等,2018)。然而,InSAR提取的震前地表微弱形變信號可能會湮沒在大氣延遲相位或地形誤差相位中(Zebker et al,1997; 單新建等,2009),試圖通過震前的形變參量異常分析震前紅外異常與地震構造應力變化的關系,往往存在較大困難。InSAR技術為研究物質遷移的地殼應力應變場響應提供了新手段,通過發震斷層破裂后的InSAR同震形變反推發震斷層發生的構造應力積累及變化過程,學者在此方面開展了一系列研究(許才軍等,2014; 單新建等,2017; 余鵬飛等,2022)。因此,本文嘗試通過分析門源MS6.9 地震震前紅外長波輻射演化過程和InSAR同震形變場,探討震前紅外預測異常和同震地表形變(構造應力)的對應關系。

1 門源 MS6.9 地震震源機制及構造背景

北京時間2022年1月8日1時45分,青海省海北州門源縣發生MS6.9 地震,震中位于37.77°N、101.26°E,震源深度10km,距離震中最近的鄉鎮為門源縣皇城蒙古族鄉和峨堡鎮。地震造成地表破裂約22km,極震區最大烈度達Ⅸ度。此次地震是該地區近年來發生的最大地震,寧夏銀川市、中衛市、甘肅張掖市、武威市、金昌市、蘭州市等多個城市震感強烈。震后,國內外多家機構發布了門源地震的震源機制,不同機構測定震源機制使用的數據不同,導致震源機制存在一定差異(表1),但震源機制解均表明門源地震是一次走滑為主的地震事件。

表1 不同機構提供的門源地震震源機制

此次地震震中發生在祁連山內部冷龍嶺斷裂帶北側(圖1),大地構造上位于青藏高原東北緣與阿拉善地塊南緣之間隆起區的褶皺帶內(郭鵬等,2017; 韓帥等,2022),區域內部由西向東發育有肅南—祁連斷裂、托萊山斷裂、冷龍嶺斷裂、金強河斷裂、古浪斷裂、毛毛山斷裂、老虎山斷裂、海原斷裂等,組成以左旋走滑為主要特征,總長超1000km的祁連—海原斷裂帶在青藏高原板塊東北緣應力分配和地殼形變中起著極其重要的轉換調節作用(徐錫偉等,2007; 孫赫等,2017; 李智敏等,2022),此褶皺帶在NE向構造應力作用下,發生了NE向的擠壓縮短、順時針旋轉和SEE向擠出等構造變形(袁道陽等,2004),構造環境極為復雜。發震斷裂冷龍嶺斷裂位于祁連—海原斷裂帶中西段,是祁連—海原斷裂帶“天祝地震空區”(Gaudemer et al,1995)的重要組成部分。冷龍嶺斷裂東起甘肅省天?？h雙龍煤礦以東,西至門源—祁連公路的八道班,全長約120km,總體走向 60°N～70°W,傾向NE,傾角50°(何文貴等,2010),由一組近乎平行的NWW向分布的斷裂組成,全新世以來活動強烈,主要表現為左旋走滑運動并伴有正傾滑性質(李振洪等,2022)。

2 門源 MS6.9 地震前OLR異常增強分析

2.1 OLR簡介

射出長波輻射(Outgoing Long-wave Radiation,OLR)是指“地-氣”系統通過紅外窗口通道(4～120μm)向外部空間發射的電磁波能量密度,單位為W/m2。OLR對海洋表層和近地表溫度的變化響應敏感,常用于監測與“熱”成因現象相關的地學災害征兆(馬未宇等,2014)。本文利用美國NOAA極軌氣象衛星提供的OLR產品,分析門源MS6.9 地震震前紅外輻射演化。NOAA衛星自1974年發射至今已累計存檔近50年的長波輻射OLR觀測資料,提供白天和夜間兩組數據,時間分辨率高,適合開展逐日的變化趨勢研究,在全球氣象分析業務和研究領域取得了較好的應用(任靜等,2015; 孟慶巖等,2014)。

2.2 門源 MS6.9 地震前OLR異常及時空演化過程

采用基于數字圖像增強技術的周均渦度距平法處理2021年12月22—28日覆蓋甘肅青海地區的OLR產品(空間分辨率1°×1°,時間分辨率1天),提取的紅外長波輻射顯著增強區結果如圖2所示,并依據此圖,預測未來地震危險區域。由圖2可見,青海門源地區出現明顯的OLR輻射異常增強區,增強沿青海德令哈—西寧—甘肅武威一帶分布,呈“啞鈴”狀近WE向水平展布,“啞鈴”兩端有2個輻射增強渦度中心。輻射增強條帶西起青海德令哈,在德令哈周邊凝聚一個渦度值中心,最大渦度值20W/m2,自西向東OLR渦度值逐漸減小至12W/m2,輻射增強條帶東側在甘肅武威周邊凝聚了一個渦度值16W/m2的弱中心。門源MS6.9 地震震中位于德令哈渦度中心至武威渦度中心過渡的弱渦度增強區,輻射增強維持在16W/m2。

圖2 2021年12月22—28日甘肅青海地區OLR輻射渦度距平空間分布

針對震前預測的異常區域,進一步開展OLR異常日變跟蹤(2022年1月1—11日),如圖3所示。由圖可見在震前1月2日,震中東南部紅外異常開始出現,1月4—6日震中東南部異常持續并進一步加劇,1月7日,震前1天異?，F象消退并消失,至1月8日震中東南部異常再次出現后主震發生。震后1月9—10日,異常逐漸衰退,1月11日紅外異常全部消失。OLR異?？臻g演化經歷了起始增溫—異常加強—高峰—衰減—平靜的演化過程,與巖石在受力破裂過程中的空間演化(擠壓—巖石微破裂—巖石破裂擴展—應力閉鎖—破裂終止)具有基本一致的特征(吳立新等,2004),基本反映出巖石在構造應力加載—準靜態成核—動態破裂—應力重分布—斷層強度再恢復的時間演化過程。

圖3 門源 MS6.9 地震OLR輻射渦度距平時空演化

此次門源MS6.9 地震OLR異常變化過程與2013年4月20日蘆山MS7.0、2021年5月22日瑪多MS7.4、2020年7月12日唐山MS5.1、2020年7月23日西藏尼瑪MS6.6 地震過程中熱輻射變化規律基本一致(馬未宇等,2014、2020; 王淑艷等,2021; 姜祥華等,2021)。這5次地震震前一天均出現OLR異常衰退消失的現象,與吳立新等(2018)在應力加載紅外觀測實驗中發現的巖石應力閉鎖階段相對應,可能預示著震源區巖石介質地應力閉鎖的出現,為地震的最終到來提供指示。

以上分析了OLR異常的空間演化與巖石破裂過程演化的對應性。為研究震前預測區OLR增強是否與地震形變區域相關,本文進一步利用InSAR同震形變場分析門源MS6.9 地震前的預測區紅外異常是否由地震構造應力變化引起。

3 門源 MS6.9 地震同震形變場特征分析

3.1 SAR影像

選取歐洲航天局的Sentinel-1A升、降軌影像進行雷達差分干涉處理。Sentinel-1A數據為C波段,圖像分辨率5m×20m,VV極化,幅寬250km。升軌干涉對時間基線12天,空間基線38.24m; 降軌干涉對時間基線12天,空間基線55.56m(表2)。較小的時間基線和空間基線保證了干涉相對較高的相干性。

表2 Sentinal-1A干涉對信息

3.2 差分干涉處理

基于二軌差分干涉法,采用瑞士GAMMA軟件生成差分干涉圖。對于Sentinel-1A SAR數據,利用歐洲航天局提供的POD精密定軌星歷數據進行SLC數據軌道校正,去除軌道誤差,利用30m分辨率的SRTM DEM數據去除地形相位并進行地理編碼。為使Sentinel-1A干涉像對保持較高的空間分辨率并達到去除斑點噪聲的目的,采用10︰2的距離向、方位向視數比。采用加權功率譜法對干涉圖進行3次濾波,濾波窗口依次設置為128、64、32個像素,以提升干涉圖的相干性。采用最小費用流法(Eineder et al,1998)進行相位解纏,相干性閾值設置為0.3,對于相干性閾值以下的區域不進行解纏計算。對于2個差分干涉圖中的大氣垂直分層延遲相位,基于各自的數字高程模型建立延遲模型,并從原始差分干涉相位中去除,獲得去除各種相位誤差、清晰的干涉條紋圖(圖4(a)、4(b))。最后,將解纏后的干涉相位轉化為地表沿雷達視線方向形變量,獲得門源MS6.9 地震升、降軌同震形變場(圖4(c)、4(d))。

圖4 門源 MS6.9 地震升、降軌同震形變分布

3.3 同震形變場特征分析

圖4(c)、4(d)分別為Sentinel-1A升、降軌數據提取的門源MS6.9 地震雷達視線向同震形變,形變信息連續完整,升軌和降軌同震形變的空間分布基本一致。同震形變主要位于肅南—祁連斷裂(俄堡段)、托萊山斷裂和冷龍嶺斷裂的交匯區,形態呈“蝴蝶狀”,長軸方向為NWW向,長度約40km,短軸方向為NNE向,長度約30km,即形變區的范圍約40km×30km。形變場被高分7號影像解譯出的NWW-SEE走向的斷層地表破裂跡線從中間分割,地表破裂跡線與托萊山斷裂—冷龍嶺斷裂基本重合,與多家機構測定的震源機制解走向參數(表1)基本一致。圖4中形變正值表示靠近衛星飛行方向,即LOS向縮短,形變負值表示遠離衛星飛行方向,即LOS向拉伸。T128升軌和T33降軌LOS向縮短的最大形變量分別為0.48m和0.62m;LOS向拉伸的最大形變量分別為0.61m和0.53m。升、降軌極震區的同震形變均存在較嚴重的失相干現象,主要是因為發震斷層冷龍嶺斷裂破裂到達地表,導致地表發生了大梯度形變。此次地震造成的最大形變量約0.62m,位于冷龍嶺斷裂的南盤。升軌和降軌數據提取的同震形變在冷龍嶺斷裂上、下盤表現為運動方向相反,形變量相當,同時同一軌道的形變在上、下盤也表現為相反的運動特征,表明門源MS6.9 地震引起的地表形變主要以水平方向為主,斷層的運動性質具有典型的走滑變形特征(李振洪等,2022;Zhang et al,2022)。

4 OLR輻射異常和同震形變場的對應關系

進一步分析震前預測的OLR輻射異常與InSAR同震形變場的關系可以發現,2021年12月22—28日震中周邊出現明顯的熱輻射異常增強區,沿青海德令哈—西寧—甘肅武威一帶呈“啞鈴”狀近WE向水平展布,OLR呈現頂峰值—弱增強—次峰值的空間分布,震中位于青海德令哈渦度中心至甘肅武威渦度中心過渡的弱渦度增強區。其可能原因是地震較易發生在與構造活動有關聯的OLR變化高梯度帶上,蘆山MS7.0 和唐山MS5.1 地震的OLR分布與震中也有類似的位置關系(馬未宇等,2014、2020)。對照重力學科,重力變化高梯度帶也是重力異常判斷的一項重要指標(祝意青等,2022)。2022年1月8日門源MS6.9 地震發震后,利用InSAR技術提取的極震區同震破裂位于肅南—祁連斷裂(俄堡段)、托萊山斷裂和冷龍嶺斷裂的交匯區,形變區范圍40km×30km,同震形變場被托萊山斷裂和冷龍嶺斷裂從中間分割,南、北盤呈現相反的運動特征。升、降軌同震形變集中分布于“啞鈴”狀紅外輻射異常區的內部,具體位于德令哈渦度中心至武威渦度中心過渡的弱渦度增強區,東側臨近武威渦度中心(圖5)。由于OLR長波輻射是通過衛星平臺被動獲取的下墊面射出長波輻射,輻射能在傳輸過程受到大氣輻射增溫進一步發散,且OLR圖像空間分辨率(1°×1°)遠遠低于SAR圖像空間分辨率(30m×30m),二者在一定程度上導致OLR異常在空間分布上比InSAR同震形變范圍大,但震前預測的紅外輻射增強區與InSAR同震破裂形變區的空間位置基本吻合、擴展形式基本相似(同震破裂形變區分布在紅外輻射異常區內部),間接反映了門源地震前熱異常與地震構造地應力釋放具有顯著關聯性,震前的紅外輻射預測異常是此次門源地震前構造應力狀態變化的遙感影像反映。

圖5 震前OLR顯著增強區與同震形變場的對應關系

5 結論

通過分析震前預測的青海門源MS6.9 地震的射出長波輻射短期異常時空演化特征,進而利用InSAR技術提取門源地震升、降軌同震形變場,探討了震前紅外預測異常與同震地表形變(構造應力)的關聯性,得到主要結論如下:

(1)震前OLR的空間演化特征顯示,在極震區周邊出現了明顯的熱輻射增強異常,青海德令哈—西寧—甘肅武威一帶出現了呈“啞鈴”狀近WE向水平展布的OLR熱輻射增強區,空間演化從頂峰值—弱增強—次峰值,具有唯一性和高空間可辨識性的特征,證明了強震前震中附近存在熱紅外輻射增強現象。雖然暫無法對此次地震前的紅外異常機理做出明確解釋,但通過衛星紅外輻射場的動態化數值分析研究強震前異常指征,對地震預報具有一定程度的指示意義。

(2)利用Sentinle-1A升、降軌數據提取的同震形變主要位于肅南—祁連斷裂(俄堡段)、托萊山斷裂和冷龍嶺斷裂的交匯區,形態呈“蝴蝶狀”,發震斷裂冷龍嶺南盤最大形變量約0.62m,北盤最大形變量約0.5m。南、北盤運動方向相反,量級相當,揭示門源MS6.9 地震引起的地表形變主要以水平方向為主,斷層運動具有典型的走滑變形特征,與震源機制解相符。

(3)門源MS6.9 地震OLR短期異常時空演化過程遵循了巖石應力加載破裂過程中的熱異常規律,顯示熱異常變化與應力變化存在關聯。多個震例研究顯示的震前一天出現OLR異常衰退消失現象可能表征巖石介質應力閉鎖的出現,可為地震的最終到來提供指示。震前熱紅外預測異常區域與InSAR技術提取的同震破裂形變區域高度對應,反映了門源震前熱異常與地震構造地應力釋放具有顯著關聯性,震前的紅外輻射預測異常是門源MS6.9 地震前構造應力狀態變化的遙感物理參量的反映。此外,本研究綜合應用InSAR和熱紅外遙感兩種空間對地觀測技術,分析門源地震前熱異常與地震構造應力變化之間的關聯,為后續建立空間、陸地、海洋相結合的綜合協同觀測體系提供了探索性嘗試。

需要指出的是,此次門源MS6.9 地震的紅外異常與地震構造應力變化存在關聯是通過InSAR同震形變場間接說明的,未來仍需要深入研究InSAR震前形變參量,解算出能夠真實反映震前地表構造運動的形變信息,進而與震前紅外參量進行同步立體式耦合,建立地球物理多參量異常監測模型,提高特定區域強震前的早期預測能力。

致謝：審稿專家對本文提出寶貴的修改意見,歐洲航天局提供免費的Sentinel-1A數據和精密軌道數據,NOAA提供了OLR數據,在此一并表示感謝。