蘇門(mén)答臘2004、2005年兩次大地震前后CO和O3遙感信息

孫玉濤，崔月菊，2，劉永梅，杜建國(guó)，張煒斌，張冠亞

（1.中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所），北京 100036；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京），北京 100083；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局西山咀地震臺(tái)，內(nèi)蒙古巴彥淖爾市烏拉特前旗 014400）

1 引 言

在大地震的孕育期、震時(shí)和震后，震中及鄰區(qū)斷層帶、井和泉常有大量氣體（CO2、CH4、H2S、H2、N2、O2、He、Ar等）逸出的異常現(xiàn)象［1－5］。地下流體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，大地震前后出現(xiàn)的氣體濃度異常持續(xù)時(shí)間多數(shù)在幾小時(shí)到幾個(gè)月的范圍內(nèi)［1－2］。

從衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提取地震前兆信息具有覆蓋范圍廣、不受地面觀測(cè)條件限制等優(yōu)點(diǎn)。因此，衛(wèi)星遙感技術(shù)在地震監(jiān)測(cè)研究中的應(yīng)用引起了越來(lái)越多的關(guān)注。譬如，利用 MODIS、MOPITT等遙感數(shù)據(jù)提取與地震有關(guān)的熱紅外增溫［6－7］、潛熱通量（SLHF）［8－9］和長(zhǎng)波輻射值（OLR）［10］異常信息以及利用高光譜衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提取與地震有關(guān)的氣體地球化學(xué)異常信息等［11－14］。

2004年12月26日蘇門(mén)答臘島Ms 8.9地震（地震1）的震中（3.2°N，95.8°E）位于巽他海溝東側(cè)。地震引發(fā)了強(qiáng)烈的海嘯，造成了巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。隨后，2005年3月28日，在Ms 8.9地震震中東南約200km處（2.0°N，97.0°E）發(fā)生 Ms 8.6地震（地震2），震源深度30km。兩次大地震后共發(fā)生7級(jí)以上的余震11次（http：／／www.ceic.ac.cn）。在約3個(gè)月內(nèi)同一地區(qū)發(fā)生兩次8級(jí)地震實(shí)屬罕見(jiàn)（圖1）。因此，本文利用AIRS高光譜衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)提取了兩次地震前后大氣CO和O3的異常信息，并研究了氣體地球化學(xué)異常與兩個(gè)大地震之間的關(guān)系。

圖1 蘇門(mén)答臘地震構(gòu)造略圖

2 數(shù)據(jù)和處理方法

大氣紅外探測(cè)儀（AIRS）是搭載于Aqua衛(wèi)星平臺(tái)上的高光譜分辨率傳感器。AIRS擁有2378個(gè)連續(xù)的紅外光譜通道（3.7μm～15.4μm）以及4個(gè)可見(jiàn)光／近紅外通道（0.4μm～1.0μm），掃描帶寬1650km，天底點(diǎn)空間分辨率13.5km，總視場(chǎng)角（FOV）±49.5°［15］。

AIRS數(shù)據(jù)可從NASA戈達(dá)德地球科學(xué)數(shù)據(jù)和信息服務(wù)中心（GES DISC，http：／／disc.sci.gsfc.nasa.gov／AIRS／data－h(huán)oldings）獲取。本次研究中所使用的數(shù)據(jù)為AIRS降軌數(shù)據(jù)中Level－3 8－天平均標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)空間分辨率1°×1°，采用HDF（Hierarchical Data Format）格式（NASA采用的用于EOS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)文件格式）存儲(chǔ)，可通過(guò)MATLAB軟件直接讀取。

根據(jù) Qiang等［16］和 Tronin［17］指出的溫度異常與地震時(shí)空的關(guān)系，遙感異常一般分布在距震中500km～1000km范圍之內(nèi)，異常時(shí)間一般在地震前后6個(gè)月內(nèi)。由于兩次地震發(fā)生時(shí)空相近，所以將其歸為一個(gè)時(shí)空段。2004年～2005年作為衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)處理的時(shí)間窗；以震中為中心的40°×40°范圍作為空間窗。

將標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)中提取的2003年～2011年相同時(shí)段震中區(qū)附近4個(gè)像元CO總量（CO total column）和O3總量（TotO3）月平均值分別作為CO和O3的背景值。從8－天標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)中提取相同像元的CO總量和O3總量。采用差值方法對(duì)CO、O3總量的8－天和月平均數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，求得其與背景值的差值，消除背景值對(duì)結(jié)果的影響。將CO和O3含量偏離該地區(qū)背景含量或打破多年變化規(guī)律均視為CO和O3地球化學(xué)遙感信息異常，然后分析其隨時(shí)間的變化情況。

3 結(jié) 果

用AIRS 8－天降軌數(shù)據(jù)提取的震中區(qū)附近CO總量及標(biāo)準(zhǔn)差顯示，CO總量在地震前后有明顯異常變化。CO總量出現(xiàn)變化時(shí)，CO總量的標(biāo)準(zhǔn)差也相應(yīng)增大（圖2）。用地震前后震中區(qū)相應(yīng)時(shí)間段CO總量月均值與背景值進(jìn)行差值運(yùn)算得到的兩次大地震前后CO總量的差值分布圖展示了兩次大地震前后異常的時(shí)空分布特征和異常強(qiáng)度（圖3）。

圖2 震中區(qū)8－天CO總量及其標(biāo)準(zhǔn)偏差變化

用AIRS 8－天降軌數(shù)據(jù)提取的震中區(qū)附近O3總量在地震前后也有明顯異常（圖4）。用地震前后震中區(qū)相應(yīng)時(shí)間段O3總量月均值與背景值進(jìn)行差值運(yùn)算得到的兩次大地震前后CO總量的差值分布圖展示了O3總量異常強(qiáng)度和時(shí)空變化（圖5）。

圖3 蘇門(mén)答臘兩次大地震前后CO總量的月均值與9年月均值的差值分布圖（單位：mole／cm2）

圖4 震中8－天O3總量變化

4 討 論

4.1 CO、O3異常特征及其與地震的關(guān)系

CO總量在地震1發(fā)生前4個(gè)月打破年變，出現(xiàn)異常變動(dòng)。CO總量異常值變化范圍5.71～25.8（1018mole／cm2）。CO總量異常范圍和強(qiáng)度在地震發(fā)生前2個(gè)月達(dá)到最大，最高值（2.47×1018mole／cm2）出現(xiàn)在2004年10月24日，震后異常減小。CO總量在地震2發(fā)生前約2個(gè)月出現(xiàn)異常，異常范圍和強(qiáng)度明顯增大，8－天CO總量最高達(dá)2.77×1018mole／cm2，異常襯度為1.29。在異常時(shí)段，CO總量顯示高低波動(dòng)，在發(fā)震時(shí)刻CO總量明顯降低（圖2）。這種現(xiàn)象可能是孕震過(guò)程中地應(yīng)力作用下使地殼中地下氣體逸散增量由大變小形成的。

圖5 蘇門(mén)答臘兩次大地震前后O3總量的月均值與9年月均值的差值分布圖（單位：DU）

異常出現(xiàn)的時(shí)間段內(nèi)CO的標(biāo)準(zhǔn)偏差顯著增大（圖4）。地震1、2發(fā)生前CO的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差分別約為正常時(shí)段標(biāo)準(zhǔn)偏差的4倍、10倍。兩次地震中，CO異常出現(xiàn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)偏差增大主要是因?yàn)锳IRS降軌數(shù)據(jù)得到的CO總量標(biāo)準(zhǔn)偏差是8－天多個(gè)像元算術(shù)平均值。標(biāo)準(zhǔn)偏差變化增大說(shuō)明，CO數(shù)據(jù)離散性增大，即CO氣體排放的時(shí)空不均一性增大。兩次地震中CO總量異常均出現(xiàn)在震中及附近區(qū)域。2005年6月震中西北地區(qū)CO總量高于多年平均值，可能與2005年6月印度安達(dá)曼群島地區(qū)一系列Ms 4.0級(jí)以上地震有關(guān)（圖3）。

O3總量在地震1發(fā)生前8個(gè)月出現(xiàn)異常，O3總量迅速升高至276.25DU（Dobson Unit，1DU≈2.7×1016molecules／cm2），高出背景值32.9675DU。地震發(fā)生月份及震后1個(gè)月震中區(qū)O3總量降低，震中的北部地區(qū)O3總量異常升高。這可能與地震發(fā)生時(shí)氣象因素有關(guān)。地震1發(fā)生后2個(gè)月，異常的范圍和強(qiáng)度又逐漸增大，在地震2發(fā)生當(dāng)月，震中及附近異常的范圍和強(qiáng)度達(dá)到最大（268.6875DU），高出背景值36.1925DU。震后異常消失，O3總量恢復(fù)至背景值水平（圖3、圖5）。

CO和O3總量在地震前后的異常變化表明，地震前后氣體的異常變化是由地球排氣作用造成的。CO和O3的這種異常現(xiàn)象很可能是臨震異常，當(dāng)然尚需更多資料予以證明。

此外，對(duì)震中區(qū)CO總量和O3總量相關(guān)性計(jì)算結(jié)果表明，二者在整個(gè)研究的時(shí)間段內(nèi)（2004年～2005年）是不相關(guān)的（r＝0.021），而在異常時(shí)段（2004年12月～2005年3月）二者的相關(guān)性顯著（r＝0.77）。這表明地震前后地下逸出的CO增大了CO總量，大氣中CO的氧化使O3總量增大。用多種傳感器對(duì)蘇門(mén)答臘2004年Ms 8.9地震研究發(fā)現(xiàn)，2004年蘇門(mén)答臘地震前后地表潛熱通量（SLHF）和水汽含量等參數(shù)也出現(xiàn)了與地震活動(dòng)有關(guān)的異常［22］。從CO和O3差值分布圖（圖3、圖5）可以看出，O3總量異常出現(xiàn)比CO總量異常出現(xiàn)早5個(gè)月，結(jié)束時(shí)間一致；并且兩種異常在空間上對(duì)應(yīng)性較好，只是強(qiáng)度部分對(duì)應(yīng)性一般。這可能歸因于引起O3總量變化的原因是多元的，而不僅僅是CO氧化一種因素。

4.2 CO、O3 異常的成因

地球是多個(gè)圈層相互作用的復(fù)雜整體。從衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)獲取的氣體地球化學(xué)遙感信息主要包括3部分：大氣中氣體的背景含量、地下氣體的逸出量及其與大氣中其他氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生的生成量。

衛(wèi)星遙感觀測(cè)到的兩次大地震前后CO總量異常主要?dú)w因于孕震和發(fā)震過(guò)程中地下CO氣體逸出量的增加。兩次大地震中氣體異常高值均出現(xiàn)在震中及其附近。地質(zhì)構(gòu)造上，兩次大地震所在區(qū)域位于東南亞太平洋板塊和印度－澳大利亞板塊之間，由許多小板塊組成，板塊邊界為碰撞和俯沖帶。蘇門(mén)答臘陸緣位于東南亞的西緣，受地質(zhì)作用該區(qū)存在多條斷裂，多火山活動(dòng)和地震［18］。孕震過(guò)程中，在地應(yīng)力作用下不僅使巖石產(chǎn)生了新的裂隙通道而且增大了地球內(nèi)部氣體（CO、CH4、CO2、H2等）的壓力，從而導(dǎo)致地球深部大量氣體沿著斷層向地表擴(kuò)散，在震中及其附近地區(qū)出現(xiàn)了氣體異常。同樣，2000年6月6日甘肅景泰 Ms 5.9地震［6］、2000年6月8日緬甸北部 Ms 6.9地震［7］、2010年玉樹(shù)地震［14］、2001年1月26日印度古吉拉特（Gujarat）地震［19］等都出現(xiàn)了與地震有關(guān)的CO異常。

對(duì)流層中O3主要是大氣光化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果［29］。地震前后地下逸出的CO氧化可生成O3，導(dǎo)致大氣中 O3升高（式（1））。

地震活動(dòng)強(qiáng)烈時(shí)地球內(nèi)部排放出大量CH4氣體［1，23－27］。對(duì)震中區(qū)8－天CH4體積混合比變化情況進(jìn)行了分析。由于CH4在大氣中的背景量高，地下逸出的CH4增量有限，所以CH4的相對(duì)變化不明顯，在地震前似乎有所升高。由此，CO與O3異常的一個(gè)可能來(lái)源是CH4被氧化導(dǎo)致CO和O3含量的增多（式（2））［28－30］，因此在兩次地震發(fā)生時(shí)段 CO和O3相關(guān)性較好。

震孕育和發(fā)生過(guò)程中，存在于巖石圈的地震前兆信息在地殼內(nèi)部會(huì)以壓電效應(yīng)、摩擦電效應(yīng)或動(dòng)電效應(yīng)等方式激發(fā)電場(chǎng)和磁場(chǎng)由地殼內(nèi)部向外輻射。此外還可通過(guò)巖石圈－大氣層－電離層（LAI）之間的耦合存在電離層，引起ULF、ELF、VLF、LF電磁場(chǎng)和電磁波輻射異常以及TEC電離層等離子體參數(shù)等發(fā)生改變，從而改變了電離層的狀態(tài)［31－32］。2004年12月26日Ms 8.9地震以及2005年3月28日Ms 8.6地震電離層電磁場(chǎng)和電離層等離子體參數(shù)在震前存在變化［33－34］。低頻電磁輻射和電離層擾動(dòng)促使14N 衰變形成 CO（式（3）、式（4））［13］。此外，電離層狀態(tài)的改變有利于14C的生成，從而導(dǎo)致CO總量的升高（式（4））：

地震前CO、O3異常已在多個(gè)震例中發(fā)現(xiàn)［6－7，11，13－14，19－21］。這種的原因可能是從孕震到發(fā) 震地應(yīng)力作用下使得地下氣體逸散增量由大變小形成的。在孕震應(yīng)力場(chǎng)作用，地震孕育前期固體地球排氣量顯著增大；臨震期隨巖石中的氣體量降低，排氣量也降低；地震發(fā)生后排氣量逐漸降低。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用衛(wèi)星高光譜數(shù)據(jù)提取的蘇門(mén)答臘兩次大地震前后CO和O3遙感信息，發(fā)現(xiàn)CO和O3遙感信息異?？赡芘c地震活動(dòng)存在密切關(guān)系。

（1）研究區(qū)在兩次地震前均出現(xiàn)了CO和O3總量異常。異常出現(xiàn)時(shí)段CO總量標(biāo)準(zhǔn)偏差增大表明震中及其附近區(qū)域在地震前后地下氣體逸出增量在時(shí)空上是不均勻的。

（2）地震孕育過(guò)程中，地應(yīng)力作用使巖石產(chǎn)生裂隙，空隙流體壓力增大，導(dǎo)致地下氣體逸出，形成了地震前后氣體異常。巖石圈逸出的氣體（CO，CH4，H2O）在大氣圈中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)是導(dǎo)致地震前后CO和O3異常的另一原因。

（3）CO和O3總量震前由高變低的異?，F(xiàn)象可能屬于臨震異常。利用衛(wèi)星高光譜分辨率遙感數(shù)據(jù)提取與地震有關(guān)的氣體地球化學(xué)異常信息尚需開(kāi)展更深入的研究。

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