吳立新，秦 凱，劉善軍

1. 中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083; 2. 中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院,江蘇 徐州 221008; 3. 東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819

斷裂活動及孕震過程遙感熱異常分析的研究進展

吳立新1，秦 凱2，劉善軍3

1. 中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083; 2. 中國礦業(yè)大學(xué)環(huán)境與測繪學(xué)院,江蘇 徐州 221008; 3. 東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819

斷裂活動及孕震過程遙感熱異常分析是對地觀測及遙感應(yīng)用的重要主題。本文從遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用、異常分析方法、異常認知理解3個方面系統(tǒng)回顧了近30年來該主題的研究概況與主要進展。具體包括：①關(guān)于遙感數(shù)據(jù)應(yīng)用的紅外亮溫、微波亮溫與長波輻射、對地觀測同化數(shù)據(jù)及多源數(shù)據(jù)綜合的4個方面；②關(guān)于地震遙感異常分析的目視解譯定性分析、圖像處理定量分析以及多參數(shù)時空關(guān)聯(lián)分析的3個發(fā)展階段；③關(guān)于地震遙感異常認知理解的地球放氣、應(yīng)力致熱、地殼巖石電池轉(zhuǎn)換、氡衰變潛熱釋放與多圈層耦合效應(yīng)等理論學(xué)說。展望未來，提出了面向典型斷裂活動區(qū)的遙感監(jiān)測分析與異常識別、基于地球系統(tǒng)地震響應(yīng)的遙感異常理解分析、空天地立體觀測數(shù)據(jù)的時空關(guān)聯(lián)分析等3個方面的攻關(guān)重點。

對地觀測；地震遙感；斷裂活動；熱異常；異常識別；認知理解；時空關(guān)聯(lián)分析

地震是地球巖石圈活動構(gòu)造應(yīng)力變化積累及運動過程失穩(wěn)的結(jié)果，地震前的熱異常變化現(xiàn)象早已被國內(nèi)外關(guān)注。文獻[1]對1966—1976年我國發(fā)生的9次大地震進行震前地?zé)岈F(xiàn)象調(diào)查，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)地震發(fā)生前存在增溫異常。20世紀80年代起，國內(nèi)外開始大量報道地面氣象站記錄到的地震前氣溫異?，F(xiàn)象。例如，文獻[2]分析1979年唐山大地震前我國185個氣象站的氣溫數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)震區(qū)及其外圍135個臺站在地震前皆呈趨勢性增溫；文獻[3]分析了120多個地面氣象站的觀測資料，發(fā)現(xiàn)在中亞地區(qū)地震前存在氣溫異?，F(xiàn)象，氣溫最大值一般出現(xiàn)在震前孕震過程的1月至1年內(nèi)(中長期異常)或者幾小時至1—2 d內(nèi)(短臨異常)。

1988年，文獻[4]在前蘇聯(lián)科學(xué)院會議上報告了一項重大發(fā)現(xiàn)：分析中亞地區(qū)的衛(wèi)星紅外圖像時，發(fā)現(xiàn)在地震活動區(qū)的斷層交匯部位，許多中強地震前出現(xiàn)了短臨的熱紅外輻射增強現(xiàn)象。該文獻掀起了斷裂活動和孕震過程遙感熱異常研究的熱潮，并引領(lǐng)地震監(jiān)測分析進入了衛(wèi)星遙感應(yīng)用的新時代。文獻[5]分析指出：地震是斷層在構(gòu)造應(yīng)力作用下發(fā)生構(gòu)造變形破裂的結(jié)果，了解斷層活動及孕震過程是認識地震規(guī)律的基礎(chǔ)，而衛(wèi)星遙感是從整體上開展區(qū)域斷裂活動、衛(wèi)星紅外異常及地震應(yīng)力失穩(wěn)三者之間關(guān)聯(lián)性分析的重要手段。近30年來，衛(wèi)星遙感應(yīng)用在斷裂活動及孕震過程熱異常分析研究十分活躍，具有跨學(xué)科交叉性和科學(xué)探索性特征，不僅促進了遙感科學(xué)與遙感應(yīng)用的發(fā)展，而且展現(xiàn)了衛(wèi)星遙感在固體地球災(zāi)害監(jiān)測分析及地球系統(tǒng)科學(xué)研究中的巨大潛力。

回顧歷史、展望未來。本文從地球觀測數(shù)據(jù)應(yīng)用、地震異常分析方法、地震異常認知理論3個方面進行研究回顧和進展分析，并提出了協(xié)同觀測和地球感知的未來攻關(guān)重點。

1 地球觀測數(shù)據(jù)應(yīng)用回顧

斷裂活動及孕震過程遙感熱異常研究與衛(wèi)星遙感應(yīng)用發(fā)展具有同步性。所應(yīng)用的地球觀測數(shù)據(jù)有以下基本特征：①多分辨率，包括90 m的ASTER數(shù)據(jù)、1 km的MODIS數(shù)據(jù)、1°的同化資料；②多觀測模式，包括AVHRR/NOAA、MODIS/EOS、AATSR/ENVISAT等極軌衛(wèi)星觀測，以及SEVIRI/MSG、VISSR/FY-2等靜止衛(wèi)星觀測；③多物理參數(shù)，包括地面溫度、紅外亮溫、射出長波輻射(outgoing longwave radiation，OLR)、微波亮度、近地表氣溫、地表潛熱通量(surface latent heat flux，SLHF)等；④時空連續(xù)的空天地同化資料，包括NCEP/NCAR reanalysis、NCEP-FNL、MERRA、ERA-Interim等產(chǎn)品。

1.1 紅外亮溫數(shù)據(jù)應(yīng)用

自1990’s開始，前蘇聯(lián)/俄羅斯、中國、日本、意大利、美國、印度等國學(xué)者[6-27]先后使用AVHRR/NOAA、MODIS/EOS、AATSR/ENVISAT等衛(wèi)星熱紅外亮溫數(shù)據(jù)，分析研究了斷裂活動及孕震過程的區(qū)域地表亮溫變化特征及異常現(xiàn)象。通過大量震例分析，各國科學(xué)家在全球范圍檢驗證實了地震衛(wèi)星遙感熱異?，F(xiàn)象的普遍性。其中，文獻[5,28—29]利用AVHRR/NOAA紅外亮溫數(shù)據(jù)，對中國西部斷裂如南北地震構(gòu)造帶、東昆侖斷裂帶、瑪尼-玉樹-鮮水河斷裂帶、阿爾金斷裂帶等進行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明：與斷層活動有關(guān)的地表亮溫高值區(qū)往往與隨后的強震活動區(qū)相符，其升溫時期往往與地震活躍期相符。但是，因紅外亮溫受云雨影響，在全覆蓋、連續(xù)觀測與異常精準識別方面還存在一定困難。

1.2 微波亮溫與長波輻射數(shù)據(jù)應(yīng)用

除衛(wèi)星紅外亮溫外，中國地震局、美國查普曼大學(xué)等單位的研究人員[30-32]還將氣象領(lǐng)域常用的OLR(一種由衛(wèi)星遙感反演得到的地球表面、大氣和云層向外層空間發(fā)射的長波紅外輻射)數(shù)據(jù)引入到地震熱異常研究中，發(fā)現(xiàn)了地震前的OLR異常增強現(xiàn)象。此外，在衛(wèi)星微波亮溫方面，也取得了較好的應(yīng)用效果，如：日本宇航研發(fā)機構(gòu)(JAXA)的研究人員使用美國地球觀測系統(tǒng)EOS-AQUA衛(wèi)星搭載的先進微波掃描輻射計AMSR-E的觀測數(shù)據(jù)，率先分析了地震構(gòu)造活動導(dǎo)致的微波輻射異?，F(xiàn)象[33-34]；文獻[35]使用AMSR-E/EOS數(shù)據(jù)，檢測分析了2010年玉樹地震前巖石破裂引起的微波輻射異常；文獻[36]提出了分析提取微波輻射地震異常的“兩步法”，可消除地形地貌、局部氣象條件等非地震因素的影響。

1.3 對地觀測同化數(shù)據(jù)應(yīng)用

近年，融合了多種對地觀測和模擬模型的同化數(shù)據(jù)[37-38]也在地震遙感異常分析中得到重視。文獻[39]將美國國家環(huán)境預(yù)報中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)的同化資料引入到地震熱異常研究中，為云雨天氣條件下的衛(wèi)星紅外遙感失效提供了重要補充；文獻[40]使用NCEP同化資料的SLHF，分析了印度5次地震前的地表潛熱變化，發(fā)現(xiàn)沿海地區(qū)強震前普遍存在SLHF異常;隨后，文獻[41]跟蹤驗證了這一現(xiàn)象；文獻[42—43]聚焦中國內(nèi)陸強震前的SLHF變化，分析發(fā)現(xiàn)內(nèi)陸地震前也有SLHF異常，并認為這可能與震區(qū)附近存在大規(guī)模水體有關(guān)。

1.4 多源數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用

本世紀初以來，隨著對地觀測技術(shù)的快速發(fā)展和遙感數(shù)據(jù)的多源化，除紅外、微波之外的其他遙感參數(shù)也在地震異常分析中得到重視。尤其2008年汶川地震后，多參數(shù)關(guān)聯(lián)性分析成為地震熱異常遙感研究的重要思路。例如，文獻[44]使用搭載于AQUA衛(wèi)星的AIRS與AMSU傳感器的氣溫、地表溫度、相對濕度等數(shù)據(jù)，以及搭載于DMSP衛(wèi)星的微波輻射成像計SSM/I的微波亮溫數(shù)據(jù)，綜合分析了汶川地震前的多參數(shù)熱異常；文獻[45]分析了汶川地震前的OLR、SLHF、氣溫等熱參數(shù)異常變化；文獻[46]研究發(fā)現(xiàn)2010年新西蘭坎特伯雷地震及2011年新西蘭克萊斯特徹奇地震之前，從衛(wèi)星遙感同化資料均發(fā)現(xiàn)了在震區(qū)附近出現(xiàn)了局部土壤濕度、SLHF及地表氣溫異常；文獻[47—48]使用多種遙感參數(shù)識別分析了2008年中國于田地震、2008年中國汶川地震、2009年意大利拉奎拉地震前的多參數(shù)熱異常特征。

2 地震異常分析方法回顧與進展

地震異常具有“強干擾背景、弱變化信息”的特點，如何排除非震因素的復(fù)雜干擾而從遙感數(shù)據(jù)中有效提取斷裂活動及孕震過程導(dǎo)致的熱異常信息，是一個經(jīng)典難題。近30年來，地震熱異常遙感分析方法及模型不斷發(fā)展和完善。總結(jié)相關(guān)研究成果，可將其概括為3個發(fā)展階段，即目視解譯定性分析階段、圖像處理定量分析階段、多參數(shù)時空關(guān)聯(lián)分析階段。

2.1 目視解譯定性分析階段

上世紀末之前的地震熱異常遙感分析主要采用目視解譯法，即對熱紅外衛(wèi)星影像進行假彩色合成，根據(jù)不同地物的熱輻射特征差異及衛(wèi)星熱像進行目視判讀。這一階段，以上世紀90年代前蘇聯(lián)/俄羅斯、中國為主。通過對衛(wèi)星紅外熱像的目視解譯，定性分析并總結(jié)得到了地震前熱紅外異常的一般性特征[6-14]：①震級大于5級的地震前一般存在熱像異常；②熱像異常呈現(xiàn)突變性特征，一般在地震前幾天至幾十天內(nèi)突然出現(xiàn)，并持續(xù)數(shù)日；③地震震級與熱像異常幅度、異常區(qū)面積呈正相關(guān)，但無明確的定量關(guān)系；④熱像異常區(qū)的空間分布與震區(qū)斷裂構(gòu)造有緊密關(guān)系；⑤地震震中位置一般位于熱像異常區(qū)隨時間運動遷移的前緣或其前鋒與地震帶、活動構(gòu)造帶的交匯區(qū)，或是孤立異常的凹陷部位。總之，該方法對地震地質(zhì)、氣象云圖等多學(xué)科知識綜合運用的經(jīng)驗要求很高，多用于定性研究，且存在主觀臆斷的可能。

2.2 圖像處理定量分析階段

本世紀的最初10年，隨著遙感圖像變化檢測技術(shù)的快速發(fā)展，產(chǎn)生了背景場差值分析和衛(wèi)星數(shù)據(jù)魯棒分析技術(shù)(robust satellite data analysis technique，RST)等新的地震熱異常分析方法。背景場差值分析是通過計算震前溫度數(shù)據(jù)與背景場溫度數(shù)據(jù)的差值，來定量分析孕震區(qū)溫度的相對變化情況。該方法的優(yōu)點是考慮了非震年份地表溫度的時空分布特征，可獲取地震年份異常區(qū)面積及其增溫幅度；缺點是背景場選取的時空不確定性較大，根據(jù)不同的背景場會得到不同的結(jié)果。例如，文獻[8，24]用2002、2003年的數(shù)據(jù)做背景場計算陸地地表溫度(land surface temperature,LST)差，分析了2001年印度古吉拉特地震前的熱異常，發(fā)現(xiàn)地震前6 d在震中附近200 km范圍內(nèi)構(gòu)造斷層區(qū)域出現(xiàn)了異常增溫；文獻[22]用2000—2004年的年均值作背景場計算LST差，分析了2005年巴基斯坦克什米爾地震前的熱異常。文獻[49]分析指出，在使用背景場差值法分析地震熱異常時，要考慮云覆蓋像元及鄰近軌道拼接誤差引起的異常誤判。通過選取長時間序列的非地震年數(shù)據(jù)來構(gòu)建背景場，以此消除氣候氣象、地形地貌等非震因素的影響，可在一定程度上克服背景場選取的隨意性。例如，文獻[50]使用30年的同化資料作為背景場，分析發(fā)現(xiàn)2012年意大利北部兩次地震前5 d、8 d在震中附近出現(xiàn)了溫度異常熱點；文獻[51]針對全球范圍內(nèi)發(fā)生的典型震例，按照不同的空間位置、不同季節(jié)、不同震級、不同震源深度分別建立紅外背景場，開展了地震熱異常的時空統(tǒng)計分析；文獻[26—27]針對AVHRR/NOAA圖像提出一種稱之為RAT(Robust AVHHRR techniques)的多時相遙感統(tǒng)計方法，分析了印度、希臘、土耳其、意大利等國家的地震熱異常，并將此推廣到其他的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，稱之為RST、RETIRA(robust estimator of TIR anomalies)方法。文獻[52—53]在RST基礎(chǔ)上，提出了一種基于參考基準場的震前熱紅外遙感定量分析模型與異常識別方法。

此外，文獻[54]使用渦度法分析了震前OLR異常，該方法的原理是將遙感圖像中每個像元的數(shù)據(jù)與其相鄰像元數(shù)據(jù)進行差值處理，得到OLR空間分布的渦度圖像。文獻[55]基于熱傳導(dǎo)與熱輻射的時間差異，提出了反映地下熱異常的指標——“透熱指數(shù)”來消除天氣因素的干擾，其原理是利用基巖、土壤或植被等地物因熱慣量、熱擴散率差異導(dǎo)致的對地下熱信號響應(yīng)的時間差別，而從地表溫度信號中提取地下的熱異常。文獻[56]使用歐洲靜止衛(wèi)星SEVIRI/MSG的高時間分辨率LST數(shù)據(jù)，通過線性回歸計算夜間熱梯度(night thermal gradient，NTG)，并以此定量表征熱異常信號，分析識別了2009年意大利拉奎拉地震前與發(fā)震斷裂密切相關(guān)的熱異常的空間分布細節(jié)。

與此同時，小波分析法、功率譜法、鞅理論等信號處理與統(tǒng)計方法也逐漸在該領(lǐng)域得到應(yīng)用。例如，文獻[57—60]利用小波分析法分別分析了地震前的紅外亮溫、OLR、SLHF和氣溫參數(shù)。該方法的原理是通過小波變換，將熱參數(shù)信息的時間域信號轉(zhuǎn)化為頻率域信號，根據(jù)影響熱參數(shù)的不同因素在不同頻帶的能量差異而檢測出與地震相關(guān)的信號。文獻[61—62]將功率譜法應(yīng)用到VISSR/FY-2靜止衛(wèi)星數(shù)據(jù)中開展了多個震例分析，得到了較好效果。該方法的原理是利用波形數(shù)據(jù)處理中的功率譜法獲得優(yōu)勢頻率和幅值，并通過分析地震前后溫度變化的功率譜差異來識別與孕震過程相關(guān)的遙感熱異常。文獻[63]使用概率統(tǒng)計理論中的鞅理論，分析識別了2008年汶川地震6 d前的OLR異常。

2.3 多參數(shù)時空關(guān)聯(lián)分析階段

近10年，誕生了地震異常多參數(shù)時空關(guān)聯(lián)分析方法。地面溫度是地表能量平衡系統(tǒng)中多因素共同作用的結(jié)果，地面溫度、紅外亮溫、微波亮溫、OLR、SLHF等多個熱參數(shù)之間存在密切的物理聯(lián)系。例如，地表因吸收各種輻射而增溫，以及地表因自身發(fā)生熱輻射而降溫，這些過程均首先從地表開始，然后通過土壤傳導(dǎo)到土壤深層；地表水分通過蒸發(fā)逸向空中，帶走潛熱，引起地面溫度的降低；紅外亮溫、微波亮溫、OLR是下墊面物理溫度在不同波段的反映，其值與地面物理溫度密切相關(guān)?？梢姡鄠€熱參數(shù)之間存在復(fù)雜的共生或因果關(guān)系，需要綜合分析其時間、空間、強度變化及其與斷裂活動及孕震過程的關(guān)系。盡管文獻[44—45]分別使用多源遙感數(shù)據(jù)，分析了汶川震前的地表溫度、微波亮溫、SLHF等多個熱參數(shù)變化，但是各參數(shù)之間的時空關(guān)聯(lián)性分析不夠。文獻[47]提出了地震異常遙感觀測多參數(shù)協(xié)同識別的偏離度-時間-空間準則(deviation-time-space，DTS準則)，即：①異常強度的偏離度準則(D準則——由于氣候氣象、地形地貌、地表覆蓋等因素綜合影響，每個觀測參數(shù)均存在特定的周期性變化和有限的隨機性變化(方差))，當某天的觀測值與總體趨勢值之差超過了某倍方差值(一般取2倍方差)，則可判斷為一次潛在異常的時間點；②時間同步窗口準則(T準則)——雖然不同地震之前出現(xiàn)異常的參數(shù)個數(shù)可能不同，但一般會在地震前若干天的時間窗口內(nèi)集中出現(xiàn)，即不同的觀測參數(shù)出現(xiàn)異常的時間點具有準同步性；③空間鄰近性準則(S準則)——受孕震構(gòu)造及活動斷裂控制，遙感異常區(qū)與地震孕震區(qū)必然存在客觀的空間聯(lián)系，即不同參數(shù)的異常區(qū)應(yīng)集中出現(xiàn)在某一相鄰區(qū)域或沿某一斷裂帶展布?；贒TS準則，文獻[64]具體提出了熱異常分析DTS-T(基于DTS的thermal異常)方法及其技術(shù)流程；進一步，為評估熱異常識別的可靠性，建立了地震熱異常定量評估指標(reliability index)。

地震孕育和發(fā)生過程，不僅可能改變地表熱能及熱輻射的空間分布狀況，而且可能引起大氣層上部的電離層擾動[65-73]。近年，地震熱異常與電離層擾動現(xiàn)象的多參數(shù)關(guān)聯(lián)分析也引起了高度關(guān)注。例如，文獻[74]比較了2003年日本8.3級地震前大氣潛熱與電離層低頻電波信號的變化情況，發(fā)現(xiàn)前后2—3 d內(nèi)兩者出現(xiàn)了準同步異常；文獻[75]發(fā)現(xiàn)2003年墨西哥7.8級地震前3 d出現(xiàn)了同步的大氣潛熱與電離層總電子含量(total electron content，TEC)異常變化；文獻[76]使用多年的衛(wèi)星遙感同化資料和DEMETER電磁衛(wèi)星資料，分析揭示了2007年普洱地震前11 d、10 d分別在孕震區(qū)附近出現(xiàn)了明顯的大氣潛熱與電離層參數(shù)(electron density,ED)局部異常增強現(xiàn)象；文獻[77]分析發(fā)現(xiàn)2010年玉樹地震前6 d、5 d分別在孕震區(qū)附近出現(xiàn)了明顯的大氣潛熱與電離層能量譜密度(power spectrum density，PSD)局部異常增強。我國首顆自主研發(fā)的電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星“張衡一號”即將發(fā)射入軌并投入使用，熱參數(shù)遙感異常及電離層原位擾動的關(guān)聯(lián)性分析，將成為地震遙感異常多參數(shù)、多維時空關(guān)聯(lián)分析的重要內(nèi)容，也將為斷裂活動及孕震過程同源耦合效應(yīng)下的異常機理研究提供重要支撐。

3 機理認知回顧與進展

為科學(xué)解釋斷裂活動及孕震過程遙感熱異常產(chǎn)生的物理機制，國內(nèi)外學(xué)者通過空氣電場觀測試驗、巖石加載輻射監(jiān)測試驗等多種手段，對熱異?，F(xiàn)象產(chǎn)生的機理開展了探索性研究，先后提出了地球放氣、應(yīng)力致熱、地殼巖石電池轉(zhuǎn)換、氡衰變潛熱釋放、多圈層耦合效應(yīng)等理論學(xué)說。

3.1 地球放氣說

最早報道地震衛(wèi)星紅外異常的前蘇聯(lián)學(xué)者認為[4]：孕震區(qū)震前遙感熱異?，F(xiàn)象可能與震前斷裂活動導(dǎo)致的斷層上方近地表大氣成分的改變有關(guān)。由于震前構(gòu)造活動加劇，區(qū)域內(nèi)巖石和地表的微破裂張開，使得地下封閉的氣體如H2、CO、CO2、CH4、Rn等氣體沿裂隙通道逸出地面。在大氣電場作用下，溫室氣體將出現(xiàn)增溫效應(yīng)。文獻[78—79]通過CO2、CH4等混合氣體的電場試驗證明，在太陽輻照和瞬變電場作用下可引起3～6℃的增溫；文獻[80—81]進行了幾十次不同電場強度下不同氣體的增溫效應(yīng)的觀測對比試驗，認為地震短臨熱紅外輻射增強的原因是太陽輻照下大氣電場變化誘導(dǎo)氣體激化產(chǎn)生紅外輻射。文獻[82]通過試驗證明熱紅外溫度異常與太陽照射、大氣電場、大氣成分密切相關(guān)，非極性氣體如CO2、CH4的含量越高，則增溫越大，而極性氣體如水蒸氣則相反；CO2、CH4含量高的大氣，其增溫遠遠超過單純由溫室效應(yīng)引起的增溫，其幅度可達10℃。文獻[83—84]則認為，由于地震前地殼逸出物(氡、惰性氣體和金屬氣溶膠等)的化學(xué)反應(yīng)改變了大氣邊界層的電導(dǎo)率，進而產(chǎn)生了附加大氣電場，激發(fā)了紅外電磁波輻射。文獻[13,16]認為在構(gòu)造應(yīng)力作用下，震前深部地下流體可沿斷裂、裂縫向上傳輸，并在地下分解為水和氣體(CH4、CO2、Rn等)，一方面引起了溫泉和表層水的離子含量、水溫變化，另一方面通過熱對流、熱輻射等方式改變地表溫度及近地表氣溫。盡管地球放氣假說已有部分試驗證明，也得到了較多原位觀測的驗證(有例外)，但其對斷裂活動及孕震過程遙感熱異常產(chǎn)生機制的充要性還有待研究。

3.2 應(yīng)力致熱說

文獻[85—86]通過巖石加載模擬試驗，觀測了走滑型和破裂型兩種不同地震類型的溫度異常前兆特征，認為地震前出現(xiàn)的熱異常是因地殼應(yīng)力作用使得機械能轉(zhuǎn)化為熱能，并通過巖石中的孔隙和震前的微小破裂而傳輸?shù)降孛?。文獻[89—90]開展了多種加載方式下煤系巖石的紅外輻射觀測試驗。2000年，文獻[91]正式闡明了遙感巖石力學(xué)(remote sensing rock mechanics，RSRM)的定義、內(nèi)涵和基本框架。隨后，文獻[92]總結(jié)梳理了RSRM多年的研究成果，并提出了未來發(fā)展的兩個主要方向。此后十多年，文獻[93—105]以非連續(xù)組合斷層、斷層雙剪粘滑、交匯斷層粘滑、巖石壓剪刀破裂等多種構(gòu)造地震孕震機制為模擬對象，利用雙軸加載試驗系統(tǒng)、紅外熱像儀、微波輻射儀和聲發(fā)射儀等開展了大量的基礎(chǔ)試驗研究；與此同時，文獻[106—109]也開展了巖石加載紅外輻射觀測試驗工作。

3.3 地殼巖石電池轉(zhuǎn)換說

位于地殼深部的巖石通常被認為是絕緣體，但美國NASA Ames研究中心的科學(xué)家FRIEDEMANN T F從火成巖加載過程的電位觀測發(fā)現(xiàn)，巖樣遠端未加載部分存在正電荷集聚現(xiàn)象。據(jù)此，文獻[110—115]提出巖石礦物一階氧離子對(O--O-)破斷與電子捕獲、酸根離子亞晶格(即巖石孔隙正電荷P-Hole)激活遷移的P-Hole模型，構(gòu)建了巖石材料受力電流激發(fā)(類電解質(zhì)模式的巖石電池轉(zhuǎn)換)、巖石表面正電荷集聚、空氣電離的響應(yīng)鏈條。利用P-Hole響應(yīng)鏈條，可解釋部分地震的異常前兆現(xiàn)象，如低頻電磁輻射、電離層等離子體密度變化、井水水位變化、動物異常等；也可在一定程度上解釋地下震源與地表遙感異常之間、地表震中與地表熱異常之間存在空間位置差異的原因。

3.4 氡衰變潛熱釋放與多圈層耦合效應(yīng)說

地殼巖石及地表土壤層的孔隙中封閉有一定量的輻射性氡氣(222Rn)，構(gòu)造應(yīng)力作用下地下巖層及土體開裂會促使氡氣與其他流體一起沿貫通性裂縫逃逸出地表。文獻[75]認為：強震前來自活動斷裂的逸出氡衰變后產(chǎn)生的高能α粒子，可引起斷裂活動區(qū)上方近地表大氣分子電離、邊界層大氣垂直電場變化以及區(qū)域電離層異常，并成為低層大氣水汽凝結(jié)核而導(dǎo)致潛熱釋放和大氣增溫。文獻[116]報道了2003年6月9日土耳其地震前出現(xiàn)的土壤氡氣和氣溫的準同步異常變化現(xiàn)象，佐證了其提出的氡衰變釋放潛熱的假說。之后，震前氡異常的觀測結(jié)果和分析研究多有報道。進一步，俄羅斯、日本、美國等國學(xué)者[117-118]，以氡衰變引發(fā)空氣電離而釋放潛熱、改變近地面大氣電場為主要物理過程，提出了巖石圈-大氣層-電離層(lithosphere-atmosphere-ionosphere,LAI)多圈層耦合效應(yīng)，試圖以此解釋地震前多種異常現(xiàn)象的機理，并在國際地震火山電磁方法研討會(Workshop on Electromagnetic Studies of Earthquakes and Volcanoes)、歐洲地球科學(xué)聯(lián)盟年會(EGU General Assembly)等系列學(xué)術(shù)會議上進行了廣泛討論。

4 攻關(guān)重點展望

總體而言，上世紀80年代末開始的斷裂活動及孕震過程遙感熱異常分析，迄今已取得豐碩成果。雖然這些關(guān)于孕震過程的遙感異常研究多是震后進行的(非監(jiān)測預(yù)測性)，但從科學(xué)層面揭示了客觀現(xiàn)象、探索了自然規(guī)律，為攻克地震監(jiān)測預(yù)報這一世界性難題奠定了遙感科學(xué)基礎(chǔ)。非震因素的扣除及地震異常的可靠識別是斷裂活動及孕震過程遙感熱異常研究的關(guān)鍵技術(shù)，未來仍是挑戰(zhàn)性問題。近年，以美國Suomi NPP極軌衛(wèi)星、歐洲第2代靜止軌道氣象衛(wèi)星(MSG)、日本Himawari-8靜止衛(wèi)星、我國風(fēng)云四號衛(wèi)星(FY-4)為代表的新一代氣象衛(wèi)星系統(tǒng)的相繼投入應(yīng)用，以及隨著地震臺站、地面與高空氣象站觀測網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)加密，越來越多高時空分辨率的空天地觀測數(shù)據(jù)可用于地震異常研究和地球感知分析。這些多源的地球觀測數(shù)據(jù)的持續(xù)獲取與關(guān)聯(lián)使用，為非震因素扣除及地震異常識別提供了新的途徑?？偨Y(jié)過去的經(jīng)驗與難題，提出以下3項未來攻關(guān)重點方向：

4.1 面向典型活動構(gòu)造區(qū)的遙感監(jiān)測識別

在研究實踐方面，國內(nèi)外大量震例分析表明：并非所有地震前都有可識別的遙感異?，F(xiàn)象，不同地區(qū)甚至同一地區(qū)不同時段出現(xiàn)的異常也有所不同，遙感異常幅度與地震震級之前并不是線性關(guān)系，等等。以往研究者多傾向于選擇致災(zāi)影響較大、遙感異常顯著的典型震例進行分析，未能充分顧及構(gòu)造活動的空間關(guān)聯(lián)性、孕震過程的發(fā)育階段性和輻射傳輸?shù)姆囱輳?fù)雜性。未來應(yīng)以典型活動構(gòu)造區(qū)為例進行重點研究，顧及其地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地形地貌、地表覆蓋、氣象條件等影響因素，將其劃分為若干子區(qū)，整理各子區(qū)長期以來5.5級以上地震的遙感相關(guān)信息和多時空尺度的輻射背景場，并從構(gòu)造區(qū)塊的特殊性角度，去系統(tǒng)、深入地研究孕震過程與異常時間、空間、強度的關(guān)聯(lián)性指標及其遙感前兆模型。

4.2 基于地球系統(tǒng)地震響應(yīng)的遙感異常理解

在科學(xué)認知層面，要面向斷裂活動及地震孕育發(fā)生的時空過程，深化提升地震前地球系統(tǒng)多圈層耦合的機理認識。近年，國際上試圖用LAI耦合效應(yīng)，從地球系統(tǒng)科學(xué)角度來探討震前多參數(shù)異?，F(xiàn)象及其機理。顧及地表不同蓋層(coversphere,即介于地球巖石圈與大氣圈之間的水體、冰雪、土壤、沙漠、植被等地表覆蓋層)的紐帶作用及其對衛(wèi)星遙感信號的重要影響，文獻[47]特別指出了蓋層對地氣耦合、輻射傳輸及遙感反演的重要性，并建議以巖石圈-蓋層-大氣層-電離層(LCAI)耦合為統(tǒng)一框架去綜合分析多個熱異常參數(shù)和地球系統(tǒng)地震響應(yīng)，去理解和揭示多參數(shù)異常的因果關(guān)系與尺度聯(lián)系。但是，基于地球系統(tǒng)地震響應(yīng)的多圈層耦合機理還有待完善，一些關(guān)鍵性耦合機制及時空鏈條尚不清楚。

4.3 空天地立體觀測數(shù)據(jù)的時空關(guān)聯(lián)分析

在技術(shù)方法層面，要在GEOSS框架之下，充分耦合大氣、海洋、陸地及地球物理衛(wèi)星系列的觀測能力，強化衛(wèi)星遙感綜合應(yīng)用及空天地對地觀測大數(shù)據(jù)分析。文獻[119]認為前兆異常將隨著地震臨近而趨于增多，因此，時間同步窗口識別是多參數(shù)時空關(guān)聯(lián)分析的關(guān)鍵，是地震遙感異常可靠性檢驗的重要準則，應(yīng)努力在遙感大數(shù)據(jù)時空關(guān)聯(lián)分析技術(shù)方面尋求突破。此外，空天地立體觀測數(shù)據(jù)是構(gòu)造活動及孕震過程中地球系統(tǒng)地震響應(yīng)在巖石圈、地表、海洋、大氣層、電離層的投射，需要顧及地球系統(tǒng)在球體空間中的多圈層耦合過程，進行多維動態(tài)時空關(guān)聯(lián)分析。

5 結(jié) 語

構(gòu)造活動及孕震過程的衛(wèi)星遙感分析研究任重道遠，一些已報道的地震遙感異?，F(xiàn)象還有待進一步甄別。地球感知、認知及預(yù)知極富挑戰(zhàn)，是地球科學(xué)的永恒主題；地震遙感異常智能識別與可靠性驗證至關(guān)重要，是衛(wèi)星遙感地震應(yīng)用的核心議題；地震遙感監(jiān)測預(yù)報，是多學(xué)科交叉融合的重要舞臺。在科技政策方面，未來應(yīng)持續(xù)加強機構(gòu)協(xié)作和國際化密切合作，充分發(fā)揮空天地協(xié)同觀測能力，努力提升對地觀測數(shù)據(jù)資源的共享利用效能，更好地服務(wù)于地震減災(zāi)防災(zāi)和人類社會可持續(xù)發(fā)展。在學(xué)科領(lǐng)域方面，要切實加強院校聯(lián)合和多學(xué)科深度融合，共同提升空天地觀測數(shù)據(jù)的時空關(guān)聯(lián)分析水平，強化地震異常遙感識別及地震過程認知預(yù)知能力，共同攀登構(gòu)造活動及地震熱異常遙感觀測的新高峰。

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(責(zé)任編輯：叢樹平)

Progress in Analysis to Remote Sensed Thermal Abnormity with Fault Activity and Seismogenic Process

WU Lixin1,QIN Kai2,LIU Shanjun3

1. School of Geosciences and Info-physics, Central South University, Changsha 410083, China; 2. School of Environment and Geo-Information, China University of Mining & Technology, Xuzhou 221008, China; 3. School of Resources and Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China

Research to the remote sensed thermal abnormity with fault activity and seismogenic process is a vital topic of the Earth observation and remote sensing application. It is presented that a systematic review on the international researches on the topic during the past 30 years, in the respects of remote sensing data applications, anomaly analysis methods, and mechanism understanding. Firstly, the outlines of remote sensing data applications are given including infrared brightness temperature, microwave brightness temperature, outgoing longwave radiation, and assimilated data from multiple earth observations. Secondly, three development phases are summarized as qualitative analysis based on visual interpretation, quantitative analysis based on image processing, and multi-parameter spatio-temporal correlation analysis. Thirdly, the theoretical hypotheses presented for the mechanism understanding are introduced including earth degassing, stress-induced heat, crustal rock battery conversion, latent heat release due to radon decay as well as multi-spheres coupling effect. Finally, three key directions of future research on this topic are proposed: anomaly recognizing by remote sensing monitoring and data analysis for typical tectonic activity areas; anomaly mechanism understanding based on earthquake-related earth system responses; spatio-temporal correlation analysis of air-based, space-based and ground-based stereoscopic observations.

earth observation; earthquake remote sensing; fault activity; thermal anomaly; anomaly recognizing; mechanism understanding; spatio-temporal correlation analysis

The National Natural Science Foundation of China (No. 41401495); The Innovation Leading Talent Program of Central South University(No. 506030101)

WU Lixin (1966—), male, PhD, professor, majors in geohazard remote sensing, digital mine, 3D geo-modeling and its applications.

吳立新，秦凱，劉善軍.斷裂活動及孕震過程遙感熱異常分析的研究進展[J].測繪學(xué)報，2017,46(10)：1470-1481.

10.11947/j.AGCS.2017.20170347.

WU Lixin,QIN Kai,LIU Shanjun.Progress in Analysis to Remote Sensed Thermal Abnormity with Fault Activity and Seismogenic Process[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(10):1470-1481. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20170347.

P237

A

1001-1595(2017)10-1470-12

國家自然科學(xué)基金(41401495)；中南大學(xué)創(chuàng)新領(lǐng)軍人才計劃(506030101)

2017-06-22

修回日期： 2017-07-19

吳立新(1966—)，男，博士，教授，研究方向為災(zāi)變遙感、數(shù)字礦山、三維地學(xué)建模與應(yīng)用。

E-mail： awulixin@263.net