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遥感技术在地震研究中的应用进展
第23卷第4期
2008年8月（页码:
1273~1281
地球物理学进展
PROGRESSINGEOPHYSICS
VoL23No.4Aug.2008
遥感技术在地震研究中的应用进展
陈或1’2,徐瑞松1,蔡睿“2,王洁1’2,苗莉1卫
（1.中科院广州地球化学研究所,边缘海地质重点实验室,广州510640I2.中国科学院研究生院,北京100039
摘要本文介绍了遥感技术在地震监测和研究中的应用和进展,分析了卫星热红外遥感、InSAR技术和气体遥感方法在地震前后地表热红外增温、形变和气体含量改变的研究现状,初步探讨了该方法的成因机制.本文同时分析了该技术在地震预报中存在的问题,提出了未来的研究重点.
关键词遥感,地震,热红外温度异常,InSAR,气体浓度分析
中围分类号P631文献标识码A文章编号1004—2903（200804—1273—09
Applicationprogressofremotesensingtechnology
inearthquakeresearch
CHENYul~,XURui—son91,CAIRuil~,WANGJiel一,MIAOLil・2
（1.KeyLaboratoryofMarginalSeaGeology,GuangzhouInstituteofGeochemistry。
ChineseAcademyofSciences・
Guangzhou510640,China12.GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,BeOing100039,China
AbstractThisarticleintroducestheapplicationandprogressofremotesensingtechnologyinearthquakemonitoringandresearch.Weanalyzethegeneralsituationofusingsatelliteinfraredremotesensing,InSARtechnologyandgasRSmethodtOdetectsurfaceIRtemperatureincreasing,deformationandgasconcentrationchange.Wepreliminarilydis—CUSSthemechanismofthesemethods.ThisarticlealsoanalyzestheproblemofRStechnologyexistinginearthquakeprediction,andsuggesttheresearchfocusinthefuture.
Keywordsremotesensing,earthquake,infraredtemperatureanomaly,InSAR,gasconcentrationanalysis
0引言
地震预报研究是当今世界性的科学难题之一.自19世纪末第一台近代地震仪问世以来,各国地震学者都相继开展了地球物理、地球化学、地壳形变等手段的观测研究,但地面定点观测手段的局限性,使人们无法获取大面积动态连续的地震前兆场信息,制约了地震预报研究的发展.随着卫星遥感技术的发展,红外遥感、InSAR、气体反演等技术相继被应用到地震观测当中,因其宏观性强,精度高、重复观察周期短和不受地面条件限制等诸多优势祢补了常规方法的不足,成为研究断裂活动性及研究地震前后异常现象的观测手段,大大促进了地震监测和预报的发展.
收稿日期
基金项目
作者简介
国内外地震学者已在这方面进行了二十多年的探索研究,发现了地震前后的一些相关现象可以显示在遥感图像上.大量热红外观测表明,由于压力变化和能量积累,震前地表和近地表温度约增加3~6。
C;通过InSAR观测,地表在震前和震后的三维形变可达数十厘米到数米;进一步研究表明,遥感方法可以观测到地震引起的排气作用,导致了某些气体（CH。
CO。
CO,H:
S等浓度的变化.本文介绍了以上几项遥感技术在地震监测和预报中的应用及研究现状,同时分析了该技术的应用所存在的缺点和不足,提出了未来的研究重点.
1’地震热红外增温现象研究
自20世纪80年代末以来,在地震预测预报中
2008—02-10;修回日期2008—04—20.
国家“973”重点基础研究发展计划（2007CB41170501、中国科学院院创新（KzcX3一SW一152,中国科学院知识创新工程重要方向项目（KZCX2一yw一203—2联合资助.
陈或,男,1983生。
在读硕士研究生,中科院广州地球化学研究所,遥感与地理信息系统专业.E-mailtesschenyu@gmail.tom万方数据
地球物理学进展23卷
提出了利用卫星红外遥感技术进行地震预测的方法.国内外不少地震学者对几个主要问题作了大量探讨:
红外异常与地震和震中的时间空间关系;如何解释温度异常的出现和消失的物理机制;如何识别地震的热红外增温现象.通过大量研究和典型震例对比分析研究,地震学者们取得了许多有意义的研究结果.
1.1地震的热红外遥感观测研究
80年代,前苏联A.A.Tronin等口3利用10000景NOAA图像,对中亚地区的地震活跃地区进行卫星热红外遥感图像进行分析研究,发现该地区的地震活动性与遥感红外异常、断裂构造的活动有关.异常温度可达到几度的量级,异常的形态为线性条带.他同时还指出遥感红外异常与地下水、温室效应等环境因素也存在一些联系.
随后,Tronin等[2’33在10多年内展开了更深入的研究,对中国、日本和堪察加半岛的热红外遥感研究结果表明:
（1异常通常在震前6~24天出现,并持续到震后一个星期;（2异常对M>4.7级地震敏感;（3异常范围超过100km长和10km宽;（4异常温度达到3~6。
C;（5温度异常与断层分布有关;（6地震井水增温异常与地表温度异常看起来是相似的.
自从地震热红外异常被前苏联学者发现后,类似研究也在世界各国相继展开.美国地震学家Ouzounov等[4’5],对世界多个地震的NOAA和Modis热红外图像以及长波辐射等多种方法进行分析,证明了地震前震中附近2.5。
范围内存在温度异常.
我国许多学者也在这一领域进行了大量的探索研究.强祖基¨3等利用卫星遥感热红外图像等资料经过多年的研究,对异常与地震时、空、强三要素的关系进行分析,结果表明:
（1地震前在远离震中区出现一大片孤立增温区,比其周围高出2~6℃;（2震级愈大,亮温增温面积也愈大;（3利用增温异常演化来追寻的未来地震的震中位置,往往是在随着时间迁移的增温异常的前缘或其前锋与地震带、活动构造带交汇部位,或是孤立亮温增温异常凹陷部位,或是两组应力热带交汇部位;（4一般在亮温增温异常发展到鼎盛时期后,在几天至60天内发震即进入短期和临震时期.
马瑾等[7]以南北地震构造带为例利用卫星热红外信息,用地表亮温残差低频分量Th,分析了关联断层活动的时空变化.结果表明,在一定时段内,研
究区内的一些断层间除地震活动表现出相互呼应关系外,其地表亮温残差低频分量T-ow曲线相似,相关系数高,说明热红外信息与地震信息共同反映一个地区断层的关联活动.另外,结果也存在单独由地表亮温残差低频分量互。
。
相关表现断层关联活动的情形,即断层间无地震活动的呼应关系,但也存在T.。
曲线的相关性.对T。
。
。
的时空过程分析表明,关联活动组合可随时间发生变化.
1.2地震热红外增温的机制研究
尽管各国地震学者经过lo多年的研究,取得了不少进展,但目前关于热红外异常与强震孕育过程的关系研究尚没有一个理论得到大多数地震学者的认可.现阶段,地震前后的热红外增温机制主要有“气热”、“热一力”耦合、地下水致热和岩石一大气圈耦合等理论.
“气热说”认为在地震发生前,地应力的不断增强使岩层出现裂缝,导致油气藏或地球深部的二氧化碳、甲烷、氢气和氮气等气体从裂缝释放和排放出来.这些气体在地下或低空受到突变电场和太阳辐射的影响下,地震前在震中区的周围的会出现大面积增温,从而导致热红外亮温异常.强祖基、卢振权等通过试验证实了密闭容器中不同比例的气体CO。
和CH。
在瞬变电场和太阳辐射的作用下增温可达5~6。
C,与遥感观测值一致[6一’9].
部分地震学者[1”14]则指出热一力耦合和摩擦热是岩石红外辐射的两个主要机制.他们认为,地震导致岩石的挤压和断层的摩擦生成大量的热量并导致红外辐射的增强.90年代以来,部分地震学者[10￣123进行了大量的岩石模拟试验,测量岩石在不同压力从可见光到远红外的光谱辐射的动态变化,认为破裂过程存在遥感特征波段,并对各种岩石的热模量进行分析.随后,吴立新等[13]对岩石热弹性和摩擦增热效应做了更为全面和系统的研究,分析了岩石各种应力加载情况下的红外异常:
单轴压缩、压剪破裂、双轴压缩、粘滑和冲击效应.结果表明:
各种应力加载都会导致岩石出现热红外增温异常,异常部位主要发生在破裂或摩擦冲击区,但不同加载情况出现的热红外图像不同.
地下水致热理论认为,地壳中存在着大量的流体,它们以气体、低粘滞性的液体和高黏度的岩浆存在于地壳的不同深度.断层挤压、错动会使地下含水层压力增大,从而导致了地层深部热液上涌,同时加快了地下热水的流动速度和热量交换[15￣17].陈红汉等[173用遥感方法观测到1999年台湾Chi—Chi地震
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4期陈或,等:
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前短时间内出现大面积热红外温度异常,并结合Vitrinite反射率对热红外温度异常进行分析.他们认为断层挤压、错动造成的高压,可以导致地壳热液上涌,并使热量在浅层积聚.
在近10年提出的岩石一大气圈耦合[2棚则是更为全面的理论.该理论认为,增温主要由于岩石圈应力改变,热量通过深部的液体和气体,从断层等地质构造进入岩石圈的上部.同时,液体在地表下数千米分离成水和气体,这些水可以改变井水和泉水的化学成分,气体则排放到大气圈中.整个过程是一个综合作用,热水和气体导致了热量传输,温室气体在低空受到阳光辐射增温,地下水位和土壤湿度改变了地表的特性.
1.3讨论
到目前为止,大量的实验例证表明,卫星热红外遥感异常对地震及断裂活动有着一定的指示作用,地震常常伴随有地表和底层大气增温、地下热水上涌等现象.但由于卫星热红外遥感受云层等影响,识别异常困难,观测到的热红外异常数量还不到全球地震的10%.因此,该方法尚不能完全作为地震预报的有效手段.且热红外温度受地形地貌、地物类型、气象和断裂活动及地震等诸多因素的影响,地震红外异常的提取有相当的难度,屈春燕等[1叩曾在“一次卫星热红外地震前兆现象的证伪”中,证明了2004年内蒙古东部一次地震的热红外异常实为该地区季节性的大气逆温现象.为能有效地将深部断裂活动及地震引起的热信息从复杂的红外遥感数据中检测出来,地震学者仍需要在去除大气、地形地貌等干扰信息校正方面作更深入的研究[”].
但是值得注意的是,地震热红外增温的机制也还存在很多的问题.多数大陆地震的孕震区以及发生破裂的深度都在5km以下,而且大多数在10km左右[20|.而多数小于5级的地震的破裂尺度不超过2km,其孕震区最多达到100m,在如此深的地方如此小的震源区发生的前兆物理过程被地表观测到是有困难的.例如2005年九江地震深度为11km左右[2¨,2003年内蒙古赤峰地震深度超过20kmE221.如果假定通常的岩石透过率,那么在如此深的震源发生的物理过程引起的温度场或气体场如何在数日至数周到达地表,是一个具有挑战性的问题.
总的来说,地震增温机制仍是一大难题.尽管地震学家们通过各种实验,提出了各种增温机制,如岩石热弹性和摩擦增温效应,气热说,地下水致热及岩石一大气圈耦合等理论,但由于地球系统的复杂性,各种理论存在一定的缺陷,均无法完全解释震前、震后的热红外异常,至今还没有一个理论得到多数人的认可.地震热红外增温机制必然是今后地震学家们研究的一大热点.
2地震InSAR方法研究
InSAR（InterferometricSyntheticApertureRadar,合成孔径雷达干涉测量是20世纪后期迅速发展起来的空间对地观测新技术.自从1989年Grabriel等[23]首次论证了InSAR技术可用于探测厘米级的地表形变;1993年Massonnet等人[243利用ERS-1SAR数据采集了1992年的Landers地震的形变场,并用肛InSAR方法计算出精细的地震位移,获得的卫星视方向上的地形变化量与野外断层滑动测量结果、GPS位移观测结果以及弹性位错模型进行比较,结果非常一致,研究成果发表在《Na-ture上,pInSAR技术在探测地表形变方面的能力被大家所认识.
目前,国内外已有地震学者使用DInSAR技术对地震形变场进行成图和研究,如1998年中国的张北地震‘25’261、1999年台湾Chi—Chi地震‘271,1999年美国CaliforniaHectorMine地震[2引,2003年伊朗Bam地震[29￣311,1994~2004年摩洛哥AlHoceima地震序列[321等.研究发现,利用地面观测数据和断层位错模型模拟的形变图与DInSAR所得结果基本一致.
2.1InSAR原理
InSAR技术是利用两颗卫星飞过相同轨道（单轨模式或者一颗卫星两次飞过相似轨道（重复轨道模式时发出波长相同的线性调频脉冲信号,并接收脉冲信号的后向散射回波,来获取同一观测地区的复图像对.所谓干涉,即将一幅雷达图像的复共轭与另一幅雷达图像相乘,其相位图为干涉图.根据干涉成像数据处理方法的不同,可以分为二轨法和三轨法‘33J.
运用二轨法来测量地面形变量需要精确的DEM（DigitalElevationModel数据.通常的处理方式是用两幅SAR图像进行干涉,同时将精确的DEM数据用模拟算法生成干涉相位,再将二轨法得到的干涉相位与DEM生成的干涉相位差分运算,就可以得到真实的地面形变产生的干涉相位.
三轨法则是采用同一地区的三幅的SAR图像进行相关处理,通过差分和解缠,生成由地面形变产生的干涉图,其中要求至少有两幅SAR图像是形变
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前所获取的.利用三轨法测量形变,形变前的两幅图像T涉的作用与二轨法的DEM一致,囚此t轨法不需要精确的DEM数据,对于没有DEM数据的研究区域来说,三轨法是一个理想的选择.但是,与二轨法相比,三轨法要进行解缠,其工作量要大得多。
2.2
InSAR在地震研究中的应用
1993年Massonnet用ER孓1所得到的一幅震
前和三幅震后SAR图像进行差分干涉,获取了Landers地震著名的“蝴蝶形”形变干涉纹图,检测出该地震造成的同震位错形变,并与野外断层滑动测量结果、GPS位移观测结果以及弹性位错模型模拟结果都非常一致[2州.
在我国,张红等[251利用地震前后ER孓1/2SAR数据,对1998年1月张北一尚义地震形变场进行了研究,得到震前、震后的干涉图及形变干涉
图,判断出此次地震造成形变量及其定位和范围.并通过Okada模利[261,得到断层滑动角、滑动方向和位移量等参数及震源破裂特征.
2003年伊朗Barn（M一6.6发生了一次强烈的地震,是该地区破坏最强的地震之一。
由于是欧空局Envisat卫星首次观测地震,欧空局免费提供了7幅ASAR雷达图像,这也成为各国地震学者对InSAR方法进行研究的难得机会.所得7幅图像中,其中4幅是降轨图像,3幅是升轨图像,7幅图像接受日期依次为:
2003年6月儿日,2003年12月3日,2004年1月7日,2004年2月11日,2003年11月16日,2004年1月25日,2004年2月29日.通过差分干涉计算（图1,Bam地区25km内发生了显著的形变.杏显杰等[343通过计算,获取了地震三维形变位移场,如图2所示,其中（a和（b分别为垂直和水
图1同震和震后地表形变干涉图（据查显杰等,2007
（a为2003年12月3日至2004年1月7日时间段内的干涉图;（b为2003年12月3日至2004年2月11日时同段内的干涉图;
（c为2004年1月25日至2004年2月29日时间段内的干涉图.
Fig.1
Coseismicandpost—seismicsurfacedeformationinterferograms（Zha
XJ,2007
（aInterferograms
for
theperiod
3December2003tO7
January2004:
（bInterferogramsfortheperiod
3
December
2003
tO
11
February2004;（cInterferogramsforthe
period25
January
2004to29
February
2004.
图2
Bam地震同震三维地表形变位移场（据查显杰等.2007
Fig.2
3DsurfacecoseismicdeformationdisplacementfieldofBam
earthquake（ZhaⅪ,2007
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平位移场.在Bam地震震中的东北部,地表最大下沉量约20cm,而震中的东南部,地表隆起最大的位置达到30cm.根据水平位移场矢量方向的差异,断层大致为右旋走滑断层.可以勾绘出地表断层的走向,断层呈“Y”字形,与Nakamura等在Barn地区实测的余震数据一致[3引.
2.3讨论
在过去的十多年里,已有相当多的SAR卫星如ERS-1/2、JERS-1、Radarsat-1、ENVISAT等获取了大量图像,并已经被成功用来做干涉应用.目前,nInSAR技术与GPS水准测量等常用离散监测技术联合,用于高分辨率、高精度地捕获各种地球物理现象引起的地表位移已表现出了极大的潜力.但其缺点主要有:
（1由于系统本身因素导致干涉图质量下降,如时间间隔过大、基线长度和轨道轻微不平行导致的相位空间失相关以及雷达成像的几何局限性导致的迭掩和阴影现象;（2地面植被及湿度的影响导致干涉相位在时间上失相关;（3大气条件的影响[36I.差分干涉图中包含了地表沉降和大气延迟的影响,后者一般可达到数厘米的,如何有效地去除其影响,得到精确的形变图是目前迫切需要解决的问题.而且nInSAR主要应用于地震破裂的同震形变或震后形变,如何将它应用于地震预报还是需要研究的问题.
3地震大气分析遥感
3.1地震排气作用
地球是一个开放的不平衡体系,4500Ma来从地核向外不断地排放气体,主要包括H:
、CO、CO。
、CH。
、He、Rn及Ar等气体.气体从地核、地幔向外渗透,压力相对小的时候向大气圈进行微渗漏,也可以在条件适合的圈闭形成油气;压力相对大的时候,可以引发地震、火山爆发、地壳变动等地质灾害,大量排放还可以改变大气中各种成分的比例,引起气候变化[37一引.
地球出气作用在前苏联研究得最为深人,积累了大量得实测数据资料m].其中,黑海海底每天排放CH。
达到几百万1213,黑海水体中CH。
约为800亿1"113.而小高加索巴鲁姆花岗岩体也大量排气:
CH4221.1~3353.8cm3/（m2・a,C2H685.4~170。
8cm3/（m2・a,C3H8113.9cms/（m2・a.该岩体面积1.4km2,年龄153Ma,岩体形成后共计排放CH43.1×10”1213,C2H60.3×1012m3,C3H80.2×1012m3.
同时,前苏联于20世纪80年代在科拉半岛实施的SG一3超深钻探揭露:
在地下0~6km范围内富含CH。
、H。
、He和气体;6~9km深度范围内富含CO。
、H。
和He气体.德国于20世纪90年代在巴拉维亚实施的超深钻探揭露,地下400~9101m深度上也富含CH。
、H:
、Ar、CO。
等气体.
早在70年代,地震学者提出强烈地震发生前,由于构造应力场作用,地球内部的气体会沿断裂发生强烈喷气[3….自80年代以来,地震学者就将断层气作为地震前兆研究的一个重要方面,研究断层气的技术和方法在我国得到了较大的发展[40|.断层气的分析研究主要用于活断层现今活动特征的分段、地震的监测预报,工程地震和地震烈度的评价分析等方面,并取得了长足的进步.研究断层气的组分主要是:
C02、H:
、Hg、He、Rn、Ar和CH。
等.我国断层气研究的深度和广度位于世界前列.其他各国也对地震前后,大气中水汽、各种气体和气溶胶的变化进行了研究.
3.2地震大气遥感研究
90年代以来,由于遥感的理论和技术的发展,新型传感器的出现和进步,地震学者可以通过反演获得地震前后震中及相关地区大气中的各种气体含量的变化,对地震前后排气现象进行大面积系统的研究.
姚清林等“1]利用MOPITT探测仪（大气对流层污染物探测仪对2000年4月30日青藏高原CO大面积逸出的情况.图像显示,C0含量异常升高的区域具形状不规则的圈层结构,总面积约267万km2,其体积分数值内高外低,体积分数最大的区域大致呈东西向分布,长约800km,宽约280km.整个CO逸出区C0体积分数值为2002年正常值的1.57~4.10倍,且该现象在之前数天内是持续存在的,并认为是2000年6月6日甘肃景泰M5.9地震和2000年6月8日缅甸北部M6.9地震的前兆.郭广猛等[42]同样利用MOPITT数据研究了2002年3月31日台湾M7.5强震前的CO异常.研究发现,2002年3月3日、27日、30日,CO在冲绳海槽和台湾北部出现异常区,并且面积随着时间扩大,且与Modis热红外高温异常区位置吻合.并认为CO、温度异常和地下岩石受力破裂,地下气体溢出所致.
Dey等[43]通过TRMM（TropicalRainfallMeas-uringMissionsatellite的SSM/I微波雷达计对2001年印度Gujarat地震前后的水汽进行探测,发
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现地震前后的震中附近区域出现了异常的改变.并推测陆地上的异常主要是地下潜热流造成,而海面上的异常则是由于陆地一海洋一大气圈耦合造成的.
Okada等[“]利用SeaWiFS数据（Sea-ViewingWideField-of-viewSensor对Gujarat地震后1~2d进行观测,反演得出气溶胶光学厚度（aerosolopti-caldepth和埃系数（Angstromcoefficient在阿拉伯海东北部出现异常.Okada认为气溶胶异常主要是由地表破裂导致尘埃被西北风卷起所致.
Pulinets等[45]通过对1985年墨西哥Mi—ehoaean地震前后的热红外数据进行分析,发现一些地区的气温和水汽含量出现异常,特别是位于Cocos和Rivera板
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