【荐读】地震异常的奥秘—汶川震前多圈层遥感异常的时空特征

遥感学报

编辑推荐丨地震异常的奥秘—汶川震前多圈层遥感异常的时空特征 Original

地震孕育过程伴随岩石圈、盖层、大气层和电离层的物质迁移、能量交换、辐射传输与信息交互。通过多种卫星平台和不同遥感手段获取地表、大气及电离层变化信息，进行地震异常分析与前兆识别，是遥感科学与地震学的交叉前沿与研究热点。

基于地应力场变化驱动下孕震区及周边地球系统多圈层耦合与多参数时空关联分析，是地震遥感异常研究的新范式。在对地观测集成系统(GEOSS)不断丰富和发展的背景下，通过遥感、地震、地理、大气、地球物理等多学科研究人员的密切配合，取长补短、互为支撑，可望为地震异常研究及地震预测分析提供新手段、新武器。

中南大学吴立新教授团队在《遥感学报》发表论文“汶川地震前多圈层短—临遥感异常回顾及其时空关联性”，回顾了2008年汶川地震前盖层、大气层、电离层的20个遥感参量异常显现的个体特征，分析了其时空关联性，揭示了总体时空特征。

引用格式：何苗,吴立新,崔静,王威,齐源,毛文飞,苗则朗,陈必焰,申旭辉.2020.汶川地震前多圈层短—临遥感异常回顾及其时空关联性.遥感学报,24(6): 681-700

研究背景

图片来源网络

北京时间2008年5月12日14:28:04，四川汶川发生了灾难性地震(东经103.4°E，北纬31.01°N)，据中国地震台网中心提供数据，震级达到Ms8.0，震源深度为14 km。该次地震给超过10万平方公里的地区造成了严重破坏，造成了巨大的生命和财产损失。

迄今为止，汶川地震已经过去了十三个年头，国内外学者大量开展了汶川地震潜在异常或前兆的研究与探索，各种出版物散落在不同学科领域，且大多数研究都是对单源数据进行的单参数分析。由于单参数分析存在时空局限和偶然性，使得异常识别结果具有显著的不确定性、甚至互相矛盾。地震的发生是地应力场变化、应力局部闭锁与断层突然破裂的时空响应结果，地震孕育过程中地表、大气层、电离层遥感信息变化必然与孕震地区的地应力场变化及区域地质构造、上覆岩性、地表盖层等密切相关。

对多源、多圈层、多参数的汶川地震遥感异常信息进行系统性梳理与时空关联分析，是揭示汶川地震孕育与发生过程中孕震区及周边多圈层响应时空演变特征、挖掘汶川地震孕育与发生过程中多圈层响应地球物理机制的重要手段和必要环节，对中国内陆及世界范围大地震异常研究及地震预测分析具有非常重要的典型参考意义。

异常筛选

通过国内外文献检索系统，系统性收集了汶川地震以来发表的有关汶川地震异常的各类文献（包括刊物论文、会议论文、学位论文等）数百篇。逐一研读和仔细分析了遥感异常文献中所称异常的内涵、原作者研判异常的方法、所得异常信息的基本要素等，并按以下条件进行选用，确保收录进本文进行时空关联分析的遥感异常信息科学合理和基本可靠：

(1) 非遥感手段获取的异常不采用；

(2) 观测量物理意义不清晰的异常不采用；
(3) 存在争议(如有文献提出异议，明确指出存在干扰)的异常不采用；
(4) 缺少明确时间与空间信息的异常不采用；
(5) 包含遥感参量变化正常形态(即背景)与震前异常(即扰动)对比的异常，并指明该异常显现与汶川地震活动有关，则采用。

列出所采用的参考文献时，若同一课题组对某一项异常的研究成果在多篇论文（含学位论文）中同时出现，则仅保留其重要刊物论文。由此，共整理出 100 余篇重要参考文献，共涉及 20 个遥感参量。根据各参量本身的物理性质进行所属圈层划分，涉及盖层参量 5个、大气层参量 8个、电离层参量 7个。

异常分析

3个圈层、20 个遥感参量的异常分析中，国内外研究者所采用的遥感数据涉及10颗卫星载荷(MODIS、AMSR-E、FY-VISSR、NOAA、AIRS、Landsat、SPOT、COSMIC、CHAMP、DEMETER)、1个NCEP/NCAR同化数据集和2个TEC数据产品(IGS TEC、GIM TEC)，数据的时间分辨率0.5h~16d不等，空间分辨率为1km×1km ~ 2.5º×2.5º不等。

为便于表述，将震前异常的时间属性定义为4类：中期M(3m-4a)、短期S(10d-3m)、短临SI(1-10d)和临震I(<1d)共4种异常。其中，震前3个月至发震(包括S、SI和I)统称为遥感短期-临震异常(简称短-临异常)。

结果结论

(1) 遥感异常显现的时间特征与圈层差异(图1)：盖层、大气层、电离层遥感异常中，盖层异常整体显现最早，且各参量均存在短期乃至中期异常；大气层异常除气溶胶、线性云仅存在短临或临震显现之外，其余参量也有短期和中期异常；电离层异常显现最晚，除电磁场、电场存在短期异常外，其余均仅为短临异常显现。

(2) 遥感异常显现的过程特征与圈层关系(图1)：遥感异常显现及演化过程表现出明显的孕育-发展-强盛-衰减趋势。震前3个月开始，短-临遥感异常显现逐渐增多，盖层、大气层、电离层遥感异常(仅磁场和电场异常)依次显现，呈 “斜坡”结构；震前12d, 盖层、大气层异常显著增强；两天之后，电离层粒子多参量异常发育，震前10~2d，连续8d表现出盖层-大气层-电离层(CAI)异常丛集；震前1d, 电离层粒子异常消失、电场异常消失、磁场异常弱化，大气层出现云异常，盖层微波异常持续增强。

图1 汶川地震短-临遥感异常时间分布图

(3) 遥感异常显现的数量特征与圈层差异(图2)：随时间临近发震年，年度遥感异常的参数总量逐渐增多；2007年及之前，盖层、大气层偶有异常显现，而电离层无异常显现；2008年，3个圈层的遥感异常显现均十分活跃。总体上，汶川地震之前遥感异常显现是逐渐增多、增强的，且短-临前兆突出。

图2 震前不同时段各圈层遥感异常显现的总量

(4) 遥感异常显现的空间特征与圈层差异(图3):盖层、大气层的短-临遥感异常显现位置与龙门山断裂带及震中的空间对应性较好，其空间范围有限；电离层异常显现位置则多集中于震中南部磁赤道附近，其空间范围较大。多种短-临遥感异常区覆盖震中，且多个条带状异常区与LMSFs走向一致，体现了孕震后期 LCAI耦合的局地效应。盖层的短-临遥感异常与区域构造及孕震过程相符，与遥感-岩石力学基础实验结果一致；大气层遥感异常可能与盆地含煤地层和高压甲烷气田的活化有关。

图3 汶川地震短-临遥感异常的空间分布概略图

原文链接

http://www.jors.cn/jrs/article/html/202006004

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第一作者

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何苗，中南大学地球科学与信息物理学院硕士研究生，研究方向为地震异常分析、气溶胶遥感。

E-mail：freyahe@csu.edu.cn

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通信作者

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吴立新，中南大学教授，研究方向为遥感-岩石力学与地灾感知、三维GIS与地球格网、矿山测量与数字矿山等。

E-mail：wulx66@csu.edu.cn

个人主页：

http://faculty.csu.edu.cn/awulixin/en/index.htm

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团队介绍

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为研究和解决固体地球灾变过程协同感知与综合认知的科学难题，丰富和发展空间对地观测与遥感学科的内涵功效，2017年中南大学成立了以吴立新教授为负责人的地灾感知认知预知研究室(中文简称“地灾三知研究室”，英文简称Lab GeoHazards PCP)。

该实验室重点围绕构造地震、滑坡溃坝、地表沉陷、冰川跃动、城市内涝、气溶胶异常、电离层扰动等近地表灾害及其耦合响应开展空-天-地协同观测(感知，Perception)、多参数综合理解(认知, Cognition)和灾变过程分析(预知, Predictio)研究。GeoHazards PCP实验室秉承汇思融理、激浊扬新的岳麓精神，发扬“知行合一，经世致用”的中南校训，广抒胸襟、博采众长，面向未来、创新进取，团结奋进、追求卓越。

实验室正在建设国际首个面向地应力卫星遥感科学实验的综合试验场，现有内部固定成员30余人，其中教授2人、副教授3人、讲师1人、博士后1人，博士研究生6人、硕士研究生20多人，以及外部客座成员10余人。GeoHazards PCP实验室目前承担国家自然科学基金重点项目1项、青年基金5项，承担国家重点研发课题1项、专题5项，其他省部级及横向课题10余项、人才经费8项，总研究费近1910万元。

Qi Y, Wu LX*, He M, Mao WF. Spatio-temporally Weighted Two-Step Method for Retrieving Seismic MBT Anomaly: May 2008 Wenchuan Earthquake Sequence Being a Case. IEEE J Selected Topics in Applied Earth Observations & Remote Sensing, (2020).

DOI：10.1109/JSTARS.2019.2962719

Gao X, Liu SJ*, Wu LX, Mao WF, Li WW, Huang JW. The Variation of Microwave Brightness Temperature of Granite Pressed under Weak Background Radiation. IEEE Transaction on Geoscience & Remote Sensing, 2020.

DOI:10.1109/TGRS.2020.2994439

Mao WF, Wu LX*, Liu SJ, Gao X, Huang JW, Xu ZY, Qi Y. Additional Microwave Radiation from Experimentally Loaded Granite Covered with Sands layers: Features and Mechanisms. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, (2020).

DOI: 10.1109/ TGR S.2020.2971465.

吴立新, 毛文飞, 刘善军, 徐忠印, 李志伟, 齐源, 苗则朗. 2018. 岩石受力红外与微波辐射变化机理及地应力遥感关键问题.遥感学报, 22(增刊): 146-161

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