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新鲜事儿 利用遥感观测手段开辟从空间探索地震预测新途径

来源:北京日报     时间:2021-11-10 14:59:30

近日,中国科学院空天信息创新研究院遥感卫星应用国家工程实验室研究员孟庆岩团队在地震红外遥感研究方面取得进展。相关研究成果在线发表在《环境遥感》杂志上。

利用遥感观测手段从空间探索地震预测新途径,对很多读者来说都是个新鲜事儿。我们约请论文第一作者张颖博士和通讯作者孟庆岩研究员对此做详细介绍。

空间观测带来地震预测技术革命

地震预测是公认的世界性科学难题,科学家从未停止对其探索。中国作为世界上地震灾害最严重的国家之一,历史上发生的地震占全球大陆地震总数的三分之一,具有发生频繁、震源深度浅、破坏力强的特点,加之我国人口密集,地震严重威胁人民的生命财产安全。若能攻克地震预测预报技术,对于科学进步和社会公共安全都具有重要意义。

随着航空航天以及遥感技术的快速发展,地震预测也迎来新一轮的技术革命。卫星遥感技术可瞬时获得大面积的地球物理、化学参量场,为人类监测、认知地震提供了新视角。

从非专业的角度打个比喻,天然地震可以简单理解为将两块石头放在液压机上,不断地加载、相互挤压(模拟地震中板块之间的挤压和碰撞,积累势能的过程),直到石头之间发生错动与破裂(地震发生)。科学家相信,在地震孕育过程中,如此大的能量积蓄定然会对地球的化学、物理场产生扰动,从而产生异常信号,也就是我们常常提及的地震前兆。

利用不同的卫星观测数据,各国学者已经在多次地震中发现了包括震前热异常、重力异常、气体异常、电磁异常在内的诸多前兆异常。空间对地观测前兆研究在上世纪末、本世纪初被寄予厚望,迎来了地震前兆研究的繁荣时期。

地球重力场作为地球最基本的物理场之一,是地球内部、地表及外部空间物质分布与地球本身旋转运动信息的综合反映。现有研究成果表明,重力场动态变化能较好反映强震孕育、发展、调整过程的重力变化特征。特别是对于6级以上地震的孕育发生过程,重力异常变化较为明显。如今,低轨道的重力卫星GRACE,GOCE和GRACE-follow on的发射、运行和观测,从空间上提供了前所未有的高精度、高分辨率的全球重力场和大地水准面模型。一些学者利用重力卫星信号检测出2004年苏门答腊9.3矩震级、2010年智利8.8矩震级和2011年日本东北9.0矩震级地震产生的重力场变化。我国的重力卫星计划正在推进中。

关于气体异常研究,目前国内外在该方面属于起步阶段,但仍有一批学者发现了可能与地震有关的气体异常。比如,有研究发现由于2010年印度古吉拉特邦7.7面波震级地震前应力增加导致一氧化碳气体浓度增加,推断一氧化碳可能是地震气体前兆信息。我国学者姚清林发现2000年4月青藏高原一氧化碳呈大面积异常,且位置与卫星热红外异常具有一致性,指出可能与当年甘肃景泰5.9面波震级地震和缅甸北部6.9面波震级地震有关。

电磁异常是对地震反应非常敏感的地球物理观测数据,已经被国内外大量震例所证实。2004年6月,法国成功发射DEMETER卫星,专门用于研究与地震、火山喷发等有关的电磁异常和电离层扰动以及与人类活动有关的全球电磁环境,为地震电离层提供了宝贵的数据资源。我国学者张学民等围绕2010年海地7.0面波震级地震、2010年智利7.9面波震级地震、2005年印尼8.5面波震级地震、2008年我国汶川地震等,发现了震前1-7天内电场与电子密度等多参量同步扰动现象。我国于2018年2月成功发射了“张衡一号”电磁地震卫星,之后三年多来,中国电磁卫星团队全方位开展了电磁卫星数据分析及地震应用研究。

震前热异常现象受到人们重视

地震热红外或热异常由上个世纪苏联科学家发现,我国科学家马宗晋、徐秀登和强祖基等利用地温、地热数据等发现了1960年到1990年多个地震发生的震前异常增温现象。

随着卫星遥感技术、空间观测技术的发展,国内外专家利用包括国产风云气象系列卫星等多个载荷的热红外观测数据及其反演产品,发现了大量震前热异常现象,并总结出如下规律:

震前在震中附近红外波段会出现孤立的高温异常区,该区域随着地震临近可发生迁移、形状及走向的变化;

异常区域温度明显比周围高;

地震异常的面积越大、温度越高,震级较大的概率也相应增高;

一般在增温异常达到最大幅度后,在几天至60天内发震。

而关于地震热异常的机理,学者们开展了有益的探索。强祖基等提出了“气热说”,该理论认为震前在震源区出现的孤立状增温异常是地球放气(水蒸气、甲烷、二氧化碳等)、电场突变以及太阳辐射下的共同作用结果。

徐秀登在此基础上提出临震大气静电异常对大气的极化作用是在太阳辐射下产生大面积、大幅度增温的重要因素,而震前逸出的温室气体所造成的局部“温室效应”对于热异常的贡献也占有相当比重。

耿乃光、吴立新等学者在应力加载红外观测实验中发现,破裂型地震在破裂前会在破裂点产生低温或高温前兆,并在此实验基础上提出了“应力致热说”,发展了遥感岩石力学。

美国学者弗罗因德提出的理论认为,在地震发生前,地应力不断增大,导致岩石的过氧键断裂,使得岩石中的电子电荷转移形成正电子空穴,在地壳形成类似于电池的闭环电路,产生电子转移即电流而造成局部的热红外辐射增强。

此外,还存在地下热传导说、断层蠕动摩擦生热说、地下热流体上涌机理等。但是与大多数前兆研究一样,地震热异常的研究仍囿于经验性归纳,没有排除偶然性的震例研究,仍缺乏可靠的前兆机制和理论,迄今为止其存在性问题尚没有得到很好解决。

长时序预测模拟打开新局面

前兆研究是一门涉及多领域知识的复杂学科,在缺乏有效观测手段、实验设备及理论指导的大背景下,我们无法对自然界中观测到的“异常信号”进行溯源,判断其与地震的渊源,更难以利用演绎推理直接证明前兆与地震的关系,因此长时间统计研究是现阶段更切实、有效的方案。

长时间统计研究,是指利用历史观测数据提取前兆信号,然后利用前兆信号对历史地震进行模拟预测,通过定量评估前兆整体的映震能力,探究目标前兆与地震的关系。

进行地震预测模拟研究时,需要遵循三个原则:准确性,即对未来地震的震中位置、时间以及震级大小要有明确描述;客观性,预测者可客观公正、不加多余解释地评价每一次地震预测的成功性;真实性,完全模拟真实地震预测,模拟预测时禁止使用晚于预测时刻的数据构建地震预测模型。

基于上述三个原则,通常利用三个指标来定量评估地震与前兆的关系,分别是事件漏报率、警报失败率和总时空预警域。事件漏报率是指在地震预测中,没有被成功预测的地震数量占总地震数量的比例。警报失败率是没有成功预测地震的警报占总警报数量的比例。每一次做预测时,预测者往往会给出地震可能发生的一个时空范围,我们称之为时空预警域,所有预测的时空预警域之和便是总时空预警域。

我们利用热红外遥感数据提取了中国大陆地区近6000个4.0级以上地震于震前30天内造成的热红外信号异常,并从统计角度成功证明了热异常与地震的时空相关性。

经过对2007年1月至2017年12月中国大陆地区进行的为期11年的地震预测研究发现,地震热异常对4级以上地震的误报率为21.4%、地震漏报率为32.9%、预警时空域占总时空域的43.2%,在模拟预测中可提前30天预测4.0级以上地震,实际预测效果仍需要通过业务化评估。

长时序模拟预测研究模式,打开了地震预测和前兆研究的新局面。作为第一代热红外前兆地震预测模型,虽证明了热异常与地震的相关性,但该模型不足仍旧显著,即时空预警域过大。将近40%的时空预警比例可以理解为整个中国10天中有4天都处于地震预警状态,显然该警报的时空预警精度亟待提高,地震预测预报离业务化还有较大的距离。

基于模拟预测的前兆研究才刚刚起步,在未来随着观测手段和数据源的增加,以及地球物理学、地震学的进一步发展,该领域是充满希望的。目前,研究者已经开始着手将统计地震学和前兆研究相结合,在不久的将来,新模型有望进一步提高地震预测的时空精确度。此外,该研究模式也可有效迁移到其他前兆研究中,有着极大的科学技术价值和业务化前景。

正如地震学专家许绍燮院士在《地震应可预测》专著中所说:“不可认为地震根本不能预测。地震的发生有其特定的时空结构”、“地震预测至今是个全球难题,但不等于‘地震根本不能预测’。”

(原标题:运用空间技术能预测地震吗)

(作者 张颖 孟庆岩)

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