萊森光學(xué)：高光譜成像技術(shù)在地震有關(guān)氣體監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

一、引言

斷裂帶、火山等地表薄弱地帶會(huì)出現(xiàn)地下氣體（Rn、Hg、CO2、CH4等）向上運(yùn)移到地表和大氣的現(xiàn)象。地殼內(nèi)部運(yùn)動(dòng)很大程度上會(huì)加劇氣體運(yùn)移的速率，使得土壤和大氣中氣體組分和含量發(fā)生變化，產(chǎn)生地震前兆異常。搭載具有大氣痕量氣體探測(cè)功能高光譜傳感器的衛(wèi)星平臺(tái)以其探測(cè)范圍廣、覆蓋均勻、重復(fù)觀測(cè)周期短、受地面條件限制較小等優(yōu)勢(shì)，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)斷層氣監(jiān)測(cè)受時(shí)空限制的不足，對(duì)地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)具有重要促進(jìn)作用。

同時(shí)，不同高度的氣體變化研究表明近地表氣體異常對(duì)地震異常判斷貢獻(xiàn)較大。因此，對(duì)近地表氣體權(quán)重占比更大、空間分辨率較高的近紅外傳感器的研究對(duì)于地震異常判定有重要意義。本文利用近紅外傳感器數(shù)據(jù)分析研究了青藏高原東邊界大氣CO、CH4的時(shí)空變化特征及其對(duì)地震和構(gòu)造的響應(yīng)，簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)了近紅外傳感器在地震監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

二、地震地質(zhì)概況

青藏高原東邊界發(fā)育多種類型斷裂帶，中強(qiáng)地震頻發(fā)且震源深度淺，是構(gòu)造和地震活動(dòng)監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。在該區(qū)域內(nèi)選擇青藏高原東北緣（圖1）（a區(qū)）和川滇地區(qū)（b區(qū)）兩個(gè)典型區(qū)域進(jìn)行近紅外高光譜遙感技術(shù)應(yīng)用研究。青藏高原東北緣地處青藏高原和鄂爾多斯地塊的交界位置，是高原和平原的過(guò)渡地帶，歷史上發(fā)生多次強(qiáng)震，如1920年海原M8.5地震就發(fā)生在該區(qū)域。川滇地區(qū)位于青藏高原東南緣，區(qū)域內(nèi)有鮮水河、安寧河、龍門(mén)山、紅河、小江等斷裂帶。2008年以來(lái)該區(qū)域先后發(fā)生了四川汶川8.0級(jí)地震、蘆山7.0級(jí)地震、九寨溝7.0級(jí)地震。在圖1中的a區(qū)和b區(qū)根據(jù)構(gòu)造背景和區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)分別劃分為海原斷裂帶（Ⅰ）、六盤(pán)山斷裂帶（Ⅱ）、渭河斷裂帶（Ⅲ）和鮮水河斷裂帶（Ⅰ）、安寧河—?jiǎng)t木河斷裂帶（Ⅱ）和小江斷裂帶（Ⅲ）3個(gè)典型區(qū)域進(jìn)行對(duì)比研究（圖1）。 

圖1研究區(qū)區(qū)域劃分圖（紅色圓圈表示2012～2021年間地震發(fā)生的位置；a區(qū)為青藏高原東北緣，其中，Ⅰ為海原斷裂帶、Ⅱ?yàn)榱P(pán)山斷裂帶、Ⅲ為渭河斷裂帶；b區(qū)為川滇地區(qū)，其中，Ⅰ為鮮水河斷裂帶、Ⅱ?yàn)榘矊幒印獎(jiǎng)t木河斷裂帶、Ⅲ為小江斷裂帶）

a區(qū)海原斷裂帶由持續(xù)構(gòu)造擠壓形成的向北發(fā)散的逆沖斷層構(gòu)成；六盤(pán)山斷裂帶是一個(gè)擠壓構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境下走滑斷層的匯聚帶；渭河斷裂帶則是包含多條正斷層的拉張性裂谷系統(tǒng)。b區(qū)3條斷裂帶均為左旋走滑斷層，是中國(guó)大陸構(gòu)，造活動(dòng)**為強(qiáng)烈的斷裂帶之一，平均滑動(dòng)速率在11～16mm/a之間；則木河斷裂帶在汶川地震后閉鎖程度一直處于加強(qiáng)狀態(tài)，其中則木河斷裂帶北段閉鎖程度比較高，平均滑動(dòng)速率為2.8mm/a，目前可能在持續(xù)地應(yīng)變積累中。蘆山、九寨溝等地震后安寧河、小江斷裂帶大部分地區(qū)閉鎖程度較高，處于擠壓應(yīng)變狀態(tài)，平均滑動(dòng)速率分別為5.0mm/a、9.4mm/a。

三、結(jié)果分析

3.1 近地表氣體時(shí)空分布特征及其成因

3.1.1 CH4和CO時(shí)空分布特征

圖 2 研究區(qū) 2020 年 3、6、9、12 月平均 CH4時(shí)空變化圖

2018年5月至2021年12月研究區(qū)CH4氣體的月均值時(shí)空變化圖（圖2），顯示青藏高原CH4的有效數(shù)據(jù)量較少且為明顯低值，四川盆地和渭河盆地值較高。

圖 3 研究區(qū)各典型區(qū)域月平均 CH4時(shí)間變化

a區(qū)和b區(qū)各典型區(qū)域CH4的時(shí)間序列變化（圖3）表明，空間上CH4濃度存在地區(qū)差異，但大致變化趨勢(shì)基本一致。在a區(qū)CH4濃度呈現(xiàn)為海原/六盤(pán)山斷裂帶小于渭河斷裂帶，b區(qū)表現(xiàn)為鮮水河斷裂帶小于安寧河—?jiǎng)t木河斷裂帶小于小江斷裂帶，但是b區(qū)在2019年5～9月和2021年3～7月期間小江斷裂帶與鮮水河斷裂帶表現(xiàn)出與其他時(shí)間相反的趨勢(shì)。時(shí)間上均表現(xiàn)為冬春季低、夏秋季高的特點(diǎn)，比較大值出現(xiàn)較為固定，均在7、8月左右。

2018年5月至2021年12月研究區(qū)CO氣體的月均值時(shí)空變化圖（圖4）顯示四川盆地、。銀川地塹和渭河盆地此外在銀川、蘭州、西寧等大城市也呈現(xiàn)明顯的高背景值。a、b兩區(qū)各典型區(qū)域CO的時(shí)間序列變化圖（圖5）表明CO空間分布特征與CH4相似，時(shí)間上，呈秋季低、冬春季高的特點(diǎn)，此外夏季存在一個(gè)小高峰（圖4，圖5）。a、b區(qū)各典型區(qū)域CO變化趨勢(shì)基本一致。

3.1.2 CH4和CO空間分布特征成因

CH4和CO是重要的大氣組分，其空間分布特征受來(lái)源控制。文中重點(diǎn)關(guān)注自然來(lái)源CH4和CO的控制因素。首先，CH4和CO空間分布特征主要受地質(zhì)背景、地形地貌特征影響，主要表現(xiàn)為盆地高（四川盆地、渭河盆地、銀川地塹），高原低。四川盆地是我國(guó)4大盆地之一，盆地內(nèi)存在大量含天然氣頁(yè)巖。同時(shí)特殊的地形條件更加有利于污染氣團(tuán)在盆地內(nèi)聚集，一定程度上在局部地區(qū)對(duì)氣體具有一定的抬升，同時(shí)盆地地形也不利于氣體的擴(kuò)散，渭河盆地和銀川地塹類似；相反青海、川西高原地區(qū)低值可能與該地區(qū)海拔較高，生態(tài)環(huán)境惡劣，氣體排放量較少有關(guān)。此外，相同地形地貌地區(qū)氣體含量差異可能與下墊面的植被類型不同及其土壤微生物種類有關(guān)，比如b區(qū)由北向南植被覆蓋量增大，氣體濃度升高（圖3，圖5）。

其次，CH4和CO濃度還與斷層的類型、巖石破碎程度等構(gòu)造因素有著密不可分的關(guān)系，導(dǎo)致海原/六盤(pán)山斷裂帶CH4和CO濃度小于渭河斷裂帶，鮮水河、安寧河—?jiǎng)t木河斷裂帶、小江斷裂帶濃度依次升高。不同類型的斷層受力狀態(tài)和通道通暢程度不同，雖然川滇地區(qū)的小江、安寧河—?jiǎng)t木河和鮮水河斷裂帶主要類型均為左旋走滑，然而其滑動(dòng)速率和閉鎖程度存在一定的差異。蘆山、九寨溝等地震發(fā)生后安寧河、小江斷裂帶大部分地區(qū)閉鎖程度較高，安寧河斷裂帶平均滑動(dòng)速率小于小江斷裂帶，因此，排氣量安寧河—?jiǎng)t木河斷裂帶小于小江斷裂帶；鮮水河斷裂帶雖然滑動(dòng)速率較大，卻是我國(guó)*****的蠕滑斷層，孔隙通道受阻，導(dǎo)致排氣量較小。

圖4 研究區(qū) 2020 年 3、6、9、12 月平均 CO 時(shí)空變化圖

CH4和CO空間分布特征還受人類活動(dòng)影響。四川盆地農(nóng)業(yè)種植以水稻為主，同時(shí)油氣資源**度開(kāi)采是導(dǎo)致區(qū)域CH4濃度過(guò)高的主要原因。CO的人為來(lái)源主要有發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒和生物質(zhì)燃燒，高值地區(qū)人口聚集，工業(yè)較為發(fā)達(dá)，同時(shí)由于地形、氣象等因素將CO滯留在該區(qū)

域；反之低值地區(qū)海拔較高，人口密度小，工業(yè)發(fā)展較為落后，CO排放“源”較少。因此，在銀川、蘭州、西寧等人口眾多的大城市CO呈現(xiàn)明顯的高值（圖4）。

3.1.3 CH4和CO時(shí)間變化特征成因

CH4和CO時(shí)間變化特征主要受氣候變化和溫度、濕度控制，同時(shí)部分區(qū)域受地貌、人類活動(dòng)影響。CH4時(shí)間上呈明顯的季節(jié)變化，這是因?yàn)镃H4的自然“匯”主要是與大氣中的OH自由基反應(yīng)生成CO和H2O。OH自由基的大氣含量主要受溫、濕度條件控制，在秋、冬季節(jié)溫度降低，太陽(yáng)輻射減弱使得大氣中OH自由基含量降低，會(huì)促進(jìn)CH4的積累作用；相反夏季溫濕度高、太陽(yáng)輻射強(qiáng)，大氣中OH自由基含量升高，消耗了大氣中的CH4。但是CH4的含量卻表現(xiàn)為與“匯”強(qiáng)度相反的冬春季低、夏秋季高的特征，推測(cè)其主要是受地貌和人類活動(dòng)的影響。前人研究表明，我國(guó)稻田、植被在7月和8月排放大量的CH4，導(dǎo)致CH4排放在夏季達(dá)到峰值，冬季出現(xiàn)低谷。CO時(shí)間上呈明顯的季節(jié)變化，也是因?yàn)樵谙募綩H自由基濃度比較高，CO作為OH自由基**主要的消耗者，其濃度通常表現(xiàn)為冬春季達(dá)到比較大、秋季降至**小。夏季溫濕度高、輻射高，較強(qiáng)的太陽(yáng)輻射對(duì)OH自由基的產(chǎn)生有利，生成的OH自由基與大氣中的CO反應(yīng)，使得CO含量減少；冬季的溫度和濕度降低，太陽(yáng)輻射降低，大氣中OH自由基含量減少，大氣CO在較長(zhǎng)時(shí)間的累積作用下含量逐漸增加。此外，人類活動(dòng)，比如冬季采暖產(chǎn)生的CO也是冬季CO濃度較高的一個(gè)原因。CO在夏季出現(xiàn)的一個(gè)小高峰，可能與夏季CH4排放量大，CH4與OH反應(yīng)轉(zhuǎn)化為CO相關(guān)。

3.2 氣體特征與構(gòu)造和地震關(guān)系  

3.2.1 與構(gòu)造活動(dòng)關(guān)系

拉張環(huán)境有利于地下氣體釋放，擠壓環(huán)境不利于氣體釋放，例如拉張環(huán)境的銀川地塹氣體濃度高于擠壓環(huán)境的青藏高原東北緣。鄂爾多斯南緣渭河斷裂帶（Ⅲ）是拉張環(huán)境，較以擠壓為主的青藏高原東北緣地區(qū)的海原（Ⅰ）和六盤(pán)山（Ⅱ）斷裂帶更有利于地下氣體的釋放。此外，正斷層地球脫氣作用強(qiáng)于逆沖斷層和走滑斷層。鄂爾多斯南緣的渭河斷裂帶是以正斷層為主的拉張構(gòu)造，促進(jìn)了裂縫的發(fā)育，同時(shí)海原和六盤(pán)山斷裂帶原有的裂隙在大量的構(gòu)造擠壓下出現(xiàn)了部分閉合。斷層閉鎖導(dǎo)致滲透率降低，這是因?yàn)閿鄬拥淖苑忾]過(guò)程（如膠結(jié)、再結(jié)晶、礦物沉淀或粘土充填）限制了氣體從深部向地表的逸出。因此，在區(qū)域尺度上，位于拉張環(huán)境、以正斷層為主的渭河斷裂帶（Ⅲ）氣體排放強(qiáng)于以強(qiáng)烈擠壓和走滑為主的海原（Ⅰ）和六盤(pán)山（Ⅱ）斷裂帶（圖3，圖5，圖6），該空間分布特征與大地?zé)崃鞣植稼厔?shì)、溫泉?dú)夂徒乇硗寥罋鉂舛确植稼厔?shì)一致。

圖 5 研究區(qū)各典型區(qū)域月平均 CO 時(shí)間變化

3.2.2 與地震活動(dòng)關(guān)系

雖然CH4和CO的影響因素復(fù)雜多變，但是在圖3和圖5中的青藏高原東北緣的時(shí)間序列可以看出，在沒(méi)有地震活動(dòng)時(shí)，氣體的時(shí)間序列存在大致相同的時(shí)間變化趨勢(shì)，這說(shuō)明在一定程度上我們可以認(rèn)為其含量變化在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)。但是在川滇地區(qū)的安寧河—?jiǎng)t木河區(qū)域CH4濃度值打破背景變化，超過(guò)小江斷裂帶區(qū)域（圖3中紅色圓圈位置），很有可能是地震活動(dòng)引起的地下氣體大量釋放。檢索地震目錄，對(duì)應(yīng)2019年6～7月在四川長(zhǎng)寧發(fā)生5次5.0級(jí)以上地震，可能為***個(gè)異常的響應(yīng)。所選安寧河—?jiǎng)t木河區(qū)域位于巴顏喀拉菱形塊體東南邊界，構(gòu)造位置特殊，該地區(qū)的地***體可能對(duì)巴顏喀拉塊體產(chǎn)生的大震較為敏感，第二個(gè)異常可能與2021年5月22日瑪多7.4級(jí)地震有關(guān)。CO時(shí)間序列未出現(xiàn)異常現(xiàn)象，可能是因?yàn)镺H自由基在大氣中含量較少，光化學(xué)反應(yīng)微弱，使得CH4反應(yīng)生成的CO維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下。

3.3近紅外傳感器地震監(jiān)測(cè)應(yīng)用前景展望

通過(guò)對(duì)青藏高原東邊界典型構(gòu)造區(qū)的大氣CH4和CO氣體時(shí)空分布特征研究，發(fā)現(xiàn)近紅外高光譜數(shù)據(jù)（TROPOMI）對(duì)構(gòu)造有關(guān)氣體的監(jiān)測(cè)比較敏感，尤其是相對(duì)熱紅外傳感器特性，近紅外傳感器的探測(cè)波段對(duì)近地表氣體敏感，能夠獲取較為精細(xì)的構(gòu)造特征（圖6，圖7），比如圖6中獲取的2019年1月CO和CH4在渭河斷裂帶表現(xiàn)的“線性”高值現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)時(shí)間段AIRS中CH4表現(xiàn)不明顯，CO沒(méi)有表現(xiàn)（圖7）。這是因?yàn)锳IRS反演CH4和CO所用波段主要在紅外波段，其反演敏感層在中對(duì)流層以上，對(duì)近地表觀測(cè)不敏感，而TROPOMI用于CH4和CO反演的近紅外和短波紅外波段對(duì)近地表氣體組分敏感，可用于精確反演獲取大氣底層氣體濃度，研究其源和匯分布。近紅外高光譜傳感器彌補(bǔ)了熱紅外傳感器對(duì)地表氣體信息探測(cè)不敏感的缺憾，有望提高地震有關(guān)氣體異常和構(gòu)造活動(dòng)之間關(guān)系判斷能力。但是在川滇地區(qū)有效數(shù)據(jù)較少、時(shí)間分辨率較差，目前很難單獨(dú)用于地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)。今后在高光譜地震有關(guān)氣體監(jiān)測(cè)應(yīng)用中，可結(jié)合熱紅外和近紅外技術(shù)，發(fā)揮熱紅外時(shí)間分辨率高、數(shù)據(jù)覆蓋范圍大，近紅外對(duì)近地表數(shù)據(jù)敏感的優(yōu)勢(shì)，利用熱紅外數(shù)據(jù)判斷地震時(shí)間、強(qiáng)度，近紅外數(shù)據(jù)判斷地點(diǎn)和發(fā)震構(gòu)造。

圖 6 TROPOMI 的 CO 和 CH4對(duì)近地表構(gòu)造背景響應(yīng)

圖 7 AIRS的CO和CH4對(duì)近地表構(gòu)造背景響應(yīng)（單位：/cm2 ）

四、結(jié)論

本研究通過(guò)利用近紅外高光譜傳感器數(shù)據(jù)獲取青藏高原東邊界典型構(gòu)造區(qū)的CH4和CO氣體時(shí)空變化特征，分析其時(shí)空分布特征的影響因素及其與構(gòu)造和地震活動(dòng)的關(guān)系，簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)其用于地震監(jiān)測(cè)的潛力。得到如下結(jié)論：

（1）近紅外傳感器數(shù)據(jù)獲取的CH4和CO氣體背景場(chǎng)時(shí)間上具有明顯的周期性季節(jié)變化，空間上較好地反映了近地表構(gòu)造信息，其時(shí)空背景特征主要受到氣候變化、地質(zhì)背景、地形地貌及人類活動(dòng)等因素影響。

（2）近紅外傳感器數(shù)據(jù)空間分辨率高，能夠較好地反映空間背景信息，獲取更為可靠的地震和構(gòu)造活動(dòng)信息，然而其有效數(shù)據(jù)量和時(shí)間分辨率具有一定的局限性，對(duì)地震活動(dòng)的時(shí)間判斷能力較為一般。

（3）近紅外傳感器的應(yīng)用可以彌補(bǔ)熱紅外傳感器對(duì)近地面氣體信息敏感度差的不足，填補(bǔ)圈層耦合中近地表大面積連續(xù)觀測(cè)的空白。同時(shí)隨著近紅外高光譜傳感器技術(shù)的進(jìn)步，未來(lái)或可成為地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)的有效手段。

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