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的時空變化特征及其對地震和構(gòu)造的響應(yīng)，簡單評價了近紅外傳感器在地震監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

一、引言

斷裂帶、火山等地表薄弱地帶會出現(xiàn)地下氣體（Rn、Hg、CO2、CH4等）向上運移到地表和大氣的現(xiàn)象。地殼內(nèi)部運動很大程度上會加劇氣體運移的速率，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功能高光譜傳感器的衛(wèi)星平臺以其探測范圍廣、覆蓋均勻、重復觀測周期短、受地面條件限制較小等優(yōu)勢，可以彌補傳統(tǒng)斷層氣監(jiān)測受時空限制的不足，對地震監(jiān)測預測具有重要促進作用。

同時，不同高度的氣體變化研究表明近地表氣體異常對地震異常判斷貢獻較大。因此，對近地表氣體權(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的時空變化特征及其對地震和構(gòu)造的響應(yīng)，簡單評價了近紅外傳感器在地震監(jiān)測領(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，中強地震頻發(fā)且震源深度淺，是構(gòu)造和地震活動監(jiān)測的重點關(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)）兩個典型區(qū)域進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，是高原和平原的過渡地帶，歷史上發(fā)生多次強震，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、龍門山、紅河、小江等斷裂帶。2008年以來該區(qū)域先后發(fā)生了四川汶川8.0級地震、蘆山7.0級地震、九寨溝7.0級地震。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）、六盤山斷裂帶（Ⅱ）、渭河斷裂帶（Ⅲ）和鮮水河斷裂帶（Ⅰ）、安寧河—則木河斷裂帶（Ⅱ）和小江斷裂帶（Ⅲ）3個典型區(qū)域進行對比研究（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為六盤山斷裂帶、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為安寧河—則木河斷裂帶、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；六盤山斷裂帶是一個擠壓構(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，是中國大陸構(gòu)，造活動最為強烈的斷裂帶之一，平均滑動速率在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狀態(tài)，其中則木河斷裂帶北段閉鎖程度最高，平均滑動速率為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 近地表氣體時空分布特征及其成因

3.1.1CH4和CO時空分布特征

圖2研究區(qū)2020年3、6、9、12月平均CH4時空變化圖

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時間變化

a區(qū)和b區(qū)各典型區(qū)域CH4的時間序列變化（圖3）表明，空間上CH4濃度存在地區(qū)差異，但大致變化趨勢基本一致。在a區(qū)CH4濃度呈現(xiàn)為海原/六盤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—則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)出與其他時間相反的趨勢。時間上均表現(xiàn)為冬春季低、夏秋季高的特點，最大值出現(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的時間序列變化圖（圖5）表明CO空間分布特征與CH4相似，時間上，呈秋季低、冬春季高的特點，此外夏季存在一個小高峰（圖4，圖5）。a、b區(qū)各典型區(qū)域CO變化趨勢基本一致。

3.1.2CH4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源控制。文中重點關(guān)注自然來源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4大盆地之一，盆地內(nèi)存在大量含天然氣頁巖。同時特殊的地形條件更加有利于污染氣團在盆地內(nèi)聚集，一定程度上在局部地區(qū)對氣體具有一定的抬升，同時盆地地形也不利于氣體的擴散，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，導致海原/六盤山斷裂帶CH4和CO濃度小于渭河斷裂帶，鮮水河、安寧河—則木河斷裂帶、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—則木河和鮮水河斷裂帶主要類型均為左旋走滑，然而其滑動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速率小于小江斷裂帶，因此，排氣量安寧河—則木河斷裂帶小于小江斷裂帶；鮮水河斷裂帶雖然滑動速率較大，卻是我國最著名的蠕滑斷層，孔隙通道受阻，導致排氣量較小。

圖4研究區(qū)2020年3、6、9、12月平均CO時空變化圖

CH4和CO空間分布特征還受人類活動影響。四川盆地農(nóng)業(yè)種植以水稻為主，同時油氣資源高強度開采是導致區(qū)域CH4濃度過高的主要原因。CO的人為來源主要有發(fā)動機燃燒和生物質(zhì)燃燒，高值地區(qū)人口聚集，工業(yè)較為發(fā)達，同時由于地形、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）。

3.1.3CH4和CO時間變化特征成因

CH4和CO時間變化特征主要受氣候變化和溫度、濕度控制，同時部分區(qū)域受地貌、人類活動影響。CH4時間上呈明顯的季節(jié)變化，這是因為CH4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，太陽輻射減弱使得大氣中OH自由基含量降低，會促進CH4的積累作用；相反夏季溫濕度高、太陽輻射強，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”強度相反的冬春季低、夏秋季高的特征，推測其主要是受地貌和人類活動的影響。前人研究表明，我國稻田、植被在7月和8月排放大量的CH4，導致CH4排放在夏季達到峰值，冬季出現(xiàn)低谷。CO時間上呈明顯的季節(jié)變化，也是因為在夏季OH自由基濃度最高，CO作為OH自由基最主要的消耗者，其濃度通常表現(xiàn)為冬春季達到最大、秋季降至最小。夏季溫濕度高、輻射高，較強的太陽輻射對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，太陽輻射降低，大氣中OH自由基含量減少，大氣CO在較長時間的累積作用下含量逐漸增加。此外，人類活動，比如冬季采暖產(chǎn)生的CO也是冬季CO濃度較高的一個原因。CO在夏季出現(xiàn)的一個小高峰，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，促進了裂縫的發(fā)育，同時海原和六盤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。斷層閉鎖導致滲透率降低，這是因為斷層的自封閉過程（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）氣體排放強于以強烈擠壓和走滑為主的海原（Ⅰ）和六盤山（Ⅱ）斷裂帶（圖3，圖5，圖6），該空間分布特征與大地熱流分布趨勢、溫泉氣和近地表土壤氣濃度分布趨勢一致。

圖5研究區(qū)各典型區(qū)域月平均CO時間變化

3.2.2與地震活動關(guān)系

雖然CH4和CO的影響因素復雜多變，但是在圖3和圖5中的青藏高原東北緣的時間序列可以看出，在沒有地震活動時，氣體的時間序列存在大致相同的時間變化趨勢，這說明在一定程度上我們可以認為其含量變化在一個穩(wěn)定的范圍內(nèi)。但是在川滇地區(qū)的安寧河—則木河區(qū)域CH4濃度值打破背景變化，超過小江斷裂帶區(qū)域（圖3中紅色圓圈位置），很有可能是地震活動引起的地下氣體大量釋放。檢索地震目錄，對應(yīng)2019年6～7月在四川長寧發(fā)生5次5.0級以上地震，可能為第一個異常的響應(yīng)。所選安寧河—則木河區(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)的地下流體可能對巴顏喀拉塊體產(chǎn)生的大震較為敏感，第二個異?？赡芘c2021年5月22日瑪多7.4級地震有關(guān)。CO時間序列未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，可能是因為OH自由基在大氣中含量較少，光化學反應(yīng)微弱，使得CH4反應(yīng)生成的CO維持在一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)下。

3.3近紅外傳感器地震監(jiān)測應(yīng)用前景展望

通過對青藏高原東邊界典型構(gòu)造區(qū)的大氣CH4和CO氣體時空分布特征研究，發(fā)現(xiàn)近紅外高光譜數(shù)據(jù)（TROPOMI）對構(gòu)造有關(guān)氣體的監(jiān)測比較敏感，尤其是相對熱紅外傳感器特性，近紅外傳感器的探測波段對近地表氣體敏感，能夠獲取較為精細的構(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，對應(yīng)時間段AIRS中CH4表現(xiàn)不明顯，CO沒有表現(xiàn)（圖7）。這是因為AIRS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流層以上，對近地表觀測不敏感，而TROPOMI用于CH4和CO反演的近紅外和短波紅外波段對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了熱紅外傳感器對地表氣體信息探測不敏感的缺憾，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、時間分辨率較差，目前很難單獨用于地震監(jiān)測預測。今后在高光譜地震有關(guān)氣體監(jiān)測應(yīng)用中，可結(jié)合熱紅外和近紅外技術(shù)，發(fā)揮熱紅外時間分辨率高、數(shù)據(jù)覆蓋范圍大，近紅外對近地表數(shù)據(jù)敏感的優(yōu)勢，利用熱紅外數(shù)據(jù)判斷地震時間、強度，近紅外數(shù)據(jù)判斷地點和發(fā)震構(gòu)造。

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

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

四、結(jié)論

本研究通過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氣體時空變化特征，分析其時空分布特征的影響因素及其與構(gòu)造和地震活動的關(guān)系，簡單評價其用于地震監(jiān)測的潛力。得到如下結(jié)論：

（1）近紅外傳感器數(shù)據(jù)獲取的CH4和CO氣體背景場時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)造活動信息，然而其有效數(shù)據(jù)量和時間分辨率具有一定的局限性，對地震活動的時間判斷能力較為一般。

（3）近紅外傳感器的應(yīng)用可以彌補熱紅外傳感器對近地面氣體信息敏感度差的不足，填補圈層耦合中近地表大面積連續(xù)觀測的空白。同時隨著近紅外高光譜傳感器技術(shù)的進步，未來或可成為地震監(jiān)測預測的有效手段。

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審核編輯 黃宇