从大气层中的气体异常源算法模型出发,给出垂直浓度梯度判定指标是判定来自本地区气体,还是远程漂移过来的。基于美国的AQUA/AIRS高光谱数据,得到空间信息的时空呼应证据——从大气层到地表路径物理信息,以及大气层到地表路径化学信息。基于泸定6.8级地震卫星空间信息与地表观测信息,通过回溯和定位,实现两者的有机结合。以可检测的算法模型,可量化的指标,可验证的地震事件,总结归纳回溯地震过程中气体释放所经历的通道和轨迹。结果表明,来自震源的物质以断层溢出气体为载体携带了大量的震源物质信息,天地同震过程中是存在着气体传输通道的。 Based on the gas anomaly source algorithm model in the atmosphere, the determination index of vertical concentration gradient is given to determine whether the gas comes from the local area or from remote drift. Based on the AQUA/AIRS hyperspectral data from the United States, the spatio-temporal echo evidence of spatial information is obtained, including the physical information of the path from the atmosphere to the surface, and the chemical information of the path from the atmosphere to the surface. Based on the Luding M6.8 seismic satellite spatial information and surface observation information, the organic combination of the two is realized through backtracking and positioning. By means of detectable algorithm model, quantifiable index and verifiable seismic event, the passage and trajectory of gas release during earthquake are summarized and traced back. The results show that the source material carries a large amount of source material information with the fault overflow gas as the carrier, and there is a gas transmission channel in the co-seismic process between earth and earth.
从大气层中的气体异常源算法模型出发,给出垂直浓度梯度判定指标是判定来自本地区气体,还是远程漂移过来的。基于美国的AQUA/AIRS高光谱数据,得到空间信息的时空呼应证据——从大气层到地表路径物理信息,以及大气层到地表路径化学信息。基于泸定6.8级地震卫星空间信息与地表观测信息,通过回溯和定位,实现两者的有机结合。以可检测的算法模型,可量化的指标,可验证的地震事件,总结归纳回溯地震过程中气体释放所经历的通道和轨迹。结果表明,来自震源的物质以断层溢出气体为载体携带了大量的震源物质信息,天地同震过程中是存在着气体传输通道的。
震源放气过程,空间信息回溯,天地同震,气体通道
Yi Zhao1,2, Baojun Ma2, Jiewei Liang3, Bin Zhang1, Na Fang3, Ting Liu3, Chaosheng Si3, Chongming Mo3
1National Institute of Natural Hazards, Ministry of Emergency Management, Beijing
2Earthquake Bureau of Heilongjiang Province, Harbin Heilongjiang
3Guangdong Haiqixing Marine Technology Co., LTD., Guangzhou Guangdong
Received: Oct. 11th, 2022; accepted: Dec. 24th, 2022; published: Dec. 31st, 2022
Based on the gas anomaly source algorithm model in the atmosphere, the determination index of vertical concentration gradient is given to determine whether the gas comes from the local area or from remote drift. Based on the AQUA/AIRS hyperspectral data from the United States, the spatio-temporal echo evidence of spatial information is obtained, including the physical information of the path from the atmosphere to the surface, and the chemical information of the path from the atmosphere to the surface. Based on the Luding M6.8 seismic satellite spatial information and surface observation information, the organic combination of the two is realized through backtracking and positioning. By means of detectable algorithm model, quantifiable index and verifiable seismic event, the passage and trajectory of gas release during earthquake are summarized and traced back. The results show that the source material carries a large amount of source material information with the fault overflow gas as the carrier, and there is a gas transmission channel in the co-seismic process between earth and earth.
Keywords:Source Venting Process, Spatial Information Backtracking, Earth Co-Seismic, Gas Channel
Copyright © 2022 by author(s) and Hans Publishers Inc.
This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0).
http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
地球每时每刻都在向外界排放着各种气体,主要成份包括二氧化碳、甲烷、硫化氢等,这是地球上的一种普遍现象。地球排气最常见、最典型的例子就是火山喷发。它既可以来自于地球的深部,也可以来自于浅部;既可以通过大的断裂,也可以通过遍布世界各地的温泉、热泉排出;既可以是大范围的突发性放气,也可以是沿着疏松介质持续或断断续续的放气。某些时候,突发的排气现象还可以作为地震(EQ)的异常现象,一些地震工作者尝试利用它来预报地震。
人类的认识规律都是随着资料积累的加大而不断地深入。从1966年邢台地震以后,我国正式开始了国家行为的地震预报,科技工作者的思路大多是盯着地下,因为破坏性地震大都是在地下10公里或更深的地壳中孕育和发生,总结半个多世纪的努力发现预报准确率不超过30%,是否是努力方向出了问题,那么那70%的地震信息哪里去了呢?
认真反思:预报的哲学思想出了问题。缺失的70%的信息量哪里去了?在地壳之外的外部空间,因为,地震是发生在地壳的浅部或深部,所以我们的注意力一直盯着地下。正是因为如此,才忽视了这外部空间的信息。
努力方向取决于地震预报思维方式,换个思维:眼睛“不能只盯着地下”,地震预报应该向空间发展,向空间进军。
随着人类空间对地观测技术的提高,发现了地壳中的强烈地震发生前与之呼应的空间电离层TEC的同步变化,日本北海道大学日置幸介教授发现 [
如:Bogdanov Yu. A [
本文聚焦在地球化学途径,既然在大气层之外的空间找到了与强震息息相关的TEC证据,那么从地下到地面,再到空间,这中间隔着一个大气层,那么气体向上传输的过程中一定要经过大气层,能不留下轨迹和痕迹吗?而监测大气层中的气体浓度变化,最有效手段莫过于卫星高光谱分析。于是乎,便有了建立卫星高光谱气体溯源模型建立的想法和思路,因此就有了国家重点研发计划(2019YFC1509203)和院长基金(ZDJ2021-11)联合资助。
据中国地震台网正式测定,2022年9月5日四川省州泸定发生6.8级地震,震源深度16千米。这次地震发生在鲜水河断裂雪门坎–磨西段,属于川滇活动块体的北东边界,通过地震监测和科学科考调查发现泸定地震震中及周围断层存在气体溢出现象。地球的排气作用就是在地下很大的压力、温度、浓度、密度、粘度梯度下反重力向外向上排放喷流到大气层的过程。本文把泸定6.8级地震卫星空间信息与地表观测信息有机地结合起来,以可检测的算法模型,可量化的指标,可验证的地震事件,总结归纳回溯地震过程中气体释放所经历的通道和轨迹。
气体递减式垂直浓度梯度是本地来源,选择研究区域范围:97˚~107˚E,27˚~34˚N。地震前一个月设为背景值,8月30日到9月4日视为地震前,9月5日至9月6日视作地震发生期。
图1~图4分别是三个阶段中AIRS观测到的CO和CH4的体积混合比(VMR),将AIRS数据按照升降轨区分是因为两者之间时间跨度加大,升轨时间大约在早上四点四十分到七点四十分,降轨时间大约在下午的五点五十分到晚上八点四十分。图5~图6、图8~图9分别依据区域内最大浓度点以及泸定地震震中位置制作的CO和CH4浓度剖面以及一定时间段内的浓度变化图。
从图1~图4可以看出CH4聚集在150 hPa到400 hPa的区间,在地震前和地震发生时,150 hPa~250 hPa区间内的CH4浓度降低,图5的(a)和(c)、图8的(a)和(c)都很好地说明了这点;CO的特征更加明显,在地震前和地震发生时,600 hPa附近会有明显的异常点。
图1. 泸定6.8地震背景–震前–震时的升轨状态下AIRS甲烷气体浓度不同高度的变化
图2. 泸定6.8地震背景–震前–震时的降轨状态下AIRS甲烷气体浓度不同高度的变化
图3. 泸定6.8地震背景–震前–震时的升轨状态下AIRS一氧化碳气体浓度不同高度的变化
图4. 泸定6.8地震背景–震前–震时的降轨状态下AIRS一氧化碳气体浓度不同高度的变化
图5. 气体浓度最大点甲烷和一氧化碳的垂直气体浓度剖面图;(a) 升轨时检测到的甲烷垂直浓度剖面图;(b) 升轨时检测到的一氧化碳垂直浓度剖面图;(c) 降轨时检测到的甲烷垂直浓度剖面图;(d) 降轨时检测到的一氧化碳垂直浓度剖面图
图6. 气体浓度最大点甲烷和一氧化碳的垂直气体浓度图;(a) 升轨时检测到的甲烷垂直浓度分布图;(b) 升轨时检测到的一氧化碳垂直浓度分布图;(c) 降轨时检测到的甲烷垂直浓度分布图;(d) 降轨时检测到的一氧化碳垂直浓度分布图
图7. 震中位置甲烷和一氧化碳的垂直气体浓度剖面图;(a) 升轨时检测到的甲烷垂直浓度剖面图;(b) 升轨时检测到的一氧化碳垂直浓度剖面图;(c) 降轨时检测到的甲烷垂直浓度剖面图;(d) 降轨时检测到的一氧化碳垂直浓度剖面图
图8. 震中位置甲烷和一氧化碳的垂直气体浓度图;(a) 升轨时检测到的甲烷垂直浓度分布图;(b) 升轨时检测到的一氧化碳垂直浓度分布图;(c) 降轨时检测到的甲烷垂直浓度分布图;(d) 降轨时检测到的一氧化碳垂直浓度分布图
在整个大的区域,地震前大约在8月23~24日CO就开始泄漏了,直到9月9日才恢复正常,详情可见图6(b)和图6(d)的右下部分。CH4的垂直气体浓度剖面图5(a)和图5(c)也指示了震前CH4浓度与平时有明显的异常。
图5(c)和图5(d)以及图6(b)和图6(d)在背景时间段也有异常。在查看这些异常出现的日期以及对照四川省地震局的地震目录后,发现2022年8月到泸定地震为止,四川发生了多次3.0级到3.3级地震。其中8月5日的气体浓度如图8,相信是8月13日发生都江堰3.3级地震提前泄漏,对探测结果进行干扰。都江堰3.3级地震震中距离泸定地震震中约235公里。
依据泸定地震震中位置画出的CO和CH4浓度剖面以及一定时间段内的浓度变化图。图7和图8很好地表现了地震前CO和CH4浓度的变化。尽管图8(b)中8月上旬仍出现CO异常,但是信号弱了许多,对照图6(b),震中的CO浓度与周边地区相近,可以判断图8(b)中CO异常不是本地来源的,是受到外来CO的影响。
在600百帕以下(即4200米以下)垂直浓度有暂短的无根现象,说明近处有气体迁移,时间短暂证明距离断层区域不远还有气体溢出源,只是没有地面观测点的数据验证而已,不仅仅是在发震断层上有溢出气体存在,而且震中和发震断层之外还有近距离的震源气体溢出点位,只不过是发震断层的震源气体溢出现象占主导地位。
图9. 震中位置甲烷和一氧化碳的单日垂直气体浓度剖面图;(a) 8月5日降轨时的气体垂直浓度剖面;(b) 8月13日升轨时的气体垂直浓度剖面
泸定地震发生在海拔高度达1560米高原,气流是极不稳定的。采用ERA5风场数据,ERA5是ECMWF (The European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)对全球气候的第五代大气再分析模型,将模型数据与来自世界各地的观测数据结合起来,形成一个全球完整的、一致的数据集。ERA5取代了其前身ERA-Interim再分析。ERA5 DAILY提供每天7个ERA5气候再分析参数的汇总值:2米空气温度、2米露点温度、总降水量、平均海平面气压、表面气压、10米风速的u分量和v分量。此外,根据每小时的2米空气温度数据,计算出2米处的每日最低和最高空气温度。
都江堰3.3级地震一周前,8月5日确实在卫星高光谱AIRS图像上看到其震中的放气信息(图12)。这一气体源在风场作用下飘到泸定6.8地震的震中区与泸定地震前的气体释放叠加在一起,被卫星高光谱垂直浓度分布图检测到(图9)。
图10. 泸定6.8地震震中地表10米的水平风场;(a) 震中地表10米风向;(b) 震中地表10米风速
图11. 震中各层风速图;(a) 震中区域9月东西向垂直风场;(b) 震中区域9月南北向垂直风场
图12. 8月5日都江堰3.3级地震前600百帕以下的震中上空气体浓度;(a) 降轨时检测到的甲烷体积混合比;(b) 降轨时检测到的一氧化碳体积混合比
从图9可以看出8月5日到8月13日在泸定地震震中上空的甲烷和一氧化碳的垂直浓度梯度上看是无根的,即这一时间段泸定地震的发震断层没有打开,气体是8月13日都江堰3.3级地震的发震断层提前8天泄露逸出的气体;这点在图13中也清晰地显示出来,据中国地震台网正式测定,8月13日13时18分在四川成都市都江堰市发生3.3级地震,也正是先出现CH4,此时CO浓度极小。而泸定地震前大约也提前10天左右在8月23~24日CH4和CO就开始泄漏了,直到9月9日才恢复正常,这一气体提前释放的短临时间都是8~12天左右。至于都江堰3.3地震气体漂移的大气动力学过程由图9、图10和图11以及图12,清晰地给出。
借鉴崔月菊等 [
图13. 泸定6.8地震前后的CH4(a)和CO(b)异常;(对8月2日至9月7日的AIRS的数据进行滑动平均,再根据滑动结果算出异常)
基于美国的AQUA/AIRS高光谱数据,对8月2日至9月7日的AIRS的数据进行滑动平均,再根据滑动结果算出异常(见图13),从而得到空间信息的时空呼应证据——从大气层到地表路径物理信息。
CH4最先溢出地表,因此主要以CH4的气体浓度最大值点位来溯源,如图14所示,再把ROTI值在0.3以下的去掉后,经过筛选,螺旋线,CH4取自40个点,CO取自33个点,后选择靠近震中区域制图。
从8月1日至9月7日(图15),展示时间流动和气体流动的方向。取每一天本区域浓度最大点的经纬度并按时间顺序变换,所有散点以最小二乘法拟合出曲线–渐开线,初始位置即震中(102.08˚E 29.59˚N)。地面断层溢出气异常点位(三角形位置)皆集中于渐开线中心位置。
图14. 泸定6.8地震AIRS数据给出CH4浓度最大点位:8月1日至9月7日
图15. AIRS数据拟合的气体运动平面轨迹线;(a) CH4轨迹线;(b) CO轨迹线
对比CH4与CO的渐开线图件,这两个气体组分不要他们贴合,先有CH4,继而出现CO,时间上就不同步,在风场作用下后出现的CO偏开一定距离。这种平面投影的渐开线加上层面高度就是一条立体螺旋线:即取每一天本区域浓度最大点的经纬度和层高,点图分层切片图——浓度最大点的空间移动路径。
陈桂华的研究表明:鲜水河断裂存在显著的分段活动特征,不同段落的结构、活动速率、运动性质具有一定的差异 [
徐锡伟 [
图16. 鲜水河断裂6处流体地球化学观测点位置图
以陈桂华研究资料 [
中国地震局地震预测研究所、四川地震局建设的地球化学观测点明显记录到地震前气体异常,包括断层气观测、温泉观测。其中以老榆林观测点氢气异常最为明显,2022年8月5日~9月1日H2浓度异常高达50 ppm;9月1日后恢复到背景值2 ppm,9月5日发震(图16)。
分子状态的气体和离子状态的气体,即地表和大气层平流层的分子状态和电离层的离子状态。本文我们聚焦在大气层的分子状态气体,断层逸出气体各种气体组分溢出时间顺序上有先有后,地面上,H2是8月5日,CO2至少是8月15日出现浓度增加现象。可以这么说,气体是沿着发震断层溢出。那么,这六个气体溢出点(或者说附近区域还有都江堰一个气体溢出点)与卫星空间信息中体现的162个信息点,或强烈溢出的38个空间点位有什么样的物理联系和化学纽带?这些问题值得关注。
图17. XCO & XCH4的相关系数时序曲线;上图:升轨状态的XCO & XCH4;下图:降轨状态的XCO & XCH4
时间段 | XCO & XCH4 (升轨) | XCO & XCH4 (降轨) |
---|---|---|
背景场(2022.8.1~2022.8.29) | −0.17 | −0.20 |
震前(2022.8.30~2022.9.5) | −0.38 | 0.93 |
震时(2022.9.6~2022.9.9) | 0.91 | 0.02 |
表1. 平时、震前、震时3个时间段的相关系数
1) 大气层中的化学反应
CH 4 + 4 O 2 + 2 h v 1 + h v 2 → H 2 O + CO + H 2 + 2 O 3 (1)
2 CO + O 2 = 2 CO 2 (2)
3 O 2 → 2 O 3 (3)
断层逸出气体的时序应该是 CH 4 → CO → CO 2 → O 3 ;从卫星高光谱总结的地震案例来看,在1000米以下 CH 4 聚集;在1000~10,000米之间主要是 CO ,在10,000~30,000米之间主要是 CO 2 ;再往高空去是 O 3 ;达到电离层后是电子、离子状态,TEC作为指标,见图17和表1。
2) 泸定6.8地震AIRS高光谱数据体现的XCO & XCH4的相关系数时序曲线,在震前和震时的强相关性给出了有力的证实,见图17和表1。
本文研究表明,来自震源的物质以断层溢出气体为载体携带了大量的震源物质信息,即天地同震过程中是存在着气体传输通道的。
设想可否通过气体浓度的变化预测地震的发生地点,震级的大小和发震时间。
震源体内的气体散射逸出,类似地震波射线反演的方法。
将反射系数换成地震事件,地震子波用气体释放函数来替代,预计会生成根据时间变化的气体浓度曲线,这个曲线可以由这种图解得到。只要反推这个过程,就可以得到地震事件发生的源(位置)即震中,以及发生的时间和地震的大小。
1) 从卫星高光谱数据图解得到各种气体组分每一条气体浓度变化曲线(时间相关);2) 继而找出哪一种气体组分出现异常变化;3) 该气体组分在大气中的逗留时间是多少;4) 如何排除外源气体的影响,或者如何容错;5) 气体释放函数如何给出,与地震强度震级M的关系;与时间的关系(释放的速率以及地层中残余气体的含量);与区域构造以及岩性的关系(其他地区是否适用);6) 如何进行反演计算:即给出反演的方法–根据过去的地震记录推导出气体释放函数,假设通过该年的记录得到某一点的气体释放函数。根据AIRS的观测结果以及气体释放函数,可以大致推断出地震是否会发生,震级大致多少;对于整个研究区,只要对各点进行运算,哪个点附近最早出现地震特征,用多个点的数据可以求解一下预计震中位置。
千里之行始于足下,要做的事情很多,只要砥砺前行,终有一天会到达理想的彼岸。
国家重点研发计划(2019YFC1509203)和院长基金(ZDJ2021-11)联合资助。
赵 谊,马宝君,梁捷尉,张 彬,房 娜,刘 婷,司朝盛,莫崇铭. 2022年泸定Ms6.8地震震源放气过程的卫星空间信息回溯研究Backtracking of Satellite Spatial Information on Source Venting Process of Luding Ms6.8 Earthquake, 2022[J]. 地球科学前沿, 2022, 12(12): 1689-1702. https://doi.org/10.12677/AG.2022.1212164