近日，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院遙感衛(wèi)星應(yīng)用國家工程實(shí)驗(yàn)室研究員孟慶巖團(tuán)隊(duì)在地震紅外遙感研究方面取得進(jìn)展。相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《環(huán)境遙感》雜志上。

利用遙感觀測手段從空間探索地震預(yù)測新途徑，對很多讀者來說都是個新鮮事兒。我們約請論文第一作者張穎博士和通訊作者孟慶巖研究員對此做詳細(xì)介紹。

空間觀測帶來地震預(yù)測技術(shù)革命

地震預(yù)測是公認(rèn)的世界性科學(xué)難題，科學(xué)家從未停止對其探索。中國作為世界上地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，歷史上發(fā)生的地震占全球大陸地震總數(shù)的三分之一，具有發(fā)生頻繁、震源深度淺、破壞力強(qiáng)的特點(diǎn)，加之我國人口密集，地震嚴(yán)重威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。若能攻克地震預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)，對于科學(xué)進(jìn)步和社會公共安全都具有重要意義。

隨著航空航天以及遙感技術(shù)的快速發(fā)展，地震預(yù)測也迎來新一輪的技術(shù)革命。衛(wèi)星遙感技術(shù)可瞬時獲得大面積的地球物理、化學(xué)參量場，為人類監(jiān)測、認(rèn)知地震提供了新視角。

從非專業(yè)的角度打個比喻，天然地震可以簡單理解為將兩塊石頭放在液壓機(jī)上，不斷地加載、相互擠壓(模擬地震中板塊之間的擠壓和碰撞，積累勢能的過程)，直到石頭之間發(fā)生錯動與破裂(地震發(fā)生)?？茖W(xué)家相信，在地震孕育過程中，如此大的能量積蓄定然會對地球的化學(xué)、物理場產(chǎn)生擾動，從而產(chǎn)生異常信號，也就是我們常常提及的地震前兆。

利用不同的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)，各國學(xué)者已經(jīng)在多次地震中發(fā)現(xiàn)了包括震前熱異常、重力異常、氣體異常、電磁異常在內(nèi)的諸多前兆異常?？臻g對地觀測前兆研究在上世紀(jì)末、本世紀(jì)初被寄予厚望，迎來了地震前兆研究的繁榮時期。

地球重力場作為地球最基本的物理場之一，是地球內(nèi)部、地表及外部空間物質(zhì)分布與地球本身旋轉(zhuǎn)運(yùn)動信息的綜合反映。現(xiàn)有研究成果表明，重力場動態(tài)變化能較好反映強(qiáng)震孕育、發(fā)展、調(diào)整過程的重力變化特征。特別是對于6級以上地震的孕育發(fā)生過程，重力異常變化較為明顯。如今，低軌道的重力衛(wèi)星GRACE，GOCE和GRACE-follow on的發(fā)射、運(yùn)行和觀測，從空間上提供了前所未有的高精度、高分辨率的全球重力場和大地水準(zhǔn)面模型。一些學(xué)者利用重力衛(wèi)星信號檢測出2004年蘇門答臘9.3矩震級、2010年智利8.8矩震級和2011年日本東北9.0矩震級地震產(chǎn)生的重力場變化。我國的重力衛(wèi)星計(jì)劃正在推進(jìn)中。

關(guān)于氣體異常研究，目前國內(nèi)外在該方面屬于起步階段，但仍有一批學(xué)者發(fā)現(xiàn)了可能與地震有關(guān)的氣體異常。比如，有研究發(fā)現(xiàn)由于2010年印度古吉拉特邦7.7面波震級地震前應(yīng)力增加導(dǎo)致一氧化碳?xì)怏w濃度增加，推斷一氧化碳可能是地震氣體前兆信息。我國學(xué)者姚清林發(fā)現(xiàn)2000年4月青藏高原一氧化碳呈大面積異常，且位置與衛(wèi)星熱紅外異常具有一致性，指出可能與當(dāng)年甘肅景泰5.9面波震級地震和緬甸北部6.9面波震級地震有關(guān)。

電磁異常是對地震反應(yīng)非常敏感的地球物理觀測數(shù)據(jù)，已經(jīng)被國內(nèi)外大量震例所證實(shí)。2004年6月，法國成功發(fā)射DEMETER衛(wèi)星，專門用于研究與地震、火山噴發(fā)等有關(guān)的電磁異常和電離層擾動以及與人類活動有關(guān)的全球電磁環(huán)境，為地震電離層提供了寶貴的數(shù)據(jù)資源。我國學(xué)者張學(xué)民等圍繞2010年海地7.0面波震級地震、2010年智利7.9面波震級地震、2005年印尼8.5面波震級地震、2008年我國汶川地震等，發(fā)現(xiàn)了震前1-7天內(nèi)電場與電子密度等多參量同步擾動現(xiàn)象。我國于2018年2月成功發(fā)射了“張衡一號”電磁地震衛(wèi)星，之后三年多來，中國電磁衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)全方位開展了電磁衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析及地震應(yīng)用研究。

震前熱異常現(xiàn)象受到人們重視

地震熱紅外或熱異常由上個世紀(jì)蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，我國科學(xué)家馬宗晉、徐秀登和強(qiáng)祖基等利用地溫、地?zé)釘?shù)據(jù)等發(fā)現(xiàn)了1960年到1990年多個地震發(fā)生的震前異常增溫現(xiàn)象。

隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)、空間觀測技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外專家利用包括國產(chǎn)風(fēng)云氣象系列衛(wèi)星等多個載荷的熱紅外觀測數(shù)據(jù)及其反演產(chǎn)品，發(fā)現(xiàn)了大量震前熱異?，F(xiàn)象，并總結(jié)出如下規(guī)律：

震前在震中附近紅外波段會出現(xiàn)孤立的高溫異常區(qū)，該區(qū)域隨著地震臨近可發(fā)生遷移、形狀及走向的變化;

異常區(qū)域溫度明顯比周圍高;

地震異常的面積越大、溫度越高，震級較大的概率也相應(yīng)增高;

一般在增溫異常達(dá)到最大幅度后，在幾天至60天內(nèi)發(fā)震。

而關(guān)于地震熱異常的機(jī)理，學(xué)者們開展了有益的探索。強(qiáng)祖基等提出了“氣熱說”，該理論認(rèn)為震前在震源區(qū)出現(xiàn)的孤立狀增溫異常是地球放氣(水蒸氣、甲烷、二氧化碳等)、電場突變以及太陽輻射下的共同作用結(jié)果。

徐秀登在此基礎(chǔ)上提出臨震大氣靜電異常對大氣的極化作用是在太陽輻射下產(chǎn)生大面積、大幅度增溫的重要因素，而震前逸出的溫室氣體所造成的局部“溫室效應(yīng)”對于熱異常的貢獻(xiàn)也占有相當(dāng)比重。

耿乃光、吳立新等學(xué)者在應(yīng)力加載紅外觀測實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，破裂型地震在破裂前會在破裂點(diǎn)產(chǎn)生低溫或高溫前兆，并在此實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了“應(yīng)力致熱說”，發(fā)展了遙感巖石力學(xué)。

美國學(xué)者弗羅因德提出的理論認(rèn)為，在地震發(fā)生前，地應(yīng)力不斷增大，導(dǎo)致巖石的過氧鍵斷裂，使得巖石中的電子電荷轉(zhuǎn)移形成正電子空穴，在地殼形成類似于電池的閉環(huán)電路，產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移即電流而造成局部的熱紅外輻射增強(qiáng)。

此外，還存在地下熱傳導(dǎo)說、斷層蠕動摩擦生熱說、地下熱流體上涌機(jī)理等。但是與大多數(shù)前兆研究一樣，地震熱異常的研究仍囿于經(jīng)驗(yàn)性歸納，沒有排除偶然性的震例研究，仍缺乏可靠的前兆機(jī)制和理論，迄今為止其存在性問題尚沒有得到很好解決。

長時序預(yù)測模擬打開新局面

前兆研究是一門涉及多領(lǐng)域知識的復(fù)雜學(xué)科，在缺乏有效觀測手段、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及理論指導(dǎo)的大背景下，我們無法對自然界中觀測到的“異常信號”進(jìn)行溯源，判斷其與地震的淵源，更難以利用演繹推理直接證明前兆與地震的關(guān)系，因此長時間統(tǒng)計(jì)研究是現(xiàn)階段更切實(shí)、有效的方案。

長時間統(tǒng)計(jì)研究，是指利用歷史觀測數(shù)據(jù)提取前兆信號，然后利用前兆信號對歷史地震進(jìn)行模擬預(yù)測，通過定量評估前兆整體的映震能力，探究目標(biāo)前兆與地震的關(guān)系。

進(jìn)行地震預(yù)測模擬研究時，需要遵循三個原則：準(zhǔn)確性，即對未來地震的震中位置、時間以及震級大小要有明確描述;客觀性，預(yù)測者可客觀公正、不加多余解釋地評價(jià)每一次地震預(yù)測的成功性;真實(shí)性，完全模擬真實(shí)地震預(yù)測，模擬預(yù)測時禁止使用晚于預(yù)測時刻的數(shù)據(jù)構(gòu)建地震預(yù)測模型。

基于上述三個原則，通常利用三個指標(biāo)來定量評估地震與前兆的關(guān)系，分別是事件漏報(bào)率、警報(bào)失敗率和總時空預(yù)警域。事件漏報(bào)率是指在地震預(yù)測中，沒有被成功預(yù)測的地震數(shù)量占總地震數(shù)量的比例。警報(bào)失敗率是沒有成功預(yù)測地震的警報(bào)占總警報(bào)數(shù)量的比例。每一次做預(yù)測時，預(yù)測者往往會給出地震可能發(fā)生的一個時空范圍，我們稱之為時空預(yù)警域，所有預(yù)測的時空預(yù)警域之和便是總時空預(yù)警域。

我們利用熱紅外遙感數(shù)據(jù)提取了中國大陸地區(qū)近6000個4.0級以上地震于震前30天內(nèi)造成的熱紅外信號異常，并從統(tǒng)計(jì)角度成功證明了熱異常與地震的時空相關(guān)性。

經(jīng)過對2007年1月至2017年12月中國大陸地區(qū)進(jìn)行的為期11年的地震預(yù)測研究發(fā)現(xiàn)，地震熱異常對4級以上地震的誤報(bào)率為21.4%、地震漏報(bào)率為32.9%、預(yù)警時空域占總時空域的43.2%，在模擬預(yù)測中可提前30天預(yù)測4.0級以上地震，實(shí)際預(yù)測效果仍需要通過業(yè)務(wù)化評估。

長時序模擬預(yù)測研究模式，打開了地震預(yù)測和前兆研究的新局面。作為第一代熱紅外前兆地震預(yù)測模型，雖證明了熱異常與地震的相關(guān)性，但該模型不足仍舊顯著，即時空預(yù)警域過大。將近40%的時空預(yù)警比例可以理解為整個中國10天中有4天都處于地震預(yù)警狀態(tài)，顯然該警報(bào)的時空預(yù)警精度亟待提高，地震預(yù)測預(yù)報(bào)離業(yè)務(wù)化還有較大的距離。

基于模擬預(yù)測的前兆研究才剛剛起步，在未來隨著觀測手段和數(shù)據(jù)源的增加，以及地球物理學(xué)、地震學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，該領(lǐng)域是充滿希望的。目前，研究者已經(jīng)開始著手將統(tǒng)計(jì)地震學(xué)和前兆研究相結(jié)合，在不久的將來，新模型有望進(jìn)一步提高地震預(yù)測的時空精確度。此外，該研究模式也可有效遷移到其他前兆研究中，有著極大的科學(xué)技術(shù)價(jià)值和業(yè)務(wù)化前景。

正如地震學(xué)專家許紹燮院士在《地震應(yīng)可預(yù)測》專著中所說：“不可認(rèn)為地震根本不能預(yù)測。地震的發(fā)生有其特定的時空結(jié)構(gòu)”、“地震預(yù)測至今是個全球難題，但不等于‘地震根本不能預(yù)測’。”