引用本文
崔月菊, 杜建国, 李营, 刘雷, 周晓成, 陈扬, 陈志, 韩晓昆. .张渤地震带高光谱气体地球化学特征[J]. 地球科学进展, 2016, 31(1): 59-65.
Cui Yueju, Du Jianguo, Li Ying, Liu Lei, Zhou Xiaocheng, Chen Yang, Chen Zhi, Han Xiaokun. .Gas Geochemical Characteristics of the Zhang-Bo Seismic Zone Extracted from Hyper-spectral Data[J]. Advanced Earth Science, 2016, 31(1): 59-65.  
Permissions
Copyright©2016, 地球科学进展 编辑部
张渤地震带高光谱气体地球化学特征
崔月菊1, 杜建国1, 李营1, 刘雷1, 周晓成1, 陈扬2, 陈志1, 韩晓昆3
1.中国地震局地震预测重点实验室(中国地震局地震预测研究所),北京 100036
2.中国国土资源航空物探遥感中心,北京 100083
3.中国科学院地理科学与资源研究所 北京 100101
摘要

利用卫星高光谱数据分析了张家口--渤海(张渤)地震带CO和CH4总量的时,空变化特征及其影响因素.时间上,该地区CO总量存在明显的周期性季节变化,但是CH4总量的周期性季节变化不明显.空间上,研究区南部CO和CH4总量高于北部地区;由西向东气体总量增大,在平原和山区交界的地方变化明显.CO和CH4总量背景趋势时间上受气候和气象变化影响,空间上主要受控于区域地形地貌,地质背景,构造和地震活动及地壳厚度等.研究结果不仅为研究区地震地球化学测量提供了新的科学资料,而且对地震异常判识,断裂带分段活动性研究具有重要意义.

关键词: 卫星高光谱遥感; CO; CH4; 地震活动性; 地球化学
中图分类号:P59 文献标志码:A 文章编号:1001-8166(2016)01-0059-07
Gas Geochemical Characteristics of the Zhang-Bo Seismic Zone Extracted from Hyper-spectral Data
Cui Yueju1, Du Jianguo1, Li Ying1, Liu Lei1, Zhou Xiaocheng1, Chen Yang2, Chen Zhi1, Han Xiaokun3
1. CEA Key Laboratory of Earthquake Prediction (Institute of Earthquake Science), China Earthquake Administration, Beijing 100036, China
2. China Aero Geophysical Survey & Remote Sensing Center for Land and Resources, Beijing 100083, China
3. Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS, Beijing 100101, China

First author: Cui Yueju(1985-), female, Luquan City, Hebei Province, Research Assistant. Research area include applied geochemistry. E-mail: cehuicuiyueju@126.com

Fund:Project supported by the National Natural Science Foundation of China "Contribution of C-bearing gas emission from solid Earth before and after the great Wenchuan earthquake in Western Sichuan to the atmosphere"(No.41403099); The Basic Research Project of Institute of Earthquake Science, CEA "Characteristics of hyper-spectrum gas geochemistry along the Longmenshan Fault"(No.2015IES0402)
Abstract

The affecting factors on gas geochemical characteristics extracted from hyper-spectral data in the Zhangjiakou-Bohai seismic zone were discussed. Temporal and spatial variations of total column CO and CH4 were analyzed based on the satellite hyper-spectral data. Temporally, the total column CO in the study area showed obviously seasonal variation, while CH4 didn't. Spatially, values of total column CO and CH4 in the southern part of the study area were higher than thoes in the northern part. Both total column CO and CH4 increased from western to eastern, and showed the largest changing rate over the piedmont fault zone at the junction of plain and mountains. The temporal variations of total CO and CH4 backgrounds could be attributed to the effects of climate and weather. The spatial variations of total CO and CH4 backgrounds may be controlled by the regional topography, geology, seismic activities, crustal thickness and so on. The results not only provide new scientific data for monitoring earthquake, but also have an important significance to the study of earthquake anomaly identification and segmentation seismic activity of fault zone.

Keyword: Satellite hyper-spectral remote sensing; CO; CH4; Seismic activity; Geochemistry.
1 引言

张家口--渤海(张渤)地震带地震活动较活跃[1], 是首都圈内重要的地震监测区.目前首都圈地区断层活动持续10年处于相对平静阶段, 未来几年可能会转入活跃阶段[2].因此, 在首都圈地区进行遥感地球化学与地震前兆研究有着非常重要的意义.

地震前兆研究主要包括前兆异常监测和判定, 异常判定的基础就是建立背景场.在地震孕育过程中, 岩石受到地应力作用, 大量的地球内部气体(Rn, Hg, He, CO2, CH4, H2等)在压力驱动下沿着断裂及薄弱地带逸散到大气中[3~7].这些地下气体组分变化是重要的地震前兆参数, 能够有效地反映地壳应力, 应变变化[3, 8~10].近年来由于地下水位下降, 限制了水化学地震监测, 气体地球化学地震监测的优势越来越明显[5].

卫星高光谱气体地球化学监测具有观测周期短, 观测范围大, 观测成本低的优点.随着高光谱遥感技术和气体反演技术的发展, 国内外学者将痕量气体探测技术应用到地震监测领域, 即利用卫星高光谱遥感数据监测地震前后震中区附近各种气体地球化学异常, 通过分析其与地震发生的关系, 以期应用于地震监测与预测[6, 7, 11~13].大量的震例研究表明可以利用现有的卫星高光谱数据监测到地震前后大气中的CO, O3, CH4和水汽等气体浓度异常变化[11].本文利用卫星高光谱数据分析了张渤地震带CO和CH4浓度的时, 空分布特征及其影响因素, 结果不仅提供了张渤地震带的CO和CH4背景特征, 还为该地区的地震异常判识和地震分段活动性研究提供了参考.

2 数据和方法
2.1 数据

本文所用数据是美国宇航局NASA提供的大气红外探测仪(the Atmospheric InfraRed Sounder, AIRS)的三级标准产品数据, 可在Goddard地球科学数据和信息服务中心(DISC)获取(http://disc.sci.gsfc.nasa.gov/AIRS/data-holdings).AIRS是美国发射的一颗搭载在太阳同步极轨卫星AQUA/EOS上的高光谱分辨率大气探测仪器.该传感器① 光谱覆盖范围广3.7~15.4 mm, 光谱分辨率高Δ λ /λ = 1/1200, 可反演CO, CH4等多种气体成分, 其反演的CO和CH4的数据精度分别为15%和1%[14]; ② 时间分辨率高, 全球80%的地区可以实现一天两次覆盖, 有利于地震连续监测; ③ 从2002年9月开始向地面提供观测数据, 便于建立背景场和对历史地震进行研究; ④ 选择AIRS标准产品数据中的降轨数据(晚上数据), 可以降低白天太阳辐射, 人为活动, 温度等影响[15~17].

2.2 方法

本文选择的研究地理区域是张渤地震带区域(112° ~120° E, 39° ~41° N), 其地震构造背景概况如图1所示.沿张渤地震带自西向东按经纬度分为16个区域; 因为AIRS空间分辨率为1° × 1° , 所以16个区域即为16个像元(图1).分别提取2011--2014年这些像元CO和CH4总量月变化数据, 参考背景值(背景值是对应经纬度2003--2012年10年数据的算术平均值), 分析不同经纬度的CO和CH4时, 空变化趋势, 具体包括:① 时间上, 各个像元CO和CH4总量随月份(2014年各月)和年度(2011--2014年)变化; ② 空间上, CO和CH4总量随经, 纬度变化.

图1 张渤地震带地震构造略图(地震目录参考中国地震信息网)Fig.1 Seismic-tectonic sketch map of the Zhangjiakou-Bohai seismic zone(the earthquake data from China Seismic Information)

3 结果

时间上, 2014年各个像元CO和CH4总量随月份变化趋势一致(图2).CO总量整体上呈周期性变化, 循环周期约为12个月, 高值在4月份, 低值在10月份(图2a, c; 图3); CH4总量除了5月份稍偏低一些外, 没有明显的季节变化(图2b, d).2012年CO总量与背景值持平, 比对应的2011年, 2013年, 2014年约高5× 1016molecules/cm2(图4a, c), 即高出约1 倍的标准偏差(2003--2012年10年全球CO平均标准偏差为6× 1016molecules/cm2)[6].2011--2014年CH4总量均高于背景值, 且2014年CH4总量较前3年有些许升高(图4b, d).

图2 2014年各个像元CO和CH4总量随月份变化图Fig.2 Variations of total column CO and CH4 over every pixel with months in 2014

图3 2011--2014年CO总量月平均值变化图Fig. 3 Variations of monthly average values of the total column CO from 2011 to 2014

图4 2011--2014年CO和CH4总量随经度的变化图
(a)和(b)是40° ~41° N; (c)和(d)是39° ~40° NFig.4 Variations of total column CO and CH4 over the pixels on different longitude from 2011 to 2014
(a)and (b)on 40° ~41° N; (c)and(d)on 39° ~40° N)

空间上, CO和CH4总量经度上由西向东逐渐增大, 在115° ~117° E段变化率最大(图2和图4).南部像元(39° ~40° N) 在115° ~117° E段的变化率一致(图2c, d), 而北部像元(40° ~41° N) 在116° ~117° E段的变化率大于115° ~116° E段(图2a, b).纬度上, 各年CO和CH4总量随经度变化趋势一致(图4), 且南部像元的CO和CH4总量(图2c, d; 图4c, d)高于北部像元(图2a, b; 图4a, b).

4 讨论
4.1 时间变化

CO和CH4受气候变化影响明显.2011--2014年CO总量季节变化特征明显, 春季高, 夏秋季低, 而年际变化除2012年稍高外并不明显(图3), 说明CO受季节性气候影响明显.CO是大气中的微量成分, 本底含量低约0.04× 10-6~0.20× 10-6 [18], CO的汇主要是被OH自由基氧化成CO2[19, 20], 在大气中保留时间短约1个月[21], 在大气中积累的可能性不大, 因此CO环境本底浓度的时空分布很不均匀, 随纬度, 季节有明显的变化.1991--1997年青海瓦里关大气本底监测站CO月平均浓度观测结果表明CO具有明显的季节变化, 春季最高, 夏秋季最低, 没有明显的年际变化[22].张渤地震带各个像元CO总量随月份变化特征与其季节变化特征一致.夏季温度高, 湿度大(OH自由基浓度高), 辐射强, 促进了CO光化学反应, 消耗一定量的CO, 秋季大气传输过程加快, 促进了CO的扩散, 造成夏秋季CO总量较冬春季低.春季辐射强度和光化学反应弱, 大气稳定, CO扩散能力弱, 使得CO总量高.

CH4有多种来源, 一般主要来自地面的生物活动及人类活动有关的农牧业和矿业产生的甲烷和地壳中逸出的甲烷.夏季由于温度较高, 生物释放甲烷多, 而首都圈地区人口密集, 农牧业发达, 有着较强的生物源[23], 因此夏季CH4源较大, 开始升高.但是, 大气中CH4没有明显的季节变化和年变, 说明该地区近年来的农牧业变化不大.2011--2014年CH4总量稍高于背景值, 可能与近年来全球温室效应有关.

8月CO总量出现极大值是受气象条件的影响, 与该地区8月降雨量大有关.降雨形成大量的OH自由基, 当OH浓度大于2.3× 106molecules/cm3时, CH4被OH氧化反应生成CH3, CH3经过一系列转化形成CO, 总反应式为:CH4+4O2→ CO+H2+H2O+2O3[21], 使得CO总量有回升.2010年铜陵市CO浓度在6月又升高也认为与铜陵市梅雨季节的气象条件有关[24].

4.2 空间变化

影响CO和CH4总量空间变化特征的因素主要有地形地貌, 地质背景, 构造和地震活动及地壳厚度等.

首先, 张渤地震带CO和CH4总量自西向东增大主要是受地形地貌和地质背景(主要是岩体类型和地质构造)的影响.张渤地震带东南部是华北平原地区, 较西北部山区温度高, 湿度大, 植被覆盖率高, 土壤中腐殖质多, 是产生和释放CO和CH4的良好条件.此外, 该地区属于渤海湾含油气盆地, 盆地里的生油岩系可产生大量CO和CH4[25], 而西北部山区地质环境复杂, 除少部分第四系沉积物外, 出露大量古生界, 中生界变质岩, 砂岩等, 穿插有燕山期岩浆岩, 缺乏生油岩系.所以, 张渤地震带CO和CH4含量东部高于西部, 南部高于北部.CO和CH4总量变化量最大的地方在山区和平原的交界处, 也是大型山前断裂带的位置, 说明了CO和CH4总量变化受地形地貌和地质背景因素影响较大.

其次, 张渤地震带CO和CH4总量自西向东增大与构造和地震活动有关.在构造活动地区, 构造活动在地下产生裂隙, CH4的释放量将会增大.CH4的释放量反映了构造的活动强度[26].同时CH4是还原态物质, 易氧化成CO, 因此CO 的释放量也能反应构造活动强度.CO和CH4总量沿着山西断裂带北段, 张渤地震带自西向东逐渐增大, 与空间上山西地震带北段到张渤地震带西段, 东段地震活动性逐渐增强一致(图1).对山西地震带北段和张渤地震带主要断裂上土壤气浓度和通量测量结果表明, 每个剖面的土壤气H2, CO2, Rn和Hg浓度平均值, 最大值从西向东有增大的趋势(* 首都圈重点危险区土壤气体地球化学流动监测结题报告, 2014).

此外, 张渤地震带CO和CH4总量自西向东增大还与地壳厚度有一定的关系.利用流动宽频地震台站和数字台网固定台站的远震数据测定了首都圈地区的地壳厚度, 结果表明首都圈地区地壳由西北往东南方向逐渐变薄, 西北侧的张家口--怀来地区地壳厚度较大, 而唐山以东地区地壳较薄, 最大变化达15 km[27, 28].这导致首都圈西部地下气体通过较厚的覆盖层向上运移, 受到的吸附, 溶解作用大, 进而导致释放到大气中的气体含量降低.

5 结语

利用2011--2014年卫星高光谱数据分析了张渤地震带CO和CH4总量的时, 空变化特征.时间上, 该地区CO存在周期性变化, 反映了季节性气候变化.空间上, 该地区南部CO和CH4总量高于北部地区, 由西向东气体总量增大, 主要受控于区域地质背景, 地壳厚度和局部地震活动强度; CO和CH4总量在平原和山区交界的地方变化明显, 反映了大型山前断裂带与山区到平原的变化.

利用卫星遥感数据充分发挥了遥感观测周期短, 范围大, 成本低的优点, 获得了大范围连续的CO和CH4变化特征, 可用于该地区的地震地球化学监测和地震异常判识, 也为环境地球化学研究提供了新的科学资料.

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
[1] Ma Wentao, Xu Xiwei, Yu Guihua, et al. The relationship between seismic activity and fault activity in Beijing region[J]. Seismology and Geology, 2004, 26(2): 293-304.
[马文涛, 徐锡伟, 于贵华, 等. 首都圈地区的地震活动性与断裂的关系[J]. 地震地质, 2004, 26(2): 293-304. ] [本文引用:1]
[2] Li Layue, Xing Chengqi, Wu Anxu, et al. Fault activities based on fault fault-crossing observation in the capital circle region of China and its relationship with earthquakes[J]. Earthquake Research in China, 2012, 28(2): 167-178.
[李腊月, 邢成起, 武安绪, 等. 首都圈断层活动及其与地震关系探讨[J]. 中国地震, 2012, 28(2): 167-178. ] [本文引用:1]
[3] Zhang Wei, Wang Jiyi, E Xiuman. Hydrochemical Principles and Methods of Earthquake Prediction[M]. Beijing: Seismological Press, 1988.
[张炜, 王吉易, 鄂秀满. 水文地球化学预报地震的原理与方法[M]. 北京: 地震出版社, 1988. ] [本文引用:2]
[4] Du J, Si X, Chen Y, et al. Geochemical anomalies connected with great earthquakes in China[G]∥Stefánssonó, ed. Geochemistry Research Advances. New York: Nova Science Publishers, Inc. , 2008: 57-92. [本文引用:1]
[5] Zhou Xiaocheng, Du Jianguo, Chen Zhi, et al. Advance review of seismic geochemistry[J]. Bulletin of Mineralogy, Petrology and Geochemistry, 2012, 31(4): 340-346.
[周晓成, 杜建国, 陈志, 等. 地震地球化学研究进展[J]. 矿物岩石地球化学通报, 2012, 31(4): 340-346. ] [本文引用:1]
[6] Cui Y J, Du J G, Zhang D H, et al. Anomalies of total column CO and O3 associated with great earthquakes in recent years[J]. Natural Hazards and Earth System Sciences, 2013, 13(10): 2 513-2 519. [本文引用:2]
[7] Cui Yueju, Li Jing, Wang Yanyan, et al. Application of gas remote sensing technique in earthquake monitoring[J]. Advances in Earth Science, 2015, 30(2): 284-294.
[崔月菊, 李静, 王燕艳, 等. 遥感气体探测技术在地震监测中的应用[J]. 地球科学进展, 2015, 30(2): 284-294. ] [本文引用:2]
[8] Wang Chengmin. Well-Network for Earthquake Prediction in China[M]. Beijing: Seismological Press, 1990.
[汪成民. 中国地震地下水动态观测网[M]. 北京: 地震出版社, 1990. ] [本文引用:1]
[9] Che Yongtai, Liu Chenglong, Yu Jinzi, et al. Underground fluid anomaly and macro anomaly of Ms 8. 0 Wenchuan Earthquake and opinions about earthquake prediction[J]. Seismology and Geology, 2008, 30(4): 828-838.
[车用太, 刘成龙, 鱼金子, 等. 汶川Ms 8. 0地震的地下流体与宏观异常及地震预测问题的思考[J]. 地震地质, 2008, 30(4): 828-838. ] [本文引用:1]
[10] Liu Yaowei, Ren Hongwei. Preliminary analysis of the characteristics of post-seismic effect of radon after the Wenchuan 8. 0 earthquake[J]. Earthquake, 2009, 29(1): 121-131.
[刘耀炜, 任宏微. 汶川8. 0级地震氡观测值震后效应特征初步分析[J]. 地震, 2009, 29(1): 121-131. ] [本文引用:1]
[11] Tronin A A. Remote sensing and earthquakes: A review[J]. Physics and Chemistry of the Earth, 2006, 31(4/9): 138-142. [本文引用:2]
[12] Singh R P, Kumar S J, Zlotnicki J, et al. Satellite detection of carbon monoxide emission prior to the Gujarat earthquake of 26 January 2001[J]. Applied Geochemistry, 2010, 25(4): 580-585. [本文引用:1]
[13] Cui Yueju, Du Jianguo, Zhou Xiaocheng, et al. Geochemical anomaly of CO remote sensing associated with Baja California Mw 7. 2 earthquake in Mexico[J]. Bulletin of Mineralogy, Petrology and Geochemistry, 2011, 30(4): 458-464.
[崔月菊, 杜建国, 周晓成, 等. 墨西哥下加利福尼亚Mw 7. 2地震前后CO遥感地球化学异常[J]. 矿物岩石地球化学通报, 2011, 30(4): 458-464. ] [本文引用:1]
[14] Barnet C D, Goldberg M, McMillin L, et al. Remote sounding of trace gases with the EOS/AIRS instrument[C]∥Huang H L A, Bloom H J, eds. Atmospheric and Environmental Remote Sensing Data Processing and Utilization: An End-to-End System Perspective. Bellingham, WA: Proceeding of SPIE, 2004, 5548: 300-312. [本文引用:1]
[15] Aumann H H, Chahine M T, Gautier C, et al. AIRS/AMSU/HSB on the Aqua mission: Design, science objectives, data products and processing system[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2003, 41(2): 253-264. [本文引用:1]
[16] Pagano T S, Aumann H H, Hagan D E, et al. Prelaunch and in-flight radiometric calibration of the Atmospheric Infrared Sounder (AIRS)[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2003, 41(2): 265-273. [本文引用:1]
[17] Susskind J, Barnet C D, Blaisdell J M. Retrieval of atmospheric and surface parameters from AIRS/AMSU/HSB data in the presence of clouds[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2003, 41(2): 390-409. [本文引用:1]
[18] Qin Yu, Zhao Chunsheng. Principle of Atmospheric Chemistry[M]. Beijing: China Meteorological Press, 2003: 168-170.
[秦瑜, 赵春生. 大气化学基础[M]. 北京: 气象出版社, 2003: 168-170. ] [本文引用:1]
[19] Houghton J T, Ding Y, Griggs D J, et al. Climate Change 2001: The Scientific Basis. Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC) Working Group I Third Assessment Report[R]. New York: Cambridge University Press, 2001. [本文引用:1]
[20] Lin Y, Zhao C, Peng L, et al. A new method to calculate monthly CO emissions using MOPITT satellite data[J]. Chinese Science Bulletin, 2007, 52(18): 2 551-2 558. [本文引用:1]
[21] Weinstock B, Niki H. Carbon monoxide balance in nature[J]. Science, 1972, 176(32): 290-292. [本文引用:2]
[22] Zhou Lingxi, Tang Jie, Ernst M, et al. Continuous measurement of baseline atmospheric carbon monoxide in western China[J]. Environmental Science, 2001, 22(3): 1-5.
[周凌晞, 汤洁, Ernst M, 等. 中国西部本底大气中CO的连续测量[J]. 环境科学, 2001, 22(3): 1-5. ] [本文引用:1]
[23] Klussman R W. Soil Gas and Related Methods for Natural Resource Exploration[M]. New York: John Wiley, 1993. [本文引用:1]
[24] Wang Yongxian. Carbon monoxide pollution in Tongling City in 2010[J]. Technology Information, 2011, (24): 371.
[王永贤. 2010年铜陵市一氧化碳污染状况[J]. 科技信息, 2011, (24): 371. ] [本文引用:1]
[25] Li Desheng. Geological and technical features of Bo-Hai oil and gas-bearing basin[J]. Acta Petrolei Sinica, 1980, 1(1): 6-18.
[李德生. 渤海湾含油气盆地的地质和构造特征[J]. 石油学报, 1980, 1(1): 6-18. ] [本文引用:1]
[26] Toutain J P, Baubron J C. Gas geochemistry and seismtectonics: A review[J]. Tectonophysics, 1999, 304(1): 12 227. [本文引用:1]
[27] Luo Yan, Chong Jiajun, Ni Sidao, et al. Molo depth and sedimentary thickness in Capital region[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2008, 51(4): 1 135-1 145.
[罗艳, 崇加军, 倪四道, 等. 首都圈莫霍面起伏及沉积厚度[J]. 地球物理学报, 2008, 51(4): 1 135-1 145. ] [本文引用:1]
[28] Wang Jun, Liu Qiyuan, Chen Jiuhui, et al. The crustal thickness and Poisson's ratio beneath the Capital Circle region[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2009, 52(1): 57-66.
[王竣, 刘启元, 陈九辉, 等. 首都圈地区的地壳厚度及泊松比[J]. 地球物理学报, 2009, 52(1): 57-66. ] [本文引用:1]