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(cè)手段從空間探索地震預(yù)測(cè)新途徑，對(duì)很多讀者來說都是個(gè)新鮮事兒。我們約請(qǐng)論文第一作者張穎博士和通訊作者孟慶巖研究員對(duì)此做詳細(xì)介紹。

空間觀測(cè)帶來地震預(yù)測(cè)技術(shù)革命

地震預(yù)測(cè)是公認(rèn)的世界性科學(xué)難題，科學(xué)家從未停止對(duì)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(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)，對(duì)于科學(xué)進(jìn)步和社會(huì)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(cè)也迎來新一輪的技術(shù)革命。衛(wèi)星遙感技術(shù)可瞬時(shí)獲得大面積的地球物理、化學(xué)參量場，為人類監(jiān)測(cè)、認(rèn)知地震提供了新視角。

從非專業(yè)的角度打個(gè)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(shì)能的過程)，直到石頭之間發(fā)生錯(cuò)動(dòng)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(huì)對(duì)地球的化學(xué)、物理場產(chǎn)生擾動(dòng)，從而產(chǎn)生異常信號(hào)，也就是我們常常提及的地震前兆。

利用不同的衛(wèi)星觀測(cè)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(duì)地觀測(cè)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(shí)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(dòng)信息的綜合反映?，F(xiàn)有研究成果表明，重力場動(dòng)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(duì)于6級(jí)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(cè)，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(hào)檢測(cè)出2004年蘇門答臘9.3矩震級(jí)、2010年智利8.8矩震級(jí)和2011年日本東北9.0矩震級(jí)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(jí)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(jí)地震和緬甸北部6.9面波震級(jí)地震有關(guān)。

電磁異常是對(duì)地震反應(yīng)非常敏感的地球物理觀測(cè)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(dòng)以及與人類活動(dòng)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(jí)地震、2010年智利7.9面波震級(jí)地震、2005年印尼8.5面波震級(jí)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(dòng)現(xiàn)象。我國于2018年2月成功發(fā)射了“張衡一號(hào)”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?，F(xiàn)象受到人們重視

地震熱紅外或熱異常由上個(gè)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(gè)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(cè)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(gè)載荷的熱紅外觀測(cè)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(huì)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(jí)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(duì)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(duì)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(cè)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，破裂型地震在破裂前會(huì)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(dòng)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(shí)序預(yù)測(cè)模擬打開新局面

前兆研究是一門涉及多領(lǐng)域知識(shí)的復(fù)雜學(xué)科，在缺乏有效觀測(cè)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(duì)自然界中觀測(cè)到的“異常信號(hào)”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(shí)間統(tǒng)計(jì)研究是現(xiàn)階段更切實(shí)、有效的方案。

長時(shí)間統(tǒng)計(jì)研究，是指利用歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)提取前兆信號(hào)，然后利用前兆信號(hào)對(duì)歷史地震進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，通過定量評(píng)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(cè)模擬研究時(shí)，需要遵循三個(gè)原則：準(zhǔn)確性，即對(duì)未來地震的震中位置、時(shí)間以及震級(jí)大小要有明確描述;客觀性，預(yù)測(cè)者可客觀公正、不加多余解釋地評(píng)價(jià)每一次地震預(yù)測(cè)的成功性;真實(shí)性，完全模擬真實(shí)地震預(yù)測(cè)，模擬預(yù)測(cè)時(shí)禁止使用晚于預(yù)測(cè)時(shí)刻的數(shù)據(jù)構(gòu)建地震預(yù)測(cè)模型。

基于上述三個(gè)原則，通常利用三個(gè)指標(biāo)來定量評(píng)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(shí)空預(yù)警域。事件漏報(bào)率是指在地震預(yù)測(cè)中，沒有被成功預(yù)測(cè)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(cè)地震的警報(bào)占總警報(bào)數(shù)量的比例。每一次做預(yù)測(cè)時(shí)，預(yù)測(cè)者往往會(huì)給出地震可能發(fā)生的一個(gè)時(shí)空范圍，我們稱之為時(shí)空預(yù)警域，所有預(yù)測(cè)的時(shí)空預(yù)警域之和便是總時(shí)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(gè)4.0級(jí)以上地震于震前30天內(nèi)造成的熱紅外信號(hào)異常，并從統(tǒng)計(jì)角度成功證明了熱異常與地震的時(shí)空相關(guān)性。

經(jīng)過對(duì)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(cè)研究發(fā)現(xiàn)，地震熱異常對(duì)4級(jí)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(shí)空域占總時(shí)空域的43.2%，在模擬預(yù)測(cè)中可提前30天預(yù)測(cè)4.0級(jí)以上地震，實(shí)際預(yù)測(cè)效果仍需要通過業(yè)務(wù)化評(píng)估。

長時(shí)序模擬預(yù)測(cè)研究模式，打開了地震預(yù)測(cè)和前兆研究的新局面。作為第一代熱紅外前兆地震預(yù)測(cè)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(shí)空預(yù)警域過大。將近40%的時(shí)空預(yù)警比例可以理解為整個(gè)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(shí)空預(yù)警精度亟待提高，地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)離業(yè)務(wù)化還有較大的距離。

基于模擬預(yù)測(cè)的前兆研究才剛剛起步，在未來隨著觀測(cè)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(cè)的時(shí)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(cè)》專著中所說：“不可認(rèn)為地震根本不能預(yù)測(cè)。地震的發(fā)生有其特定的時(shí)空結(jié)構(gòu)”、“地震預(yù)測(cè)至今是個(gè)全球難題，但不等于‘地震根本不能預(yù)測(cè)’。”