高光谱遥感气体地球化学异常形原理综述
第一章 前言
1.1 论文的选题、目的和意义
地下流体观测在中、长期地震预报中有着重要作用（Du et al., 2008）。近半个世纪的地下流体研究实践表明，地震孕育与发生离不开流体的作用，而且还伴有地下流体异常变化（刘耀伟等, 2006）。随着对地观测技术的发展，卫星遥感以其获取信息范围大、数据更新快、可以实现时空动态监测的优势被应用到地震观测当中。近些年高光谱分辨率遥感技术在探测气体种类、探测精度上都有了很大进步，利用遥感技术在多个地震前后观测到了与地震关于的气体地球化学异常信息。地震是地球系统复杂变化过程中的一种突变现象。由于地震形成机制的复杂性以及传感器分辨率、精度的限制以及环境因素的干扰，对地震前出现的气体组份异常仍难以判断其为地震异常或非震异常，地震遥感气体地球化学异常信息的成因机理尚处于探讨阶段。
因此，本文的目的在于应用高光谱遥感数据提取气体地球化学异常信息，研究地震前后气体地球化学异常的综合特征，并结合地面气体测量数据，探索地震异常信息的成因机制，以利拓宽地震观测技术，促进地震监测能力和预报水平的提高。
1.2 地震流体地球化学研究进展
地球是一个巨大的开放系统，地球内部存在大量流体，不断进行着排气作用。地球排气在空间和时间上是不均一的，与应力状况和地壳破裂关于。地壳的薄弱部位，如洋脊、火山口、活断层、断裂带、温泉出露点及地震震中区等是地下气体的集中逸出带。在时间上，地球排气主要集中在火山活动、构造活动、地震活动强烈时期。地球内部释放的气体主要有CO、CO2、CH4、H2S、H2、N2、O2、He、Ar 等（ing, 1986; 汪成民和李宣瑚, 1991; 杜乐天, 1993; Du et al., 2008）。气体比液体速度快、穿透能力强，因此对地震前兆反应更为明显（汪成民和李宣瑚, 1991; 王基华, 1994）。1990年海坨山4.8 级地震、古冶5.8级地震前，夏垫断裂断层气H2、CO2均出现了明显异常（高清武和范树全, 1992）；乌鲁木齐 10号泉对1982~1999年距泉 300 m 范围内5级以上的 13次地震，其中在 9次地震前CH4 出现了前兆异常（高小其等, 1992）。2021 年 6 月 30 日新源-和静 Ms 6.6 地震前后北天山泥火山出现了同震喷发，气体排放量增加，震前还出现了3He/4He高值异常（杜建国等, 2021）。对意大利南部火山区土壤气 CO2进行研究，发现CO2 脱气与区域应力场关于（Aiuppa et al., 2004）。对呼和浩特地区隐伏断层 8个地球化学剖面土壤气中的 Rn、Hg 浓度进行测量，在其中 7个在断层带上发现了异常，并据此确定了隐伏断层的具体位置（周晓成等, 2007）；在汶川地震陡坎附近土壤气中发现了 He、H2、CO2、Rn浓度和 N2/O2值出现明显高值异常，土壤气中He和H2的最大浓度都出现在靠近震中的地段（Zhou et al., 2021）。李营等（2009）对延怀盆地土壤气 Rn、Hg、He 和CO2气体组分的区域地球化学特征及控制因素进行了研究，探讨了地球化学背景场与区域地震地质的关系；在唐山地区 Hg、Rn、H2、He和CO2土壤气测量中发现来源于深部的 H2和He在空间上沿着断裂分布，Rn和其载气CO2呈高度相关关系（Li et al., 2021）。土壤中气体地球化学组份的逸出量与地震烈度在一定范围内成正比（朱宏任等, 1991）。通过观测资料和场地研究发现，地震震级越大，土壤气地震前兆异常幅度越大，离震中距离越近异常数目也越多（Ghosh et al., 2009）。
随着高光谱遥感技术的发展，应用高光谱遥感技术发现在一些地震前后出现了一系列气体地球化学异常，为地震流体地球化学提供了新的研究手段。
第二章 数据和方法
2.1 数据
2.1.1 AIRS 高光谱遥感数据
大气红外探测仪（Atmospheric Infrared Sounder，AIRS）是搭载于 2002 年5月4日发射的 EOS（地球观测系统）Aqua卫星平台上的高光谱分辨率传感器。AIRS 探测系统是多个传感器的组合，包括 AIRS 传感器、先进的微波探测器（Advanced Microwave Sounding，AMSU）以及微波水汽探测器（Microwave Humidity Sounder，HSB）。
AIRS 传感器采用光栅分光，拥有 2378 个连续的红外光谱通道（3.7~15.4μm）以及4个可见光/近红外通道（0.4~1.0μm），光谱分辨率 Δλ/λ=1/1200，扫描带宽1650 m，红外波段天底点空间分辨率 13.5 m，总视场角（FOV）±49.5°，轨道重复周期16天（Won, 2008）。AIRS二级标准产品数据空间分辨率45 m×45 m，三级标准产品数据空间分辨率 1°×1°。AIRS 传感器在红外区域包含了 CO2、H2O、O3、CH4、N2O 和 CO 吸收带。CO2 强吸收带主要用来探测大气温度，水汽吸收带应用于探测大气湿度和云的特性；O3、CH4、N2O、CO等吸收带可以探测相应的臭氧和其他微量气体（图2-1, Chahine et al., 2006; 刘辉等, 2006）。
AIRS 为连续扫描方式，完成一次扫描需要 2.667s，每 6min 的观测范围为一景（granule），每景包含 135条扫描线，一条扫描线包含 90个观测视场（footprint），每天产生240景数据文件（Li, 2008）。AIRS 原始数据从GSFC DAAC （分布式数据档案中心）获取，使用SPS（科学处理软件）进行处理。SPS 是一组程序或PGE（产品生成器）的集合（刘辉等, 2006）。从可见光通道、红外通道和微波通道的0级原始辐射率数据出发，经 PGE流程中互相独立的辐射定标、地理定标、云检测、网格化处理、产品集合成等过程，每日最终生成四个级别的产品：L1A级数据产品、L1B 级数据产品、二级数据产品和三级数据产品。
2.2 异常信息提取与验证方法
2.2.1 AIRS 高光谱遥感卫星数据异常信息提取与验证方法
2.2.1.1 AIRS 高光谱遥感卫星数据与地面数据验证方法
从AIRS Level-3标准产品数据中分别提取观测站附近四个像元CO月平均总量和O3月平均总量，并求取这四个象元的算术平均值作为 CO和O3相应的卫星观测数值，分析其与 GAW 具有 CO 和 O3观测数据台站（共 36 个，图 2-6）的观测数据的相关性。此外，根据遥感温度异常与地震时空的关系以及地面流体研究结果（Qiang et al., 1997; Tronin, 2000; Du et al., 2008），选取地震前后一年作为研究的时间窗，以台站为中心500 m×500 m 范围作为研究的空间窗。同样地，从AIRS Level-3产品数据中提取观测站附近四个像元 CO月平均总量和 O3月平均总量并取其算术平均值作为卫星观测数值，研究其与地面观测数据在地震发生前后的相关性。验证方法示意见图2-9。
剖面CO浓度与 AIRS Level-2卫星数据的验证方法为：分别取每个剖面每个测点空气和土壤中CO浓度值的平均值作为该剖面处空气和土壤中的CO浓度观测值。当剖面位于一个象元中时，从 AIRS Level-2 产品数据中提取剖面所在象元的CO总量作为卫星观测值（图2-10，A）与地面观测值进行对比验证；当两个剖面距离较近位于同一象元中时，取两个剖面每个测点CO浓度的平均值作为该剖面所在处的CO 观测值，与从卫星数据提取的该象元的CO观测值进行对比验证（图2-10，B）；当剖面位于两个或多个象元时，取这两个或多个象元的CO平均值作为卫星观测值（图2-10，C），对取得的 CO地面观测值进行对比验证。
第三章 遥感气体地球化学异常及其与地面观测结果的验证 ................. 25
3.1 GAW 台站观测数据与 AIRS 观测数据验证结果 .............. 25
3.1.1 苏门答腊 2004~2005 年两次 M＞8.0 地震前后高光谱遥感气体地球化学异常及其与地面观测结果的验证 ...... 31
第四章 地震遥感气体地球化学异常形成机理 ................. 45
4.1 应力作用下地球脱气 ............... 45
4.2 大气化学反应 ..................... 47
第五章 结语 ..................... 49
5.1 结论 .................. 49
5.2 存在问题和展望..................... 49
第四章 地震遥感气体地球化学异常形成机理
从卫星遥感数据获取的气体地球化学遥感信息主要包括三部分：大气中气体的背景含量、地下气体的逸出量及其与大气中其他气体发生化学反应生的生成量。地震遥感气体地球化学异常其形成机制主要为应力作用下地下气体的逸出及其在大气中的化学反应。
4.1 应力作用下地球脱气
地球是多个圈层相互作用的复杂整体。卫星遥感和地面观测到的地震前后气体异常主要归因于孕震和发震过程中地下气体逸出量的增加。孕震过程中，地下流体具有重要的作用（杜建国和康春丽, 2000）。孕震过程中，在地应力作用下不仅使岩石产生了新的裂隙通道而且增大了地球内部气体的压力，从而导致地球深部大量气体（Rn、CO、CH4、CO2、H2、NOx 等）沿着断裂向地壳运移，尤其是沿着构造断层向上运移，在震中及其附近地区出现了气体异常（ing, 1986; Toutain and Baubron, 1999）。
苏门答腊两次大地震中气体异常高值均出现在震中及其附近。地质构造上，两次大地震所在区域位于东南亚太平洋板块和印度-澳大利亚板块之间，由许多小板块组成，板块边界为碰撞和俯冲带。苏门答腊陆缘位于东南亚的西缘，受地质作用该区存在多条断裂，多火山活动和地震。2000 年 6 月 6 日甘肃景泰Ms5.9 地震、2000 年 6 月 8 日缅甸北部 Ms6.9 地震、2021 年玉树地震、2001 年1 月 26 日印度古吉拉特（Gujarat）地震等都出现了与地震关于的 CO 异常。在异常时段，CO总量显示高低波动，在发震时刻 CO总量明显降低。这种现象可能是孕震过程中地应力作用下使地壳中地下气体逸散增量由大变小形成的。苏门答腊两次大地震前后卫星观测获得的 CO 总量和 CO 体积分数与地面测得的CO 浓度呈强正相关，这表明 CO 浓度异常可能主要源于孕震过程中地下逸出的气体。AIRS 卫星数据发现的苏门答腊两次大地震前 CO总量的标准偏差增大主要是因为AIRS降轨数据得到的CO总量标准偏差是8-天多个像元算术平均值。标准偏差变化增大说明，CO数据离散性增大，即 CO气体排放的时空不均一性增大。苏门答腊两次大地震震中及附近区域 CO总量标准偏差以及HPB 观测站CO 体积分数的标准偏差均出现了增大，这表明震中及附近区域气体排放具有时空不均一性。BT 观测站地面观测数据2004 年2 ~ 3 月以及2005 年10 ~ 12月CO和 O3浓度的标准偏差增大可能与该地区发生的其他地震关于。
第五章 结语
5.1 结论
本文主要应用AIRS 高光谱遥感数据对大地震震中及其附近气体地球化学异常信息进行了提取，研究了震前气体地球化学异常的综合特征；并结合地面气体观测数据以及断层剖面气体浓度测量数据，对地震异常信息的成因机制进行了研究。研究结果表明：
（1）高光谱遥感气体地球化学异常在震前几个月在震中及其附近出现并持续到震后消失；
（2）地面及卫星数据均发现了地震关于的气体地球化学异常且两种数据的相关性较高，表明高光谱遥感提取的气体地球化学异常信息是真实可信的，地面和卫星观测到的气体异常具有同源性；
（3）孕震过程中地应力作用下断裂带脱气以及逸出的气体在大气中的化学反应是卫星观测到的地震前后气体异常的形成机制；
（4）研究结果表明，在地震发生后由于受气象等客观因素的影响，尤其当震中区上方有云时，在提取地震关于的气体地球化学信息时，为了避开云层干扰，可适当偏移地理坐标进行地震关于的气体地球化学异常信息提取，从而更好地应用卫星遥感技术全天时观测的优势，更好地发挥卫星遥感技术在防震减灾中的作用。
5.2 存在问题和展望
（1）地震异常信息提取的方法目前采用的是差值方法。单一的数据处理方法对不同的震例处理效果可能存在差别。因此，今后要针对不同地貌、地形、气候条件等挖掘相应的信息提取方法。
（2）地震前后出现的气体地球化学异常信息是岩石圈大气圈电离层耦合作用的结果。在今后可结合红外遥感数据、电磁数据等进行多种参数的研究，从而对地震关于的气体地球化学异常信息形成机制进行深入的研究。
参考文献（略）