高光谱成像技术在地震有关气体监测的应用：以青藏高原东边界为例

摘要：断裂带、火山等地表薄弱地带会出现地下气体（Rn、Hg、CO2、CH4等）向上运移到地表和大气的现象。地壳内部运动很大程度上会加剧气体运移的速率，使得土壤和大气中气体组分和含量发生变化，产生地震前兆异常。搭载具有大气痕量气体探测功能高光谱传感器的卫星平台以其探测

本文利用近红外传感器数据分析研究了青藏高原东边界大气CO、CH4的时空变化特征及其对地震和构造的响应，简单评价了近红外传感器在地震监测领域的应用前景。

一、引言

断裂带、火山等地表薄弱地带会出现地下气体（Rn、Hg、CO2、CH4等）向上运移到地表和大气的现象。地壳内部运动很大程度上会加剧气体运移的速率，使得土壤和大气中气体组分和含量发生变化，产生地震前兆异常。搭载具有大气痕量气体探测功能高光谱传感器的卫星平台以其探测范围广、覆盖均匀、重复观测周期短、受地面条件限制较小等优势，可以弥补传统断层气监测受时空限制的不足，对地震监测预测具有重要促进作用。

同时，不同高度的气体变化研究表明近地表气体异常对地震异常判断贡献较大。因此，对近地表气体权重占比更大、空间分辨率较高的近红外传感器的研究对于地震异常判定有重要意义。本文利用近红外传感器数据分析研究了青藏高原东边界大气CO、CH4的时空变化特征及其对地震和构造的响应，简单评价了近红外传感器在地震监测领域的应用前景。

二、地震地质概况

青藏高原东边界发育多种类型断裂带，中强地震频发且震源深度浅，是构造和地震活动监测的重点关注区域。在该区域内选择青藏高原东北缘（图1）（a区）和川滇地区（b区）两个典型区域进行近红外高光谱遥感技术应用研究。青藏高原东北缘地处青藏高原和鄂尔多斯地块的交界位置，是高原和平原的过渡地带，历史上发生多次强震，如1920年海原M8.5地震就发生在该区域。川滇地区位于青藏高原东南缘，区域内有鲜水河、安宁河、龙门山、红河、小江等断裂带。2008年以来该区域先后发生了四川汶川8.0级地震、芦山7.0级地震、九寨沟7.0级地震。在图1中的a区和b区根据构造背景和区域的应力状态分别划分为海原断裂带（Ⅰ）、六盘山断裂带（Ⅱ）、渭河断裂带（Ⅲ）和鲜水河断裂带（Ⅰ）、安宁河—则木河断裂带（Ⅱ）和小江断裂带（Ⅲ）3个典型区域进行对比研究（图1）。

图1研究区区域划分图（红色圆圈表示2012～2021年间地震发生的位置；a区为青藏高原东北缘，其中，Ⅰ为海原断裂带、Ⅱ为六盘山断裂带、Ⅲ为渭河断裂带；b区为川滇地区，其中，Ⅰ为鲜水河断裂带、Ⅱ为安宁河—则木河断裂带、Ⅲ为小江断裂带）

a区海原断裂带由持续构造挤压形成的向北发散的逆冲断层构成；六盘山断裂带是一个挤压构造应力环境下走滑断层的汇聚带；渭河断裂带则是包含多条正断层的拉张性裂谷系统。b区3条断裂带均为左旋走滑断层，是中国大陆构，造活动最为强烈的断裂带之一，平均滑动速率在11～16mm/a之间；则木河断裂带在汶川地震后闭锁程度一直处于加强状态，其中则木河断裂带北段闭锁程度最高，平均滑动速率为2.8mm/a，目前可能在持续地应变积累中。芦山、九寨沟等地震后安宁河、小江断裂带大部分地区闭锁程度较高，处于挤压应变状态，平均滑动速率分别为5.0mm/a、9.4mm/a。

三、结果分析

3.1 近地表气体时空分布特征及其成因

3.1.1 CH4和CO时空分布特征

图2研究区2020年3、6、9、12月平均CH4时空变化图

2018年5月至2021年12月研究区CH4气体的月均值时空变化图（图2），显示青藏高原CH4的有效数据量较少且为明显低值，四川盆地和渭河盆地值较高。

图3研究区各典型区域月平均CH4时间变化

a区和b区各典型区域CH4的时间序列变化（图3）表明，空间上CH4浓度存在地区差异，但大致变化趋势基本一致。在a区CH4浓度呈现为海原/六盘山断裂带小于渭河断裂带，b区表现为鲜水河断裂带小于安宁河—则木河断裂带小于小江断裂带，但是b区在2019年5～9月和2021年3～7月期间小江断裂带与鲜水河断裂带表现出与其他时间相反的趋势。时间上均表现为冬春季低、夏秋季高的特点，最大值出现较为固定，均在7、8月左右。

2018年5月至2021年12月研究区CO气体的月均值时空变化图（图4）显示四川盆地、。银川地堑和渭河盆地此外在银川、兰州、西宁等大城市也呈现明显的高背景值。a、b两区各典型区域CO的时间序列变化图（图5）表明CO空间分布特征与CH4相似，时间上，呈秋季低、冬春季高的特点，此外夏季存在一个小高峰（图4，图5）。a、b区各典型区域CO变化趋势基本一致。

3.1.2 CH4和CO空间分布特征成因

CH4和CO是重要的大气组分，其空间分布特征受来源控制。文中重点关注自然来源CH4和CO的控制因素。首先，CH4和CO空间分布特征主要受地质背景、地形地貌特征影响，主要表现为盆地高（四川盆地、渭河盆地、银川地堑），高原低。四川盆地是我国4大盆地之一，盆地内存在大量含天然气页岩。同时特殊的地形条件更加有利于污染气团在盆地内聚集，一定程度上在局部地区对气体具有一定的抬升，同时盆地地形也不利于气体的扩散，渭河盆地和银川地堑类似；相反青海、川西高原地区低值可能与该地区海拔较高，生态环境恶劣，气体排放量较少有关。此外，相同地形地貌地区气体含量差异可能与下垫面的植被类型不同及其土壤微生物种类有关，比如b区由北向南植被覆盖量增大，气体浓度升高（图3，图5）。

其次，CH4和CO浓度还与断层的类型、岩石破碎程度等构造因素有着密不可分的关系，导致海原/六盘山断裂带CH4和CO浓度小于渭河断裂带，鲜水河、安宁河—则木河断裂带、小江断裂带浓度依次升高。不同类型的断层受力状态和通道通畅程度不同，虽然川滇地区的小江、安宁河—则木河和鲜水河断裂带主要类型均为左旋走滑，然而其滑动速率和闭锁程度存在一定的差异。芦山、九寨沟等地震发生后安宁河、小江断裂带大部分地区闭锁程度较高，安宁河断裂带平均滑动速率小于小江断裂带，因此，排气量安宁河—则木河断裂带小于小江断裂带；鲜水河断裂带虽然滑动速率较大，却是我国最著名的蠕滑断层，孔隙通道受阻，导致排气量较小。

图4研究区2020年3、6、9、12月平均CO时空变化图

CH4和CO空间分布特征还受人类活动影响。四川盆地农业种植以水稻为主，同时油气资源高强度开采是导致区域CH4浓度过高的主要原因。CO的人为来源主要有发动机燃烧和生物质燃烧，高值地区人口聚集，工业较为发达，同时由于地形、气象等因素将CO滞留在该区

域；反之低值地区海拔较高，人口密度小，工业发展较为落后，CO排放“源”较少。因此，在银川、兰州、西宁等人口众多的大城市CO呈现明显的高值（图4）。

3.1.3 CH4和CO时间变化特征成因

CH4和CO时间变化特征主要受气候变化和温度、湿度控制，同时部分区域受地貌、人类活动影响。CH4时间上呈明显的季节变化，这是因为CH4的自然“汇”主要是与大气中的OH自由基反应生成CO和H2O。OH自由基的大气含量主要受温、湿度条件控制，在秋、冬季节温度降低，太阳辐射减弱使得大气中OH自由基含量降低，会促进CH4的积累作用；相反夏季温湿度高、太阳辐射强，大气中OH自由基含量升高，消耗了大气中的CH4。但是CH4的含量却表现为与“汇”强度相反的冬春季低、夏秋季高的特征，推测其主要是受地貌和人类活动的影响。前人研究表明，我国稻田、植被在7月和8月排放大量的CH4，导致CH4排放在夏季达到峰值，冬季出现低谷。CO时间上呈明显的季节变化，也是因为在夏季OH自由基浓度最高，CO作为OH自由基最主要的消耗者，其浓度通常表现为冬春季达到最大、秋季降至最小。夏季温湿度高、辐射高，较强的太阳辐射对OH自由基的产生有利，生成的OH自由基与大气中的CO反应，使得CO含量减少；冬季的温度和湿度降低，太阳辐射降低，大气中OH自由基含量减少，大气CO在较长时间的累积作用下含量逐渐增加。此外，人类活动，比如冬季采暖产生的CO也是冬季CO浓度较高的一个原因。CO在夏季出现的一个小高峰，可能与夏季CH4排放量大，CH4与OH反应转化为CO相关。

3.2 气体特征与构造和地震关系

3.2.1 与构造活动关系

拉张环境有利于地下气体释放，挤压环境不利于气体释放，例如拉张环境的银川地堑气体浓度高于挤压环境的青藏高原东北缘。鄂尔多斯南缘渭河断裂带（Ⅲ）是拉张环境，较以挤压为主的青藏高原东北缘地区的海原（Ⅰ）和六盘山（Ⅱ）断裂带更有利于地下气体的释放。此外，正断层地球脱气作用强于逆冲断层和走滑断层。鄂尔多斯南缘的渭河断裂带是以正断层为主的拉张构造，促进了裂缝的发育，同时海原和六盘山断裂带原有的裂隙在大量的构造挤压下出现了部分闭合。断层闭锁导致渗透率降低，这是因为断层的自封闭过程（如胶结、再结晶、矿物沉淀或粘土充填）限制了气体从深部向地表的逸出。因此，在区域尺度上，位于拉张环境、以正断层为主的渭河断裂带（Ⅲ）气体排放强于以强烈挤压和走滑为主的海原（Ⅰ）和六盘山（Ⅱ）断裂带（图3，图5，图6），该空间分布特征与大地热流分布趋势、温泉气和近地表土壤气浓度分布趋势一致。

图5研究区各典型区域月平均CO时间变化

3.2.2与地震活动关系

虽然CH4和CO的影响因素复杂多变，但是在图3和图5中的青藏高原东北缘的时间序列可以看出，在没有地震活动时，气体的时间序列存在大致相同的时间变化趋势，这说明在一定程度上我们可以认为其含量变化在一个稳定的范围内。但是在川滇地区的安宁河—则木河区域CH4浓度值打破背景变化，超过小江断裂带区域（图3中红色圆圈位置），很有可能是地震活动引起的地下气体大量释放。检索地震目录，对应2019年6～7月在四川长宁发生5次5.0级以上地震，可能为第一个异常的响应。所选安宁河—则木河区域位于巴颜喀拉菱形块体东南边界，构造位置特殊，该地区的地下流体可能对巴颜喀拉块体产生的大震较为敏感，第二个异常可能与2021年5月22日玛多7.4级地震有关。CO时间序列未出现异常现象，可能是因为OH自由基在大气中含量较少，光化学反应微弱，使得CH4反应生成的CO维持在一个相对稳定的状态下。

3.3近红外传感器地震监测应用前景展望

通过对青藏高原东边界典型构造区的大气CH4和CO气体时空分布特征研究，发现近红外高光谱数据（TROPOMI）对构造有关气体的监测比较敏感，尤其是相对热红外传感器特性，近红外传感器的探测波段对近地表气体敏感，能够获取较为精细的构造特征（图6，图7），比如图6中获取的2019年1月CO和CH4在渭河断裂带表现的“线性”高值现象，对应时间段AIRS中CH4表现不明显，CO没有表现（图7）。这是因为AIRS反演CH4和CO所用波段主要在红外波段，其反演敏感层在中对流层以上，对近地表观测不敏感，而TROPOMI用于CH4和CO反演的近红外和短波红外波段对近地表气体组分敏感，可用于精确反演获取大气底层气体浓度，研究其源和汇分布。近红外高光谱传感器弥补了热红外传感器对地表气体信息探测不敏感的缺憾，有望提高地震有关气体异常和构造活动之间关系判断能力。但是在川滇地区有效数据较少、时间分辨率较差，目前很难单独用于地震监测预测。今后在高光谱地震有关气体监测应用中，可结合热红外和近红外技术，发挥热红外时间分辨率高、数据覆盖范围大，近红外对近地表数据敏感的优势，利用热红外数据判断地震时间、强度，近红外数据判断地点和发震构造。