本文利用近紅外傳感器數據分析研究了青藏高原東邊界大氣CO、CH4的時空變化特征及其對地震和構造的響應，簡單評價了近紅外傳感器在地震監測領域的應用前景。

一、引言

斷裂帶、火山等地表薄弱地帶會出現地下氣體（Rn、Hg、CO2、CH4等）向上運移到地表和大氣的現象。地殼內部運動很大程度上會加劇氣體運移的速率，使得土壤和大氣中氣體組分和含量發生變化，產生地震前兆異常。搭載具有大氣痕量氣體探測功能高光譜傳感器的衛星平臺以其探測范圍廣、覆蓋均勻、重復觀測周期短、受地面條件限制較小等優勢，可以彌補傳統斷層氣監測受時空限制的不足，對地震監測預測具有重要促進作用。

同時，不同高度的氣體變化研究表明近地表氣體異常對地震異常判斷貢獻較大。因此，對近地表氣體權重占比更大、空間分辨率較高的近紅外傳感器的研究對于地震異常判定有重要意義。本文利用近紅外傳感器數據分析研究了青藏高原東邊界大氣CO、CH4的時空變化特征及其對地震和構造的響應，簡單評價了近紅外傳感器在地震監測領域的應用前景。

二、地震地質概況

青藏高原東邊界發育多種類型斷裂帶，中強地震頻發且震源深度淺，是構造和地震活動監測的重點關注區域。在該區域內選擇青藏高原東北緣（圖1）（a區）和川滇地區（b區）兩個典型區域進行近紅外高光譜遙感技術應用研究。青藏高原東北緣地處青藏高原和鄂爾多斯地塊的交界位置，是高原和平原的過渡地帶，歷史上發生多次強震，如1920年海原M8.5地震就發生在該區域。川滇地區位于青藏高原東南緣，區域內有鮮水河、安寧河、龍門山、紅河、小江等斷裂帶。2008年以來該區域先后發生了四川汶川8.0級地震、蘆山7.0級地震、九寨溝7.0級地震。在圖1中的a區和b區根據構造背景和區域的應力狀態分別劃分為海原斷裂帶（Ⅰ）、六盤山斷裂帶（Ⅱ）、渭河斷裂帶（Ⅲ）和鮮水河斷裂帶（Ⅰ）、安寧河—則木河斷裂帶（Ⅱ）和小江斷裂帶（Ⅲ）3個典型區域進行對比研究（圖1）。

圖1研究區區域劃分圖（紅色圓圈表示2012～2021年間地震發生的位置；a區為青藏高原東北緣，其中，Ⅰ為海原斷裂帶、Ⅱ為六盤山斷裂帶、Ⅲ為渭河斷裂帶；b區為川滇地區，其中，Ⅰ為鮮水河斷裂帶、Ⅱ為安寧河—則木河斷裂帶、Ⅲ為小江斷裂帶）

a區海原斷裂帶由持續構造擠壓形成的向北發散的逆沖斷層構成；六盤山斷裂帶是一個擠壓構造應力環境下走滑斷層的匯聚帶；渭河斷裂帶則是包含多條正斷層的拉張性裂谷系統。b區3條斷裂帶均為左旋走滑斷層，是中國大陸構，造活動最為強烈的斷裂帶之一，平均滑動速率在11～16mm/a之間；則木河斷裂帶在汶川地震后閉鎖程度一直處于加強狀態，其中則木河斷裂帶北段閉鎖程度最高，平均滑動速率為2.8mm/a，目前可能在持續地應變積累中。蘆山、九寨溝等地震后安寧河、小江斷裂帶大部分地區閉鎖程度較高，處于擠壓應變狀態，平均滑動速率分別為5.0mm/a、9.4mm/a。

三、結果分析

3.1 近地表氣體時空分布特征及其成因

3.1.1CH4和CO時空分布特征

圖2研究區2020年3、6、9、12月平均CH4時空變化圖

2018年5月至2021年12月研究區CH4氣體的月均值時空變化圖（圖2），顯示青藏高原CH4的有效數據量較少且為明顯低值，四川盆地和渭河盆地值較高。

圖3研究區各典型區域月平均CH4時間變化

a區和b區各典型區域CH4的時間序列變化（圖3）表明，空間上CH4濃度存在地區差異，但大致變化趨勢基本一致。在a區CH4濃度呈現為海原/六盤山斷裂帶小于渭河斷裂帶，b區表現為鮮水河斷裂帶小于安寧河—則木河斷裂帶小于小江斷裂帶，但是b區在2019年5～9月和2021年3～7月期間小江斷裂帶與鮮水河斷裂帶表現出與其他時間相反的趨勢。時間上均表現為冬春季低、夏秋季高的特點，最大值出現較為固定，均在7、8月左右。

2018年5月至2021年12月研究區CO氣體的月均值時空變化圖（圖4）顯示四川盆地、。銀川地塹和渭河盆地此外在銀川、蘭州、西寧等大城市也呈現明顯的高背景值。a、b兩區各典型區域CO的時間序列變化圖（圖5）表明CO空間分布特征與CH4相似，時間上，呈秋季低、冬春季高的特點，此外夏季存在一個小高峰（圖4，圖5）。a、b區各典型區域CO變化趨勢基本一致。

3.1.2CH4和CO空間分布特征成因

CH4和CO是重要的大氣組分，其空間分布特征受來源控制。文中重點關注自然來源CH4和CO的控制因素。首先，CH4和CO空間分布特征主要受地質背景、地形地貌特征影響，主要表現為盆地高（四川盆地、渭河盆地、銀川地塹），高原低。四川盆地是我國4大盆地之一，盆地內存在大量含天然氣頁巖。同時特殊的地形條件更加有利于污染氣團在盆地內聚集，一定程度上在局部地區對氣體具有一定的抬升，同時盆地地形也不利于氣體的擴散，渭河盆地和銀川地塹類似；相反青海、川西高原地區低值可能與該地區海拔較高，生態環境惡劣，氣體排放量較少有關。此外，相同地形地貌地區氣體含量差異可能與下墊面的植被類型不同及其土壤微生物種類有關，比如b區由北向南植被覆蓋量增大，氣體濃度升高（圖3，圖5）。

其次，CH4和CO濃度還與斷層的類型、巖石破碎程度等構造因素有著密不可分的關系，導致海原/六盤山斷裂帶CH4和CO濃度小于渭河斷裂帶，鮮水河、安寧河—則木河斷裂帶、小江斷裂帶濃度依次升高。不同類型的斷層受力狀態和通道通暢程度不同，雖然川滇地區的小江、安寧河—則木河和鮮水河斷裂帶主要類型均為左旋走滑，然而其滑動速率和閉鎖程度存在一定的差異。蘆山、九寨溝等地震發生后安寧河、小江斷裂帶大部分地區閉鎖程度較高，安寧河斷裂帶平均滑動速率小于小江斷裂帶，因此，排氣量安寧河—則木河斷裂帶小于小江斷裂帶；鮮水河斷裂帶雖然滑動速率較大，卻是我國最著名的蠕滑斷層，孔隙通道受阻，導致排氣量較小。

圖4研究區2020年3、6、9、12月平均CO時空變化圖

CH4和CO空間分布特征還受人類活動影響。四川盆地農業種植以水稻為主，同時油氣資源高強度開采是導致區域CH4濃度過高的主要原因。CO的人為來源主要有發動機燃燒和生物質燃燒，高值地區人口聚集，工業較為發達，同時由于地形、氣象等因素將CO滯留在該區

域；反之低值地區海拔較高，人口密度小，工業發展較為落后，CO排放“源”較少。因此，在銀川、蘭州、西寧等人口眾多的大城市CO呈現明顯的高值（圖4）。

3.1.3CH4和CO時間變化特征成因

CH4和CO時間變化特征主要受氣候變化和溫度、濕度控制，同時部分區域受地貌、人類活動影響。CH4時間上呈明顯的季節變化，這是因為CH4的自然“匯”主要是與大氣中的OH自由基反應生成CO和H2O。OH自由基的大氣含量主要受溫、濕度條件控制，在秋、冬季節溫度降低，太陽輻射減弱使得大氣中OH自由基含量降低，會促進CH4的積累作用；相反夏季溫濕度高、太陽輻射強，大氣中OH自由基含量升高，消耗了大氣中的CH4。但是CH4的含量卻表現為與“匯”強度相反的冬春季低、夏秋季高的特征，推測其主要是受地貌和人類活動的影響。前人研究表明，我國稻田、植被在7月和8月排放大量的CH4，導致CH4排放在夏季達到峰值，冬季出現低谷。CO時間上呈明顯的季節變化，也是因為在夏季OH自由基濃度最高，CO作為OH自由基最主要的消耗者，其濃度通常表現為冬春季達到最大、秋季降至最小。夏季溫濕度高、輻射高，較強的太陽輻射對OH自由基的產生有利，生成的OH自由基與大氣中的CO反應，使得CO含量減少；冬季的溫度和濕度降低，太陽輻射降低，大氣中OH自由基含量減少，大氣CO在較長時間的累積作用下含量逐漸增加。此外，人類活動，比如冬季采暖產生的CO也是冬季CO濃度較高的一個原因。CO在夏季出現的一個小高峰，可能與夏季CH4排放量大，CH4與OH反應轉化為CO相關。

3.2 氣體特征與構造和地震關系

3.2.1 與構造活動關系

拉張環境有利于地下氣體釋放，擠壓環境不利于氣體釋放，例如拉張環境的銀川地塹氣體濃度高于擠壓環境的青藏高原東北緣。鄂爾多斯南緣渭河斷裂帶（Ⅲ）是拉張環境，較以擠壓為主的青藏高原東北緣地區的海原（Ⅰ）和六盤山（Ⅱ）斷裂帶更有利于地下氣體的釋放。此外，正斷層地球脫氣作用強于逆沖斷層和走滑斷層。鄂爾多斯南緣的渭河斷裂帶是以正斷層為主的拉張構造，促進了裂縫的發育，同時海原和六盤山斷裂帶原有的裂隙在大量的構造擠壓下出現了部分閉合。斷層閉鎖導致滲透率降低，這是因為斷層的自封閉過程（如膠結、再結晶、礦物沉淀或粘土充填）限制了氣體從深部向地表的逸出。因此，在區域尺度上，位于拉張環境、以正斷層為主的渭河斷裂帶（Ⅲ）氣體排放強于以強烈擠壓和走滑為主的海原（Ⅰ）和六盤山（Ⅱ）斷裂帶（圖3，圖5，圖6），該空間分布特征與大地熱流分布趨勢、溫泉氣和近地表土壤氣濃度分布趨勢一致。

圖5研究區各典型區域月平均CO時間變化

3.2.2與地震活動關系

雖然CH4和CO的影響因素復雜多變，但是在圖3和圖5中的青藏高原東北緣的時間序列可以看出，在沒有地震活動時，氣體的時間序列存在大致相同的時間變化趨勢，這說明在一定程度上我們可以認為其含量變化在一個穩定的范圍內。但是在川滇地區的安寧河—則木河區域CH4濃度值打破背景變化，超過小江斷裂帶區域（圖3中紅色圓圈位置），很有可能是地震活動引起的地下氣體大量釋放。檢索地震目錄，對應2019年6～7月在四川長寧發生5次5.0級以上地震，可能為第一個異常的響應。所選安寧河—則木河區域位于巴顏喀拉菱形塊體東南邊界，構造位置特殊，該地區的地下流體可能對巴顏喀拉塊體產生的大震較為敏感，第二個異常可能與2021年5月22日瑪多7.4級地震有關。CO時間序列未出現異常現象，可能是因為OH自由基在大氣中含量較少，光化學反應微弱，使得CH4反應生成的CO維持在一個相對穩定的狀態下。

3.3近紅外傳感器地震監測應用前景展望

通過對青藏高原東邊界典型構造區的大氣CH4和CO氣體時空分布特征研究，發現近紅外高光譜數據（TROPOMI）對構造有關氣體的監測比較敏感，尤其是相對熱紅外傳感器特性，近紅外傳感器的探測波段對近地表氣體敏感，能夠獲取較為精細的構造特征（圖6，圖7），比如圖6中獲取的2019年1月CO和CH4在渭河斷裂帶表現的“線性”高值現象，對應時間段AIRS中CH4表現不明顯，CO沒有表現（圖7）。這是因為AIRS反演CH4和CO所用波段主要在紅外波段，其反演敏感層在中對流層以上，對近地表觀測不敏感，而TROPOMI用于CH4和CO反演的近紅外和短波紅外波段對近地表氣體組分敏感，可用于精確反演獲取大氣底層氣體濃度，研究其源和匯分布。近紅外高光譜傳感器彌補了熱紅外傳感器對地表氣體信息探測不敏感的缺憾，有望提高地震有關氣體異常和構造活動之間關系判斷能力。但是在川滇地區有效數據較少、時間分辨率較差，目前很難單獨用于地震監測預測。今后在高光譜地震有關氣體監測應用中，可結合熱紅外和近紅外技術，發揮熱紅外時間分辨率高、數據覆蓋范圍大，近紅外對近地表數據敏感的優勢，利用熱紅外數據判斷地震時間、強度，近紅外數據判斷地點和發震構造。

圖6TROPOMI 的CO和CH4對近地表構造背景響應

圖7AIRS的CO和CH4對近地表構造背景響應（單位：/cm2）

四、結論

本研究通過利用近紅外高光譜傳感器數據獲取青藏高原東邊界典型構造區的CH4和CO氣體時空變化特征，分析其時空分布特征的影響因素及其與構造和地震活動的關系，簡單評價其用于地震監測的潛力。得到如下結論：

（1）近紅外傳感器數據獲取的CH4和CO氣體背景場時間上具有明顯的周期性季節變化，空間上較好地反映了近地表構造信息，其時空背景特征主要受到氣候變化、地質背景、地形地貌及人類活動等因素影響。

（2）近紅外傳感器數據空間分辨率高，能夠較好地反映空間背景信息，獲取更為可靠的地震和構造活動信息，然而其有效數據量和時間分辨率具有一定的局限性，對地震活動的時間判斷能力較為一般。

（3）近紅外傳感器的應用可以彌補熱紅外傳感器對近地面氣體信息敏感度差的不足，填補圈層耦合中近地表大面積連續觀測的空白。同時隨著近紅外高光譜傳感器技術的進步，未來或可成為地震監測預測的有效手段。

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審核編輯 黃宇