近红外高光谱传感器在地震有关气体监测中的应用:以青藏高原东边界为例

为了促进高光谱技术在地震有关气体监测中的应用,本文选取对近地表信息敏感度较强的近红外高光谱传感器TROPOMI的二级产品数据,分析研究了青藏高原东北缘和川滇地区地震相关气体时空特征及其与构造和地震活动关系,评价了近红外传感器在地震有关气体监测中的应用效果和应用前景。结果表明:TROPOMI反演的研究区CH_(4)和CO气体在时间上呈现明显的季节变化,受气候变化、地貌、人类活动等影响;空间上在银川、渭河和四川盆地表现为高值,受地质背景、地形地貌和人类活动等因素影响。目前近红外高光谱传感器在时间分辨率和有效数据量上具有一定的局限性,但是相对于热红外高光谱传感器,近红外传感器可以较好地反映气体与近地表构造的关系。未来随着近红外高光谱传感器的应用和发展,近红外数据可以逐渐弥补热红外传感器数据对近地表信息敏感度低的不足,提高异常与地震关系的判断力。

墨西哥下加利福尼亚M_W 7.2地震前后CO遥感地球化学异常

利用AIRS产品数据提取了2010年4月4日墨西哥下加利福尼亚MW7.2地震前后震中及其附近CO总量和CO体积混合比随时间变化的信息,讨论了CO气体地球化学变化与地震活动的关系。数据表明,下加利福尼亚地震前约一个月CO总量升高,高出前两年同期平均值2～4×1017 mole/cm2,在地震发生前后CO总量和近地表CO体积混合比有波动现象,且8日平均数据的标准偏差增大,约为非地震时段的2倍。该现象应该归因于地震孕育发生过程中地应力作用使岩石圈脱气增强、大气电磁和化学反应引起的CO含量的增加。研究结果表明利用卫星高光谱遥感数据提取与地震有关的CO气体地球化学信息,对地震监测预报有重要意义。

汶川M_S8.0地震前后龙门山断裂带CO和CH_4排气增强

利用卫星高光谱数据研究了汶川地震前后震中周围及沿断裂带相同面积区域的CO和CH_4总量的变化和相关程度。结果表明:(1)龙门山断裂带地区常年有地下气体沿断裂带向大气中释放,CO沿断裂带释放,受构造控制明显,而CH_4除了受构造控制影响外,还受川西地区地下天然气的弥漫式扩散影响;(2)汶川地震的发生促进了地下气体的释放,汶川地震前约1.5个月至震后3个月左右有大量的地下CO和CH_4气体沿龙门山断裂带释放到大气中,并且距离震中越近,排气量越大。研究结果对地震监测、地气交换和环境地球化学监测有重要意义。

2008年汶川M_S8.0地震前后川西含碳气体卫星高光谱特征

2008年汶川地震导致了大量地下含碳气体释放.本文基于卫星高光谱数据采用差值法获取了汶川地震前后川西地区含碳气体异常的时空分布特征.结果显示汶川地震前后不同含碳气体异常的时空分布特征不同.空间分布上,CH_4,CO_2和CO异常分布于震中附近且受断裂控制明显,与热红外异常特征类似;CO和CO_2异常的范围较CH_4大,CO除沿断裂带分布外,在四川盆地也大面积出现.异常出现时间上,CO_2异常最早,其次为CH_4和CO.气体来源上,CO_2和CH_4主要来源于地球内部沿断裂带释放,在地球内部还原条件下,CH_4还可由CO_2还原形成;CO异常除了沿断裂带释放和由断裂带释放的CH_4氧化生成外,还由四川盆地渗漏的CH_4氧化生成.本文结果可用于地震监测预测研究,不仅提供了新的地震前兆观测参数,还为地震热红外异常机制"地球放气温室效应"提供了科学依据,同时对地震引起的地质碳排放研究也有重要意义.

探测与2008年汶川M_S8.0和2013年芦山M_S7.0地震相关的大气CH_4和CO异常变化

为了促进卫星遥感气体地球化学技术在地震监测中的推广应用,本文采用卫星高光谱数据利用差值和异常指数2种方法研究了汶川和芦山地震相关的大气CH4和CO异常特征。数据处理结果表明,汶川地震相关的CH4和CO总含量异常出现在地震发生当月,沿北东向龙门山断裂带和北西向荥经—马边断裂带呈线性分布,在两条断裂带交汇部位异常幅度最大。芦山地震相关的CH4和CO异常受到了汶川地震的影响。芦山地震前3个月出现CH4和CO异常,异常幅度明显高于汶川地震,CH4异常位于震中附近呈外低内高环状分布,CO异常沿荥经—马边断裂带呈线性分布。这些遥感地球化学异常特征表明,CH4和CO地球化学特征时空变化可能是两次大地震和伴随的断裂构造活动引起的。

中国大陆东部温泉流体来源解析与地震地球化学异常判识方法

统计分析已有研究中数千组大气化学、温泉流体化学、水-岩反应实验以及地幔包体气体同位素组成等数据,从流体组分来源解析的角度讨论了温泉水和气体的来源,提出了估算深部流体和地幔氦贡献量的模式以及温泉地震流体地球化学异常判识步骤方法。温泉水的δ^(18)O和δD数据表明,H_(2)O主要来源于大气降水,少量的(<1%)深部流体对温泉的离子和热能供给不容忽视。大气降水和空气颗粒物可溶离子数据统计结果表明,温泉水中海盐的贡献是可以忽略的。通过统计分析大量大气降水、空气颗粒物可溶盐、水-岩反应实验、深部流体和温泉水的离子浓度及其比值,建立了δ^(18)O-δD和Na^(+)-Cl^(-)浓度的离子来源判识模型。380多组中国东部新生代玄武岩地幔包体的^(3)He/^(4)He和δ^(13)C_(CO_(2))值统计结果表明其平均值或峰值能够代表本区上地幔的氦、碳同位素比值。在估算温泉气体中地幔氦的百分比时,用汉诺坝地幔包体的^(3)He/^(4)He均值(2.1 R_(A))代表嫩江—紫荆关断裂带以西造山带的上地幔端元值,选用地幔包体较高的^(3)He/^(4)He峰值(7 R_(A))代表断裂带以东上地幔端元^(3)He/^(4)He值,这有益于合理估算地幔供给温泉系统、地热田和地震孕育的能量。利用所建源解析模型,提出了从温泉地球化学观测数据中剔除海盐、气象和人为源的干扰,以及从时间序列中提取地震地球化学异常的步骤方法。在半径约为500 km的区域内,多个观测点地球化学指标一起或短时间内先后出现的异常变化可视为地震地球化学前兆。判断地震流体前兆和利用地震流体前兆预测地震必须结合其他学科的观测资料。

汶川地震相关的断裂带含碳气体排放量估算

断裂带是地下气体向上运移的有利通道,地震活动会加剧地下气体沿断裂带向上运移,释放到大气中。本文利用卫星高光谱遥感技术,初步估算了汶川地震伴随的大范围含碳气体(CH_4、CO和CO_2)的排放变化总量。结果显示,龙门山断裂带长期不断地向大气中排放大量的含碳气体,汶川地震的发生导致在短时间里龙门山断裂带向大气中至少多排放了4740t CO、8549t CH_4和87.15 Mt CO_2。地震活动造成的断裂带含碳气体排放不可忽视,是地质碳排放的重要组成部分,对大气环境效应有重要影响。

汶川和芦山地震相关的CH_4和CO异常

CH4与地震和构造活动关系密切,其释放量能反应出地震和构造的活动强度。大量观测数据表明,地震前后水体、土壤、大气中普遍存在CH4异常。CO也是地震监测的前兆参数之一。Singh等(2010)利用MOPITT卫星数据分析了不同高度的CO浓度变化,发现古吉拉特(Gujarat)7.6级地震前几天CO浓度增强,指出CO气体应该是地震前兆信息,是地震前应力增加导致的CO排放,同时认为该地震前几天的地表温度异常增高也跟CO排放有关。2008年汶川MS8.0地震和2013年芦山MS7.0地震都发生在龙门山断裂带上,向大气中释放了大量的温室气体,引起了国内外学者的广泛关注,是地震前兆研究的难得震例。

鄂尔多斯西缘CH4和CO2浓度的构造响应

地球脱气受气体来源、气体运移途径和驱动力(地质应力)的控制。含C-H-O气体(例如,CO2、H2、CH4、CO、H2O等)是地幔和下地壳中的重要成分。固体地球中的气体不断地排放到大气中,特别是通过地壳中的薄弱带,如板块/板块的边界、断层。在地质应力作用下,地壳中产生了大量的断层和裂缝,为气体从地壳和地幔逸出进入大气提供了通道。

墨西哥下加利福尼亚地震前后的CO异常

地震是地球系统复杂变化过程中的一种突变现象，具有高度的复杂性和不确定性。在大地震前后的活动断裂带常会有大量地下气体（Rn、Hg、CO2、CH4、CO、H2O、He、H2、O2等）向上逸出到大气中，引起大气中气体组分和浓度的变化。近年来随着高光谱分辨率卫星遥感技术的发展，人们逐渐开始应用具有探测大气成分的高光谱分辨率传感器对地震前后的气体地球化学异常开展新的探索研究。如郭广猛等利用MOPITT数据监测到2002年3月31日台湾Ms7．5地震前1天震中区附近的圆形CO异常区；Singh等（2010）同样用MOPITT监测到2001年Gujarat地震前大气不同高度的CO含量明显升高，震后急剧下降。这些资料都说明可以利用遥感数据获取气体地球化学异常，进行地震监测。

首都圈地区土壤气Rn,Hg,CO_2地球化学特征及其成因

对首都圈地区跨18条活动断裂的35条剖面进行了土壤气浓度和通量测量,结果显示:各测量剖面土壤气Rn,Hg和CO2的浓度平均值分别为3.2—45.0kBq/m^3,3.9—24.9ng/m^3和0.154%—2.175%;其通量平均值分别为3.8—152.1 mBq/(m^2·s),0.1—42.6ng/(m^2·h)和8.5—89.4g/(m^2·d).研究区土壤气Rn,Hg和CO_2的浓度和通量均呈东高西低的变化趋势,与首都圈地区由西至东应力水平增高、地壳厚度逐渐减薄、沉积层厚度增大、地震活动逐渐增强等趋势相对应,这表明首都圈地区土壤气的区域地球化学特征主要受控于上地壳物质结构、深部气体补给和地震活动,同时也受到自然环境及土壤类型的影响.

地震地球化学研究进展

本文总结了近十年地震地球化学研究的最新进展,并建议未来在该领域的研究应在同位素地球化学、深部流体地球化学和地球化学场与应力场耦合方面开展。

首都圈西部盆岭构造区地热水水文地球化学研究

根据水化学组分和氢、氧同位素数据,讨论了首都圈西部盆岭构造区断裂带地下热水的化学类型及其形成过程。结果显示,水样的TDS为225～1449mg/L,δ18 O和δD值分别为-12.42‰～-9.54‰,-90.8‰～-71.88‰。水的循环受盆岭构造区中的断裂和水头压力控制。Na-SO4型水主要出现在片麻岩和花岗岩裂隙中,由深循环过程中长石类矿物水解和硫化物的氧化作用形成。Na.Ca-HCO3型水主要分布在含泥质条带互层的碳酸盐岩储层中,受方解石和白云石溶解、泥质条带中的易溶盐淋滤作用和与粘土矿物的Na-Ca离子交换的控制。第四系砂砾石含水层热水水化学类型较复杂,有Ca.Mg-HCO3,Na.Ca-HCO3,Na-HCO3,Na-HCO3.SO4.Cl,Na-HCO3.Cl,Na-SO4.Cl等,这可归因于含水层深度、断裂性质、沉积物粒度和岩性等因素。δ18 O和δD指示地热水来源于大气降水。δD值随地下水温度升高而降低的特征可能由深层古水和浅层地下水的混合作用或是同位素交换反应导致。镇川堡103℃热水的δ18 O和δD受水岩反应和蒸汽散失的共同作用。本研究对地热水开发和地震监测方面有一定应用价值。

2012年6月30日新源MS6.6地震前后北天山泥火山及温泉的水化学变化

2012年6月30日新源—和静MS6.6地震前后,新疆北天山地区的泥火山及温泉出现了明显的水化学异常。在地震前后4天内,采集了两批泥火山和温泉水样品,测定了泥火山和温泉水样的水化学参数。资料表明,泥火山喷溢水属于低温、弱碱性咸水或盐水,水化类型为ClNa,来源于储存在封闭构造中并与干旱海相、河-湖相沉围岩发生了漫长而复杂水-岩作用的大气降水。温泉水为中温、弱碱性SO4·Cl-Na型淡水,形成于地表水沿断裂深循环过程中的水岩作用。安集海泥火山出现同震喷溢,震后泥水温度(T)、总矿化度(TDS)、K+、Na+及Ca2+大幅上升;独山子、白杨沟及AM02泥火山为震前喷溢,独山子、白杨沟泥火山表现为T、TDS、EC、Na+、Cl-的升高和K+、Ca2+、Mg2+的降低;AM02泥火山K+、Mg2+明显降低,Ca2+上升达223%。震后沙湾25号泉T降低7℃,TDS、电导率(EC)、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-及SO2-4升高。研究结果可用于北天山地区的地震趋势分析和改进利用各泥火山、温泉进行北天山地区地震活动性监测的水化学方法。

河套盆地周缘泉水化学组分对2015年4月15日阿左旗M_S5.8地震的响应

根据河套盆地周缘断裂带泉水的氢、氧同位素组成和水化学组分,讨论了该区地下水的化学类型、成因及其与地震活动的关系。于2014年9月下旬和2015年4月15日MS5.8阿左旗地震震后在河套盆地周缘的乌拉山断裂带、色尔腾断裂带、狼山断裂带以及桌子山断裂带采集了17个泉水和井水样品,测得水样的TDS分布在143.8-42 553.0 mg/L范围内,δD和δ18 O值分别在-83.6‰-66.56‰和-11.16‰-8.2‰的范围内,来源为大气降水。根据舒卡列夫分类法,震前水样可划分为13种水化学类型,震后西山咀、圐圙朴隆等5个点采样点泉水的水化学类型发生变化。其中,乌拉山断裂带的水样以HCO3-Ca型低矿化度地表水为主;色尔腾断裂带、狼山断裂带泉水受白垩系含水层影响,矿化度较高,富含HCO-3及SO2-4;桌子山一带受煤矿开采影响,水样以富SO2-4和Cl-的高矿化度水为特征。地震前后TDS、阴、阳离子以及γNa/γCl、γ（SO4＋Cl）/γHCO3、γHCO3/γCl等毫克当量比值能够较好地反映地震。2015年4月15日阿左旗MS5.8地震后,呼鲁斯太、迪延阿贵庙及八一井的水化学组成变化较大,对地震响应较为敏感。呼鲁斯太地区泉水的TDS稍有降低,但HCO-3在阴离子中所占比例有所增加,表明震后该地区含水层的泉水与较低矿化度的含碳酸盐岩含水层水发生了混合;八一井的TDS值有所增加,γNa/γCl比值有所降低,表明深部高矿化度水的混入;迪延阿贵庙水样的TDS稍有下降,但NaCl的相对含量较震前有所升高,表明有低矿化度NaCl水的混入。本工作不仅确定了该区水文地球化学背景,而且对地震监测和预测具有一定参考价值。

北天山泥火山对2012年6月30日新源-和静M_S6.6地震的响应

2012年6月30日新源-和静MS6.6地震前后,北天山泥火山出现了喷溢和地球化学异常变化.该地震前、后4天内两次观测了北天山泥火山,采集了两批温泉和泥火山气体样品,测定了样品的气体组分和He、Ne同位素及CH4、CO2的碳同位素组成.结果表明,泥火山发生了同震喷发,气体排放量增加,温泉和泥火山气体出现了不同程度的微量气体浓度异常,独山子泥火山震前出现了3 He/4 He高值异常.研究结果有利于确定利用泥火山和温泉监测地震活动的方法和指标.

青海玉树M_S 7.1地震震后断层流体地球化学连续观测

为了探究地震对断层流体逸出的影响和震后流体地球化学特征随时间的变化与余震对应关系,在玉树地震断层进行了震后断层土壤气氡、CO2以及泉水气氡等流体地球化学连续观测.观测结果发现震后一个月的时间内CO2和土壤气氡、水氡浓度都保持在比较高的水平.此后浓度有一个先下降在上升的变化过程,在浓度下降变化的过程中,余震比较少;而在浓度上升过程中,余震活动比较活跃,数量多,震级大.玉树地震后断层带CO2和壤气氡、水氡浓度增加,表明地震前后断层的活动性增强,改变了区域内原有的应力场水平,导致了深部流体沿着地震断裂运移到地壳浅部.

苏门答腊2004、2005年两次大地震前后CO和O3遥感信息

利用卫星遥感数据提取了苏门答腊2004年12月和2005年3月两次8级以上地震前后震中及其附近CO和O3总量随时间变化的信息,并讨论了CO、O3气体异常与两次大地震之间的关系。AIRS高光谱遥感数据信息提取结果表明,CO总量和O3总量分别在2004年12月26日Ms 8.9地震前约4个月和8个月出现了异常;在异常时段CO总量的标准偏差增大。CO总量与O3总量均在2005年3月28日Ms 8.6地震前约2个月出现异常。两次大地震前后遥感信息异常与地震活动对应较好,这可以归因为孕震应力场作用下地下气体的逸散及其与大气气体组分发生的化学反应。研究结果对利用卫星高光谱分辨率遥感数据提取地震气体地球化学异常信息及其在地震监测中的应用具有重要意义。

首都圈西北部主要活动断裂土壤气中氢气(H_2)地球化学特征

在首都圈西北部9条活动断裂上布置了17个土壤气氢气(H_2)测区,土壤气H_2浓度分别在2012年5月和2013年5月测量两次,测点共1105个.测量数据结果表明:(1)9条活动断裂上土壤气H_2的浓度在断裂附近明显高于非断裂区域;(2)9条活动断裂上土壤气H_2的浓度从西向东呈增大的趋势.首都圈西北部活动断裂带土壤气H_2的释放会引起大气电离层的扰动,有关活动断裂带土壤气H_2释放的进一步研究对大气环境变化研究有重要的意义.

六盘山地区泉水地球化学特征

根据六盘山地区泉水的化学组成和氢、氧同位素数据,讨论了该区地下水的化学类型、成因及其动态变化特征。2012年11月和2014年7月在六盘山地区采集10处泉水样品,氢氧同位素由液态水同位素分析仪测定,离子组分浓度由离子色谱和化学滴定法测定。水样的TDS范围为218~27 508 mg/L,δ^(18) O和δD值分别为-12.0‰^-8.5‰,-88.5‰^-61.3‰。δ^(18) O和δD指示该区泉水来源于大气降水,并受水循环条件及水岩反应程度的影响。根据舒卡列夫分类法,所采水样可划分为10种水化学类型,受含水层岩性控制,宁南地区的水化类型主要为SO_4-Na型,渭北西部地区的水化类型主要为HCO_3-Ca·Mg型。两次所采水样的离子浓度显示多数水样点的HCO_3^-具有夏高冬低的季节性变化特征,千川村(QC)、双井村(SJ)等因含水层赋存环境较封闭,受降水干扰小;硝口村(XKH)泉水的离子毫克当量比值变幅最大,说明该泉点水岩反应程度变化较大,易受断层带活动的影响。研究结果确定了六盘山地区水文地球化学背景和水的来源,为该区流体地球化学地震监测、预测提供了背景资料。