Review on the commonly-used ground motion parameters attenuation relationships for shallow crustal earthquakes in Chinese mainland
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摘要: 对地震动参数衰减关系应用时涉及的地震动参数、地震参数、基本模型、回归方法等方面的要点进行了阐述。以华北地区为例，简要介绍了数十年我国工程抗震设防应用中常用的几组浅壳地震峰值加速度、加速度反应谱衰减关系的主要特点，并对其差异进行了比较分析。最后总结了我国现阶段衰减关系研究的不足，对其未来发展方向进行了展望。Abstract: This paper illustrates the key points of ground motion parameters, earthquake parameters, base models and regression methods, which are always involved in applying attenuation relationships of ground motion parameters. These parameters and models could satisfy the demands for earthquake engineering application in Chinese mainland. Taking North China as an example, this paper reviews the major features of several commonly-used attenuation relationships for shallow crustal earthquakes in recent decades, and their differences are compared and analyzed. Finally, the authors summarize the limitations of current researches on attenuation relationships in Chinese mainland, and propose the research prospect for future study.
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引言
地球内部流体是富C-H-O-S体系(Pasteris，1987)，超基性岩矿物包裹体、火山岩玻璃包裹体以及火山气体气相组分均间接或直接地证明了地球深部存在大量的CO2，CH4，CO和水汽等气体(Bergman，1987；Matveev et al，1997；郑乐平，1998). 地下气体不断沿活动板块边界或其它活动断裂等地壳薄弱地带向大气中释放(King，1986；朱宏任等，1991；强祖基，杜乐天，2001). 在地震孕育和发生过程中，岩石应力变化会产生大量贯通地表的裂隙，使得地下气体沿破裂带及周边的微小裂隙逸出到大气中，此外岩石受挤压、摩擦也会释放大量的CO2和CH4(Martinelli，Plescia，2005). 每年由于地震而排出的含碳气体(CO2，CH4)约100—300亿m3(Gold，1979). 2008年5月12日汶川MS8.0大地震发生在龙门山断裂带上，产生了长约300 km的地表破裂带(Fu et al，2011)，大量含碳气体沿该断裂带及川西前陆盆地释放在大气中(Famin et al，2008; Singh et al，2010；Zhou et al，2010；张景廉等，2011；岳中琦，2013；Zheng et al，2013). 地震释放的含碳气体在大气中会产生局部温室效应，使孕震区温度升高，因此在卫星红外遥感图像上呈现出热红外异常(魏乐军等，2008；Zhang et al，2010). 强祖基等(1997)对CO2和CH4等温室气体的试验研究显示，混合气体在瞬变电场的作用下能够达到3℃—6℃增温.
本文拟利用卫星高光谱数据研究汶川地震前后所释放含碳气体的时空变化特征及其与热红外异常的关系，以便提供一种新的快速获取大范围地震气体地球化学异常的方法，为地震前兆监测和热红外异常提供参考依据，同时也可用于地震引起的碳排放研究.
1. 数据与方法
本文所使用的CO2，CH4和CO数据均引自美国宇航局(National Aeronautics and Space Administration，简写为NASA)大气红外探测仪(the atmospheric infra-red sounder，简写为AIRS)数据反演的CO2体积混比(volume mixing ratio，简写为VMR)、CH4总含量和CO总含量产品(Goddard Earth Sciences Data and Information Services Center，2015). AIRS是搭载在美国对地观测系统EOS/AQUA上的高光谱传感器，从2002年9月开始向地面提供观测数据，基于其所获取数据反演的CO2，CH4和CO总含量的数据精度分别为0.5%，1%和15%，相应的空间分辨率分别为2.5°×2.5°，1°×1°和1°×1°(Susskind et al，2003；Barnet et al，2004；Won，2008). 本文选取2003—2012年三级标准产品数据中的8天平均和月平均CO2体积混比、CH4总含量和CO总含量降轨(晚上)数据.
由于卫星高光谱技术是用于监测大气中的气体含量变化，所以含碳气体的来源受生物圈和大气圈的影响不可忽视. 建立背景场可部分去除季节变化、地表植被等固有来源的影响，有效地捕获地震等突发事件信息，为地震异常信息提取提供判据标准. 为了识别汶川地震前后的气体异常，本文选取2003—2012年的CO2体积混比、CH4总含量和CO总含量数据计算得到的气体总含量算术平均值作为月背景场Gbac(Cui et al，2013)，即
式中，Gi(x，y，t)为i(2003—2012)年t(1—12)月份经纬度坐标为(x，y)处的气体总含量值，N为总年数，此处取为10. 通过分析地震发生年(2008年)不同时间尺度(8天平均、月平均)的气体数据与月背景场的差值(差值法)变化来描述地震异常的分布特征；由于气象变化、人为活动等影响仍然存在，所以为了有效地提高异常的可靠性，同时研究多种参数(CO2，CH4和CO)的异常分布特征.
2. 结果
2.1 川西地下气体逸散
川西地区受印度洋板块向欧亚板块俯冲作用的影响，地壳形变和断裂错动强烈，发育有龙门山、鲜水河和安宁河等断裂带，地震频发(邓起东等，1994；张培震等，2003). 龙门山断裂带西侧20 km深度上下的地壳中普遍存在中地壳韧性流变层(王绪本等，2009)，其中赋存大量高温高压状态的地质流体(周永胜，何昌荣，2009)，CO2和CH4等就是其中的重要组分(朱永峰，1998). 大陆科学钻探(Chinese continental scientific drilling，简写为CCSD)、德国大陆钻探(kontinentales tiefborh programm der bundesrepublik deutschl and ，简写为KTB)和汶川地震断裂带科学钻探(Wenchuan fault scientific drilling，简写为WFSD)也都在地壳深部发现了CO2和CH4等流体富存现象(刘舒波等，2012). 地球内部气体不断地通过地震和火山活动以突发或阵发的方式向大气中释放. 断裂为地壳的不连续处，其垂直方向的渗透率高于错断岩石的渗透率，是地壳及更深部气体向上逸出的有利通道(Irwin，Barnes，1980). 2008年汶川MS8.0地震(31.01°N，103.42°E)就发生在四川省西部的龙门山断裂带上. 龙门山断裂带末端的青川县东河口地震遗址公园出现地表蒸汽温度达45℃的温泉以及多处CH4体积分数达66%的天然气逸出，这充分说明汶川地震所导致的地质构造破裂为地下热水和天然气提供了上升通道(王成善等，2009)，震后沿地震地表破裂带逸出的气体释放量也显著增加(Zhou et al，2010).
此外，地下气体还可以弥散的方式缓慢释放，在地层中形成大量的气藏. 位于龙门山造山带东缘和四川盆地西部的川西前陆盆地就是我国重要的致密砂岩含气区(王金琪，2000). 图 1给出了2008年每个季度中间月份CO和CH4总含量的月背景场变化. 可以看出，以龙门山造山带为界，东部四川盆地的CO和CH4总含量呈明显高值，这是由于四川盆地内存在数千米厚的生烃地层和大量高压天然气田(岳中琦，2013)，储存于气田的地下气体不断地以弥散的方式向大气中释放所致. 同时，由于四川盆地也是重要的水稻产区以及油气石油化工和水泥建材基地，故稻田和工业排放的含碳气体不可忽视.
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图 1 2008年2，5，8和11月CO(上)和CH4(下)总含量的月背景场变化Figure 1. Monthly background filed variations of total column CO (upper panels) and total column CH4 (lower panels) in February, May, August and November of 20082.2 汶川地震前后含碳气体地球化学特征
汶川大地震发生前，岩石在构造应力场作用下发生变形、破坏，使得贯穿地表的裂隙增多，深部流体在压力驱动下沿断裂及薄弱地带在岩石圈内迁移、聚集或分散，释放到大气中，形成气体地球化学异常. 同时，随着断层蠕动、摩擦，泥质岩石也会释放出CO2，H2O和CH4(Martinelli，Plescia，2005).
2.2.1 CO2异常特征
图 2给出了2008年2—5月CO2体积混比的月平均值变化和去背景场后CO2体积混比的月平均值变化. 可以看出，2008年3月CO2体积混比(图 2上)和去背景场CO2体积混比的月平均值(图 2下)沿龙门山断裂带在汶川地震震中的SW和NE方向均出现明显的极大值异常，且最大异常出现在震中附近的SW方向，与2008年5月长波辐射涡度变化场异常分布特征(Jing et al，2013)类似. 此外，震中区CO2 体积混比在2005—2007 年(期间无M＞5.0地震)以每年约2×10-6的速率增长，这是由于全球温室效应引起的年变，而在发生汶川地震的2008年，CO2 体积混比突破年变，3，4月份出现高值异常，如图 3所示.
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图 2 2008年2—5月CO2 体积混比(VMR)的月平均值变化(上)和去背景场CO2体积混比的月平均值变化(下)Figure 2. Monthly variations of CO2 VMR (upper panels) and those of the difference between CO2 VMR and its background field (lower panels) from February to May, 2008![]()
图 3 2005—2008年CO2体积混比(VMR)的月平均值变化Figure 3. Monthly variations of CO2 VMR from 2005 to 20082.2.2 CH4异常特征
图 4给出了2008年3—6月去背景场CH4总含量的月平均值变化. 可以看出，5月份去背景场后的月平均CH4总含量高值异常区明显地受到断裂控制，且沿NE向龙门山断裂带和NW向荥经—马边断裂带分布，在两条断裂带交汇处异常幅度最大，这与2013年芦山MS7.0地震前的CH4释放浓度分布特征(王杰等，2013)类似，也与2008年5月长波辐射涡度变化场的异常分布特征(Jing et al，2013)一致. 此外，大气水汽浓度增高异常也明显地受到构造控制(崔丽华，2009). 2010年4月5日发生在墨西哥下加利福尼亚南部的MW7.1 地震前的3月份去背景场后的CO总含量异常也沿圣安德列斯断裂带分布(崔月菊等，2011；Cui et al，2013).
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图 4 2008年3—6月去背景场CH4总含量的月平均值变化Figure 4. Monthly variations of the differences between total column CH4 and the background field from March to June, 2008图 5给出了2008年3—5月去背景场CH4总含量的8天平均值变化. 可以看出，CH4异常同样受到断裂控制，其零星散布于断裂带附近，4月10日CH4异常极大值开始集中，5月12日异常范围达到最大，并在震中附近集中，沿龙门山断裂带NE向异常面积减小，至5月20日异常范围减小，之后异常幅度减弱.
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图 5 2008年3—5月去背景场CH4总含量的8天平均值变化Figure 5. 8-day variations of the differences between total column CH4 and the background field from March to May, 20082.2.3 CO异常特征
图 6给出了2008年3—6月去背景场CO总含量的月平均值变化. 可以看出，汶川地震发生月出现CO异常，且强异常集中在震中附近，弱异常受龙门山断裂带和荥经—马边断裂带控制. 从临震更短尺度(图 7)来看，CO异常从3月9日开始出现，4月10日其异常强度和范围均达到最大，且集中于四川盆地，之后消失；至5月12日汶川地震发生，异常再次出现沿断裂带分布的现象，之后减弱；至5月20日集中在震中位置，5月28日消失. 而对于亮温功率谱而言，4月25日异常明显，且持续至5月底，之后向震中收缩，6月底消失(Zhang et al，2010).
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图 6 2008年3—6月去背景场CO总含量的月平均值变化Figure 6. Monthly variations of the differences between total column CO and the background field from March to June, 2008![]()
图 7 2008年3—5月去背景场CO总含量的8天平均值变化Figure 7. 8-day variations of the differences between total column CO and the background field from March to May, 20083. 讨论与结论
汶川地震导致了大量的含碳气体释放，通过分析这些含碳气体的异常时空分布特征，对不同气体的异常形成机制进行讨论. CH4和CO2异常分布受断裂控制明显，CO2异常出现时间(3月)早于CH4异常(4月)，断裂带为地下气体逸散提供了通道. Martinelli和Plescia(2005)的试验研究表明，石灰质、泥质岩石在压力作用下挤压、摩擦会释放大量CO2和CH4. 无论CO2和CH4源于沿裂隙释放还是由岩石挤压摩擦产生，因断裂带附近裂隙多且摩擦充分，所以CH4和CO2异常分布受断裂控制明显. 另一方面，因为CH4在地球内部的含量比CO2低很多，可由CO2还原生成且易氧化，所以CH4异常迟于CO2出现，且幅度较小. 逸出到大气中的CH4和CO2发生温室效应，引起4月和5月的长波辐射异常(Jing et al，2013). 此外，CO2还原过程中除了产出CH4，还同时产出H2O，因此大气水汽浓度增高异常明显地受到构造控制(崔丽华，2009).
CO主要来源于油气藏和断裂带逸出及CH4氧化，其异常分布于龙门山断裂带和荥经—马边断裂带及四川盆地地区. CO异常沿断裂带分布说明震中附近及沿断裂带向大气中释放了CO，此外沿断裂带释放的CH4在释放过程中由于氧化还原条件的变化发生氧化反应也可生成CO(CH4+4O2→CO+H2+H2O+2O3)，使得CH4异常出现(4月10日，图 5)后一个月(5月12日，图 7)CO异常集中于震中附近且沿断裂带分布. 而龙门山东南部的四川盆地是油气藏丰富的致密砂岩含气区和水稻产区，储藏有大量的CH4天然气，背景值高(图 1). 汶川地震使得CH4弥漫式扩散加快，到大气中被氧化生成CO，导致该地震孕育过程中该区域的CO总含量去掉背景场后仍为高值；CH4被氧化的同时释放热量，引起温度升高. 地球放气温室效应指地下深部释放到大气中的大量CO2，CH4，CO和水汽等温室气体混合作用引起温室效应，这是热红外异常的基本成因机理(Zhang et al，2010). CH4在大气中的温室效应约为CO2的25倍，含有CH4的混合气体在太阳辐射或瞬变电场的作用下可以升温3℃—6℃(强祖基等，1997). 龙门山断裂带东南部含有大量CH4的天然气释放到大气中发生温室效应，使大气温度升高，同时CH4被氧化的过程也是放热的过程. 因此，在龙门山断裂带及其东南区域出现长波辐射涡度场或亮温功率谱的异常.
本文利用卫星高光谱数据对该地区地震前后的含碳气体异常时空分布特征进行了分析，得到以下结论：
1) 地震前后固体地球向大气中释放了大量的CH4，CO2和CO气体，利用卫星高光谱遥感技术可以监测到这些含碳气体的变化. 由于数据分辨率的限制，目前还无法确定可以监测到多大震级地震的异常.
2) CH4和CO2主要来自震中附近及沿断裂带释放，CO除了源于沿断裂带释放和沿断裂带释放的CH4氧化外，还源于四川盆地渗漏的CH4氧化.
本文研究结果可用于地震前兆研究，为地震监测预报提供了新的监测参数和方法，还为地震热红外异常机制“地球放气温室效应”提供了直接参考数据. 气体异常的空间分布特征还说明本研究对断裂带的构造活动研究也有一定的意义，但仅限于大的地震带. 此外，含碳气体CO2，CH4和CO是大气中3种主要的温室气体，其时空变化特征可用于地震引起的地质碳排放研究，为大气碳排放政策的制定提供依据.
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图 1 三种衰减模型峰值加速度在长轴（a）、短轴（b）方向的对比图
Figure 1. Magnitude and distance scaling of the attenuation relationship of PGA for major axis （a） and minor axis （b） given by three models
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