地震地质

第46卷第2期目次

2024, 46(2): 0-0.

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水热条件下蛇纹石矿物的摩擦特性

刘世民, 张雷, 何昌荣

2024, 46(2): 235-250. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.02.001

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蛇纹石矿物大量存在于俯冲带中, 其独特的物理化学性质会对俯冲带动力学产生显著影响。开展蛇纹石矿物的摩擦实验研究有助于理解俯冲带中含蛇纹石断层的摩擦滑动稳定性及解释俯冲带断层的复杂错动行为。目前, 实验室对于蛇纹石矿物的研究已取得了很多成果。文中基于前人的研究工作, 对以下2个方面进行了综述: 1)蛇纹石矿物的稳定赋存状态及蛇纹石矿物之间的相互转换关系; 2)控制蛇纹石矿物摩擦强度及滑动稳定性的因素, 主要包括温度、孔隙流体及有效正应力的大小。研究表明, 温度的升高可显著增大纤蛇纹石和利蛇纹石的摩擦强度。但对于叶蛇纹石而言, 在较低的流体压力条件下, 其摩擦强度表现出温度强化特征, 而在较高的流体压力条件下却表现出温度弱化特征。蛇纹石矿物的摩擦强度均表现出显著的压力依赖性, 其中纤蛇纹石的摩擦强度表现出更高的压力敏感性。在俯冲带地幔楔条件下叶蛇纹石可大量赋存。前人研究发现叶蛇纹石在较低的流体压力条件下随着温度升高会发生脱水反应, 进而表现出不稳定的速度弱化现象; 而在高压流体条件下, 叶蛇纹石在低剪切变形速率下会表现出速度弱化现象, 叶蛇纹石的摩擦滑动稳定性随剪切滑移速率的变化能够更好地解释俯冲带慢滑移现象。

陡坎地貌定年理论及其在活动构造与地貌学研究中的应用

庞桢辉, 徐皓婷, 石许华, 葛进, 李丰

2024, 46(2): 251-276. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.02.002

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陡坎是构造活动、气候变化和侵蚀过程所产生的一种地貌现象。对陡坎中蕴含的地质信息进行解译, 一方面可定量分析其地貌演变过程、重建相应地区的构造演化过程以及相关的地壳运动学过程及动力机制; 另一方面也可了解地貌演化过程中构造、侵蚀与气候三者之间的互馈关系。然而, 在地质条件欠佳的区域(无良好定年沉积物或人员无法到达), 通常难以获得陡坎形成的年代。陡坎地貌定年很好地弥补了研究区的史料记载以及传统测年方法(如放射性碳同位素法、释光法和宇宙成因核素测年等)难以获得测年样品的不足。陡坎地貌定年的理论基础为“陡坎演化在稳定的侵蚀退化阶段可以通过坡面演化模型进行模拟”。不同坡面演化模型的提出及发展对研究构造活动、气候变化与地表剥蚀过程等有着重要意义。文中系统总结了陡坎定年理论及其数学模型, 同时介绍了发育于不同地貌类型(活动断层、河流及海岸阶地、冲积扇、地外行星等)下的陡坎研究进展, 并以帕米尔东北缘正断层陡坎地貌定年为研究实例, 进一步探论并展望了陡坎地貌定年在构造地貌学领域的发展方向。

深度学习在活动构造与地貌研究中的应用

刘鑫, 王诗柔, 石许华, 苏程, 鲁晨妍, 钱晓园, 孙侨阳, 邓洪旦, 杨蓉, 程晓敢

2024, 46(2): 277-296. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.02.003

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活动构造与地貌学主要涉及活动构造的运动学、地貌的演化过程及其相关动力机制, 该研究方向是近几十年来地球系统科学交叉研究的热点之一。随着大数据与机器学习研究的发展, 活动构造与地貌学的研究和深度学习的结合已成为该领域中受到广泛关注的新兴研究方向, 并产出了大量优秀成果。文中总结并综述了现今深度学习在活动构造与地貌研究中的数据来源, 以及利用深度学习的方法定量化解决活动构造与地貌中的重要科学问题(包括冰川识别、火山活动与地貌、水系分析、滑坡监测和地表形变等)。基于对上述实例的探索, 文中运用深度学习中的卷积神经网络, 对华南东南部福建地区的花岗岩岩石构造裂缝开展了基于高精度无人机航拍影像的深度学习自动识别。所搭建的卷积网络模型在55min的运行时间内自动识别出人工需消耗近一周才可识别的9 000余条裂缝, 并获得了85%的查准率与89%的查全率, 表明该模型在准确识别构造裂缝的同时显著提升了工作效率。文中最后讨论并展望了未来深度学习方法在活动构造与地貌学领域的发展前景。

几种特殊火山碎屑岩的形成机制及研究意义

魏海泉, 陈正全, 刘永顺, 白志达

2024, 46(2): 297-311. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.02.004

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火山碎屑岩是火山物理学研究的最直接对象, 也是鉴别碎屑化过程最重要的研究对象。一些特殊类型的火山碎屑岩及相关岩石往往可以反映出某些特征的火山岩浆作用过程, 这正是甄别不同类型火山灾害发生概率的基本依据。火山灾害是与火山和火山喷发有关的灾害, 它是人类在自然界面临的最重要的灾害类型之一。火山灾害与火山喷发类型直接相关, 其中的爆破性火山喷发则可以形成最为致命的强烈火山灾害。爆破性火山喷发的直接产物是形成各式各样的火山碎屑岩, 它们代表了喷发过程所带来的不同类型与强度的火山灾害。原生火山碎屑与次生碎屑反映了火山喷发期与喷发间歇期火山表面过程的差异, 而岩浆喷发、射汽岩浆喷发和射汽喷发堆积物的鉴定则标志了现代火山学研究的系统性深化, 它们是从事火山灾害研究的先导性工作。细粒空降火山灰在水盆地里保存的火山灰纹层因其良好的等时面与环境指示意义而受到人们的重视, 与其伴生的岩石则可能需要区分层凝灰岩、沉凝灰岩、凝灰质泥岩等各种不同火山沉积作用类型。熔岩流动碎屑化产生的自碎角砾岩和熔岩流水下淬火形成的碎玻熔岩代表了与熔岩流直接相关的碎屑化, 而不是与爆破性火山作用相关的碎屑化。通常把它们划归为原生火山作用碎屑, 但其灾害意义却完全不同。不同类型的火山碎屑岩形成于不同的碎屑化机理与成岩方式, 其中一些特定的火山碎屑岩更是代表了极为特殊的火山灾害类型与规模。对于隐爆角砾岩, 尽管它是一种火山碎屑岩的岩石名称, 但其实我们更关心它的资源经济学意义。

西昆仑碰撞后钾质火山岩岩浆作用过程——以普鲁和康西瓦火山群为例

丁冉, 栾鹏, 于红梅, 魏费翔, 赵波, 杨文健, 许建东

2024, 46(2): 312-335. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.02.005

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西昆仑处于青藏高原西北缘, 该地区岩浆活动强烈, 形成了多个大小、规模不等的碰撞后钾质火山岩群, 但这些钾质火山岩的岩浆作用过程依然不清晰。为了研究西昆仑地区的岩浆作用过程, 文中选取了该区域的普鲁和康西瓦火山群作为研究对象, 对其火山岩进行了全岩主量元素含量、斑晶结构和成分分析, 以及晶体大小分布(CSD)和岩浆结晶温压条件研究。结果表明, 尽管两地的岩浆具有相似的源区, 但这2个火山群的岩石类型和矿物组成存在显著差异。普鲁火山岩为一套粗安岩和玄武粗安岩的组合, 斑晶由斜长石、橄榄石、单斜辉石和少量斜方辉石构成; 康西瓦火山岩主要为响岩质碱玄岩, 斑晶矿物为单斜辉石、黑云母和少量橄榄石及斜长石。结合斑晶结构、环带成分和CSD曲线形态分析认为, 普鲁火山岩经历了不同演化程度的岩浆混合; 而康西瓦火山岩仅发生了岩浆自混, 且减压造成了斑晶的大量熔蚀。矿物-熔体平衡温压计计算表明, 普鲁火山岩的平衡温度为1 036~1 218℃, 平衡压力为5.1~9.9kbar, 对应的深度为19.4~37.3km; 康西瓦火山岩的平衡温度为1 154~1 282℃, 平衡压力为1.2~11.6kbar, 对应深度为4.3~43.7km。康西瓦地区的平衡压力变化范围较大, 可能与所处的断裂带有关。文中定量化研究了西昆仑地区的后碰撞钾质火山岩的岩浆作用过程, 补充了以往对该区域火山岩中斑晶CSD的研究, 揭示了岩浆在地壳岩浆储库内的运移和演化过程, 为青藏高原西北缘及其周边地区的火山活动研究提供了重要信息。

大同火山群及邻区中小地震重定位

许永强, 雷建设

2024, 46(2): 336-356. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.02.006

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文中基于中国地震台网中心在大同火山群及周边地区记录到的2008年1月—2023年1月期间3 218个地震的到时资料, 采用双差地震重定位法开展了重新定位研究, 获得了2 447个事件的重定位结果。结果显示, 地震大多发生在16km深度以浅处, 集中分布于断陷盆地内及盆地边界的断裂带附近, 整体走向NE-SW, 与区域活动构造的活动断裂及其控制的地堑、半地堑型断陷盆地的走向较为一致。这些地震 E-W 向、 S-N 向、垂直向的平均定位误差约为0.21km、 0.22km、 0.30km, 平均均方根残差为0.14s。口泉断裂带附近的地震分布由南部的较深、较集中变化为北部的较浅、较分散, 可能与矿山开采活动有关。大同-阳高地震震源区的地震多集中在与大王村断裂平行的东侧隐伏断层的3~16km深度处, 该隐伏断层与团堡断裂和六棱山山前断裂交会, 可能与大同-阳高地震的余震活动有关。火山区内部的地震活动并不强烈。结合该区域新的背景噪声层析成像结果分析发现, 大多数地震发生在低速异常边界, 可能暗示了这些地震的发生与热物质上涌所携带的流体上升至地壳深度, 进而降低断面有效正应力密切相关。

基岩断层面黏滑和蠕滑时岩石表层光释光信号模拟

罗明, 陈杰, 覃金堂, 尹金辉, 杨会丽, 刘进峰, 龚志军

2024, 46(2): 357-370. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.02.007

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重建断层的黏滑(seismic slp)和蠕滑(creep)历史对于更好地了解断层活动和地震危险性评估至关重要。近年来, 利用大地测量技术研究活动断层的蠕滑和黏滑过程成为一个研究热点。然而, 在地质历史时期(如百年尺度以上), 如何判断活动断层的滑动方式(黏滑或蠕滑), 并获取其滑动速率仍然是一项挑战。文中基于近十年来发展的岩石表层光释光测年方法, 结合内蒙古狼山断裂花岗岩样品的光释光晒退参数进行理论模拟, 得到了基岩正断层发生黏滑、蠕滑和崩积楔侵蚀等情形的光释光晒退模型。模拟结果表明, 该方法能够有效区分断层的黏滑和蠕滑, 获得相应的活动期次和位移量, 并且有潜力记录崩积楔侵蚀。文中还分析了该方法区分断层活动方式、期次的时间分辨率和获得位移量的空间分辨率。

川滇菱形块体东边界震源机制与应力场特征

郭祥云, 房立华, 韩立波, 李振月, 李春来, 苏珊

2024, 46(2): 371-396. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.02.008

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文中利用四川、云南、重庆、青海、甘肃地震台网以及西昌密集台阵和巧家密集台阵的数字地震波形资料, 采用CAP全波形反演方法及HASH初动极性和振幅比方法, 获得了川滇菱形块体东边界区域3 951组M_L≥1.0地震的震源机制。进而基于以上震源机制, 采用阻尼区域应力场反演算法(MSTASI)和Vavryčuk的迭代联合反演方法获得了研究区的构造应力场分布特征、主要活动断裂的应力性质和摩擦系数。结果显示, 研究区震源机制P轴、 T轴以及最大主应力轴 $σ 1$ 和最小主应力轴 $σ 3$ 总体上倾角较小, 揭示了近水平的挤压或剪切应力环境。σ₁以NW-SE和NWW-SEE向为主, 从北到南有顺时针旋转的趋势, 应力性质以走滑型为主, 局部兼有逆冲型和拉张型, 整体分布特征与区内走滑型边界断裂活动性质一致。R值具有明显的空间差异, 鲜水河断裂-龙门山断裂-安宁河断裂交会地区R值相对较高, 有明显的挤压特征; 鲜水河断裂带、安宁河断裂带北段和小江断裂带的R值均在0.25~0.5之间, 表现为NE-SW向挤压和NW-SE向拉张, 拉张应力可能远小于挤压应力; 大凉山断裂带北段和则木河断裂带的R值均在0.5~1之间, 表现为NW-SE向压缩和NE-SW向拉张, 且挤压应力大于拉张应力。研究区域主要断裂的摩擦系数也有差异: 安宁河断裂带和大凉山断裂带北段的摩擦系数相对较低, 在0.75以下, 鲜水河断裂带、则木河断裂带及大凉山断裂带南段的摩擦系数偏高, 在0.80以上。川滇菱形块体东边界活动断裂带上的构造应力相对较高, 尤其是鲜水河断裂带和小江断裂带的应力更高, 需要关注其地震危险性。

基于地震和InSAR联合反演2018年M_L5.7兴文地震破裂过程

缪思钰, 张海江, 古宁, 李俊伦, 谭玉阳, 华思博, 张勇

2024, 46(2): 397-413. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.02.009

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2018年12月16日发生的M_L5.7兴文地震很可能是由页岩气水力压裂所诱发, 确定此类震级较大的诱发地震的震源破裂过程具有重要意义。文中利用近震数据和InSAR数据联合反演, 获得了兴文地震的破裂过程。与单独使用地震数据或InSAR数据进行反演相比, 联合反演得到的地震破裂过程可同时拟合2种类型数据, 因此具有更高的时空分辨率。联合反演结果显示该地震为典型的单侧破裂, 破裂方向近N向。破裂过程的持续时间为6s, 能量释放主要集中在前5s, 呈分段式破裂。主震破裂过程分为2个阶段: 沿着断裂的走向, 紧挨着震中的0~5km范围内为破裂的第1阶段(1~3s); 距震中6~8km处为破裂的第2阶段(3~5s)。同震滑移主要集中在5km以浅的区域, 峰值滑移约为0.27m, 这可以解释为何M_L5.7兴文地震造成了较为严重的破坏。结合前震和余震分布可以看出, 前震主要集中在滑移区的东部, 说明该区域在主震发生之前就已发生破裂, 意味着该区域可能存在注入的流体。余震主要分布在滑移区周围, 是由主震破裂后的余滑引起的。对比单独反演结果, 联合反演克服了台站分布不均匀的影响, 提高了破裂分布的分辨率, 所得结果更加符合真实物理过程。文中联合反演得到的破裂模型为进一步研究诱发地震机理、地震灾害评估和震后防灾减灾奠定了基础。

基于震源机制和地震定位研究2022年山西古交M_L4.1地震的发震构造

董春丽, 张广伟, 李欣蔚, 王跃杰, 丁大业, 宫卓宏

2024, 46(2): 414-432. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.02.010

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2022年2月20日山西太原古交市发生了M_L4.1地震, 古交及周边县市震感强烈。此次地震的震中位于历史地震相对稀少、煤矿资源丰富的吕梁隆起区, 其发震断裂尚不明确。为了更好地认识这次地震的发震构造, 文中利用山西省测震台网的近震波形资料反演了地震的震源机制解, 并获得最佳矩心深度。反演结果显示, 古交地震是一次左旋走滑型地震事件, 矩震级为 M_W3.96, 最佳双力偶解为: 节面Ⅰ, 走向90°、倾角86°、滑动角-19°; 节面Ⅱ, 走向182°、倾角70°、滑动角-175°; 最佳矩心深度为3km, 属于极浅源地震。地震序列重定位结果显示震中的优势展布方向近EW, 与区域内断层基本为NE走向的分布格局差异显著。利用聚类分析方法得到古交地震的发震断层面中心解, 结果显示断层的走向为91°, 倾角为70°。另外, 古交地震序列的应力降显著偏小, 低于同区域背景地震至少1个数量级。结合实地调研的矿区生产情况和区域地质构造, 认为古交地震序列的发震机制可能与震源区附近的煤田开采活动有关, 开采活动致使局部应力改变, 从而导致先存隐伏断层活化, 进而触发此次地震。

平原M5.5地震土壤气地球化学特征及成因

苏淑娟, 陈其峰, 孙豪, 刘军, 冯梁乐, 徐继龙, 杨彦明, 雒昆利

2024, 46(2): 433-448. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.02.011

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2023年8月6日2时33分, 山东省德州市平原县发生M5.5地震。文中跨震中布设4条长30km的勘测线, 现场测量了土壤气Rn、 CO₂和Hg浓度。结果表明: 1)土壤气浓度表现出明显的空间差异, 震中区与4条测线的东、西两端气体浓度相对较高。2)土壤气浓度的空间分布特征在震中及其东部地区相似, 但在震中西部差异较大, 在西部旧城断裂(F₃)附近, Rn和CO₂的浓度高于震中区, 推测应与地震活动和F₃控制的鼻状构造有关。3)Rn、 CO₂和Hg的浓度在陵县-冠县断裂(F₁)和F₃附近出现高值异常, 余震自F₁向F₃发展, 结合地质与地球物理研究资料推断, 平原M5.5地震应与F₁和F₃共同作用有关。以上结果表明, 气体地球化学方法能较好地指示隐伏断层的位置与展布方向。

岩石圈磁场与地质构造和地震活动性之间的关系——以漾濞地震为例

陈政宇, 倪喆, 周思远, 金云华, 杨薪俊

2024, 46(2): 449-461. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.02.012

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文中利用2018—2021年漾濞及周边地区的地磁矢量数据, 构建了5期岩石圈磁场曲面样条模型, 并计算得到相邻期的岩石圈磁场变化。在此基础上, 分析了岩石圈磁场的空间分布与区域地质构造和历史地震震中的对应关系, 并针对漾濞 M_S6.4 地震, 研究了磁偏角和地磁总强度在震前、震后的磁场变化特征。研究发现: 岩石圈磁场的空间展布能够反映地壳块体构造特征和主要断裂走向, 同时也与地震活动的分布存在相关性。通过对比分析历史地震的震中分布发现, 地震多发生在弱磁区, 尤其是磁异常零值区附近, 且地震震中分布偏向于高梯度带上。漾濞 M_S6.4 地震发生前后, 震中附近的岩石圈磁场发生显著变化, 震前、震中持续位于磁偏角负变化区, 震后则位于正变化区, 且震中位于震前一年磁偏角变化的零变线附近; 震前研究区内相邻期地磁总强度的正负变化大致均衡, 随后逐渐演变为整个研究区均呈负值, 而地震后研究区又恢复了正负变化大致均衡的分布。

基于三维剩余密度结构的松原地震成因

刘文玉, 程正璞, 年秀清, 陈闫, 胡钰铃, 覃祖建, 邵明正

2024, 46(2): 462-476. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.02.013

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自2006年以来松原市乾安县与宁江区地震频发, 成为东北地震活动最为频繁的区域, 目前对两地的发震构造和地震成因的认识存在严重分歧, 制约了地震危险性评价与预防工作的开展。文中通过对区域重力数据进行非线性共轭梯度聚焦反演, 获得了松原震区的三维剩余密度结构, 结合石油井震资料, 获得了如下认识: 1)研究区的剩余密度异常呈高低相间的带状分布, 南部异常走向为NNW, 北部异常转变为NNE向, 该特征反映出乾安震区和宁江震区的深部孕震环境不同, 前者震源位于查干花高密度异常体内及其边缘, 后者震源位于松原低密度异常带中部, 指示两地震源位置的岩性不同; 2)两者的发震构造不相同, 前者受控于查干花断裂和乾安断裂, 后者受控于松原断裂和扶余北断裂; 3)地震的形成与区域应力, 基底结构, 深部气、流体运移和长期油气开采等因素有关。长期注水采油破坏了地质结构和应力环境, 可能是重要的地震诱发因素。

2018年9月8日墨江5.9级地震云南普洱大寨流体异常特征及机理

胡小静, 付虹, 张翔, 李利波, 黄江培, 李琼, 高文斐

2024, 46(2): 477-491. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.02.014

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文中梳理了2004年以来普洱大寨井连续观测的水化学离子和井-含水层渗透性异常特征。研究发现, 在观测井周边250km范围内5.5级以上地震发生前, 多次出现过可重复、可类比的异常变化, 对地震具有较好的异常指示和预测意义。但相比以往震例, 墨江5.9级地震发生前, 无论是化学离子还是物理参数均出现了观测以来幅度最大的变化, 异常状态较以往强烈很多, 但发震的震级只有5.9级。为了研究这一现象产生的原因和机理, 文中尝试从区域深部物质活动和区域应力水平2个方面对墨江5.9级地震前的异常演化过程开展讨论, 得到以下认识: 墨江5.9级地震前, 流体异常整体呈现出较为显著的从深部到浅部、从背景到短期微观异常再到临震宏观异常的演化过程; 墨江5.9级地震前, 普洱大寨连续观测的水化学离子浓度异常和井-含水层渗透性的改变是由于区域内垂向剪切应力持续增强引起的含水层受挤压, 从而形成了垂向的流体补给, 最终引起不同含水层水体发生交替混合而产生的结果; 本次异常形成初期还伴随深部物质剧烈活动的现象, 较为显著的由深部到浅部的耦合作用过程可能是导致墨江5.9级地震前出现自观测以来地下流体异常幅度最显著的原因。因此, 流体活动从深部开始, 随着区域应力不断积累, 不断向地表传递的演变过程是墨江5.9级地震前流体异常演化的本质特征; 区域应力的作用方式和深部物质活动程度不同, 是引起墨江5.9级地震前异常特征与研究区其他历史震例前明显不同的根本原因。文中研究为全面认识普洱大寨井地下流体异常的预测意义和地震前流体异常的深浅耦合演化过程提供了一定参考。

基于GPR-LSTM的地震热红外背景场的构建方法

宋冬梅, 张曼玉, 单新建, 崔建勇, 王斌

2024, 46(2): 492-511. DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2024.02.015

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地震监测是一项非常重要且具有挑战性的任务, 遥感技术的不断发展加强了在宏观尺度上对地球表面的监测能力。研究表明, 地震前通常都会出现地表温度异常升高的现象, 因此各种异常提取算法被应用于地震热异常研究中。其中, 基于背景场的提取方法由于具有较强的机理解释性而受到广泛应用。然而, 以往基于背景场的异常提取方法更多将背景场限定于某一固定阈值, 忽略了受外界因素(非震)影响导致的地表温度的小范围正常波动。据此, 文中提出了一种基于GPR-LSTM的地震热红外背景场的构建方法。该方法包括两大部分: 震期年变基准场的建立、实际LST的残差波动范围计算及背景场的构建。基于MODIS地表温度产品, 以2008年四川汶川和新疆于田地震为研究对象, 使用所述方法对地震前兆热异常信息进行提取与分析, 经过实验得出以下结论: 1)地震热异常通常沿青藏高原的断层分布, 这不仅证明了文中方法能够减弱地表温度数据中噪声的干扰, 同时也证明该方法在热异常信息提取方面的有效性; 2)地震年份的构造活动比非地震年份更加活跃, 导致地表温度的异常增温更加明显; 3)不同地震案例震前的热异常时空特征各不相同。

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