汶川地震前羊八井中子-μ子望遠(yuǎn)鏡計(jì)數(shù)率異常

張吉龍 丁鑒海 申旭輝 李 綱 余素榮 王 輝 盧 紅 譚有恒

(1.中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所粒子天體物理中心,北京100049;2.中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)所,北京 100036;3.中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心,北京 100045)

1.引 言

俄羅斯率先通過空間衛(wèi)星觀測(cè)發(fā)現(xiàn)在6級(jí)以上地震前幾小時(shí)高能粒子爆(BURSTS)異?，F(xiàn)象[1],2004年發(fā)射的法國(guó)DEMETER衛(wèi)星的高能粒子探測(cè)器IDP,正是用于監(jiān)測(cè)1MeV高能電子在震前的沉降現(xiàn)象[2]。利用羊八井中子監(jiān)測(cè)器,發(fā)現(xiàn)2001年昆侖山8.1級(jí)地震前4天左右中子記數(shù)率異常擾動(dòng)[3-4],時(shí)間與新疆寬頻帶數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)記錄的異常低頻地脈動(dòng)前驅(qū)波十分吻合[5]。這是首次報(bào)導(dǎo)地震前中子監(jiān)測(cè)器計(jì)數(shù)異常擾動(dòng)現(xiàn)象。羊八井中子-μ子望遠(yuǎn)鏡在2007年底開始運(yùn)行,次年就觀測(cè)到5.12汶川地震期間宇宙線計(jì)數(shù)率異常擾動(dòng)。這是繼羊八井中子監(jiān)測(cè)器觀測(cè)到震前宇宙線異常現(xiàn)象后,利用另一種宇宙線觀測(cè)手段觀測(cè)到的震前宇宙線異?，F(xiàn)象。由于μ子望遠(yuǎn)鏡具有方向信息,所以相對(duì)中子監(jiān)測(cè)器獲得了更多的觀測(cè)信息,并初步顯示了中子-μ子望遠(yuǎn)鏡作為一種新的地震監(jiān)測(cè)儀器的可能性。

2.西藏羊八井宇宙線高能粒子觀測(cè)

2.1 西藏羊八井宇宙線觀測(cè)站

西藏羊八井觀測(cè)站,地處E 90°53′經(jīng)度,N 30°13′緯度,海拔 4300米,為北半球海拔高度最高的宇宙線觀測(cè)站,現(xiàn)有多種宇宙線觀測(cè)設(shè)備正在運(yùn)行。其中,與東京大學(xué)和名古屋大學(xué)合作建造的9 m2中子望遠(yuǎn)鏡,能測(cè)量來自81個(gè)方向、最小能量為240 MeV的中子,數(shù)據(jù)記錄為1次/10秒。屬于覆蓋全球的用中子望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)太陽中子的觀測(cè)網(wǎng)。在第23次太陽活動(dòng)峰年期間,提供了大量有價(jià)值的觀測(cè)結(jié)果[6-7]。另外,與日本理化所合作建造的 28支NM-64型中子監(jiān)測(cè)器,探測(cè)500 MeV～20 GeV能量范圍的宇宙線粒子,同時(shí)采集 1、2、3、4、5、6、7 及8以上多重?cái)?shù)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)記錄為1次/1秒,總計(jì)數(shù)率達(dá)到107/小時(shí)[8]。在全球所有正在運(yùn)行的大約60個(gè)中子監(jiān)測(cè)器中,是總計(jì)數(shù)率最高的中子監(jiān)測(cè)器,是世界公認(rèn)的最重要的中子監(jiān)測(cè)器之一。于2007年11月在羊八井開始運(yùn)行的中子-μ子望遠(yuǎn)鏡,由中方獨(dú)立建成,是目前世界海拔最高的μ子望遠(yuǎn)鏡[9]。中子-μ子望遠(yuǎn)鏡將結(jié)合羊八井現(xiàn)有的中子監(jiān)測(cè)器和中子望遠(yuǎn)鏡,開展對(duì)空間環(huán)境(高能粒子事件、地磁暴等)的監(jiān)測(cè)預(yù)警。羊八井觀測(cè)站經(jīng)由中國(guó)科學(xué)院網(wǎng)絡(luò)中心的8M光纖專線到高能所的數(shù)據(jù)傳輸已聯(lián)通,羊八井中子-μ子復(fù)合望遠(yuǎn)鏡、中子監(jiān)測(cè)器及中子望遠(yuǎn)鏡的全部數(shù)據(jù),已實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖本┲锌圃焊吣芪锢硌芯克?并經(jīng)實(shí)時(shí)處理、實(shí)時(shí)入庫(kù)后實(shí)時(shí)通過網(wǎng)上發(fā)布。數(shù)據(jù)實(shí)施了每小時(shí)的更新,現(xiàn)可提供最近1小時(shí)內(nèi)實(shí)時(shí)的經(jīng)處理后的數(shù)據(jù),并可通過瀏覽器提供實(shí)時(shí)的快視圖[10]。

2.2 羊八井中子-μ子望遠(yuǎn)鏡

圖1 羊八井中子-μ子望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)圖

羊八井中子-μ子望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)由兩部分組成(見圖1)。一是由上下各24個(gè)塑料閃爍探測(cè)器構(gòu)成的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng),上下兩層閃爍探測(cè)器相距130 cm。穿透性極強(qiáng)的μ子可穿過上下兩層探測(cè)器,并將能量沉積在探測(cè)器中產(chǎn)生閃爍光,經(jīng)光電倍增管放大后輸出電脈沖信號(hào)。通過上下探測(cè)器脈沖信號(hào)的符合,可測(cè)定來自77(7×11)個(gè)方向、能量350 MeV以上的宇宙線計(jì)數(shù)。在這兩層閃爍探測(cè)器之間,由8支3He中子計(jì)數(shù)管構(gòu)成的中子監(jiān)測(cè)器,組成一個(gè)獨(dú)立的中子監(jiān)測(cè)器用于記錄宇宙線強(qiáng)度變化,其中用于中子增殖的鉛塊還同時(shí)作為μ子探測(cè)器的一部分過濾其它宇宙線成分。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)行在Linux系統(tǒng)下,所有數(shù)據(jù)都通過串口(R232)向計(jì)算機(jī)傳輸。為了保證系統(tǒng)的時(shí)間準(zhǔn)確性,采用GPS對(duì)計(jì)算機(jī)時(shí)鐘每10分鐘作一次校正。

羊八井μ子-中子復(fù)合望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)傳輸、處理及發(fā)布系統(tǒng)也在Linux操作系統(tǒng)下工作,每天的數(shù)據(jù)分別形成μ子望遠(yuǎn)鏡、中子監(jiān)測(cè)器及閃爍探測(cè)器計(jì)數(shù)器等3個(gè)數(shù)據(jù)文件,數(shù)據(jù)經(jīng)過8M專用光纖從羊八井實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖本┲袊?guó)科學(xué)院高能物理研究所后存儲(chǔ)在服務(wù)器中,再實(shí)時(shí)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后寫入數(shù)據(jù)庫(kù),用戶通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器就可瀏覽最新的快視圖,并可下載相關(guān)的數(shù)據(jù)。傳送周期由后臺(tái)定時(shí)激活程序設(shè)定。后臺(tái)定時(shí)激活程序用Linux系統(tǒng)的crond守護(hù)程序設(shè)置,目前羊八井宇宙線監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)每小時(shí)向北京傳輸1次,根據(jù)今后的需要(如空間天氣預(yù)報(bào)及地震前兆研究等),可實(shí)行每5分鐘甚至每分鐘1次的實(shí)時(shí)傳輸。

3 汶川地震前羊八井中子-μ子望遠(yuǎn)鏡宇宙線異常現(xiàn)象

3.1 中子監(jiān)測(cè)器

在2008年5月12日汶川地震發(fā)生前3天左右,羊八井中子-μ子望遠(yuǎn)鏡其中的中子監(jiān)測(cè)器計(jì)數(shù)率在5月9日出現(xiàn)明顯異常,記數(shù)率發(fā)生顯著降低,圖2所示為1小時(shí)計(jì)數(shù)率的異常情況,其中一條曲線是未經(jīng)過氣壓修正曲線,另一條是經(jīng)過氣壓修正曲線[11],用于分析的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過氣壓修正。圖中經(jīng)過氣壓修正后的結(jié)果出現(xiàn)異常,9日當(dāng)天5時(shí)的計(jì)數(shù)率峰值,相對(duì)前一天(8日)及后一天(10日)5時(shí)的計(jì)數(shù)率所取平均值,計(jì)數(shù)率降低達(dá)到約5.3σ(相當(dāng)于超過無震時(shí)均方誤差的5.3倍)。

圖2 汶川5.12地震期間羊八井“中子-μ子望遠(yuǎn)鏡”中子監(jiān)測(cè)器每小時(shí)記數(shù)率(UT時(shí))

3.2 μ子望遠(yuǎn)鏡

在汶川地震前,羊八井中子-μ子望遠(yuǎn)鏡其中的μ子望遠(yuǎn)鏡計(jì)數(shù)率從5月7～9日打破正常日變形態(tài),出現(xiàn)日變畸變異常。日變化異常出現(xiàn)在各個(gè)方向 ,如垂直(vertical)、偏東天頂角 20°(E20°)及偏西天頂角 20°(W20°)等,直到12 日,震前 10、11 日增高。圖3為6日到13日期間,μ子望遠(yuǎn)鏡垂直方向(vertical)1小時(shí)計(jì)數(shù)率變化情況,標(biāo)注觀測(cè)量粗線為實(shí)驗(yàn)觀測(cè)計(jì)數(shù)率,標(biāo)注背景細(xì)線為實(shí)驗(yàn)背景計(jì)數(shù)率。背景計(jì)數(shù)率取自出現(xiàn)異常(7日)前一天(6日)的計(jì)數(shù)率,再考慮到μ子望遠(yuǎn)鏡計(jì)數(shù)率在1～20日這一期間計(jì)數(shù)率平均,經(jīng)計(jì)算約每天的計(jì)數(shù)率下降1817個(gè)計(jì)數(shù)。

圖3 汶川5.12地震期間羊八井μ子望遠(yuǎn)鏡垂直方向每小時(shí)記數(shù)率(UT時(shí))

根據(jù)圖3給出的背景,可計(jì)算出5.12汶川地震前宇宙線μ子望遠(yuǎn)鏡垂直方向1小時(shí)計(jì)數(shù)率相對(duì)背景的顯著性分布,如圖4所示。從圖4可見,μ子垂直方向計(jì)數(shù)率在8日開始出現(xiàn)異常,每小時(shí)計(jì)數(shù)率減少量達(dá)到5σ。而9日每小時(shí)計(jì)數(shù)率出現(xiàn)顯著增高,顯著性最高達(dá)到12σ,這一異常增高與圖2中的中子監(jiān)測(cè)器計(jì)數(shù)率異常時(shí)間基本一致,區(qū)別是中子監(jiān)測(cè)器計(jì)數(shù)率降低,而 μ子計(jì)數(shù)率是增加。另外,在10日與11日計(jì)數(shù)率亦有顯著增高,但在震前一天計(jì)數(shù)率開始恢復(fù)正常。

圖4 汶川5.12地震期間羊八井μ子望遠(yuǎn)鏡垂直方向每小時(shí)計(jì)數(shù)率偏離背景的顯著性分布(UT時(shí))

4.宇宙線與其它電磁異常時(shí)空分布的一致性

宇宙線汶川地震前5天特別是5月9日出現(xiàn)明顯異常,其它地基—天基電磁觀測(cè)方法也同步出現(xiàn)突出異常,例如5月9日地磁低點(diǎn)位移、利用GPS反演得到的電離層總電子含量(TEC)、電離層測(cè)高儀得到的f o F2和電磁衛(wèi)星監(jiān)測(cè)的粒子密度和溫度等均觀測(cè)到局部電磁擾動(dòng)現(xiàn)象,多數(shù)異常幅度超過50%[12-14]。

4.1 地磁低點(diǎn)位移異常

中國(guó)中部在2008年4月24日出現(xiàn)地磁低點(diǎn)位移基礎(chǔ)上,5月9日再次出現(xiàn)了一條近SN向的低點(diǎn)位移分界線(圖5),分界線的東部,低點(diǎn)時(shí)間在10～12時(shí)左右,而緊鄰分界線的西部,低點(diǎn)時(shí)間為15時(shí),低點(diǎn)時(shí)間東西兩部分相差接近或超過3小時(shí),打破了低點(diǎn)時(shí)間隨經(jīng)度的連續(xù)變化規(guī)律,在鄰近汶川地震西部的臺(tái)站低點(diǎn)時(shí)間為17時(shí),與其東部的臺(tái)站時(shí)間相差近5個(gè)小時(shí)。這次異常出現(xiàn)后僅3天,分界線東部發(fā)生汶川8.0級(jí)地震。

圖 5 2008年5月9日低點(diǎn)位移異常(據(jù)丁鑒海等,2008)

4.2 汶川地震前的空間電磁異常現(xiàn)象

4.2.1 TEC和foF2異常

汶川地震前收集到了瀘州(LUZH)GPS測(cè)點(diǎn)反演得到的TEC觀測(cè)資料(圖6中后三張圖中小方框散點(diǎn)為觀測(cè)值,虛線為上下四分位線,中間細(xì)實(shí)線為中位線),可以看到該測(cè)點(diǎn)TEC總體在1～5日日變幅度比較大,而6、7日日變幅相對(duì)減弱了40%左右,10～12日變化幅度與1～6日相當(dāng)。同時(shí)在這段時(shí)間內(nèi)有兩個(gè)明顯的日變幅增大的現(xiàn)象分別出現(xiàn)在3日和9日,增加幅度接近100%。與Kp指數(shù)等進(jìn)行對(duì)比,3、4日的TEC增加可能與一系列電離層亞暴有關(guān),而9日的快速增加與汶川地震孕育過程對(duì)電離層產(chǎn)生的擾動(dòng)有關(guān)。

分析了重慶和昆明臺(tái)測(cè)高儀的 f o F2資料,與瀘州TEC繪制在同一張圖中(圖6),結(jié)果顯示這兩個(gè)臺(tái)的F2層臨界頻率的變化特征基本與瀘州TEC一致,顯示了3日和9日的快速增加,6～7日幅度減弱的現(xiàn)象,在空間電磁狀態(tài)平穩(wěn)的情況下,6日以后異?，F(xiàn)象應(yīng)該與汶川地震有關(guān)。

圖6 利用GPS和電離層測(cè)高儀得到的TEC和f oF2曲線(據(jù)張學(xué)民等,2009)

4.2.2 電磁衛(wèi)星觀測(cè)的電離層離子擾動(dòng)異常

利用法國(guó)DEMETER衛(wèi)星資料研究發(fā)現(xiàn),離子密度5月7日在北緯30～40°左右出現(xiàn)快速增加的現(xiàn)象,超過70000 cm-3(其它緯度離子密度均在40000～60000 cm-3之間),增加幅度約 50%,異常極為明顯。

利用等離子體分析儀的觀測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)果顯示,2008年5月9日在飛過震中上空的軌道上記錄到離子溫度擾動(dòng)異常,在北緯30～40°N范圍內(nèi),離子溫度最大擾動(dòng)幅度在500 K左右。

5.結(jié)論與討論

1)同其它大震短臨前兆相似,2008年5月12日汶川震前一個(gè)月內(nèi)特別是震前幾天有明顯短臨異常[15]。宇宙線高能粒子異常在震前5天內(nèi)特別是5月9日出現(xiàn)突出異常,與地磁低點(diǎn)位移、電離層等空間電磁異常在時(shí)空分布上有明顯一致性,加強(qiáng)天地一體化立體監(jiān)測(cè)包括天基—地基高能粒子監(jiān)測(cè)對(duì)地震預(yù)報(bào)水平的提高是非常必要的。

2)利用西藏羊八井中子監(jiān)測(cè)器10年的資料,發(fā)現(xiàn)在太陽活動(dòng)、地磁活動(dòng)均平靜的狀態(tài)下,連續(xù)數(shù)天打破正常日變化規(guī)律和計(jì)數(shù)率增高現(xiàn)象(高于5倍均方差),例如2001年11月14日昆侖山口西8.1級(jí)地震、2004年12月26日蘇門答臘8.7級(jí)地震和2005年10月8日巴基斯坦7.8級(jí)等大地震。在這一基礎(chǔ)上,利用在羊八井于2007年新建成的中子-μ子望遠(yuǎn)鏡,研究了在2008年5月12日汶川地震前宇宙線變化情況,發(fā)現(xiàn)中子-μ子復(fù)合望遠(yuǎn)鏡的中子監(jiān)測(cè)器計(jì)數(shù)率及μ子望遠(yuǎn)鏡計(jì)數(shù)率都在震前出現(xiàn)異常。

根據(jù)文獻(xiàn)[5][16],汶川地震及昆侖山地震前3天左右,寬頻帶地震儀均觀測(cè)到低頻顫動(dòng)現(xiàn)象。這樣的低頻顫動(dòng)現(xiàn)象,有可能正是“寂靜地震”的表現(xiàn),即地下板塊相對(duì)極其緩慢的滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的頻率極低的地震波,并認(rèn)為往往是具災(zāi)難性破壞的強(qiáng)地震的先兆[17]。這種低頻顫動(dòng)在沿地表傳播過程中,還同時(shí)有可能進(jìn)入大氣層,形成及巖石圈-大氣層-電離層-磁層多種耦合。根據(jù)能量守恒,地面的波動(dòng),在向上傳播過程中,由于空氣密度逐漸減小,波動(dòng)振幅將得到放大。放大的振幅將對(duì)電離層—大氣層產(chǎn)生較強(qiáng)的擾動(dòng),也使電離層等離子體參數(shù)以及大氣壓強(qiáng)、溫度受到擾動(dòng),入射地球宇宙線高能粒子在穿過電離層—大氣層時(shí)受到干擾而產(chǎn)生異常。中子氣象效應(yīng)主要是較容易處理的氣壓效應(yīng)[18],如在羊八井高度的中子-μ子復(fù)合望遠(yuǎn)鏡的中子監(jiān)測(cè)器,大氣壓升高1 hPa,則中子強(qiáng)度將減少約1%。對(duì)于9日5時(shí)的中子監(jiān)測(cè)器峰值,相對(duì)前后兩天5時(shí)的計(jì)數(shù)率平均值,減少了約0.5%,相當(dāng)于大氣壓強(qiáng)變化了約0.5 hPa的等效結(jié)果。μ子的氣壓效應(yīng)相對(duì)中子較小,但是μ子還有較復(fù)雜的、明顯的溫度效應(yīng),對(duì)于不同能量μ子,溫度效應(yīng)可能是正效應(yīng)或負(fù)效應(yīng),μ子計(jì)數(shù)率的變化由氣壓和溫度效應(yīng)共同決定,所以汶川地震期間μ子計(jì)數(shù)率變化與中子不一致是可以理解的。

3)宇宙線高能粒子作為聯(lián)系日地空間一種媒介,在異常響應(yīng)過程中起到了有效傳遞和耦合作用。中子-μ子望遠(yuǎn)鏡監(jiān)測(cè)的宇宙線高能粒子來自于地球外,當(dāng)這些高能粒子穿過地球外層空間到達(dá)地面探測(cè)器的過程中,將與地球的磁層、電離層及近地空間的大氣層作用,地球各層在震前受到的影響,都可能通過高能粒子反映出來,高能粒子進(jìn)入地球的行進(jìn)路程中受各種影響產(chǎn)生的累積,可能產(chǎn)生較明顯、較容易探測(cè)到的震前高能粒子異常。相對(duì)于衛(wèi)星所載高能粒子探測(cè)器僅探測(cè)受到電離層這一局部影響高能粒子導(dǎo)致的異常,地面的中子-μ子望遠(yuǎn)鏡可能對(duì)震前的異常更靈敏些。所以,將中子-μ子復(fù)合望遠(yuǎn)鏡作為一種新的地震前兆觀測(cè)手段,可能有較好的開發(fā)應(yīng)用前景。

4)提取高能粒子震前異常需排除正常背景場(chǎng)的變化和氣象、強(qiáng)磁擾等非震異常的干擾。羊八井觀測(cè)到的大多為震前1至幾天的異?，F(xiàn)象,比較容易與如雷電等自然現(xiàn)象引發(fā)的時(shí)、分、秒級(jí)宇宙線短暫異常區(qū)分。氣象變化(如臺(tái)風(fēng))也可引起大氣波動(dòng)而被寬頻帶數(shù)字地震儀記錄并誤認(rèn)為地震前兆,應(yīng)注意排除氣象因素影響。由于伴隨太陽活動(dòng)引起的地磁場(chǎng)擾動(dòng)對(duì)宇宙線的影響,在Kp＞3級(jí)|Dst|＞50時(shí)要特別注意消除干擾。汶川地震期間,太陽活動(dòng)平靜,可以排除太陽活動(dòng)的影響。

羊八井多種宇宙線觀測(cè)設(shè)備、結(jié)合地震前兆臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù),開展天地一體化地震預(yù)測(cè)綜合研究是最有效的震前異常判別方法。羊八井中子-μ子望遠(yuǎn)鏡同一臺(tái)儀器包括了對(duì)中子及μ子兩種不同宇宙線高能粒子的探測(cè)手段,兩種探測(cè)手段相互印證,可加強(qiáng)觀測(cè)結(jié)果的可信度。對(duì)汶川地震的震前異常觀測(cè),正是由同一臺(tái)儀器復(fù)合觀測(cè)到中子及μ子計(jì)數(shù)率異?，F(xiàn)象,而且與其它天基—地基電磁觀測(cè)結(jié)果一致,說明觀測(cè)結(jié)果屬于隨機(jī)漲落的可能性非常小。

5)羊八井位于多地震的青藏高原,2001年昆侖山8級(jí)地震、2005年巴基斯坦 7.8級(jí)地震、2008年汶川8級(jí)地震均發(fā)生在距離羊八井1000千米左右范圍。利用羊八井中子-μ子望遠(yuǎn)鏡及中子監(jiān)測(cè)器,繼續(xù)監(jiān)測(cè)地震前中子及μ子計(jì)數(shù)率異常擾動(dòng)現(xiàn)象,并結(jié)合衛(wèi)星的高能粒子探測(cè)器數(shù)據(jù)搜索高能電子在震前的沉降現(xiàn)象,綜合開展天地結(jié)合的地震前高能粒子異?，F(xiàn)象,是研究巖石圈—大氣層—電離層(磁層)耦合的重要組成部分,也有利于進(jìn)一步加深對(duì)地震電磁前兆及其機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

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