緬甸Ms7.2地震前電離層TEC的異常變化*

祝芙英 吳 云 楊 劍

(1)中國(guó)地震局地震研究所，武漢 430071 2)地殼運(yùn)動(dòng)與地球觀測(cè)實(shí)驗(yàn)室，武漢430071)

緬甸Ms7.2地震前電離層TEC的異常變化*

祝芙英1，2)吳 云1，2)楊 劍1，2)

(1)中國(guó)地震局地震研究所，武漢 430071 2)地殼運(yùn)動(dòng)與地球觀測(cè)實(shí)驗(yàn)室，武漢430071)

基于IGS提供的電離層TEC資料和中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)提供的GPS資料解算的單站VTEC數(shù)據(jù)，采用滑動(dòng)平均處理方法，對(duì)2011年3月24日緬甸7.2級(jí)地震震前的電離層TEC資料進(jìn)行了處理和分析，結(jié)果表明：在震前6～8天，出現(xiàn)電離層TEC異常減小現(xiàn)象，震前3天出現(xiàn)電離層TEC異常增加現(xiàn)象，排除太陽(yáng)活動(dòng)和地磁擾動(dòng)的影響后，3月16日、17日和18日出現(xiàn)的電離層TEC異常減小，特別是在18日出現(xiàn)的異常減小及呈現(xiàn)出的共軛結(jié)構(gòu)，可能與緬甸7.2級(jí)地震有關(guān)。

緬甸地震;總電子含量(TEC);異常變化;共軛結(jié)構(gòu);前兆

1 引言

地震電離層異常的發(fā)現(xiàn)源于 Leonard和Barnes［1］對(duì)美國(guó)阿拉斯加地震的研究，他們發(fā)現(xiàn)孕震區(qū)上空電離層電子密度在震前幾天存在顯著擾動(dòng)，之后，有大批的科研工作者對(duì)地震前電離層的異常擾動(dòng)進(jìn)行了深入研究和探討［2-18］，已有的研究結(jié)果表明：由地震引起的電離層變化的確存在，特別是對(duì)汶川 Ms8.0地震前的電離層擾動(dòng)的研究結(jié)果［19-23］再一次增強(qiáng)了人們對(duì)地震電離層前兆探索的信心。北京時(shí)間2011年3月24日21時(shí)55分13.8秒，緬甸東北部發(fā)生了Ms7.2地震，震源深度20 km，我國(guó)部分地區(qū)有震感。本文基于國(guó)際GNSS服務(wù)組織(IGS)提供的電離層TEC資料和中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)提供的GPS資料解算的單站VTEC數(shù)據(jù)，采用滑動(dòng)平均的方法對(duì)震前電離層TEC資料進(jìn)行了處理和分析。

2 數(shù)據(jù)與方法

電離層總電子含量TEC是表征電離層形態(tài)特征的重要參量，也是研究震前電離層異常的重要參量之一。全球定位系統(tǒng)(GPS)為電離層TEC的監(jiān)測(cè)提供了一種新的有效的技術(shù)手段，利用GPS的雙頻觀測(cè)量可以獲得高精度的電離層TEC值［24］，由于震中附近觀測(cè)資料的限制，本文在研究電離層TEC的二維分布時(shí)，直接采用IGS發(fā)布的最終電離層TEC數(shù)據(jù)，該結(jié)果為利用全球幾百個(gè)臺(tái)站的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，每?jī)尚r(shí)反演生成一張全球電離層TEC地圖，其沿緯度和經(jīng)度方向上的分辨率為2.5°× 5°，該結(jié)果經(jīng)過了一定的數(shù)據(jù)插值和平滑處理，過濾了小的時(shí)空尺度的電離層擾動(dòng)，完全可以作為研究大尺度電離層結(jié)構(gòu)和變化的有效工具。另外，我們還選取距離震中較近的我國(guó)境內(nèi)的昆明、下關(guān)和瀘州跟蹤站的GPS資料解算的高精度、高時(shí)間分辨率的電離層TEC時(shí)間序列進(jìn)行處理和分析。

本文在繪制電離層TEC的二維“異常”分布圖時(shí)取如下映射函數(shù)［18］：

式中：m×n為網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)，K為時(shí)間序列序號(hào)，時(shí)窗長(zhǎng)N取為10，α取為2，當(dāng)TEC值超出下邊界(ˉ-2σ)時(shí)視為異常減小，而超出上邊界(+2σ)時(shí)即視為異常增大。

3 震前電離層TEC異常變化與分析

從2011年2月22日起，對(duì)震前20天全球范圍內(nèi)的電離層TEC格網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理過程中，選取的參考時(shí)刻為6：00 UT，TEC的初始均值μ和初始標(biāo)準(zhǔn)差σ來自于2月22—3月3日連續(xù)10天的數(shù)據(jù)。

結(jié)果顯示在震前的絕大部分時(shí)間，震中上空附近均為綠色，也即電離層TEC沒有出現(xiàn)異常擾動(dòng)現(xiàn)象，電離層TEC的異常擾動(dòng)主要發(fā)生在震前1天及震前6～8天。在震前1天即3月23日，在全球出現(xiàn)了大范圍的TEC異常增加，與之前的地震電離層異常擾動(dòng)特征明顯不符［18-22］，可能與空間環(huán)境的影響有關(guān);在震前6～8天，震中上空附近均出現(xiàn)了電離層TEC的異常減小，作為代表，圖1給出了震前7天(3月17日，圖1(a))和震前6天(3月18日，圖1(b))時(shí)二維電離層TEC的異常常分布情況(橫軸代表經(jīng)度，縱軸為緯度，小紅五角星代表震中的位置)。由圖1可以看出大部分網(wǎng)格點(diǎn)的TEC與正常值的差都在2σ之內(nèi)，即除震中上空附近外，其他大部分區(qū)域的電離層TEC均是正常的，在震前7天，震中正上方及偏西南方有輕微的電離層TEC異常減小現(xiàn)象，震前6天，震中上空偏西北方出現(xiàn)了電離層TEC異常減小趨勢(shì)，其減小的幅度和范圍相對(duì)較大，東西向跨度超過30°、南北向跨度超過10°，而且，在其磁共軛區(qū)域也同時(shí)出現(xiàn)了顯著的異常減小趨勢(shì)，這與汶川Ms8.0地震前6天出現(xiàn)的異常擾動(dòng)非常相似［19］，但在南太平洋上空也出現(xiàn)了一塊區(qū)域表現(xiàn)為異常減小，具體原因有待進(jìn)一步分析。震前5天情況類似于圖1(a)的情況，限于篇幅不逐一列出。為了更加清楚、全面地獲悉此次地震前的電離層TEC的異常變化，我們采用同樣方法對(duì)我國(guó)境內(nèi)距離震中較近的3個(gè)GPS站(昆明、下關(guān)、瀘州)的VTEC時(shí)間序列進(jìn)行處理分析，圖2給出了3月13—24日3個(gè)GPS站的VTEC時(shí)間序列曲線圖(紅線為地震發(fā)生時(shí)刻，橫軸代表日期，縱軸為TEC，紅線和藍(lán)線代表上、下限值，黑線代表VTEC觀測(cè)值)。

從圖2可以看出，昆明、下關(guān)、瀘州3個(gè)GPS跟蹤站的VTEC時(shí)間序列曲線也分別同步地在震前8天(3月16日)、7天(3月17日)、6天(3月18日)出現(xiàn)了超出下界的異常減小，這與圖1的二維TEC異常分布相一致。不同的是在震前3天(3月21日)3站都不同程度地顯示了異常增大的趨勢(shì)，而3月21日的TEC二維分布圖中并沒有異常顯示，分析其原因可能是生成二維網(wǎng)格數(shù)據(jù)時(shí)有一定的平滑作用，壓低了某些局部特性。總體看來，相對(duì)于電離層TEC的二維異常分布，距離震中較近的3個(gè)臺(tái)站的VTEC異常分布情況基本一致，在相同時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了同樣形態(tài)的異常擾動(dòng)。

圖1 震前7天(3月17日)和震前6天(3月18日)全球范圍內(nèi)電離層TEC的異常分布(單位：TECu)Fig.1 Distribution of the ionospheric TEC anomalies above all over the world 7 days(a)and 6 days(b)prior to the earthquake (unit：TECu)

圖2 緬甸地震前昆明、下關(guān)、瀘州GPS站的VTEC時(shí)間序列Fig.2 Time series of ionospheric VTEC right above KUNM，XIAG and LUZH stations prior to the Myanmar earthquake

太陽(yáng)活動(dòng)和磁暴是影響電離層TEC變化的主要因素，據(jù)中國(guó)氣象局國(guó)家空間天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警中心發(fā)布的空間天氣周報(bào)week350和week351的結(jié)果(http：//www.spaceweather.gov.cn/bulletin/week/)顯示：3月13—27日Kp指數(shù)均沒有超過4，沒有磁暴，地磁活動(dòng)總體來說較為平靜，但在3月21日地磁環(huán)境受到擾動(dòng)發(fā)生太陽(yáng)質(zhì)子事件，3月21日出現(xiàn)的電離層TEC異常增加不排除受地磁擾動(dòng)的影響。因此，排除空間環(huán)境因素的影響，震前6～8天出現(xiàn)的電離層TEC異常減小可能與此次地震有關(guān)。

4 結(jié)論

基于IGS提供的電離層TEC資料和中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的GPS資料解算的高精度單站VTEC數(shù)據(jù)，本文采用滑動(dòng)平均的方法對(duì)全球電離層TEC及我國(guó)境內(nèi)的昆明、下關(guān)、瀘州3個(gè)臺(tái)站的VTEC資料進(jìn)行了處理和分析，看到了電離層TEC異常擾動(dòng)現(xiàn)象：即在震前3天(3月21日)電離層TEC出現(xiàn)了異常增大的趨勢(shì)，考慮到空間天氣的影響后，不排除受地磁擾動(dòng)的影響;但在震前6～8天電離層TEC均出現(xiàn)了異常減小的趨勢(shì)，特別是在3月18日震中上空附近出現(xiàn)的電離層TEC異常減少幅度和范圍最大，而且磁共軛區(qū)域同時(shí)也出現(xiàn)了異常減小的趨勢(shì)，排除太陽(yáng)活動(dòng)和地磁擾動(dòng)的影響，基本可認(rèn)為與此次地震有關(guān)。

1 Leonard R S and Barnes R A.Observation of ionospheric disturbances following the Alaska earthquake［J］.Journal of Geophysical Research，1965，70(5)：1 250-1 253.

2 Calais E M.GPS detection of ionospheric VTEC perturbations following the January 17，1994，Northirdge Earthquake［J］.Geophys Res Lett.，1995，22：1 045-1 048.

3 Zaslavski Y，Parrot M and Blance E.Analysis of VTEC measurements above active seismic regions［J］.Phys Earth Planet Int.，1998，105：219-228.

4 Pulinets S A.Strong earthquakes prediction possibility with the help of topside sounding from satellites［J］.Advances in Space Research，1998，21(3)：455-458.

5 杜品仁，蔣和榮，郭兼善.電離層異常能否作為地震前兆的研究［J］.地震，1998，18(2)：119-126.(Du Pinren，Jiang Herong and Guo Jianshan.Research on possibility of iononspheric anomalies as an earthquake pre-cursors［J］.Earthquake，1998，18(2)：119-126)

6 Kim V P and Hegai V V.A possible presage of strong earthquake in the night-time mid-latitude region ionosphere［A］.Atmospheric and ionospheric electromagnetic phenomena associated with earthquakes［C］.Tokyo：Terra Scientific Publishing Company，1999：619-627.

7 Liu J Y，et al.Seismo-ionospheric signatures prior to M≥6.0 Taiwan earthquakes［J］.Geophysic Research Letters，2000，27(19)：3 113-3 116.

8 Silina A S，et al.Seismo-ionospheric phenomena before strong earthquakes［J］.Natural Hazards and Earth System Science，2001，1：113-118.

9 Chuo Y J，et al.The anomalies in the f0Es prior to Ms6.0 Taiwan earthquakes［A］.SeismoElectromagnetic：Lithosphere-atmosphere-ionosphere coupling［C］.Terrapub，2002，309-312.

10 Pulinets S A，et al.Main phenomenological features of ionospheric precursors of strong earthquakes［J］.Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics，2003，65：1 337 -1 347.

11 Pulinets S A.Ionospheric precursors of earthquakes;recent advances in theory and practical applications［J］.TAO，2004，15(3)：413-415.

12 Liu J Y，et al.Pre-earthquake ionospheric anomalies registered by continuous GPS TEC measurements［J］.Annales Geophysicae，2004，22：1 585-1 593.

13 Sorokina V M，Chmyrevb V M and Yaschenko A K.Theoretical model of DC electric field formation in the ionosphere stimulated by seismic activity［J］.Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics，2005，67：1 259-1 268.

14 丁鑒海，索玉成，余素榮.地磁場(chǎng)與電離層異?，F(xiàn)象及其與地震的關(guān)系［J］.空間科學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25(6)：536-542.(Ding Jianhai，Suo Yucheng and Yu Surong.Phenomena of geomagnetic and ionospheric anomalies and their relation to earthquakes［J］.Chin J Space Sci.，2005，25 (6)：536-542)

15 卓裕榮.電離層地震前兆之研究［D］.國(guó)立中央大學(xué)太空科學(xué)研究所，2002，31-33.(Chuo Yurong.A study of seismo-ionospheric precursor［D］.NCU Institute of Space Science，2002，31-33)

16 吳云，喬學(xué)軍，周義炎.利用地基GPS探測(cè)震前電離層TEC異常［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2005，(2)：36-40.(Wu Yun，Qiao Xuejun and Zhou Yiyan.Preseismic ionospheric TEC anomaly detected by ground-based GPS［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2005，(2)：36-40)

17 楊劍，吳云，周義炎.利用GPS無線電掩星數(shù)據(jù)研究震前電離層異常［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2008，(1)：16-22.(Yang Jian，Wu Yun and Zhou Yiyan.Research on seismo-ionospheric anomalies using GPS radio occultation data［J］.Journal Of Geodesy And Geodynamics，2008，(2)：16-22)

18 Zhu Fuying and Wu Yun.Anomalous variations TEC prior to the 2011 Japan Ms9.0 earthquake［J］.Geodesy and Geodynamics，2011，2(3)：8-11.

19 祝芙英，等.汶川地震前電離層VTEC的異常響應(yīng)［J］.地震學(xué)報(bào)，2009，31(2)：180-187.(Zhu Fuying，et al.Anomalous response of ionospheric VTEC before the Wenchuan earthquake［J］.Acta Seismologica Sina，2009，31 (2)：180-187)

20 林劍，等.基于地基GPS資料探測(cè)汶川地震電離層TEC的異常［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2009，52(1)：297-300.(Lin Jian，et al.Wenchuan earthquake lonospheric TEC anomly detected by GPS［J］.Chinese J Geophys.，2009，52(1)：297-300)

21 趙必強(qiáng)，等.震前電離層擾動(dòng)研究進(jìn)展及汶川地震前電離層變化［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2008，26(11)：30-33.(Zhao Biqiang，et al.Recent advances on the ionospheric pre-cursors of earthquakes and ionospheric variations prior to Wenchuan earthquake［J］.Science and Technology Review，2008，26(11)：30-33)

22 Zhou Yiyan，et al.Ionospheric anomalies detected by ground -based GPS before the Mw7.9 Wenchuan earthquake，China［J］.Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial physics，2009，71：959-966.

23 Yu Tao，et al.Study of the ionospheric anomaly before the Wenchuan earthquake［J］.Chinese Science Bulletin，2009，54(6)：1080-1086.

24 Yuan Y B and Ou J K.Preliminary results and analyses of using IGS GPS data to determine global ionospheric TEC［J］.Progress in Natural Science，2003，13(8)：446.

IONOSPHERIC TEC ANOMALIES OBSERVED BEFORE MYANMAR Ms7.2 EARTHQUAKE

Zhu Fuying1，2)，Wu Yun1，2)and Yang Jian1，2)

(1)Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071 2)Crustal Movement Laboratory，Wuhan430071)

On the basis of the Total Electron Content(TEC)obtained from International GNSS Service(IGS) and the VTEC derived from the GPS observation data from the reference stations of Crustal Movement Observational Network of China and using the method of moving average，we have processed and analyzed the ionospheric TEC prior to the Myanmar Ms7.2 earthquake.The results show that the anomalous reduction of TEC occurred on 6-8 day prior to the earthquake and the anomalous increase of TEC occurred on the 3rd day prior to the earthquake may be related to the geomanetic disturbance on Mar.21.Due to the time is close to the occuring moment of the event，it can be concluded that the observed anomalous reduction of ionospheric TEC on Mar.16，17 and 18 and the conjugated structure of the anomalous reduction on Mar.18 is possibly related to the earthquake excluding the effect of solar activity and geomagnetic disturbance.

Myanmar earthquake;Total Electron Content(TEC);anomalous variation;conjugated structure;precursor

1671-5942(2011)05-0005-04

2011-04-07

地震行業(yè)科研專項(xiàng)(201108004);中國(guó)地震局地震研究所所長(zhǎng)基金(IS200916012，IS200926039)

祝芙英，男，1980年生，碩士，從事飛行器定軌及應(yīng)用方面的研究.E-mail：zhufy00@yahoo.com.cn

P228.4

A