中國大陸14次強震前電離層異常統(tǒng)計分析

徐 彤 胡艷莉 吳 健 李春斌吳振森 索玉成 馮 健

（1.中國電波傳播研究所 電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點實驗室，山東 青島266107；2.西安電子科技大學(xué)，陜西 西安710071）

引 言

2008年5月12日汶川發(fā)生的8.0級大地震給人類的生命和財產(chǎn)造成了重大損失，觀測事實表明：汶川地震前電離層發(fā)生了異常明顯的擾動，很多學(xué)者利用不同類型的電離層測量數(shù)據(jù)對汶川地震前電離層異常進行了報道［1－5］。

實際上地震電離層異常的研究始于20世紀60年代中期，Barnes等［6］在1964年阿拉斯加大地震時，發(fā)現(xiàn)電離層出現(xiàn)異常擾動現(xiàn)象，而此次的分析似乎是第一次發(fā)現(xiàn)電離層的異常擾動與地震兩者之間存在著某種關(guān)聯(lián)。之后全球大量的研究者開始對地震電離層擾動進行統(tǒng)計研究，試圖找出震前電離層擾動的規(guī)律。Furumoto等［7］發(fā)現(xiàn)1969年的Kurile島地震前電離層也出現(xiàn)類似的異常擾動現(xiàn)象。臺灣中央大學(xué)以劉正彥教授為首的研究團隊［8－10］所做的地震電離層擾動統(tǒng)計工作最具代表性。他們對臺灣地震面波震級Ms≥5.0級上百次地震進行了統(tǒng)計分析，得出了許多重要的統(tǒng)計規(guī)律。Dabas等［11］對低緯地區(qū)數(shù)次大地震進行了電離層擾動分析。Singh等人［12］對2006年9月到2007年11月印度43次5.0級以上地震進行了電離層變化統(tǒng)計分析。然而這些結(jié)論不盡一致。由于樣本貧乏，地震電離層擾動的統(tǒng)計規(guī)律仍然沒有定論。

目前俄羅斯、印度、日本、美國、墨西哥、保加利亞、法國、中國臺灣等多個國家和地區(qū)開展了地震電離層異常擾動研究［13－16］。法國和俄羅斯分別于2004年、2006年發(fā)射了DEMETER和COMPASS－2地震衛(wèi)星，進行地震電離層異常擾動監(jiān)測。

2005年，中國以國家863項目為標志，正式開始地震電磁衛(wèi)星的研究工作，并制訂了相應(yīng)發(fā)展計劃，目前該工作正在進行中，地震電離層擾動研究越來越受到重視。

我國從20世紀40年代開始建立電離層垂測站，目前中國電波傳播研究所已經(jīng)建立了遍及我國中低緯地區(qū)13個電離層垂測站（各站分布如圖1所示），積累了數(shù)個太陽周的電離層觀測數(shù)據(jù)。

我們對汶川地震前電離層垂測參數(shù)進行了詳細分析，發(fā)現(xiàn)電離層F2層臨界頻率foF2震前響應(yīng)最為明顯［17－19］。本文利用我國電離層觀測數(shù)據(jù)，對1960年以來，中國大陸地區(qū)14次Ms≥7.0級大地震前電離層foF2進行了統(tǒng)計分析，希望借此形成7級以上大地震電離層擾動的一般規(guī)律，并初步得到了一些有意義的結(jié)論。

圖1 我國電離層垂測站分布

1.震例及分析方法

本文選擇了我國大陸地區(qū)發(fā)生的部分7級以上地震，共14次。表1列出了這些地震的發(fā)生時間、地域、震級等信息。

表1 60年代至今發(fā)生在中國的Ms≥7.0級地震

分析方法為四分位數(shù)法［10，17，20］，即 利用震 中附近電離層觀測站foF2數(shù)據(jù)，確定震前15天以及地震當(dāng)天電離層foF2的上下邊界，然后將觀測值與其進行比較以確定是否發(fā)生電離層異常擾動。由于電離層foF2的變化很復(fù)雜，與很多因素有關(guān)，在此，我們考慮了太陽和地磁活動的影響，濾除了地磁指數(shù)Dst＜－15nT對應(yīng)的foF2數(shù)據(jù)。

2.結(jié)果與分析

2.1 震前電離層時間變化

地震電離層前兆研究，必須統(tǒng)計震前電離層的時間變化。Liu等［10］采用中位數(shù)的統(tǒng)計方法對1994－1999年間發(fā)生在臺灣的5級以上的地震震前的電離層數(shù)據(jù)進行研究，發(fā)現(xiàn)在震前5天內(nèi)foF2會有顯著的變化。Dabas［11］對2003－2005年發(fā)生在低緯地區(qū)的11次6級以上地震分析發(fā)現(xiàn)，地震電離層擾動發(fā)生在震前2～25天之間，時間尺度較大。震前電離層的時間變化目前沒有定論。我們對選用的14次地震電離層擾動時間進行了分析。由于地震事件較少，不能用統(tǒng)計學(xué)上的方法來確定地震擾動時間。設(shè)X為foF2異常矩陣，且滿足

式中：i為震前天數(shù)，i∈［－15，0］；j為地震事例，j∈［1，14］（與表1中地震序號對應(yīng)）。i＝0為地震當(dāng)天。矩陣X生成的圖像如圖2所示。

電離層異常距離地震當(dāng)日的時間尺度較小，比較集中在震前幾天，只有昆侖山地震在前14天發(fā)生了異常。其中有6次在震前第3天發(fā)生了異常，3次在震前第7天和第1天發(fā)生了異常。初步可以看出，時間尺度大概在數(shù)天時間內(nèi)，71.4%的異常發(fā)生在震前7天內(nèi)。Liu等［10］統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)地震電離層擾動大多發(fā)生在前5天內(nèi)，和我們統(tǒng)計的結(jié)果較為接近。超過10天時間尺度的，只有一例，與Dabas［11］的分析結(jié)果存在較大差異，還需進一步證實。

此外，我們分析了地震電離層發(fā)生擾動的地方時間分布。設(shè)y為各個擾動序列，有

式中：i為地方時；j為地震事例。

圖3給出了地震電離層擾動地方時分布。可以清晰地看出，00∶00LT～23∶00LT整個時間段內(nèi)，都有擾動發(fā)生，但是擾動時間大部分集中在11∶00LT～17∶00LT.其中16∶00LT和17∶00 LT發(fā)生的次數(shù)最多。汶川地震也是這個時間段內(nèi)發(fā)生了異常明顯的擾動［3－4］。Liu［10］等分析得出地震電離層擾動大部分發(fā)生在12∶00LT～17∶00LT之間的結(jié)論，和我們的分析結(jié)果較為一致。

2.2 foF2異常擾動與地震震級的關(guān)系

既然地震的規(guī)模（震級）代表能量的大小，而電離層foF2異常擾動的偏移量可能與外力影響的強度有關(guān)。因此，可探討電離層foF2擾動偏移量與地震震級之間的關(guān)聯(lián)性。

利用兩種方法來考察電離層foF2擾動與地震震級之間的關(guān)系。一是利用發(fā)生擾動時間內(nèi)相對最大百分比%Dev來分析，二是利用最大絕對擾動量ΔfoF2來分析。對于一次地震，有多個電離層觀測站發(fā)生異常情況，我們選取離震中相對較近的站進行分析。

圖4給出了電離層foF2絕對擾動量ΔfoF2、相對擾動量%Dev與地震震級之間的關(guān)系。對昆侖山8.1級地震的分析采用了距震中約1 000km處的烏魯木齊站的數(shù)據(jù)，距離較遠可能是造成擾動幅度偏小的主要原因，因此，分別擬合。其中二次擬合的紅色曲線和線性擬合的藍色直線為不包括昆侖山8.1級地震數(shù)據(jù)的結(jié)果。可以看出，隨著地震震級的增加，電離層的擾動量開始增加，呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系。其中汶川地震擾動最為明顯，ΔfoF2達到4.5MHz.然而昆侖山地震，震級雖達到8.1級，絕對擾動ΔfoF2卻不是特別明顯，為2.15MHz.由于電離層的擾動量除了可能和地震的震級有關(guān)外，可能還與震源的深度、觀測站距震中的距離有關(guān)，這些因素可能共同決定著電離層擾動。從圖4（b）也大體能夠看出地震震級增大，電離層擾動越發(fā)增強，但是這種關(guān)系沒有圖4（a）明顯，數(shù)據(jù)比較散亂。雖然電離層絕對擾動很大，但是由于上邊界的參考值隨觀測站位置，特別是當(dāng)?shù)貢r間有顯著的變化，可能造成了百分比擾動%Dev與絕對擾動ΔfoF2存在很大的差異。這里似乎說明在討論電離層foF2擾動量時，分析絕對偏差ΔfoF2較相對偏差%Dev更合理，這還需大量的統(tǒng)計事例分析證實。

2.3 foF2異常擾動與震中距離的關(guān)系

由于地震震級對電離層的擾動幅度有著重要的影響，所以分析電離層響應(yīng)與震中距離關(guān)系時，應(yīng)該剔除地震震級的影響。另外，震源深度可能也是電離層響應(yīng)的一個重要因素。這里僅以汶川地震這一次地震事例，初步說明震中距離與電離層擾動之間的關(guān)系。

地震孕育期間，電離層擾動局限在一定的空間尺度內(nèi)［1，3，20］。在對汶川地震分析時，發(fā)現(xiàn)距離震中較遠的拉薩站電離層沒有異常擾動發(fā)生，而距震中最近的重慶站電離層擾動最為明顯。

圖5為我們利用全國13個站生成的電離層擾動二維分布圖?？梢婋x震中較遠的區(qū)域，電離層沒有擾動。卓裕榮［20］對臺灣地區(qū)地震事件進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，電離層擾動幅度與震中距離成反比。圖6給出了汶川地震發(fā)生前2008年5月9日重慶、蘭州、昆明和拉薩站電離層foF2最大擾動量與震中距離之間的關(guān)系。從圖6可以看出，隨著與震中距離的增加，電離層foF2擾動幅度顯著減小，呈現(xiàn)出非線性的關(guān)系。

2.4 foF2異常擾動與震源深度的關(guān)系

對同一震級的地震，震源深度不同，釋放到地球表面的能量會有所不同，可能對電離層產(chǎn)生不同程度的影響。卓裕榮［20］通過對臺灣地區(qū)184個5級以上地震統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，深度80km以上的地震，其foF2異常擾動量隨著深度的增加有減小的趨勢。由于地震事件樣本有限，這14次地震大多是淺表地震，所以很難進行統(tǒng)計分析。但是我們發(fā)現(xiàn)在吉林琿春7.0級地震前，離震中僅有400km的長春站電離層沒有出現(xiàn)異常擾動，而吉林琿春地震的震源深度為578km，震源深度太深，可能是這次地震電離層沒有異常擾動現(xiàn)象的一個重要原因。這似乎說明震源深度可能與電離層foF2異常擾動幅度之間存在著某種復(fù)雜的負相關(guān)關(guān)系。

3.總結(jié)與討論

地震電離層異常擾動現(xiàn)象報道眾多，我們對我國14次大地震的分析進一步證實了地震電離層前兆的存在，然而地震電離層前兆規(guī)律目前仍然沒有定論。

就這14次大地震而言，有85.7%的震例出現(xiàn)了電離層擾動現(xiàn)象，而且基本為正相擾動；電離層擾動集中發(fā)生在震前7天以內(nèi)的11∶00LT～17∶00LT；電離層foF2最大絕對擾動量基本大于1.0MHz，與即將發(fā)生的地震震級存在明顯正相關(guān)關(guān)系，與震中距離、震源深度呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系。

眾所周知，電離層受太陽、地磁、氣象等多種因素的影響，變化復(fù)雜［21］。在磁寧靜無震條件下，電離層亦有明顯的逐日變化。Mikhailov等［22］對磁靜日電離層正負相擾動特征進行了深入的研究，發(fā)現(xiàn)中低緯地區(qū)電離層磁靜日正相擾動主要發(fā)生在夜間，擾動空間尺度大。這與我們統(tǒng)計的震前電離層擾動特征（白天，局部性）有明顯不同。同時，局部擾動特征也是震前電離層擾動與磁暴期間電離層擾動的一個重要區(qū)別。

然而，地震激發(fā)電離層異常擾動的機制目前尚不明確。主要有兩種假說：一是地震前地殼運動產(chǎn)生的重力波（AGW）影響；二是地震孕育區(qū)上方的異常電場透入電離層產(chǎn)生電離層擾動。前者存在著諸多局限［23］。Pulinets等［23］指出，聲重波向上傳輸過程中受到中性風(fēng)、熱傳導(dǎo)及其他擴散過程的影響，很難傳到電離層高度。由于地震孕育區(qū)上方出現(xiàn)異常電場己經(jīng)多次被觀測到［24－25］，異常電場的假說逐漸被越來越多的研究者接受。但是目前電動力學(xué)模型得到的電離層高度穿透電場強度偏小，不足以解釋震前電離層異常明顯的擾動，異常電場假說仍需研究。

地震電離層異常的研究對形成地震預(yù)測預(yù)報方法有重要的意義。但是由于地震和電離層耦合的復(fù)雜性和電離層異常狀態(tài)的多樣性，若將電離層異常作為地震前兆用于實際的地震預(yù)報中，在機制和前兆信息識別和提取方面有許多工作要做。本文所選的地震樣本較少，統(tǒng)計規(guī)律還有待進一步完善。地震電離層前兆規(guī)律沒有定論，還需要進行大量的統(tǒng)計，另外識別地震電離層前兆的方法也需深入研究。應(yīng)用空間技術(shù)開展大區(qū)域范圍的電離層的實時監(jiān)測，如GPS臺網(wǎng)、地震電離層衛(wèi)星，并與電離層垂測、斜測儀觀測相結(jié)合，建立天—地基一體化的地震電離層前兆監(jiān)測系統(tǒng)，無疑會加速這項研究工作的進程。

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