地震電離層VLF電磁場(chǎng)頻譜特征研究*

張建國(guó) 姚 麗 劉曉燦 馬新欣 焦立果

（1)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院，合肥 230026 2)河北省地震局邯鄲中心臺(tái)，邯鄲 056001 3)中國(guó)地震局地球物理研究所，北京100081）

地震電離層VLF電磁場(chǎng)頻譜特征研究*

張建國(guó)1，2)姚 麗3)劉曉燦3)馬新欣3)焦立果3)

（1)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院，合肥 230026 2)河北省地震局邯鄲中心臺(tái)，邯鄲 056001 3)中國(guó)地震局地球物理研究所，北京100081）

對(duì)2006年3月—2009年2月DEMETER衛(wèi)星VLF電磁場(chǎng)頻譜數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，全球地震電離層電磁場(chǎng)頻譜有以下特征:50～300 Hz為地震電離層效應(yīng)的優(yōu)勢(shì)頻段;距離地震空間位置越近，地震異常越顯著;不同半球的地震，異常方向和方位不同;對(duì)地磁夏季北半球地震的研究表明，海洋地震主要為正異常，陸地地震為負(fù)異常;地磁夏季，不同半球地震的磁場(chǎng)頻譜異常顯著不同，北半球的正異常偏南，而負(fù)異常偏北，南半球的負(fù)異常偏東北，而正異常偏西南。

DEMETER衛(wèi)星觀測(cè);電離層;VLF電磁場(chǎng)頻譜;全球異常特征;地磁夏季

1 引言

與地震活動(dòng)有關(guān)的空間電磁擾動(dòng)頻段主要集中在甚低頻/超低頻(VLF/ELF)［1-5］，但相對(duì)于來(lái)自空間的擾動(dòng)，諸如磁暴，磁層亞暴，太陽(yáng)風(fēng)擾動(dòng)等引起的電離層電磁擾動(dòng)來(lái)說(shuō)，地震電離層異常信號(hào)是較弱的［6］。2004年6月DEMENTER衛(wèi)星成功發(fā)射以來(lái)，地震電離層電磁異常研究進(jìn)展也得到了很大的發(fā)展［7-9］。

姚麗等［10］對(duì)衛(wèi)星高度電離層背景研究表明，不同地磁季節(jié)間電場(chǎng)頻譜的強(qiáng)度有較大差異，而不同年相同地磁季節(jié)的背景特征和強(qiáng)度則非常相似，因此相同地磁季節(jié)的地震可采用相同的背景進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究，對(duì)不同月份的電場(chǎng)頻譜進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，地磁夏季和冬季的月份間背景差異較小，而地磁分點(diǎn)季節(jié)月份間差異較大。所以，本文只對(duì)地磁夏季和冬季的地震進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究。

利用DEMETER衛(wèi)星2006年3月—2009年2月地磁春、冬季夜側(cè)軌道頻譜數(shù)據(jù)，篩選全球229個(gè)孤立地震，采用統(tǒng)計(jì)研究方法［11］，并限制地磁活動(dòng)性來(lái)抑制非震擾動(dòng)，得到了磁靜條件下地震電離層電磁場(chǎng)異常特征的全球觀測(cè)模型。

2 資料選取與計(jì)算方法

DEMETER衛(wèi)星采用準(zhǔn)太陽(yáng)同步圓形軌道，軌道傾角98.3°，高度710 km(2005年12月中旬開始降為660 km)。其軌道分為升軌和降軌，對(duì)應(yīng)的磁地方時(shí)分別為MLT≈22.3和10.3。因白天軌道受太陽(yáng)活動(dòng)影響較大，所以我們只用夜側(cè)軌道。本文所采用的數(shù)據(jù)均來(lái)自DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)網(wǎng)站(http://demeter.cnrs-orleans.fr/)，分別為:VLF頻段電場(chǎng)單分量頻譜數(shù)據(jù)、VLF頻段磁場(chǎng)單分量的頻譜數(shù)據(jù)。其中電磁場(chǎng)頻譜數(shù)據(jù)的頻率的分辨率為19.5 Hz，頻率范圍為(19.5，20k)Hz，時(shí)間分辨率為2 s (巡查模式)或0.5 s(加密模式)。

1)地震選取。對(duì)于某一次地震，如果震前30天，或經(jīng)度10度以內(nèi)，或緯度10度以內(nèi)沒有地震發(fā)生，則定義為孤立地震。由此，從2006年3月至2009年2月共選出299次孤立地震。

2)背景設(shè)置。要求kp=［0，2］;網(wǎng)格為4°× 2°;季節(jié):按勞埃德季節(jié)劃分方法，把2006年3月—2009年2月分為3個(gè)地磁季節(jié)，即3、4、9、10月為春秋季;5、6、7、8月為夏季;11、12、1、2月為冬季。在此僅選取2006，2007和2008年夏季和2006，2007和2008年冬季分別做一個(gè)觀測(cè)背景，對(duì)所有同一季節(jié)的地震進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)，采用該季節(jié)的背景;頻段:分［20，1k］，［20，10k］兩個(gè)頻段，前一頻段頻率的分辨率為50Hz，后一頻段的為500 Hz。

3)研究20～10k Hz電場(chǎng)頻譜在時(shí)間-頻率(t-f)域的變化特征，比較相同背景下地震和隨機(jī)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，找出地震電離層異常的優(yōu)勢(shì)頻段。

4)研究地震優(yōu)勢(shì)頻段電場(chǎng)頻譜的時(shí)間-空間變化特征，找出優(yōu)勢(shì)時(shí)間和優(yōu)勢(shì)震中距。

5)不同季節(jié)、不同半球、不同類型(海洋、陸地)地震的空間-空間變化特征研究。

3 地震電離層VLF電場(chǎng)頻譜特征

3.1 電離層VLF電場(chǎng)頻譜時(shí)間-頻率變化特征

圖1 地磁夏季20-1kHz VLF電場(chǎng)頻譜在時(shí)間-頻率域的變化特征Fig.1 Time-frequency variation characteristics of electric field spectrum from 20-1kHz band of VLF in geomagnetic summer

圖1(a)為2006年3月—2009年2月地磁夏季76個(gè)孤立地震在時(shí)-空域的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其中橫坐標(biāo)為距離地震發(fā)生時(shí)間的天數(shù)，震前為負(fù)值，震后為正值。縱坐標(biāo)為頻率，范圍為［20，1k］Hz。顏色代表sigma值，即地震時(shí)參量值和背景值的殘差除以背景標(biāo)準(zhǔn)方差。圖1(b)為相同地磁季節(jié)約相同數(shù)目的隨機(jī)時(shí)段的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，比較發(fā)現(xiàn)，50～300Hz頻帶(圖中黑色橢圓區(qū)域所示)，地震統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯著低于隨機(jī)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。圖2為地磁冬季68個(gè)孤立地震的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(其意義同圖1)，該圖同樣顯示地震時(shí)50～300Hz頻帶的電場(chǎng)頻譜明顯低于常態(tài)水平。圖3和圖4分別在［20，10k］Hz頻段內(nèi)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，地磁夏季，1.5k～2k Hz及4k～8k Hz頻段的電場(chǎng)頻譜值高于相應(yīng)頻段常態(tài)值，而地磁冬季的規(guī)律則和地磁夏季相反。因此可以將50～300 Hz頻帶看做地震優(yōu)勢(shì)頻段，下面的研究針對(duì)該頻段開展。

3.2 電離層VLF電場(chǎng)頻譜時(shí)間-空間變化特征

圖5為50～300 Hz VLF電場(chǎng)頻譜在時(shí)間-空間域的變化特征，(a)、(b)分別代表地磁夏季與冬季。從圖5可以看出，距離地震位置越近，電離層擾動(dòng)越顯著，這可能是由地震引起的電離層效應(yīng)，但異常的幅度比較小，在異常幅度值(sigma)1.5以下。分析發(fā)現(xiàn)，這是由時(shí)間、空間分辨率較小引起的。圖6給出了較高分辨率的地震統(tǒng)計(jì)結(jié)果，橫坐標(biāo)為距離地震發(fā)生時(shí)間的小時(shí)值，縱坐標(biāo)為震中距。其時(shí)間、空間分辨率分別為1小時(shí)，50km。該圖顯示，地震前后72小時(shí)內(nèi)，正負(fù)地震電離層異常均可發(fā)生，異常幅度值(sigma)超過(guò)3。

圖2 地磁冬季20～1kHz VLF電場(chǎng)頻譜在時(shí)間-頻率域的變化特征Fig.2 Time-frequency variation characteristics of electric field spectrum from 20-1kHz band of VLF in geomagnetic winter

圖3 地磁夏季20～10kHz VLF電場(chǎng)頻譜在時(shí)間-頻率域的變化特征Fig.3 Time-frequency variation characteristics of electric field spectrum from 20-10kHz frequency band of VLF in geomagnetic summer

圖4 地磁冬季20～10kHz VLF電場(chǎng)頻譜在時(shí)間-頻率域的變化特征Fig.4 Time-frequency variation characteristics of electric field spectrum from 20-10kHz frequency band of VLF in geomagnetic winter

3.3 電離層VLF電場(chǎng)頻譜的空間-空間變化特征

3.3.1 不同半球的比較

圖7為空間-空間域的地震統(tǒng)計(jì)結(jié)果，(a)、(b)、(c)分別為地磁夏季、北半球地磁夏季、南半球地磁夏季，(d)、(e)、(f)分別為地磁冬季、北半球地磁冬季及南半球地磁冬季?？梢钥闯?，對(duì)同一地磁季節(jié)，不同半球地震異常的方位和方向均不相同，若不分半球，則異常間相互疊加，導(dǎo)致異常幅度減弱。

3.2.2 海洋與陸地比較

圖5 50-300 Hz VLF電場(chǎng)頻譜在時(shí)間-空間域的變化特征Fig.5 Time-space variation characteristics of electric field spectrum from 50-300 Hz frequency band of VLF

圖6 地磁夏季50～300 Hz VLF地震電場(chǎng)頻譜在時(shí)間-頻率域變化特征Fig.6 Time-frequency variation characteristics of electric field spectrum from 50-300 Hz band of VLF in geomagnetic summer

圖7 50～300 Hz不同半球地震的VLF電場(chǎng)頻譜在空間-空間域變化特征Fig.7 Space-space variation characteristics of electric field spectrum from 50-300 Hz band of VLF in different hemisphere

圖8為地震數(shù)目較多的地磁夏季北半球的52次地震分為海洋和陸地地震后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，兩類地震的數(shù)目均為26次。(a)、(b)、(c)分別為北半球地磁夏季地震、北半球地磁夏季的海洋地震及陸地地震。該圖顯示，在震中附近，海洋地震以正異常為主，陸地地震以負(fù)異常為主。

4 地震電離層VLF磁場(chǎng)頻譜特征

由于電離層地磁活動(dòng)除了受有顯著的季節(jié)效應(yīng)外還有著很強(qiáng)的半球效應(yīng)［12，13］，所以在統(tǒng)計(jì)中將不同半球分開進(jìn)行研究。由圖9可以看出，冬季和分點(diǎn)季節(jié)，南北半球VLF磁場(chǎng)能譜的震中空間-空間分布復(fù)雜;夏季南北半球震例出現(xiàn)趨勢(shì)分布，北半球夏季異常幅度值(sigma值)南北對(duì)稱，北半球震中正北800 km出現(xiàn)顯著的極大值，另有震中西南方向(600 km，800 km)出現(xiàn)極大值。南半球夏季異常幅度值(sigma值)東西方向?qū)ΨQ分布，西部600～1 000 km范圍的南北各440千米處出現(xiàn)極大值;東部以負(fù)值為主，極大值出現(xiàn)在震中東北(200 km，500 km)處。

圖8 50～300 Hz海洋和陸地地震的VLF電場(chǎng)頻譜在空間-空間域變化特征Fig.8 Space-space variation characteristics of electric field spectrum from 50-300 Hz band of VLF in land and ocean

圖9 不同地磁季節(jié)的磁場(chǎng)頻譜分布特征Fig.9 Distribution characteristics of geomagneticl field spectrum in different seasona

5 結(jié)論

對(duì)299例孤立地震的研究發(fā)現(xiàn)，50～300Hz為地震電離層效應(yīng)的優(yōu)勢(shì)頻段;距離地震空間位置越近，地震異常越顯著;不同半球的地震，異常方向和方位不同;地磁夏季北半球地震研究表明，海洋地震主要為正異常，陸地地震主要為負(fù)異常;地磁夏季，不同半球地震的磁場(chǎng)頻譜異常顯著不同，北半球的正異常偏南，而負(fù)異常偏北，南半球的負(fù)異常偏東北，而正異常偏西南。

致謝 感謝法國(guó)DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心提供數(shù)據(jù)!

1 Gokhberg，et al.Experimental measurement of electromagnetic emissions possibly related to earthquakes in Japan［J］.J Geophys Res.，1982，87(B9):7 824-7 828.

2 Parrot M and Mogilevsky M M.VLF emissions associated with earthquakes and observed in the ionosphere and the magnetosphere［J］.Physics of The Earth and Planetary Interiors，1989，(1-2):86-99.

3 Parrot M.Statistical study of ELF/VLF emissions recorded by a low-altitude satellite during seismic events［J］.J Geophys Res.，1994，99(A12):23 339-23 347.

4 Molchanov，et al.Observation by the Intercosmos-24 satellite of ELF-VLF electromagnetic emissions associated with earthquakes［J］.Ann Geophys.，1993，11:431-440.

5 He Yufei，et al.SNR changes of VLF radio signals detected onboard the DEMETER satellite and their possible relationship to the Wenchuan earthquake［J］.Sci.China Ser DEarth Sci.，2009，52(6):754-763.doi:10.1007/s11430 -009-0064-5.

6 曾忠超，等.利用DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析汶川地震前的電離層異常［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2009，52(1):11-19.(Zeng Zhongchao，et al.The analysis of ionospheric variations before Wenchuan earthquake with DEMETER data［J］.Chinese Journal of Geophysics，2009，52(1):11-19)

7 朱濤.DEMETER衛(wèi)星觀測(cè)的LF/MF電場(chǎng)頻譜特征的初步研究［J］.地震學(xué)報(bào)，2010，32(4)，476-489.(Zhu Tao.A preliminary study on characteristics of average power spectrum density of LF/MF electric field observed by DEMETER satellite［J］.Acta Seismologica Sinica，2010，32(4)，476-489)

8 張學(xué)民，等.DEMETER衛(wèi)星觀測(cè)到得智利7.9級(jí)地震前的電離層電磁擾動(dòng)［J］.地球物理學(xué)進(jìn)展，2009，24(4): 1196-1203.(Zhang Xuemin，et al.Ionospheric electromagnetic disturbances observed on DEMETER satellite before an earthquake of M7.9 in Chile［J］.Progerss in Geophysics，2009，24(4):1 196-1 203)

9 安張輝，等.汶川地震前DEMETER衛(wèi)星探測(cè)的離子溫度變化分析［J］.地震學(xué)報(bào)，2010，32(6):753-758.(An Zhanghui，et al.Analysis on ion temperature variation detected by DEMETER before 2008 Wenchuan Ms8.0 earthquake［J］.Acta Seismologica Sinica，2010，32(6):753-758)

10 姚麗，劉曉燦，何宇飛.全球電離層VLF電場(chǎng)功率譜特征［J］.地震地磁觀測(cè)與研究，2011，32(4):27-34.(Yao Li，Liu Xiaocan and He Yufei.The global characteristics of VLF electric field frequency spectrum in ionosphere［J］.Seismological and Geomagnetic Observation and Research，2011，32(4):27-34)

11 Němec F，et al.Decrease of intensity of ELF/VLF waves observed in the upper ionosphere close to earthquakes:A statistical study［J］.J Geophys Res.，2009，114:A04303.

12 Haiyan Y，Zhou H and Qiao X.Propagation analysis of ELF electromagnetic emission below the cut-off frequency in ionosphere［J］.PCSPA，2010，9:799-802.

13 Zhao S，et al.Penetration characteristics of VLF wave from atmosphere into the lower ionosphere［J］.Earthquake Science，2010，23(3):275-281.

RESEARCH ON FREQUENCY SPECTRUM CHARACTERISTICS OF VLF ELECTROMAGNETIC FIELD IN EARTHQUAKE IONOSPHERE

Zhang Jianguo1，2)，Yao Li3)，Liu Xiaocan3)，Ma Xinxin3)and Jiao Liguo3)

(1)School of Earth Space Sciences，University of Science and Technology of China，Heifei 230026 2)Central Seismostation of Handan，Handan 056001 3)Institute of Geophysics，CEA，Beijing100081)

By analyzing the electromagnetic spectrum data observed by DEMETER satellite during the time interval between March 2006 and February 2009，it is found that the characteristics of electric field power spectrum of global ionosphere in DEMETER altitude are as follows:the 50-300 Hz frequency band about earthquake ionospheric effect are the dominant frequency the closer，the distance to seismic spatial position，the more significant seismic anomaly;indifferent hemispheres of the earthquake，abnormal azimuthal direction is different.The studies on the events in northern hemisphere in geomagnetic summer show that the anomaly corresponding marine quakes occured in geomagnetic summer the frequency spectrum anomaly of geomagnetic field basically were positive and these land negative and corresponding the quakes in different hemisphere were significantly different:these in the northern hemisphere were positive and meridional，and negative anomaly of north but negative anomaly opposite in the southern hemisphere，the negative anomaly were northeast and positive ones southwest.

observations of DEMETER satellite;ionosphere;VLF electric field frequency spectrum;global abnormal characterstics;geomagnetic summer

1671-5942(2012)03-0110-06

2012-03-15

河北省地震局重點(diǎn)項(xiàng)目“河北地區(qū)電磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化特征研究”;中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(059217);國(guó)家科技支撐項(xiàng)目(2008BAC35B01)

張建國(guó)，男，1974年生，高級(jí)工程師，碩士研究生，主要從事地震監(jiān)測(cè)與電磁學(xué)研究等工作.E-mail:zhangjg_909@163.com

P315.72+1

A