2019 年印度尼西亞Mw7.1 地震震前電離層擾動(dòng)分析

李 帥，李仲勤，寇瑞雄，李 偉,2

（1.蘭州交通大學(xué) 測繪與地理信息學(xué)院/地理國情監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程研究中心/甘肅省地理國情監(jiān)測工程實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730070）

0 引言

地震作為經(jīng)常發(fā)生的惡性自然災(zāi)害，破壞性大且難以預(yù)測。地震孕育過程非常復(fù)雜，與地球表面質(zhì)量、內(nèi)部運(yùn)動(dòng)和微觀過程有關(guān)。目前地震預(yù)報(bào)手段主要從地質(zhì)和統(tǒng)計(jì)角度出發(fā)，但受當(dāng)前技術(shù)和方法的限制，無法從地球內(nèi)部直接觀測地震孕震過程，導(dǎo)致地震預(yù)測十分困難，因此研究地震前兆信息變得尤為關(guān)鍵。1964 年阿拉斯加地震后，文獻(xiàn)[1]首次捕捉到地震與電離層擾動(dòng)之間存在關(guān)聯(lián)，為地震前兆信息的探索提供了新思路。電離層是指距離地表60～1 000 km 左右，處于部分電離或完全電離狀態(tài)的大氣層。全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）雙頻接收機(jī)可以精確測量出信號(hào)路徑上電離層的總電子含量（total electric content, TEC），一般用總電子含量單位(total electron content units, TECU)來度量TEC 的多少，1 個(gè)TECU 等于1016個(gè)電子/平方米。TEC 變化代表電離層總體的活動(dòng)水平。文獻(xiàn)[2]通過全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS）數(shù)據(jù)解算，得到孕震地區(qū)的TEC 值并探測樣例地震，結(jié)果顯示，TEC 在震前發(fā)生顯著下降，且異常區(qū)域呈現(xiàn)共軛結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[3]統(tǒng)計(jì)分析了全球736 個(gè)、震級(jí)在6.0 以上的地震，討論了震前電離層異常與地震的相關(guān)性，且異常發(fā)生的概率同震級(jí)和震源深度有關(guān)。文獻(xiàn)[4]采用時(shí)間序列模型，以預(yù)測值為標(biāo)準(zhǔn)來界定異常，得到了異常發(fā)生頻率與臨震時(shí)間呈負(fù)相關(guān)的結(jié)論。文獻(xiàn)[5]分析了2001—2014年全球震幅7.0 級(jí)以上的淺源地震，結(jié)果表明，一場地震中，TEC 異常呈現(xiàn)正負(fù)2 種形式，震前TEC異常中，正異常出現(xiàn)的比例要大于負(fù)異常，并且可能出現(xiàn)在同一天。

本文以世界協(xié)調(diào)時(shí)（coordinated universal time,UTC）2019 年7 月14 日9:10:51 發(fā)生在印度尼西亞（0.59°S,128.03°E）的7.1 級(jí)地震為例，結(jié)合空間環(huán)境數(shù)據(jù)，分析震前電離層TEC 擾動(dòng)異常及時(shí)空分布特征。此次地震位于環(huán)太平洋及亞歐地震帶交界處，震源深度19 km，屬走滑斷層（strikeslip fault, SSF）機(jī)制的淺源地震（震源深度不大于100 km），根據(jù)文獻(xiàn)[3]，淺源地震更易于觸發(fā)TEC的異常擾動(dòng)。一般地震是由斷層滑動(dòng)引起，就地震表面變化而言，其特征包括水平和垂直位移。通常認(rèn)為，垂直地殼位移會(huì)產(chǎn)生聲波引起電離層擾動(dòng)[6]，這導(dǎo)致許多學(xué)者忽略了水平位移較多的SSF 地震引起電離層擾動(dòng)的可能性。如文獻(xiàn)[7]關(guān)注到了電離層對(duì)不同震源機(jī)制響應(yīng)的差異性，卻并未將SSF類型納入其中。文獻(xiàn)[8-9]中探測了多個(gè)SSF 地震對(duì)電離層的同震效應(yīng)且均探測到較強(qiáng)的擾動(dòng)，但對(duì)震前電離層擾動(dòng)方面未做討論。因此選擇該樣例對(duì)特定淺源SSF 地震震前電離層擾動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)一步分析。

1 數(shù)據(jù)來源

采用國際GNSS 服務(wù)組織（International GNSS Services, IGS）發(fā)布的全球電離層圖（global ionosphere map, GIM）。該組織自1998 年開始，發(fā)布時(shí)間間隔為2 h、空間分辨率為5°（經(jīng)線）×2.5°（緯線）的全球垂直總電子含量（vertical total electron content, VTEC）格網(wǎng)數(shù)據(jù)。強(qiáng)震孕震區(qū)范圍經(jīng)驗(yàn)公式[10]為

式中：R 為孕震區(qū)半徑；N 為震級(jí)。

7 級(jí)以上地震的孕震區(qū)范圍約為1 000 km（經(jīng)度跨度10°），遠(yuǎn)大于GIM 數(shù)據(jù)分辨率，因此GIM數(shù)據(jù)擁有足夠的精度進(jìn)行異常探測。采用插值法可得到震中及周圍格網(wǎng)點(diǎn)TEC 的時(shí)間序列。TEC變化主要受地磁和太陽輻射影響，為此引用京都世界地磁數(shù)據(jù)中心發(fā)布的磁暴環(huán)電流指數(shù)Dst 及行星性等效日幅度Ap 指數(shù)作為地磁影響參考[11]。磁赤道上每隔1 段經(jīng)度跨度設(shè)置1 個(gè)地磁臺(tái)，地磁臺(tái)每小時(shí)的水平強(qiáng)度變化均值即為Dst 指數(shù)。Ap 值是指3 h 磁情指數(shù)Kp 線性化后的日均值。太陽輻射以美國國家海洋和大氣管理局發(fā)布的輻射通量F10.7 作為參考依據(jù)[12]。

2 異常數(shù)據(jù)提取

為排除空間天氣的干擾，確定TEC 異常不是由高太陽輻射或地磁風(fēng)暴所引起。需使用太陽輻射流量F10.7、地磁指數(shù)Dst 及Ap 等日地空間環(huán)境參數(shù)，對(duì)太陽和地磁活動(dòng)進(jìn)行描述。

表1 為各環(huán)境指數(shù)所對(duì)應(yīng)的活動(dòng)水平，分為低中高3 個(gè)區(qū)間，以此依據(jù)判斷當(dāng)日日地環(huán)境活動(dòng)水平。

表1 各區(qū)間日地空間環(huán)境指數(shù)對(duì)應(yīng)的活動(dòng)水平

表1 中：sfu（solar flux unit）為太陽通量單位，1 個(gè)sfu=1×10－22W·m－2·Hz－1

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，如果當(dāng)日F10.7＞150 個(gè)sfu，則從分析中刪除這一天[13]。在任何時(shí)候|Dst|＞ 40 nT 當(dāng)天和以下 3 d 也排除[5]，根據(jù)文獻(xiàn)[14]，KP＞2+（Ap＞9）時(shí)定義當(dāng)日發(fā)生中等磁擾，故AP＞9 時(shí)也排除當(dāng)天的異常。

圖1 為2019-06-30—2019-07-14 的環(huán)境指數(shù)。

圖1 2019-06-30—2019-07-14 的環(huán)境指數(shù)

由圖1 可知：除2019 年7 月9 日和7 月10 日之外，DST 指數(shù)活動(dòng)區(qū)間為-40 nT≤DST≤40 nT；Ap 指數(shù)活動(dòng)區(qū)間為Ap＜9 nT；F10.7 指數(shù)活動(dòng)區(qū)間為60 個(gè)sfu≤F10.7≤70 個(gè)sfu 之間，電離層平靜，可排除地磁及太陽活動(dòng)引起的電離層異常情況。7 月9 日和7 月10 日Ap＞9 nT，認(rèn)為當(dāng)日發(fā)生中等地磁擾動(dòng)，因此這2 d 的異?？赡苡傻卮艛_動(dòng)所引起。國內(nèi)外研究成果表明，震前TEC 異常主要發(fā)生于震前2 個(gè)星期以內(nèi)[15]，本文選取震前29 d的TEC 作為數(shù)據(jù)源，其中前15 d 作為背景值，后14 d 作為研究對(duì)象，使用滑動(dòng)4 分位法判斷異常。該方法為傳統(tǒng)4 分位法和滑動(dòng)時(shí)窗法的結(jié)合，彌補(bǔ)了4 分位法本身上下界沒有時(shí)序性的不足。4 分位法即將不同日期同一時(shí)刻的觀測序列按從大到小的順序依次排列，將其4 等分提取數(shù)列的中位數(shù)M、上分位U 及下分位L，并依此來進(jìn)行上界UB和下界 LB的確定，即：

式中： UB為觀測序列上界，若觀測值高于UB則判定其為正異常； LB為觀測序列下界，觀測值低于LB判斷其為負(fù)異常；K 值為系數(shù)，它用來控模型的敏感度，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般K 取1.5，K 值越大模型對(duì)異常值的敏感度越低。

滑動(dòng)時(shí)窗法需先選取滑動(dòng)窗口的長度T，而后得出窗口內(nèi)觀測值的平均值X 及標(biāo)準(zhǔn)差σ ，X 即為參考背景值，再以2 倍標(biāo)準(zhǔn)差作為誤差判定的上下界[16]。這種以平均值作為參考值的方法實(shí)質(zhì)是高通濾波器，可過濾掉周期小于窗口長度的誤差[17]。但窗口長度過長會(huì)導(dǎo)致帶寬增加，從而受到季節(jié)性限制。

滑動(dòng)4 分位法即取震前太陽地磁活動(dòng)平靜的15 d 作為初始滑動(dòng)窗口，滑動(dòng)中值為背景值，為閾值進(jìn)行判定。得到后一天的TEC上下邊界，再依次向后滑動(dòng)時(shí)間窗口，直至地震當(dāng)日，即可得到震前14 d 的TEC 上下邊界。

分析圖2 可知：在2019 年7 月1 日4:00 UTC、7 月2 日的6:00 UTC 及7 月7 日的4:00 UTC時(shí)，TEC 發(fā)生明顯正異常，峰值達(dá)4.34 個(gè)TECU；在2019 年7 月11 日4:00 UTC 時(shí)，TEC 發(fā)生負(fù)異常而后轉(zhuǎn)為正異常，時(shí)長達(dá)6 h；2019 年7 月13 日4:00 UTC 時(shí)，TEC 發(fā)生明顯負(fù)異常，正異常峰值達(dá)4.34 個(gè)TECU，異常幅度27.27%，負(fù)異常峰值達(dá)-4.61 個(gè)TECU，異常幅度25.69%；2019 年7 月9 日和7 月10 日各發(fā)生不同程度的正異常。

圖2 震前14 d TEC 相對(duì)于上下界的偏離值（豎線代表地震發(fā)生時(shí)刻）

綜上所述，震中上空在震前第3 天（7 月11 日）前，異常屬性主要以正異常為主，2019 年7 月11 日發(fā)生正負(fù)異常交替現(xiàn)象，之后異常屬性轉(zhuǎn)為負(fù)異常。異常集中發(fā)生在2:00—10:00 UTC 之間。

3 空間異常分布

僅僅使用滑動(dòng)4 分位法，雖可檢測震中TEC異常，卻無法直觀反映由地震引起的空間TEC 異常分布情況?？紤]到地震發(fā)生地點(diǎn)位于赤道的特殊性，及易受赤道異常影響等因素，因此當(dāng)震中TEC 發(fā)生顯著異常時(shí)，對(duì)震中及附近區(qū)域進(jìn)行TEC異常判定，可得出當(dāng)日區(qū)域TEC 異常分布圖。當(dāng)一點(diǎn) TEC 值相對(duì)其背景值的變化率(ΔTEC/TEC ×100% )超過25%時(shí)，判定該點(diǎn)TEC 異常。為避免局部強(qiáng)異常混在全球性弱異常之中被排除，另選取37.5%、50%作為閾值對(duì)局部強(qiáng)異常進(jìn)行篩選，綜合分析異常的空間分布。為排除與地震無關(guān)的異常，定義以下異常判定標(biāo)準(zhǔn)：

1）若連通的異常區(qū)域包含研究區(qū)域邊界網(wǎng)格，則剔除該異常；

2）連通的異常區(qū)域質(zhì)心坐標(biāo)與震中或震中磁共軛點(diǎn)距離緯度超15°，經(jīng)度超60°則剔除該異常；

3）剔除連通區(qū)域經(jīng)緯度跨度過小（經(jīng)度跨度小于10°，緯度跨度小于7.5°）或過大（經(jīng)度跨度大于60°，緯度跨度大于30°）的異常。選擇經(jīng)度范圍（70°E～170°E）、緯度范圍（30°S～50°N）為研究區(qū)域。提取出震中顯著異常日即2019 年7 月1 日、7 月2 日、7 月7 日、7 月9 日、7 月10 日、7 月11 日及7 月13 日這7 d 的區(qū)域網(wǎng)格異常數(shù)據(jù)，按2 h 時(shí)間間隔作異常分布圖。另外雖經(jīng)滑動(dòng)4 分位法提取到7 月2 日和7 月10 日震中TEC 出現(xiàn)顯著異常，但經(jīng)上述方法判別后此2 d 圖中全天無與地震有關(guān)異常發(fā)生，其中：7 月2 日是由赤道異常或天氣原因引起的TEC 異常，根據(jù)7 月10 日地磁指數(shù)，當(dāng)日震中異常是由地磁擾動(dòng)所引起。以上2 d的TEC 異常與地震無關(guān)，因此下文對(duì)剩余5 d 的TEC 異常進(jìn)行分析。圖3 為利用15 個(gè)地磁平靜日各網(wǎng)格測量得到的TEC 中值（即背景值）所作的電離層圖，黑色五角星代表震中位置，圓形代表震中對(duì)應(yīng)磁共軛點(diǎn)，為后續(xù)TEC 變化提供參考。

如圖4 所示為2019 年 7 月1 日TEC 異常情況， 只 是 在 2:00 UTC 時(shí)， 20°N～47.5°N 和130°E～150°E 出現(xiàn)正異常，TEC 變化率峰值達(dá)32%；在 4:00 UTC 時(shí)，異常區(qū)域隨時(shí)間向西偏移至15°N～32.5°N 和110°E～150°E，TEC 變化率最大值增加到47.6%；在6:00 UTC 時(shí)，分別在20°N～42.5°N和90°E～130°E，7.5°S～20°S 和95°E～125°E 出現(xiàn)2 處正異常分布，且在空間上呈共軛結(jié)構(gòu)，TEC 變化率最大值為53.8%，隨后至8:00 UTC 時(shí)，異常消失。

圖3 地磁平靜日區(qū)域電離層圖

圖4 基于滑動(dòng)差分法獲取的2019 年7 月1 日異常日孕震區(qū)電離層圖

分析圖5 為2019 年 7 月7 日TEC 異常情況。在 4:00 UTC 時(shí)，震中及磁共軛點(diǎn)上空分別在0°S～15°S 和 135°E～145°E，及 20°N～27.5°N 和120°E～160°E 出現(xiàn)正異常，TEC 變化率峰值達(dá)47.5%。隨后異常區(qū)域向西遷移，強(qiáng)度減弱至8:00UTC 消失。在10:00 UTC 時(shí)，孕震區(qū)西部再次出現(xiàn)共軛結(jié)構(gòu)的強(qiáng)正異常，異常分布于 2.5°S～17.5°S 和75°E～110°E，以及20°N～35°N 和80°E～110°E，TEC 最大變化率為76.7%。在14:00 UTC時(shí)，15°N～22.5°N 和80°E～125°E 出現(xiàn)局部正異常。異常范圍呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，持續(xù)至 20:00 UTC 消失，TEC 最大變化率達(dá)39.1%。

圖5 基于滑動(dòng)差分法獲取的7 月7 日異常日孕震區(qū)電離層圖

圖6 所示為2019 年7 月9 日TEC 異常情況。在6:00 UTC 時(shí)，20°N～30°N 和120°E～130°E 出現(xiàn)局部正異常，TEC 變化率最大值為30.6%。在8:00 UTC 時(shí)，異常范圍增大至北緯（22.5°N～35°N 和100°E～135°E，TEC 變化率最大值為36.9%；同時(shí)在其共軛區(qū)出現(xiàn)小范圍正異常分布。

分析圖7 為2019 年7 月11 日TEC 異常情況。在6:00 UTC 時(shí)，5°S～15°S 和75°E～105°E 以及17.5°N～30°N 和75°E～125°E 有局部負(fù)異常出現(xiàn)，TEC 變化率最大值達(dá)42.6%。在8:00 UTC時(shí)，2 處異常分別移至2.5°S～12.5°S 和75°E～90°E以及20°N～35°N 和75°E～105°E 處，TEC 變化率最大值為42.6%；隨后至10:00 UTC 時(shí)，異常消失。

圖6 基于滑動(dòng)差分法獲取的7 月9 日異常日孕震區(qū)電離層圖

圖7 基于滑動(dòng)差分法獲取的7 月11 日異常日孕震區(qū)電離層圖

由圖8 可得： 2019 年7 月13 日，在6:00 UTC時(shí)， 震 中 及 磁 共 軛 點(diǎn) 西 側(cè)-12.5°S～5°S 和90°E～120°E 以及20°N～30°N 和95°E～115°E 出現(xiàn)局部負(fù)異常，TEC 變化率峰值為43.9%；在8:00 UTC 時(shí)，2 處異常分別向西移至-17.5°S～2.5°N 和80°E～115°E，以及20°N～30°N 和85°E～110°E 處，TEC 變化率最大值增加至48.2%；在10:00 UTC 時(shí)，2 處異常移至-12.5°S～0°N 和 75°E～105°E 以及20°N～27.5°N 和75°E～95°E 處，TEC 變化率最大值減小至40.6%；隨后在12:00 UTC 時(shí)，異常消失。

圖8 基于滑動(dòng)差分法獲取的7 月13 日異常日孕震區(qū)電離層圖

根據(jù)文獻(xiàn)[18-19]，震前孕震區(qū)會(huì)釋放氡氣等氣體使地表大氣層發(fā)生電離，并被水分子阻止了離子重組，隨著大量氣體的釋放，地表離子濃度增強(qiáng)并形成異常電場。電場進(jìn)入F 層后，離子受電場和重力波等因素的影響，電子濃度產(chǎn)生異常，并沿磁力線傳播，因此導(dǎo)致TEC 擾動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生。不過單一的電場機(jī)制目前無法解釋全部的電離層擾動(dòng)現(xiàn)象，還需要在未來的研究中對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充，不斷完善。

4 結(jié)束語

本文以印度尼西亞（0.59°S,128.03°E）矩震級(jí)（moment magnitude scale, MW） 7.1 級(jí)地震為例，使用震前14 d 的TEC 觀測數(shù)據(jù)，通過設(shè)置上下界判定震中位置的TEC 異常，再對(duì)震中區(qū)域上空電離層擾動(dòng)時(shí)空分布特征分析，得出以下結(jié)論：

1）震中在2 個(gè)星期時(shí)間內(nèi)，共出現(xiàn)7 次明顯異常，分別在2019 年7 月1 日、7 月2 日、7 月7 日、7 月9 日、7 月10 日、7 月11 日和7 月13 日。其中5 次為正異常，1 次為負(fù)正交替及1 次為負(fù)異常。另外震前第12 天（7 月12 日）和第4 天（7 月10 日）異常由天氣和地磁擾動(dòng)引起。因此地震引發(fā)的電離層異常發(fā)生于震前2 個(gè)星期內(nèi)，呈現(xiàn)出正異常轉(zhuǎn)負(fù)異常的特性：正異常峰值達(dá)4.34 個(gè)TECU，異常幅度27.27%；負(fù)異常峰值達(dá)4.61 個(gè)TECU，異常幅度為25.69%。

2）在震中區(qū)域上空電離層擾動(dòng)時(shí)空分布分析中，多日有局部異常發(fā)生。震前第5 天（7 月9 日）之前以正異常為主，震前第3 天（7 月11 日）后轉(zhuǎn)為負(fù)異常，與震中格網(wǎng)點(diǎn)異常分析所得結(jié)果一致。從時(shí)序方面，異常主要發(fā)生時(shí)間段在2:00—10:00 UTC 之間。異常區(qū)域運(yùn)動(dòng)軌跡自東向西，在增強(qiáng)過程中轉(zhuǎn)化為共軛結(jié)構(gòu)。

本次研究所得結(jié)論部分與前人一致，不同的是發(fā)現(xiàn)了異常屬性由正轉(zhuǎn)負(fù)的特點(diǎn)且有自東向西偏移的趨勢。對(duì)于擾動(dòng)最明顯區(qū)域的位置分析并未得出明確原因，有學(xué)者認(rèn)為孕震區(qū)產(chǎn)生附加電場引起磁赤道方向的電子擾動(dòng)[20]，本文震中所在位置接近磁赤道，故偏移并不明顯，這也是下一步要做的工作。目前，地震-大氣層-電離層耦合關(guān)系并沒有統(tǒng)一的解釋說明，針對(duì)特定斷層機(jī)制引發(fā)的地震前電離層擾動(dòng)信息的探測可幫助人們更好地理解并佐證這一學(xué)說，也為后面的工作例如推測電離層擾動(dòng)源等做了鋪墊。同時(shí)提取出的異常特征也可作為地震前兆信息與其他地質(zhì)、生物等手段相結(jié)合而共同應(yīng)用于地震預(yù)報(bào)工作當(dāng)中。

致謝：感謝IGS 中心提供的電離層TEC 數(shù)據(jù)、美國國家海洋與大氣管理局提供的F10.7 數(shù)據(jù)及日本京都地磁中心提供的Dst 和Ap 指數(shù)。