基于GPS和DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)的地震電離層電子濃度異常變化研究

閆相相

（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

基于GPS和DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)的地震電離層電子濃度異常變化研究

閆相相

（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

地震電磁現(xiàn)象的觀測(cè)與研究是認(rèn)識(shí)地球內(nèi)部物質(zhì)特性、地震孕育發(fā)生過(guò)程以及空間信號(hào)傳播和介質(zhì)特性變化的重要途徑?？臻g對(duì)地觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了地震電磁信號(hào)在大氣層、電離層的傳播與耦合機(jī)制的研究。從20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)美國(guó)阿拉斯加大地震震中區(qū)上空出現(xiàn)電離層異常擾動(dòng)現(xiàn)象以來(lái)，有關(guān)地震空間電磁、電離層擾動(dòng)的現(xiàn)象引起了廣泛的關(guān)注，成為地震電磁學(xué)領(lǐng)域一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。研究表明，在地震孕育發(fā)生過(guò)程中，地下介質(zhì)由彈性變形進(jìn)入非彈性形變階段，原有微裂隙擴(kuò)展、新生微裂隙發(fā)育并定向排列，體積膨脹，水溶液進(jìn)入和重新分布等物理過(guò)程，產(chǎn)生壓磁、壓電、動(dòng)電、感應(yīng)電磁、熱磁效應(yīng)等物理電磁效應(yīng)的同步和定向激發(fā)，從而引起在距離震源一定范圍內(nèi)可觀測(cè)的明顯地震電磁前兆現(xiàn)象。大量的震例和統(tǒng)計(jì)分析顯示，大地震和火山噴發(fā)前幾天到幾小時(shí)內(nèi)，對(duì)應(yīng)孕震區(qū)、火山噴發(fā)區(qū)上空大氣層、電離層存在電磁異常擾動(dòng)現(xiàn)象。主要包括：①LF／VLF／ELF／ULF信號(hào)相位、振幅異常變化；②電離層電子濃度總含量（total electron content，TEC）和電離層F2層臨界頻率foF2異常；③電離層等離子體參數(shù)變化；④高能粒子擾動(dòng)；⑤熱紅外輻射異常等。

全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）作為當(dāng)前探測(cè)電離層的有效手段已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，通過(guò)其獲取的電離層TEC則是揭示電離層時(shí)空變化規(guī)律和特征的重要物理參量。2000年以來(lái)，俄羅斯、美國(guó)、法國(guó)、烏克蘭等國(guó)先后發(fā)射了地震電磁衛(wèi)星，尤其是法國(guó)DEMETER衛(wèi)星，其科學(xué)數(shù)據(jù)被廣泛地應(yīng)用于地震電離層擾動(dòng)研究，取得了極大進(jìn)展。中國(guó)的地震電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星（China Seismo-Electromagnetic Satellite，CSES）計(jì)劃已經(jīng)列入“十二五”立項(xiàng)。

本論文依托地震電磁立體觀測(cè)體系發(fā)展思路，配合中國(guó)地震電磁衛(wèi)星計(jì)劃的推進(jìn)，開展了基于DEMETER衛(wèi)星和GPS數(shù)據(jù)的地震空間電磁電離層擾動(dòng)現(xiàn)象的研究。本文研究?jī)?nèi)容主要可分為3大部分：①研究GPS測(cè)量電離層TEC的原理，掌握電磁衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理方法和異常提取技術(shù)；開展DEMETER衛(wèi)星各載荷數(shù)據(jù)處理及異常提取方法研究。②分別針對(duì)汶川地震、日本地震和玉樹地震開展了震前電離層擾動(dòng)的多參數(shù)分析，研究和對(duì)比了3次強(qiáng)震前電離層異常的特征；分別利用DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析了全球7．0級(jí)以上強(qiáng)震和中國(guó)境內(nèi)6．0級(jí)以上強(qiáng)震期間的電子濃度異常變化規(guī)律；針對(duì)我國(guó)西南地震多發(fā)區(qū)，開展伴隨著多次地震的電離層TEC長(zhǎng)時(shí)間序列分析，深化對(duì)地震電離層異常擾動(dòng)的研究。③調(diào)研和總結(jié)目前地震電離層耦合模擬的最新成果，詳細(xì)闡述孕震區(qū)擾動(dòng)電場(chǎng)（seisomogenic electrostatic field，SEF）的計(jì)算過(guò)程，分析其對(duì)電離層的效應(yīng)。

本文研究工作獲得以下主要認(rèn)識(shí)：

（1）汶川地震的電離層擾動(dòng)多參數(shù)分析結(jié)果表明，震前多種參量都出現(xiàn)了一定程度的擾動(dòng)現(xiàn)象，不同參數(shù)在時(shí)間和空間上的擾動(dòng)特征并不一致，但這些參數(shù)之間存在相應(yīng)的聯(lián)系。

利用GPS TEC、DEMETER衛(wèi)星和NOAA／AVHRR衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)梳理了汶川地震前多種參數(shù)（包括電離層TEC、Ne、Ni、Tb、Ti以及高能粒子通量等）的變化特征，探索總結(jié)了汶川地震前大氣層-電離層響應(yīng)。結(jié)果表明，電離層電子濃度在5月6—10日有連續(xù)的負(fù)異?，F(xiàn)象，5月9日則明顯增強(qiáng)；異常的范圍主要位于震中南部區(qū)域，南北向約1 100～ 1 670 km，東西向約1 600～3 700 km，擾動(dòng)的峰值距震中約700～900 km。NOAA／AVHRR衛(wèi)星數(shù)據(jù)得到汶川地震前5月7日和8日出現(xiàn)了顯著的熱紅外亮溫異常，而DEMETER衛(wèi)星的原位探測(cè)則發(fā)現(xiàn)5月9日離子溫度有明顯增高，幅度約12．5%；以上異常區(qū)域都位于震中西北，范圍約100～300 km。此外，DEMETER衛(wèi)星IDP探測(cè)器高能粒子數(shù)據(jù)結(jié)果顯示5月6日夜間100～600 KeV能譜段出現(xiàn)明顯增強(qiáng)，增幅達(dá)6σ；這與前人得到的異常電場(chǎng)增強(qiáng)時(shí)間相一致。研究結(jié)果表明，不同參數(shù)在時(shí)間和空間上的擾動(dòng)特征并不一致，但這些參數(shù)之間存在相應(yīng)的聯(lián)系，因此有必要聯(lián)合地基和天基手段共同觀測(cè)。

（2）日本地震和玉樹地震的電離層電子濃度變化研究結(jié)果表明，震前TEC都出現(xiàn)了不同程度的增強(qiáng)現(xiàn)象，而異常同時(shí)可能受到太陽(yáng)或地磁活動(dòng)的共同作用。

利用IGS（International GNSS Service）提供的TEC數(shù)據(jù)和日本NICT提供的電離層測(cè)高儀數(shù)據(jù)，分析了2011年3月11日日本MW9．0特大地震（Tohoku-oki earthquake）前上空的電離層變化。研究發(fā)現(xiàn)，震前3天即3月8日04～14時(shí)（UT）期間，赤道異常區(qū)電離層TEC出現(xiàn)了明顯的增強(qiáng)現(xiàn)象，異常最大幅度達(dá)40TECU，并伴隨有南半球磁共軛區(qū)增強(qiáng)現(xiàn)象。日本境內(nèi)的4個(gè)電離層測(cè)高儀數(shù)據(jù)分析顯示，3月8日4個(gè)臺(tái)站同時(shí)出現(xiàn)了foF2增強(qiáng)現(xiàn)象，其中Okinawa和Yamagawa 2個(gè)站增幅明顯。需要指出，3月6—12日太陽(yáng)活動(dòng)水平有所增強(qiáng)，可見太陽(yáng)和地磁活動(dòng)對(duì)3月8日大幅度的TEC擾動(dòng)有所貢獻(xiàn)。然而，分析表明，僅僅是太陽(yáng)活動(dòng)增強(qiáng)無(wú)法造成如此強(qiáng)度的電離層擾動(dòng)，即無(wú)論從持續(xù)時(shí)間、空間分布特征以及異常強(qiáng)度等方面都表明，以上TEC變化跟此次大地震有很大的關(guān)系。

同時(shí)，綜合GPS和DEMETER衛(wèi)星2種觀測(cè)手段研究了玉樹地震前的電離層等離子體參量變化情況。結(jié)果表明，GPS觀測(cè)的電離層TEC在震前20 h左右有明顯的增強(qiáng)現(xiàn)象，TEC增強(qiáng)的區(qū)域位于震中南部15°N～30°N范圍內(nèi)，擾動(dòng)的峰值距震中約1 000 km。TEC增強(qiáng)區(qū)域顯示為典型的EIA增強(qiáng)現(xiàn)象，與汶川和日本地震前觀測(cè)到的TEC空間擾動(dòng)特征較為一致。通過(guò)對(duì)DEMETER衛(wèi)星IAP和ISL載荷記錄的電離層等離子體參數(shù)時(shí)序變化和空間緯度變化分析，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的跟地震相關(guān)的擾動(dòng)現(xiàn)象。以上也表明了2種觀測(cè)手段由于測(cè)量電子濃度的方式不同，其觀測(cè)結(jié)果存在一定的差別。

（3）DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)全球強(qiáng)震期間電子濃度Ne變化結(jié)果表明，在赤道和中低緯地區(qū)更容易觀測(cè)到明顯的Ne擾動(dòng)，震級(jí)大小則與擾動(dòng)幅度基本呈正相關(guān)。基于GPS數(shù)據(jù)全國(guó)強(qiáng)震期間TEC變化統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果則表明，TEC異常擾動(dòng)多集中在震前2～6天，同樣以增強(qiáng)為主，且集中在地方時(shí)12～20時(shí)。

基于法國(guó)DEMETER衛(wèi)星ISL升軌數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析了2005—2009年全球37個(gè)M≥7．0地震前后的電離層電子濃度變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，共有19個(gè)地震（51%）前觀測(cè)到了較為明顯的電子濃度異常擾動(dòng)現(xiàn)象，其中大部分表現(xiàn)為異常增強(qiáng)；觀測(cè)到的電子濃度異?，F(xiàn)象一般出現(xiàn)在震前1～5天內(nèi)，也有部分地震前出現(xiàn)2次及以上擾動(dòng)現(xiàn)象。分析表明，在赤道和中低緯地區(qū)更容易觀測(cè)到明顯的電子濃度擾動(dòng)，即異常震例基本發(fā)生在緯度±40°以內(nèi)（18次），更是以±20°內(nèi)居多（13次）。此外，震源深度對(duì)電子濃度擾動(dòng)的影響并不明顯，而震級(jí)大小則與擾動(dòng)幅度基本上呈正相關(guān)；震前出現(xiàn)的電子濃度異常有時(shí)會(huì)受到地磁活躍的共同影響，此時(shí)的擾動(dòng)幅度一般較大。

基于GPS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析了2000—2010年期間中國(guó)境內(nèi)（包括臺(tái)灣地區(qū)）30次MW6．0以上地震的TEC異常擾動(dòng)情況，結(jié)果表明，20次地震（66．7%）前觀測(cè)到了較為明顯的TEC異常擾動(dòng)，擾動(dòng)以增強(qiáng)為主；擾動(dòng)多集中在震前2～6天，而且具有明顯的地方時(shí)特點(diǎn)，擾動(dòng)一般集中在地方時(shí)12～20時(shí)，一般平均持續(xù)4～6 h，有的地震可以持續(xù)幾天。震前電離層TEC異常的空間變化主要表現(xiàn)為對(duì)電離層赤道異常雙峰（EIA）的影響上，不但會(huì)增強(qiáng)或降低峰值位置的電子濃度值，而且會(huì)造成駝峰最大值位置向磁赤道方向偏移。

（4）通過(guò)對(duì)中國(guó)西南地震多發(fā)區(qū)以及“檢驗(yàn)區(qū)”電離層TEC變化長(zhǎng)時(shí)間序列分析結(jié)果表明，電離層是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，受到太陽(yáng)、地磁以及地震活動(dòng)等因素影響，其擾動(dòng)具有多源性。

通過(guò)中國(guó)地殼運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)提供的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)，獲取了高精度電離層TEC分布，采用滑動(dòng)四分位法分析研究了中國(guó)西南區(qū)域2008年4—10月（太陽(yáng)和地磁活動(dòng)平靜時(shí)段）6次連續(xù)MW6．0以上地震期間孕震區(qū)電離層TEC長(zhǎng)時(shí)間變化及其異常分布；并在此基礎(chǔ)上利用GIM（Global Ionosphere Maps）數(shù)據(jù)分析了全球TEC變化特征。鑒于電離層主要受到太陽(yáng)和地磁等空間天氣的影響，我們將TEC變化與太陽(yáng)EUV（extreme ultraviolet）輻射、行星際磁場(chǎng)（interplanetary magnetic field，IMF）南向分量Bz以及地磁活動(dòng)指數(shù)Dst和Kp進(jìn)行了比較。研究發(fā)現(xiàn)，該時(shí)段內(nèi)電離層TEC異常擾動(dòng)與太陽(yáng)和地磁活動(dòng)有很好的相關(guān)性；而除汶川地震外，其他地震前沒有發(fā)現(xiàn)明顯的跟地震相關(guān)的TEC異常擾動(dòng)現(xiàn)象。同時(shí)，對(duì)比分析了與上述研究區(qū)位于同一地磁緯度的“檢驗(yàn)區(qū)”（30°～50°E，15°～35°N）的GPS TEC隨時(shí)間變化和異常分布情況，結(jié)果顯示，TEC異常分布的時(shí)空特征與研究區(qū)域較為一致。結(jié)果表明，電離層是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其擾動(dòng)具有多源性。

（5）通過(guò)對(duì)地震電離層耦合機(jī)理研究初探，認(rèn)識(shí)到電離層TEC在SEF的作用下出現(xiàn)明顯變化，在赤道向（longitude equatorward）較為明顯。

介紹了電離層電流和電導(dǎo)率張量以及電離層O＋光化學(xué)作用的數(shù)學(xué)物理方程，總結(jié)了孕震區(qū)擾動(dòng)電場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型及公式推導(dǎo)。結(jié)果表明，夜間擾動(dòng)電場(chǎng)更容易傳播到電離層，這與觀測(cè)現(xiàn)象相一致。擾動(dòng)電場(chǎng)向上傳播至電離層F層高度，導(dǎo)致電離層電子濃度變化。結(jié)果顯示，電離層TEC在SEF的作用下出現(xiàn)明顯變化，而在赤道向上更為明顯，這同樣也與觀測(cè)現(xiàn)象一致。

地震-電離層；全球定位系統(tǒng)（GPS）；DEMETER衛(wèi)星；電子濃度總含量（TEC）；異常信息；統(tǒng)計(jì)分析；孕震區(qū)電場(chǎng)

（作者電子信箱，閆相相：ahuyanxiang＠gmail．com）

P315．72；

A；

10．3969／j．issn．0235-4975．2014．07．013