基于GNSS的日本熊本地震前電離層異常研究

周長(zhǎng)志,張珂,張海平,高士民,陳鈺

(山東省國(guó)土測(cè)繪院,濟(jì)南 250102)

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基于GNSS的日本熊本地震前電離層異常研究

周長(zhǎng)志,張珂,張海平,高士民,陳鈺

(山東省國(guó)土測(cè)繪院,濟(jì)南 250102)

2016年4月16日日本熊本發(fā)生Mw7.0地震,為了研究地震前孕震區(qū)的電離層異常。采用歐洲定軌中心提供的全球電離層圖(GIM)與gmsd、smst測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析了孕震區(qū)的電離層變化情況。在排除了太陽(yáng)與地磁活動(dòng)造成的干擾之后,結(jié)果發(fā)現(xiàn),在熊本地震前1天,孕震區(qū)內(nèi)電離層電子含量顯著下降,幅度達(dá)-8 TECU;同時(shí)全球TEC異常分布圖顯示,該天地震影響范圍內(nèi)有明顯TEC負(fù)異常出現(xiàn),異常主要出現(xiàn)在震中的北部和東南部區(qū)域,持續(xù)約12 h,這可能是熊本地震的電離層前兆之一。

熊本地震;電離層異常;GNSS;日地環(huán)境

0 引 言

傳統(tǒng)的地震預(yù)報(bào)手段主要有變形監(jiān)測(cè)、重力監(jiān)測(cè)、地下水位及稀有氣體監(jiān)測(cè)等。在20世紀(jì)60年代阿拉斯加大地震的研究中,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)在大地震前孕震區(qū)內(nèi)的電離層電子含量有顯著性變化,這可能為地震預(yù)報(bào)提供一個(gè)新的方法[1-2]。目前地震-電離層異常領(lǐng)域已有50年的研究歷史,近二十年來(lái)隨著全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)(GNSS)技術(shù)的快速發(fā)展,利用遍布全球的GNSS觀測(cè)站數(shù)據(jù)解算全球電離層的電子含量用于地震前的電離層異常探測(cè)已成為主流趨勢(shì),也取得了大量的研究成果[3-7]。在2008年5月12日汶川大地震研究中,許多科學(xué)家利用GPS及DEMETER等資料分析發(fā)現(xiàn)地震前3天,震中地區(qū)電離層的電子含量顯著增高,同時(shí)在南半球?qū)?yīng)的磁共軛區(qū)也能觀測(cè)到電子含量異常現(xiàn)象[8-9]。這種地震-電離層異常現(xiàn)象同時(shí)也出現(xiàn)在2011年3月11日東日本大地震之前,在3月8日孕震區(qū)內(nèi)的電子含量明顯增高,同時(shí)foF2參數(shù)也增幅達(dá)40%[10-11]。Guo等利用歐洲定軌中心的電離層數(shù)據(jù)分析了蘇門答臘、墨西哥與智利等大地震,發(fā)現(xiàn)在大地震的前15天內(nèi),孕震區(qū)的電離層異常頻率明顯增加,且大部分的異常出現(xiàn)在地震前7天內(nèi)[12-14]。大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明M5.0+地震前孕震區(qū)有70%的概率觀測(cè)到電離層異?，F(xiàn)象,且電離層異常的幅度與地震等級(jí)呈正比關(guān)系,與震源深度和震源距離呈反比關(guān)系,這可能為以后的地震預(yù)報(bào)提供一定的參考[15]。

2016年4月14日日本熊本縣熊本地區(qū)發(fā)生Mw6.2(矩震級(jí))逆斷層地震,震源深度11 km,兩天后,4月16日熊本地區(qū)再次發(fā)生Mw7.0地震,這是日本九州地方觀測(cè)史上出現(xiàn)的最高級(jí)別地震,造成了44人遇難,給當(dāng)?shù)卦斐闪藝?yán)重人員財(cái)產(chǎn)損失。本文采用歐洲定軌中心提供的電離層數(shù)據(jù)分析熊本地震震前電離層的變化狀態(tài),并分析電離層異常的空間分布特征,為以后該地區(qū)的地震預(yù)報(bào)工作提供一定的參考。

1 數(shù)據(jù)與分析方法

本文從美國(guó)地質(zhì)勘探局的數(shù)據(jù)庫(kù)中下載了熊本地震(4月16日)的參數(shù)(http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/search/),熊本地震及其附近的IGS觀測(cè)站如圖1所示?？傠娮雍?TEC)是表征電離層活動(dòng)的最重要參數(shù),因此采用TEC數(shù)據(jù)來(lái)分析電離層的變化狀態(tài)。目前全球分布了200多個(gè)IGS觀測(cè)站,這些觀測(cè)站提供了大量的觀測(cè)數(shù)據(jù),利用雙頻信號(hào)可以解算出接收機(jī)至衛(wèi)星傳播路徑上的電子含量STEC,然后根據(jù)接收機(jī)的天頂角可以轉(zhuǎn)換出接收機(jī)天頂方向上的垂直電子含量VTEC.電離層數(shù)據(jù)采用歐洲定軌中心(CODE)提供的GIM數(shù)據(jù), 其空間分辨率是5°(經(jīng)度)×2.5°(緯度),范圍是180°W～180°E,87.5°S～87.5°N,所以每組GIM中共有5 183個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)(ftp://ftp.unibe.ch/aiub/CODE/)。2015年以前,時(shí)間分辨率是2 h,即每個(gè)觀測(cè)文件共有12張GIM地圖。2015年開始,GIM時(shí)間分辨率更改為1 h.因?yàn)殡婋x層活動(dòng)容易受到太陽(yáng)和地磁活動(dòng)的干擾,因此在分析電離層異常變化之前,必須排除太陽(yáng)或地磁活動(dòng)的干擾。太陽(yáng)數(shù)據(jù)主要采用10.7厘米波段太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù),分辨率為1天,數(shù)據(jù)來(lái)源太陽(yáng)輻射中心(http://services.swpc.noaa.gov/)。 另外, 從京都地磁中心下載了赤道地區(qū)地磁活動(dòng)指數(shù)(Dst)和全球地磁活動(dòng)指數(shù)(Ap)。其中Dst時(shí)間分辨率為1 h,Ap指數(shù)時(shí)間分辨率為3 h(http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dstdir/index.html)。如果Dst或Ap指數(shù)有較大的波動(dòng),則表明該天發(fā)生了較強(qiáng)的地磁擾動(dòng),可能影響了電離層的變化狀態(tài)。

圖1 熊本地震及IGS站分布圖,地震機(jī)制(球表示熊本地震位置,三角形表示IGS觀測(cè)站)

選取震前15天和地震后3天的電離層數(shù)據(jù),提取出TEC時(shí)間序列。計(jì)算出前15天內(nèi)TEC的均值m,并計(jì)算出時(shí)間序列的中誤差σ.近一步可以得到該時(shí)間序列的上邊界UB(UB=m+1.5σ)和下邊界LB(LB=m-1.5σ)。在排除太陽(yáng)地磁活動(dòng)的干擾后,如果TEC超出了上下邊界,則表明該天的電離層有異常變化,這可能與之后的地震活動(dòng)有一定的聯(lián)系。

2 震前TEC異常擾動(dòng)分析

2.1 日地環(huán)境分析

圖2給出了熊本地震前20天內(nèi)太陽(yáng)和地磁活動(dòng)的變化趨勢(shì)。由圖2(a)可以發(fā)現(xiàn),在震前20天內(nèi)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度有逐漸增強(qiáng)的趨勢(shì)。在震前20～10天內(nèi),F10.7參數(shù)保持相對(duì)穩(wěn)定,大約是85 SFU。從震前第10天起,10.7逐漸增大,至震前第5天達(dá)到最強(qiáng),達(dá)到120 SFU。在震前5天內(nèi)太陽(yáng)活動(dòng)保持穩(wěn)定。因此在震前5天內(nèi)的電離層異常要特別分析。圖2(b)表示了Dst參數(shù)的變化趨勢(shì),可以發(fā)現(xiàn)在震前20天內(nèi),Dst指數(shù)有較大波動(dòng),主要波動(dòng)出現(xiàn)在震前第12天,5～7天內(nèi),幅度達(dá)到-60 nT,表明在這些時(shí)間段內(nèi)全球發(fā)生了中等強(qiáng)度的地磁暴。圖2(c)表明Ap指數(shù)與Dst指數(shù)有相同的變化趨勢(shì),其主要異常值出現(xiàn)在震前第12天、第7天和第2天,幅度約為50～70 nT,其中最大值出現(xiàn)在震前第7天,最大值達(dá)到75 nT.結(jié)合圖2(b)和圖2(c),可以得出地磁活動(dòng)在震前第12天和第7天附近有磁暴發(fā)生,這在以后的分析中需要特別注意。

圖2 熊本地震前太陽(yáng)及地磁活動(dòng)

2.2 震中TEC異常分析

采用CODE提供的GIM地圖,提取出了熊本地震震中(Kumamoto)的TEC時(shí)間序列。另外根據(jù)GIM數(shù)據(jù)插值出震中附近兩個(gè)IGS站的時(shí)間序列,分別是gmsd (131.0156°E, 30.5564°N)和smst(135.937°E, 33.5779°N), 其地理分布如圖1所示。

對(duì)TEC時(shí)間序列進(jìn)行處理,計(jì)算出平均值m和中誤差σ,進(jìn)一步可以得到TEC時(shí)間序列的上下邊界。如圖3所示,在絕大部分時(shí)間段內(nèi),TEC序列都處在上下邊界之內(nèi),在局部時(shí)間段內(nèi)TEC超出上邊界或低于下邊界。如圖3(a)～圖3(b)所示,震前震中地區(qū)的TEC保持相對(duì)穩(wěn)定,絕大部分時(shí)間內(nèi)無(wú)明顯異常變化。主要異常時(shí)段出現(xiàn)在震前的第11天和第1天,在震前第11天,TEC異常幅度約為2 TECU,相對(duì)較小,而在震前第1天,異常幅度達(dá)-7 ～-8 TECU.對(duì)比gmsd和smst觀測(cè)站的TEC資料,如圖3(c)～圖3(f)所示,可以發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)觀測(cè)站TEC的變化趨勢(shì)與Kumamoto站的TEC變化狀態(tài)非常相似。gmsd觀測(cè)站的TEC序列異常時(shí)段主要出現(xiàn)在震前第11天、第9天、第1天和震后第1天,除了震前第1天的TEC異常幅度較大(達(dá)-8 ～-9 TECU)外,其他時(shí)刻TEC異常幅度很小,約為2～3 TECU.smst觀測(cè)站TEC時(shí)間序列的主要異常時(shí)段也出現(xiàn)在震前第11天、第10天和第1天,但第1天的異常幅度明顯大于其他時(shí)刻。綜上所述,可以發(fā)現(xiàn)在熊本地震之前,孕震區(qū)內(nèi)的電離層電子含量確有異常變化,其中主要的異常時(shí)刻出現(xiàn)在震前的第1天,這也和研究結(jié)果(大部分的TEC異常時(shí)刻出現(xiàn)震前5天內(nèi))相一致。圖2表明了震前5天內(nèi)的太陽(yáng)活動(dòng)有明顯增強(qiáng)現(xiàn)象,此次孕震區(qū)內(nèi)的電子含量異常是否與太陽(yáng)活動(dòng)有關(guān),需要進(jìn)一步分析。

3 局部區(qū)域TEC異常分析

從圖3中發(fā)現(xiàn)在震前第1天內(nèi),孕震區(qū)的電子含量有明顯異常減弱現(xiàn)象。因此解算出了在震前1天(4月15日)內(nèi),全球大部分地區(qū)的TEC異常分布圖,如圖4所示。

圖3 熊本地震震中及附近IGS站TEC時(shí)間序列變化

圖4 4月15日部分區(qū)域TEC異常分布圖(地震機(jī)制球表示熊本地震震中位置)(a) UTC00:00; (b) UTC02:00; (c) UTC04:00; (d) UTC06:00; (e) UTC08:00; (f)UTC10:00; (g) UTC12:00; (h) UTC14:00; (i) UTC16:00

圖4中黑色圓圈表示Kumamoto地震的影響范圍,根據(jù)Dobrovolsky公式,可以計(jì)算出Kumamoto地震的影響半徑達(dá)到1 023 km.UTC00:00時(shí)(當(dāng)?shù)貢r(shí)間09:00),亞洲及太平洋地區(qū)無(wú)明顯TEC異常出現(xiàn)。UTC02:00時(shí),日本東北部區(qū)域出現(xiàn)輕微TEC負(fù)異常擾動(dòng),幅度約為-2～-3 TECU,此后TEC異常逐漸向西移動(dòng)并有擴(kuò)大趨勢(shì)。UTC04:00時(shí),TEC異常出現(xiàn)在震中北部地區(qū),覆蓋中國(guó)東北及日本北部地區(qū),且異常區(qū)域在熊本地震影響范圍內(nèi)。此外,日本東南部地區(qū)也有TEC負(fù)異常出現(xiàn),幅度約為-2～-4 TECU.UTC06:00(當(dāng)?shù)貢r(shí)間15:00)時(shí),TEC異常移動(dòng)到震中的正北部地區(qū),同時(shí)震中東南方的TEC負(fù)異常范圍明顯增大,異常幅度達(dá)到-8 TECU.此后TEC異常區(qū)域保持相對(duì)穩(wěn)定,至UTC14:00時(shí)(當(dāng)?shù)貢r(shí)間23:00),TEC異常開始逐漸減弱。UTC16:00, 熊本地震影響區(qū)域內(nèi)TEC異常完全消失。

此次TEC異常持續(xù)約12小時(shí),異常幅度達(dá)到-8 TECU,異常時(shí)刻發(fā)生在當(dāng)?shù)貢r(shí)間的下午和晚上,最大異常區(qū)并不與震中中心相對(duì)應(yīng),而是分布在震中北部和東南部區(qū)域。汶川、日本等大地震震前電離層異常也不與震中垂直對(duì)應(yīng),而是出現(xiàn)在震中靠近赤道的一側(cè),本次的電離層異常形態(tài)與其他研究成果相一致[16-18]。另外,從圖2中得到該天的太陽(yáng)活動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)象,如若是太陽(yáng)活動(dòng)引起的TEC擾動(dòng),應(yīng)該呈現(xiàn)的全球大范圍內(nèi)的正異常,而本次出現(xiàn)的是TEC負(fù)異常,所以本次的TEC異常并不與日地環(huán)境有關(guān),這可能是熊本地震的前兆之一。對(duì)于大多數(shù)地震前電離層出現(xiàn)正異常,而熊本地震前孕震區(qū)出現(xiàn)負(fù)異常,主要原因是大地震前孕震區(qū)地殼中的巖石孔破裂,氡氣溢出地表傳播至大氣層的過(guò)程中,受到溫度,濕度,光照等多種因素的影響,最終形成不同的電離層異常狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用歐洲定軌中心提供GIM地圖數(shù)據(jù)分析了熊本地震前震中地區(qū)的電離層變化情況,同時(shí)也采用了IGS觀測(cè)站gmsd和smst測(cè)站的電離層數(shù)據(jù)分析了孕震區(qū)的電子含量變化。在考慮了日地環(huán)境對(duì)電離層影響的情況下,發(fā)現(xiàn)在熊本地震前1天,孕震區(qū)電離層的電子含量有明顯減弱現(xiàn)象,持續(xù)約12小時(shí),幅度達(dá)到-8 TECU.TEC負(fù)異常并不與熊本地震震中相重合,而是分布在震中附近區(qū)域,但在地震影響范圍內(nèi),這也與其他研究成果相一致,這表明本次TEC負(fù)異?？赡苁切鼙镜卣鸬碾婋x層前兆之一。

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Ionospheric Anomalies Preceding Kumamoto Earthquake Detected by GNSS

ZHOU Changzhi,ZHANG Ke,ZHANG Haiping,GAO Shimin,CHEN Yu

(ShandongProvincialInstituteofLandSurveyingandMapping,Jinan250102,China)

On April 16, 2016, the Mw7.0 Kumamoto earthquake abruptly shocked in Japan. In order to analyze the ionospheric variations in earthquake preparation area before the great earthquake, the GIM (global ionosphere map) supplied by the Center for Orbit Determination in Europe and the observation data of gmsd and smst stations were utilized. Considering the ionospheric disturbances caused by solar-terrestrial environment, the results indicated the total electron content decreased sharply in the 1stday before Kumamoto earthquake, the amplitude was about-8 TECU. In addition, the distribution of global TEC anomalies showed obvious negative TEC anomalies appeared in the seismogenic zone, and most of TEC anomalies were distributed in the northern and southeast regions of Kumamoto earthquake, the duration of TEC anomalies was approximately 12 hours, which may be the ionospheric precursors of Kumamoto earthquake.

Kumamoto earthquake; ionospheric anomalies; GNSS; solar-terrestrial environment

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.05.004

2016-04-25

P228

A

1008-9268(2016)05-0018-06

周長(zhǎng)志 (1971-),男,山東鄆城人,工程師,主要從事大地測(cè)量研究。

張珂 (1990-),男,山東濟(jì)南人,助理工程師,主要從事大地測(cè)量與工程監(jiān)測(cè)研究。

張海平 (1977-),男,山東五蓮人,高級(jí)工程師,主要從事大地測(cè)量研究。

高士民 (1984-),男,山東濟(jì)南人,工程師,主要從事工程測(cè)量研究。

陳鈺 (1975-),女,山東日照人,高級(jí)工程師,主要從事大地測(cè)量研究。

聯(lián)系人： 張珂 E-mail: zhangk90@126.com