由GPS探測的Sumatra地震前電離層異常研究

周長志，張 珂,2，張海平，高士民，陳 鈺

(1. 山東省國土測繪院，山東 濟南 250102;2.山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島 266590)

由GPS探測的Sumatra地震前電離層異常研究

周長志1，張 珂1,2，張海平1，高士民1，陳 鈺1

(1. 山東省國土測繪院，山東 濟南 250102;2.山東科技大學 測繪科學與工程學院，山東 青島 266590)

2016年3月2日蘇門答臘發(fā)生Mw7.8級地震.為了研究此次地震與電離層的耦合關系，采用歐洲定軌中心提供的GlobalIonosphereMap(GIM)數據，利用滑動四分位距法探測了震中的TEC時間序列. 在排除太陽與地磁活動的干擾后，結果發(fā)現在震前第8d震中地區(qū)電子含量明顯降低，coco觀測站也觀測到TEC負異?，F象. 全球TEC異常分布圖顯示TEC異常持續(xù)約6h，最大幅度達到-6TECU. 異常區(qū)域主要出現在孕震區(qū)內，最大異常區(qū)域并不垂直于震中位置，而是出現在靠近赤道異常邊界的一側，但是對應磁共軛區(qū)內并無明顯TEC異常出現，這可能是Sumatra地震的電離層前兆之一.

電離層異常；Sumatra；地震；滑動四分位距法

地震是地球上發(fā)生最頻繁，造成損失最嚴重的自然災害之一，21世紀初發(fā)生的蘇門答臘地震、汶川地震、海地地震等一系列大地震造成了非常慘重的損失，因此對地震活動的監(jiān)測與預警是十分必要的. 以往我們主要通過儀器對地震帶的地殼形變、重力異常等參數進行地震前兆研究，但是阿拉斯加大地震前孕震區(qū)發(fā)現有電離層異常擾動現象，這為地震預報提供了一個新的途徑[1-5]. 郭金運等[6]分析了2012年4月2日的蘇門答臘地震與墨西哥地震，發(fā)現在震前第11d和第3d孕震區(qū)內分別發(fā)生了電子含量增強和減弱現象，且對應的磁共軛區(qū)內也出現了電子含量異?，F象. 李旺等[7-8]分析了2008年5月12日汶川地震與2011年3月11日東日本大地震前的電離層變化狀態(tài)，發(fā)現兩次地震前第3d孕震區(qū)都發(fā)現了明顯的電離層增強現象，TEC與foF2等參數增幅達45%. 大量的統(tǒng)計結果證明了地震-電離層效應確實存在，且電離層異常概率與臨震時間成反比[9-12]. 印度尼西亞是世界上地震災害最嚴重的國家之一，2004年12月26日的蘇門答臘大地震曾造成了20多萬人死亡的慘劇，因此對該地區(qū)的地震前兆進行研究具有重要意義.2016年3月2日蘇門答臘島發(fā)生了Mw7.8級地震，我們將采用歐洲定軌中心的提供的GIM數據，利用滑動四分位距法分析震中地區(qū)的電子含量變化，判斷電離層異常與蘇門答臘地震的相關性。

1 數據與分析方法

自上世紀90年代GPS系統(tǒng)運行以來，GPS已廣泛應用于各個領域，如導航定位，天氣預報，地質勘探，國防建設等. 現在國際GNSS組織已在全球密集布設了數百臺GPS觀測站，這些觀測站可以監(jiān)測板塊運動，研究地心運動，起到了非常重要的作用. 另外，根據接收機雙頻信號可以消除電離層擾動的原理，可以反演出GPS信號傳播路徑上的總電子含量，進而解算出天頂方向上的電子含量. 目前，歐洲定軌中心定期提供全球總電子含量地圖(GIM)，其范圍是180°～180°E，87.5°S～87.5°N，分辨率是5°(經度)×2.5°(緯度)，時間分辨率是2h[13]. 我們選取了coco、pbri兩個觀測站來分析孕震區(qū)內的電離層變化狀態(tài)，其地理分布如圖1所示.

圖1 全球IGS站與Sumatra地震震中分布圖，黑點表示IGS觀測站，地震機制球表示震中位置

電離層常常受到太陽與地磁活動的擾動，因此在分析電離層的活動中，需要排除與日地環(huán)境有關的電離層擾動. 因此我們采用美國美國戈達太空飛行中心提供太陽風速度(Vsw)，10.7cm射電流量(F10.7)，赤道地區(qū)地磁活動指數(Dst)，全球地磁活動指數(Kp)分析震前的日地環(huán)境.Vsw與Dst指數時間分辨率為1h，Kp指數時間分辨率為3h，F10.7指數分辨率為1d.(數據網址請見：http://omniweb.gsfc.nasa.gov/form/dx1.html).

以27d為滑動窗口，利用滑動四分位距法解算出TEC對應的上邊界和下邊界，如果TEC超出了上下邊界，則表明該天的電離層有異常現象，具體的滑動四分位距法請參考Li等[13]的文章.

2 震中地區(qū)電離層變化

2.1 震前日地環(huán)境變化

為了排除與日地環(huán)境有關的電離層擾動，我們分析震前15d內的太陽風速度(Vsw)，太陽射電流量(F10.7)，赤道地磁活動指數(Dst)，全球地磁活動指數(Kp).Sumatra地震震前的日地環(huán)境如圖2所示.

圖2給出了Sumatra地震前15d的太陽與地磁活動變化，如圖2(a)所示.震前的太陽活動并不穩(wěn)定，太陽活動在震前第15d、第11d較強，達到100SFU，然后開始逐漸減弱，從震前第2d開始又逐漸增強. 圖2(b)表明太陽風的速度在震前的11-15d內較強，最快速度達到700km/s，表明該段時間內的太陽活動很強； 然后太陽風速度開始逐漸減緩，維持在350km/s.這意味著在震前10d內太陽活動基本穩(wěn)定，沒有異常波動發(fā)生.Dst指數顯示地磁活動在震前11～15d內存在劇烈波動，幅度達到-60nT，表明這段時間內全球有中等磁暴發(fā)生，此后Dst指數一直保持穩(wěn)定，無明顯波動發(fā)生，見圖2(c). 圖2(d)表示了Kp指數的變化狀態(tài)，結果表明在震前11～15d內Kp指數有明顯異常，最大值達到5，很可能這段時間內發(fā)生了中等以上的地磁暴. 綜上所述，在震前的11～15d內，太陽與地磁活動有劇烈波動，因此發(fā)生在這段時間內的電離層擾動需要特別關注.

圖2 Sumatra地震前太陽與地磁活動變化狀態(tài)

圖3 震中與coco、pbri觀測站震前TEC異常變化

2.2 震中TEC異常變化

在文獻[6-8]的研究中，只采用了對GIM插值出的TEC時間序列來分析大地震前的電離層變化，這種方法只能反映出震中地區(qū)的電離層變化狀態(tài)，有一定的局限性.為了更全面的反映出電離層電子含量的變化，除了GIM數據外，我們還采用了coco和pbri觀測站的觀測數據分析震中附近及對應磁共軛區(qū)的電離層變化狀態(tài).采用fortran程序提取出震中的TEC時間序列，利用滑動四分位距法計算出TEC時間序列對應的上邊界和下邊界，如圖3(a)所示. 從圖3(a)中可以看出在大部分時間內TEC時間序列都在下邊界和上邊界之內，在個別地方超出下邊界. 圖3(b)顯示在震前第8d孕震區(qū)內有TEC負異常出現，異常幅度約為5TECU，持續(xù)時間約為2～4h.Coco觀測站的探測結果和震中TEC時間序列有相同的變化趨勢，在震前的第8dcoco觀測站上空電離層出現TEC負異?，F象，異常幅度約為7TECU，持續(xù)約4h，見圖3(d)，與震中TEC負異常相比，coco觀測站處的TEC異常幅度更強，持續(xù)時間更長，這也許暗示著TEC異常區(qū)域不垂直對應震中地區(qū)，而是更偏向coco觀測站方向. 圖3(e)顯示pbri觀測站上空的TEC時間序列在大部分時間內都處于正常水平，只在震前第2d內有輕微的負擾動，而在第8d內無異常出現，表明在震前第8d震中附近的TEC異常區(qū)域并沒有擴散到pbri觀測站. 綜上所述，震前第8d孕震區(qū)內出現明顯的TEC負異常，為了分析TEC異常的空間形態(tài)，我們下一步進行全球TEC異常分析.

3 全球TEC異常分析

利用滑動四分位距法只能對震中的TEC異常進行單點探測，不能完全確定出TEC負異常的形態(tài)，因為我們對GIM的每個格網點進行滑動探測，得到全球TEC異常分布圖，如圖4所示.

圖4給出了Sumatra地震震前第8d的全球TEC異常分布圖，第一列表示TEC對應的上邊界，第二列表示TEC對應的下邊界，第三列表示觀測得到的TEC，第四列表示經過滑動探測后得到的TEC異常分布圖. 其中黑色曲線表示赤道異常區(qū)域邊界，紫色圓表示孕震區(qū)范圍. 可以看出，全球絕大部分區(qū)域TEC都在上邊界和下邊界之內.UTC00:00 (當地時間06:00)時，震中地區(qū)出現輕微TEC負擾動，主要異常區(qū)域出現在震中的下方，靠近南半球的赤道異常區(qū)域邊界，幅度約為-2～-4TECU.UTC02:00時(當地時間08:00)，TEC異常移動到震中位置，范圍和幅度略有增強，幅度達到-4TECU，且大部分異常區(qū)域都在孕震區(qū)范圍內.UTC04:00時(當地時間10:00)，TEC異常達到最大值，最大幅度達到-6TECU，范圍約為80°E～110°E，10°S～-20°S，且異常沿著赤道異常邊界移動.UTC06:00時(當地時間12：00)，孕震區(qū)內TEC異?；鞠В瑫r全球其他區(qū)域也沒有明顯TEC異常出現.

圖4 2016年2月23日全球TEC異常分布圖

此次TEC異常持續(xù)約6小時，最大異常幅度達到-6TECU. 異常主要出現在當地時間的06:00～12:00，這與以往的研究結果略有不同[13-15]. 同時TEC異常并不嚴格對應于震中地區(qū)，而是偏向赤道異常邊界的一側，這與圖3的分析結果相吻合，對應的磁共軛區(qū)內并無TEC異常出現. 結合前三列的

TEC及上下邊界分布圖，可以發(fā)現TEC異常并沒有出現在電子濃度高的區(qū)域，這表明此次TEC負異常并不是太陽輻射減弱造成的，而圖2中則表明該天并無地磁活動異常. 因此我們可以確定此次孕震區(qū)內的TEC負異常與Sumatra地震有一定的聯(lián)系.

4 結束語

本文利用歐洲定軌中心提供的GIM數據，采用滑動四分位距法分析了Sumatra地震前孕震區(qū)的電離層變化. 發(fā)現在震前第8d孕震區(qū)內的電子含量明顯降低，達到-6TECU，同時coco觀測站上空也有明顯的TEC負異常出現.TEC異常持續(xù)約6h，主要發(fā)生在當地時間的上午. 異常區(qū)域主要出現在孕震區(qū)范圍內，最大TEC異常區(qū)域并不與震中垂直對應，而是出現在震中南部，靠近赤道異常邊界，但是對應的磁共軛區(qū)并沒有顯著TEC異常出現. 在排除太陽與地磁的干擾后，此次電離層異?？赡苁荢umatra地震的前兆之一.

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(編輯：姚佳良)

Ionospheric anomalies preceding Sumatra earthquake detected by GPS

ZHOU Chang-zhi1, ZHANG Ke1,2, ZHANG Hai-ping1, GAO Shi-ming1, CHEN Yu1

(1.Shandong Provincial Institute of Land Surveying and Mapping,Ji′nan 250102, China;2.College of Geomatics,Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

The Mw7.8 earthquake abruptly occurred in sumatra on March 2nd, 2016. In order to investigate the coupling relationship between earthquake and ionospheric variations, the CODE′s (the Center for Orbit Determination in Europe) GIM (global ionosphere map) , the data of coco and pbri stations were analyzed by the sliding interquartile range method. The results indicate that the TEC (total electron content) decreased in the 8rd day before Sumatra earthquake, and the phenomenon was also observed in coco station,after eliminating the ionospheric anomalies associated with solar-terrestrial environment. The distribution of global TEC anomalies showed that the duration of TEC anomalies was about 6 hours with the maximum amplitude of -6TECU, and TEC anomalies mainly occurred in the earthquake preparation zone. The maximum TEC anomalies did not coincide with the epicenter, but appeared in the side close to the bounds of equatorial anomalous area. In addition, no obvious TEC anomalies were observed in the corresponding conjugated region. The phenomena may be the ionospheric precursors of Sumatra earthquake.

ionospheric anomalies; Sumatra; earthquake; sliding interquartile range method

2016-09-02

江蘇省研究生科研與創(chuàng)新計劃項目(KYZZ16_0289)

周長志, 男,gscpc324@163.com; 通信作者：張珂, 男,zhangk90@126.com

1672-6197(2017)04-0071-05

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