東北亞地區(qū)MS6.0以上地震異常電磁波動(dòng)研究

楊牧萍 錢 庚 張學(xué)民 申旭輝 張 萌 金艷銘

1 遼寧省地震局，沈陽市黃河北大街44號，110034 2 中國地震局地震研究所, 武漢市洪山側(cè)路40號，430071 3 中國地震局地震預(yù)測研究所，北京市復(fù)興路63號，100036 4 應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院，北京市安寧莊路1號，100085

對地震前后電離層高度觀測數(shù)據(jù)的研究表明，地震活動(dòng)會(huì)引起電離層ULF/ELF/VLF等低頻段電磁信號的擾動(dòng)[1-2]。由DEMETER衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)可知，頂部電離層區(qū)域的ULF/ELF/VLF電磁波動(dòng)主要分為上行和下行兩種類型[3]，其中上行電磁波動(dòng)是從巖石圈、大氣層向上傳播的電磁波動(dòng)，下行電磁波動(dòng)是從等離子層或磁層向下傳播到頂部電離層的電磁波動(dòng)[4]。利用電場和磁場三分量波形數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析和波矢量分析(波矢分析)，可獲得電磁波的來源方向、出現(xiàn)位置和極化信息，進(jìn)而計(jì)算出電磁波的特性[5]，隨后采用坡印廷矢量的能流方向來輔助判定波矢量的具體方向，并從存在180°方位差的2個(gè)平行方向的波矢方向中計(jì)算出具體方向。

本文利用搭載在DEMETER衛(wèi)星上的電場探測儀(ICE)和感應(yīng)式磁力儀(IMSC)詳查(burst)模式下的電場與磁場三分量波形數(shù)據(jù)，通過SVD方法對東北亞地區(qū)DEMETER衛(wèi)星運(yùn)行期間MS≥6.0典型地震震前異常電磁波數(shù)據(jù)進(jìn)行波矢分析和坡印廷(Poynting)矢量能流分析，計(jì)算得到異常電磁波的來源方向與出現(xiàn)位置，并嘗試解釋異常電磁波的產(chǎn)生原因及其與地震的關(guān)聯(lián)，為地震電離層耦合機(jī)制研究提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)域

本文選取東北亞地區(qū)(105°～145°E，38°～58°N)作為研究區(qū)域，該地區(qū)位于太平洋板塊、北美板塊和歐亞板塊的交匯處，現(xiàn)今地震活動(dòng)活躍，發(fā)育有郯廬地震帶、山西地震帶、燕山地震帶和河北平原地震帶。有記錄以來，研究區(qū)多次發(fā)生7級以上地震，給社會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[6]。

由于本文選取的震例為MS≥6地震，基于電磁信號從巖石圈傳播至電離層時(shí)可能發(fā)生偏移的機(jī)制[7]，根據(jù)Dobrovolsky等[8]提出的巖石圈孕震區(qū)范圍計(jì)算公式，計(jì)算得到的孕震區(qū)為震中±10°范圍：

ρ=100.43M

(1)

式中，M為震級，ρ為依據(jù)M計(jì)算得出的孕震區(qū)直線長度，單位km。

1.2 數(shù)據(jù)處理

首先篩選DEMETER衛(wèi)星2005-01～2009-12在38°～58°N、105°～145°E范圍內(nèi)的典型震例。由于東北亞地區(qū)現(xiàn)今強(qiáng)震較少，本文選取MS6.0以上地震開展研究，并限制震源深度為40 km。根據(jù)國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心的地震目錄，共得到17次地震。為保證地震異常的可信度，選取震前3個(gè)月至震后1個(gè)月震中經(jīng)緯度±10°范圍內(nèi)無MS5.0以上地震發(fā)生的情況，最后得到6個(gè)典型震例，如表1所示。

逐一篩選6個(gè)典型震例震前1個(gè)月經(jīng)過震中經(jīng)緯度±10°范圍內(nèi)的軌道數(shù)據(jù)，選取軌道數(shù)據(jù)中載荷編號為1130的電場探測儀(ICE)和1135感應(yīng)式磁力儀(IMSC)的加密波形三分量數(shù)據(jù)開展研究。通過限制Kp<2和Dst≥-30 nT，排除空間磁環(huán)境擾動(dòng)，以剔除不符合條件的軌道數(shù)據(jù)，進(jìn)一步篩選出需要處理的數(shù)據(jù)樣本，從6個(gè)震例中共得到6 000余條軌道數(shù)據(jù)。

本文采用Santolík等[9]基于電磁衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)開發(fā)的電磁場奇異值分解(SVD)方法，具體算法見文獻(xiàn)[10]。利用基于SVD方法開發(fā)的PRASSADCO軟件來分析異常電磁波特性[9]，可根據(jù)DEMETER衛(wèi)星詳查模式下電磁場三分量波形數(shù)據(jù)來解析電磁波特性，并驗(yàn)證波矢方向、坡印廷矢量和極化度等眾多參量[5]。

2 震例統(tǒng)計(jì)分析

由于篇幅限制，本文僅對2005-08-16日本本洲東岸近海MS7.2地震震前異常電磁波動(dòng)進(jìn)行詳細(xì)敘述。

2.1 2005-08-16日本本洲東岸近海MS7.2地震奇異值分析

對2005-08-16日本本洲東岸近海MS7.2地震震前1個(gè)月經(jīng)過震中經(jīng)緯度±10°范圍內(nèi)的軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行初步篩選，通過限制Kp指數(shù)和Dst指數(shù)排除空間磁環(huán)境帶來的噪聲干擾，并利用震中附近篩選好的詳查模式下1130和1135軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行SVD分析，發(fā)現(xiàn)在震前2 d出現(xiàn)了明顯的電離層擾動(dòng)異常。

在排除空間磁環(huán)境干擾的情況下，利用SVD方法對2005-08-14經(jīng)過震中上空、軌道號為059371的夜間升軌高分辨率磁場與電場三分量波形數(shù)據(jù)進(jìn)行波矢量分析。圖1為385～480 Hz電磁波波矢分析結(jié)果，圖中黑色箭頭指向地震的震中緯度，黑色直線為截止頻率(450 Hz)。圖1(a)為磁場功率譜密度(PSD)，圖1(b)為電場功率譜密度(PSD)，可以看出，12:23后截止頻率附件電場活動(dòng)較為強(qiáng)烈，呈現(xiàn)連續(xù)的電場擾動(dòng)。亦能隱約觀測到磁場異常擾動(dòng)信號，但強(qiáng)度不如電場明顯。圖1(c)為極化率，可以看出，12:23后截止頻率以下主要呈黃綠色，表示極化率大于0，異常電磁波表現(xiàn)為右旋極化特征。由圖1(d)和1(e)可以看出，12:23后極角大于90°，方位角約為±15°，當(dāng)?shù)卮艌鲋赶虻厍蚍较驎r(shí)，電磁波沿當(dāng)?shù)卮抛游缑媲襾碓从诘厍蚍较?。圖1(f)為坡印廷矢量，其正負(fù)值分別表示向高緯度和低緯度地區(qū)傳播，可以看出，在截止頻率附近所有時(shí)間段均為負(fù)值，說明電磁波向低緯度地區(qū)傳播。

圖1 2005-08-14震中上空電磁波SVD分析結(jié)果Fig.1 Analysis of electromagnetic wave polarization over the epicenter on 14 August 2005

為更直觀地展示信號的傳播過程，以示意圖的形式詳細(xì)描述。首先定義DEMETER衛(wèi)星所在的直角坐標(biāo)系，圖2中Z軸為沿磁力線的磁場B0的方向，X軸和Z軸均在磁子午面內(nèi)，X軸方向?yàn)閺牡厍蛑赶蛲獠?，極角θ為波矢量k與B0的夾角，方位角φ為波矢量k在XY平面內(nèi)的投影與X軸的夾角。

圖2 球坐標(biāo)系中定義的波矢量k、極角θ、方位角φFig.2 The wave vector k, polar angle θ, azimuth angle φ defined in the spherical coordinate system

圖3為傳播參數(shù)極角θ≈108°、方位角φ≈±15°、極化率sense >0時(shí)，2005-08-14 12:23:00的電磁波傳播示意圖，圖中波矢量k表示為帶箭頭的實(shí)線，其方向?yàn)閺牡厍蛑赶蛐l(wèi)星，與磁場B0的夾角為108°，且在XY平面內(nèi)的投影(k1)與X軸近似平行；紫色箭頭表示波的右旋極化特征。由圖可知，電磁波為來源于地球方向、被DEMETER衛(wèi)星接收到的右旋極化波。由于空間磁擾來源較多，沒有完全的磁靜日，目前尚不能確定該異常電磁波是否由地震產(chǎn)生，隨著圈層耦合探測技術(shù)的發(fā)展，后續(xù)將加入更多相關(guān)數(shù)據(jù)來開展研究。

圖3 異常電磁波傳播模式示意圖Fig.3 Schematic diagram of abnormal electromagnetic wave propagation mode

2.2 2005-11-10俄羅斯西伯利亞東南部MS6.4地震和2007-08-02俄羅斯薩哈林島(庫頁島)MS6.8地震奇異值分析

對2個(gè)地震震前1個(gè)月的軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行逐一篩選，排除空間磁環(huán)境帶來的噪聲干擾，并利用震中附近篩選好的詳查模式下1130和1135軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行SVD分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2個(gè)地震震前1個(gè)月未出現(xiàn)電離層異常擾動(dòng)現(xiàn)象。

2.3 2007-02-17日本北海道地區(qū)MS6.2地震奇異值分析

對日本北海道地區(qū)地震震前1個(gè)月、震中經(jīng)緯度±10°范圍內(nèi)的軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，排除空間天氣噪聲干擾，利用震中附近篩選好的詳查模式下1130和1135軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行SVD分析，確定最明顯的電離層擾動(dòng)異常出現(xiàn)于震前6 d。圖4為軌道號139340的降軌日間軌道電磁波波矢量分析結(jié)果，圖中黑色箭頭指向地震震中緯度。圖4(b)顯示，在440 Hz附近發(fā)現(xiàn)電場活動(dòng)較為強(qiáng)烈，呈現(xiàn)連續(xù)的電場擾動(dòng)，磁場活動(dòng)也較為明顯(圖4(a))；從圖4(d)和4(e)中可以看出，極角約等于30°，方位角接近180°，表明電磁波向地球方向沿子午面?zhèn)鞑?；圖4(f)為標(biāo)準(zhǔn)方差歸一化坡印廷矢量的水平部分，在440 Hz附近均為負(fù)值，說明電磁波向赤道方向傳播。

圖4 2007-02-11震中上空電磁波SVD分析結(jié)果Fig.4 Analysis of electromagnetic wave polarization over the epicenter on 11 February, 2007

2.4 2008-06-13日本本州東岸近海MS7.3地震奇異值分析

依照前文步驟進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選及處理分析，最終確定最明顯的電離層異常擾動(dòng)出現(xiàn)于震前2 d。圖5為軌道號210781的升軌夜間軌道電磁波波矢量分析結(jié)果，其中黑色箭頭指向地震震中緯度。圖5(b)顯示，在220 Hz附近發(fā)現(xiàn)不連續(xù)的強(qiáng)烈電場活動(dòng)，圖5(a)中的磁場也有一些擾動(dòng)；圖5(d)和5(e)顯示極角約等于30°，方位角接近-180°，表明電磁波向地球方向沿子午面?zhèn)鞑ィ粓D5(f)顯示220 Hz附近均為正值，說明電磁波向高緯度方向傳播。

圖5 2008-06-11震中上空電磁波SVD分析結(jié)果Fig.5 Analysis of electromagnetic wave polarization over the epicenter on 11 June 2008

2.5 2009-06-05日本北海道地區(qū)MS6.6地震奇異值分析

依照前文步驟進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選及處理分析，最終確定最明顯的地震異常出現(xiàn)于震前1 d。圖6為軌道號263320的降軌日間軌道電磁波波矢量分析結(jié)果，其中黑色箭頭指向地震震中緯度。由圖6(b)可看出，在420 Hz附近電場活動(dòng)較為強(qiáng)烈，呈現(xiàn)連續(xù)的電場擾動(dòng)，磁場活動(dòng)也較為明顯(圖6(a))；圖6(d)和6(e)顯示，極角約等于0°，方位角接近-90°，表明電磁波向地球以外垂直于子午面?zhèn)鞑?；圖6(d)顯示420 Hz附近均為負(fù)值，表示該電磁波向低緯度方向傳播。

圖6 2009-06-04震中上空電磁波SVD分析結(jié)果Fig.6 Analysis of electromagnetic wave polarization over the epicenter on 4 June 2009

3 結(jié) 語

本文選取東北亞地區(qū)(38°～58°N，105°～145°E)MS≥6.0典型震例，并從符合空間和時(shí)間尺度的17個(gè)震例中篩選出6個(gè)進(jìn)行分析。利用DEMETER衛(wèi)星詳查模式下磁場與電場的極低頻(ELF)三分量波形數(shù)據(jù)，選取震中上空±10°、震前30 d共6 000余條1130和1135軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行波矢量分析，結(jié)果如下：

1)2005-08-16日本本洲東岸近海MS7.2地震和2009-06-05日本北海道地區(qū)MS6.6地震震前在質(zhì)子回旋頻率以下DEMETER衛(wèi)星記錄到來源于地球的異常電磁波擾動(dòng)，這是由于地震導(dǎo)致巖石層破裂產(chǎn)生電磁輻射，而電磁輻射向上傳播至電離層高度，并被震中上方附近的電磁衛(wèi)星記錄到；

2)2005-11-10俄羅斯西伯利亞東南部MS6.4地震和2007-08-02俄羅斯薩哈林島(庫頁島)MS6.8地震震前在質(zhì)子回旋頻率以下DEMETER衛(wèi)星未記錄到異常電磁波擾動(dòng)，這種雖然發(fā)生了大地震，但震中上方附近電離層高度的電磁衛(wèi)星并未記錄到異常電磁波擾動(dòng)的現(xiàn)象，可能是由于地震產(chǎn)生的電磁波未傳播至電離層高度，或者有可能傳播到電離層高度至磁共軛點(diǎn)，但并未被震中上空的衛(wèi)星記錄到；

3)2007-02-17日本北海道地區(qū)MS6.2地震和2008-06-13日本本州東岸近海MS7.3地震震前在質(zhì)子回旋頻率以下DEMETER衛(wèi)星記錄到異常電磁波擾動(dòng)，但并非來源于地球，這是因?yàn)榭臻g磁擾來源較多，沒有完全的磁靜日，而電離層中有許多等離子體波動(dòng)，另外地震引起的電磁波擾動(dòng)可能并未傳播至電離層，或直接傳播到磁共軛點(diǎn)，但未被衛(wèi)星接收到。

隨著圈層耦合探測技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)研究的不斷深入，后續(xù)會(huì)加入更多數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，以期在巖石圈、大氣層和電離層的耦合機(jī)理等方面尋求突破。