2021-04-16河北灤州MS4.3地震前的大氣電場(chǎng)異常信號(hào)分析

陳 濤 王詩(shī)涵,2 李 磊,2 楊牧萍 張靈倩 張學(xué)民 黃輔瓊 劉 靜 熊 攀 提 爍 吳 晗 宋佳軍 王 聰 蘇建峰 羅 靜

1 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心空間天氣學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市中關(guān)村南二條1號(hào)，100190 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院，北京市玉泉路19號(hào)甲，100049 3 遼寧省地震局，沈陽(yáng)市黃河北大街44號(hào)，110031 4 中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京市復(fù)興路63號(hào)，100036 5 中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京市三里河南橫街5號(hào)，100045 6 中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京市中關(guān)村北二條6號(hào)，100190 7 國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，北京市中關(guān)村南大街46號(hào)，100081

大氣電場(chǎng)異常、氡氣溢出增加、kHz地聲輻射增強(qiáng)等異常均被認(rèn)為是可能的地震前兆信號(hào)[1]。目前研究認(rèn)為，地震前大氣電場(chǎng)異常的主要產(chǎn)生機(jī)制很可能與氡氣溢出增強(qiáng)有關(guān)[2]。由于電離層帶正電而地球表面帶負(fù)電，因此在全球大氣中存在一個(gè)由電離層垂直指向地面的靜電場(chǎng)，即大氣電場(chǎng)[3]。大量研究表明[4]，震前大氣電場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)明顯的負(fù)異常，在地震臨震期間(地震發(fā)生前10 h內(nèi))通常為灣型(bay-like)電場(chǎng)異常(大氣電場(chǎng)負(fù)異常一直持續(xù)到地震發(fā)生之后)[5-6]。

Kondo[7]最早對(duì)地震前大氣電場(chǎng)異常進(jìn)行觀測(cè)研究；Pierce[8]最早提出大氣電場(chǎng)異?？杀豢醋鞯卣鹎罢仔盘?hào)；Mikhailov等[9]同時(shí)觀測(cè)近地面大氣電場(chǎng)強(qiáng)度和水平地磁分量功率譜發(fā)現(xiàn)，1999年堪察加半島3次地震前均存在電場(chǎng)異?，F(xiàn)象；Korsunova等[6]分析堪察加半島1998～2002年逐小時(shí)電離層數(shù)據(jù)，并與該時(shí)段強(qiáng)震(5.0≤M≤6.2)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，震前幾天到幾十天的電離層Es和近地面電場(chǎng)垂直分量Ez存在異常；Smirnov[4]對(duì)1997-01-01～2002-12-31俄羅斯的409次地震(4.7≤M≤6.7)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，有103次地震出現(xiàn)電場(chǎng)垂直分量Ez異常，其中37例異常信號(hào)出現(xiàn)在震前1～24 h內(nèi)。除上述案例外，還有許多研究也在震前觀測(cè)到不同時(shí)間尺度下的大氣靜電異常[10-11]。

國(guó)內(nèi)的震前大氣電場(chǎng)異常觀測(cè)最早始于20世紀(jì)90年代[12]，通過(guò)分析近十幾年中國(guó)華北地區(qū)近地表大氣電場(chǎng)異常與近場(chǎng)地震的關(guān)系，對(duì)電場(chǎng)異常特征在地震預(yù)報(bào)中的應(yīng)用進(jìn)行研究[13]。此外，An等[14]和Jin等[15]也對(duì)汶川地震震前幾小時(shí)到幾十天內(nèi)溫江區(qū)和郫縣電場(chǎng)梯度的同步異常變化進(jìn)行研究，并利用模型和氡氣機(jī)理對(duì)電場(chǎng)梯度異常變化特點(diǎn)進(jìn)行分析和總結(jié)。

河北省廊坊市永清站(116.65°E，39.38°N)和天津市寶坻站(117.28°E，39.73°N)2臺(tái)大氣電場(chǎng)儀在2021-04-16灤州MS4.3地震發(fā)生前10 h內(nèi)同時(shí)觀測(cè)到大氣電場(chǎng)異常信號(hào)。其中，永清站觀測(cè)到灣型電場(chǎng)異常臨震信號(hào)，寶坻站觀測(cè)到過(guò)境云與地質(zhì)活動(dòng)混合型電場(chǎng)異常臨震信號(hào)。本文著重對(duì)灤州地震期間2個(gè)臺(tái)站監(jiān)測(cè)到的電場(chǎng)異常臨震信號(hào)進(jìn)行對(duì)比研究，分析造成2種大氣電場(chǎng)異常信號(hào)差異的主要原因，并討論未來(lái)在大氣靜電監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中提取中等以上強(qiáng)度地震前兆信息的可能性。

1 灤州市地震天氣活動(dòng)背景

1.1 氣象活動(dòng)

根據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)記錄，2021-04-16 16:06在河北省灤州市(震中位置118.71°E, 39.75°N)發(fā)生MS4.3地震，震源深度9 km，震中距灤州市1 km，距唐山市47 km，震中位置靠近灤州-樂亭斷裂帶。

由于大氣電場(chǎng)在不同的大氣環(huán)境和天氣條件下具有不同的變化特征[16-18]，雨天、風(fēng)沙、霧霾和太陽(yáng)活動(dòng)等均可造成大氣電場(chǎng)強(qiáng)度下降[19]。因此，排除氣象因素、人類活動(dòng)、太陽(yáng)活動(dòng)等影響后，晴天條件下大氣電場(chǎng)出現(xiàn)的負(fù)異常很可能為地震先兆信號(hào)。

從中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)獲取寶坻氣象站(117.28°E, 39.73°N，與寶坻電場(chǎng)觀測(cè)站位置相同)和廊坊市氣象站(116.42°E, 39.35°N，與永清電場(chǎng)觀測(cè)站距離21.84 km) 2021-04-16逐小時(shí)氣象數(shù)據(jù)(表1)。其中風(fēng)速取2 min平均風(fēng)速，能見度為通過(guò)人工測(cè)量得到的水平能見度，總云量為各種高度和類型的云層遮蔽天空的比例。圖1為2021-04-16當(dāng)天大氣電場(chǎng)異常期間大興雷達(dá)站的雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果(反射率數(shù)值越高代表降水強(qiáng)度越大，反射率為0 dBZ的區(qū)域無(wú)低層云)。結(jié)合圖1和表1能更詳細(xì)地說(shuō)明地震當(dāng)天的天氣狀況以及云層分布情況。

表1 2021-04-16寶坻和廊坊氣象站逐小時(shí)數(shù)據(jù)

圖1 2021-04-16大氣電場(chǎng)異常期間大興雷達(dá)站觀測(cè)結(jié)果

由表1可知，地震當(dāng)天廊坊氣象站風(fēng)速偏低，最高不超過(guò)4.9 m/s，震前最高風(fēng)速為01:00的2.7 m/s，當(dāng)天平均風(fēng)速為1.8 m/s。相對(duì)濕度較低，最高不超過(guò)43%，平均相對(duì)濕度為23.8%。地震當(dāng)天廊坊氣象站的水平能見度較好，大部分時(shí)間均超過(guò)10 km，最低為12:00的9 km，空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良。氣溫在7.8 ～17.3 ℃之間，平均氣溫為13.4 ℃，全天均無(wú)降水。13:00～19:00總云量為90%，但由圖1可知，08:00～16:06廊坊地區(qū)無(wú)低層云，說(shuō)明廊坊氣象站13:00～19:00出現(xiàn)的云均為中層云或高層云。由于帶電的主要為低層云，因此廊坊地區(qū)氣象信號(hào)、氣溶膠以及云層對(duì)大氣電場(chǎng)信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生較大的調(diào)制作用。

地震當(dāng)天寶坻氣象站風(fēng)速比廊坊站略高，最高為17:00的11.4 m/s，震前最高風(fēng)速為13:00的8.2 m/s，當(dāng)天平均風(fēng)速為4.3 m/s。相對(duì)濕度較低，當(dāng)天平均值為27.3%，最高不超過(guò)42%。當(dāng)天溫度為6.6～16.6 ℃，平均氣溫為11.8 ℃。寶坻站的能見度比廊坊站更高，保持在10 km以上，最高為30 km，幾乎無(wú)空氣污染，全天無(wú)降水。09:00起總云量增加至73%，11:00～13:00總云量達(dá)到峰值93%，14:00又降至73%，14:00之后總云量較小。由圖1大興雷達(dá)站觀測(cè)結(jié)果可知，11:18～16:06天津市寶坻區(qū)無(wú)低層云。結(jié)合表1中總云量可知，寶坻氣象站和廊坊氣象站的最大震前總云量均超過(guò)90%，但廊坊上空主要為高層云和低層云，而寶坻上空主要是低層云。低高度的過(guò)境云為主要帶電云，會(huì)對(duì)大氣電場(chǎng)信號(hào)產(chǎn)生調(diào)制作用，由此可知，寶坻站大氣電場(chǎng)異常信號(hào)為過(guò)境云與地質(zhì)活動(dòng)混合型異常電場(chǎng)信號(hào)。

1.2 空間天氣活動(dòng)

Li等[20]對(duì)比分析風(fēng)云3號(hào)衛(wèi)星高能電子通量數(shù)據(jù)與俄羅斯沃斯托克站大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，大氣電場(chǎng)對(duì)高緯度地區(qū)高能電子通量的增強(qiáng)響應(yīng)時(shí)間為3.7～4 d。本文總結(jié)震前2021-04-11～16的空間天氣背景指數(shù)見表2，由表可知，該時(shí)段無(wú)CME、耀斑事件、射電暴發(fā)數(shù)，沒有明顯的太陽(yáng)活動(dòng)。Dst指數(shù)在震前5 d為-13～23 nT(Dst值越小代表地磁活動(dòng)擾動(dòng)幅度越大)，最小值為-13 nT，說(shuō)明大氣電場(chǎng)異常期間未發(fā)生大磁暴，地震前5 d地磁活動(dòng)不活躍，不會(huì)對(duì)地震當(dāng)天的大氣電場(chǎng)產(chǎn)生較大影響。

表2 2021-04-11～16空間天氣環(huán)境

總體來(lái)看，震前空間天氣環(huán)境平靜，未發(fā)生對(duì)空間靜電場(chǎng)信號(hào)產(chǎn)生較大調(diào)制作用的空間地磁活動(dòng)。排除氣象信號(hào)和空間天氣對(duì)空間電場(chǎng)垂直分量Ez的影響后認(rèn)為，地震當(dāng)天永清站觀測(cè)到的電場(chǎng)持續(xù)負(fù)異常很可能為地震前的關(guān)聯(lián)信號(hào)，而寶坻站觀測(cè)到的電場(chǎng)持續(xù)異常信號(hào)可能為過(guò)境云與地質(zhì)活動(dòng)混合型異常電場(chǎng)信號(hào)。

2 灤州地震大氣電場(chǎng)異常信號(hào)

2.1 臺(tái)站分布

永清觀測(cè)站位于河北省廊坊市北部(116.65°E, 39.38°N)，寶坻觀測(cè)站位于天津市寶坻區(qū)氣象局(117.28°E, 39.73°N)。永清站在震中南偏西77°方向，距震中181.2 km；寶坻站位于震中北偏西88.2°方向，距震中121.4 km，2觀測(cè)站相距67.7 km。

2.2 永清灣型電場(chǎng)異常臨震信號(hào)

圖2為2021-04-16永清站記錄到的大氣靜電場(chǎng)垂直分量Ez的變化曲線，其中T0為地震發(fā)生時(shí)刻，T1為判斷可能是地震引起的電場(chǎng)異常時(shí)刻，T0與T1時(shí)間間隔約為6.5 h。由于大氣靜電觀測(cè)儀器為非標(biāo)設(shè)備，可能存在零點(diǎn)校準(zhǔn)偏差，為確保電場(chǎng)為絕對(duì)負(fù)值信號(hào)(觀測(cè)數(shù)據(jù)的正負(fù)性)，以-0.3 kV/m為標(biāo)準(zhǔn)挑選電場(chǎng)異常信號(hào)。

圖2 永清站的大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)

從圖2可以看出，地震當(dāng)天08:00左右大氣電場(chǎng)開始出現(xiàn)負(fù)值，09:27大氣電場(chǎng)負(fù)值突破-0.3 kV/m，排除氣象因素和空間天氣因素后認(rèn)為，該信號(hào)很可能為地震前小時(shí)尺度的關(guān)聯(lián)信號(hào)。大氣電場(chǎng)異常在15:35達(dá)到峰值，為-2.7 kV/m，灣型電場(chǎng)異常信號(hào)一直持續(xù)到震后18:05。電場(chǎng)異常持續(xù)時(shí)間為8 h 38 min，大氣電場(chǎng)在異常期間的平均值為-0.68 kV/m。從1 h滑動(dòng)平均結(jié)果可以看出，電場(chǎng)在震前下降明顯，并出現(xiàn)持續(xù)負(fù)異常信號(hào)直到地震發(fā)生，是明顯的灣型電場(chǎng)異常臨震信號(hào)。

圖3 寶坻站的大氣電場(chǎng)數(shù)據(jù)

2.3 寶坻過(guò)境云與地質(zhì)活動(dòng)混合型電場(chǎng)異常臨震信號(hào)

圖3為地震當(dāng)天寶坻站記錄到的大氣靜電場(chǎng)垂直分量Ez的變化曲線，其中T0與T1時(shí)間間隔約為4 h?？紤]到設(shè)備的非標(biāo)性，挑選大氣電場(chǎng)異常的方法與永清站相同。由圖3可知，地震當(dāng)天12:00左右大氣電場(chǎng)迅速降至-0.5 kV/m，排除氣象活動(dòng)、空間天氣活動(dòng)和人為活動(dòng)干擾后認(rèn)為，該信號(hào)很可能為地震的關(guān)聯(lián)信號(hào)。震前大氣電場(chǎng)異常在15:19達(dá)到峰值，為-1.04 kV/m；震后大氣電場(chǎng)異常在16:42達(dá)到峰值，為-1.13 kV/m。電場(chǎng)異常信號(hào)一直持續(xù)到震后17:25，持續(xù)時(shí)間為5 h 24 min。

由圖1的雷達(dá)觀測(cè)結(jié)果可知，電場(chǎng)異常期間存在低層云，但考慮到過(guò)境云對(duì)空間電場(chǎng)影響的時(shí)間尺度較小，且圖2中異常信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間段完全包含在圖3的異常區(qū)間內(nèi)，因此排除其他氣象活動(dòng)和空間天氣影響后認(rèn)為，該異常信號(hào)很可能是地震源引起的空間靜電場(chǎng)異常和過(guò)境云混合型電場(chǎng)異常信號(hào)。

從圖2和圖3中1 h滑動(dòng)平均結(jié)果來(lái)看，永清站的電場(chǎng)信號(hào)比寶坻站更加明顯，但2個(gè)觀測(cè)站的電場(chǎng)儀分別來(lái)自2個(gè)不同的廠家(永清站電場(chǎng)儀來(lái)自中科院國(guó)家空間科學(xué)中心，寶坻站電場(chǎng)儀來(lái)源于氣象局)，同時(shí)考慮到設(shè)備的非標(biāo)性，電場(chǎng)強(qiáng)度絕對(duì)值大小的比較無(wú)意義。對(duì)比2個(gè)觀測(cè)臺(tái)站異常電場(chǎng)信號(hào)的其他特征發(fā)現(xiàn)，永清站觀測(cè)到異常的時(shí)間比寶坻站提前2.5 h，異常持續(xù)時(shí)間也比寶坻站長(zhǎng)3 h 14 min。這是由于寶坻站信號(hào)主要受過(guò)境云以及地震斷裂帶分布的影響，其變化幅度和持續(xù)時(shí)間都沒有永清站明顯。

3 討 論

2021-04-16灤州地震臨震前(10 h)距離震中181.2 km的永清站觀測(cè)到具有明顯灣型特征的大氣電場(chǎng)異常信號(hào)，電場(chǎng)變化幅度大，持續(xù)數(shù)小時(shí)，具有較低的變化率，這與以往地震觀測(cè)到的灣型電場(chǎng)異常信號(hào)特征一致。這種電場(chǎng)異常信號(hào)很可能是地震臨震前氡氣及其他放射性氣體溢出產(chǎn)生的空間電荷局部電場(chǎng)異常[21]。永清站觀測(cè)到灣型電場(chǎng)異常信號(hào)的同時(shí)，距離震中121.4 km的寶坻站也觀測(cè)到電場(chǎng)異常信號(hào)，但其很可能為過(guò)境云與地質(zhì)活動(dòng)混合型電場(chǎng)異常臨震信號(hào)，2個(gè)信號(hào)均為臨震(10 h)電場(chǎng)異常信號(hào)。

對(duì)比寶坻站和永清站可知，兩者距離震中位置相近，氣象條件也很類似，只是寶坻氣象站風(fēng)速略大，其記錄到的電場(chǎng)信號(hào)中存在過(guò)境云的混合。但2站的電場(chǎng)異常信號(hào)差別很大，永清站灣型電場(chǎng)異常信號(hào)的變化幅度和持續(xù)時(shí)間均明顯大于寶坻站。造成上述差異的原因不僅為云層作用，更主要的是地震斷裂帶分布，2個(gè)臺(tái)站所處位置與斷裂帶的空間關(guān)系以及與斷裂帶之間的方位距離均存在差異。

值得一提的是，寶坻站和永清站的異常電場(chǎng)信號(hào)可提前數(shù)小時(shí)感知到MS4.3灤州地震，說(shuō)明利用空間大氣電場(chǎng)不僅可以感知強(qiáng)震(MS≥6.0)，未來(lái)也可以通過(guò)多源空間靜電分析將天氣信號(hào)與地質(zhì)活動(dòng)信號(hào)分離，在一定的氣象活動(dòng)范圍內(nèi)采用空間靜電技術(shù)提前感知中等以上強(qiáng)度的地震。

4 結(jié) 語(yǔ)

在2021-04-16灤州MS4.3地震前，永清站監(jiān)測(cè)到灣型持續(xù)電場(chǎng)異常信號(hào)，該信號(hào)表現(xiàn)為臨震前的小時(shí)尺度前兆信號(hào)。同時(shí)，寶坻站監(jiān)測(cè)到過(guò)境云與地質(zhì)活動(dòng)混合型電場(chǎng)異常信號(hào)。2個(gè)觀測(cè)臺(tái)站與震中距離相近，但永清站灣型電場(chǎng)異常信號(hào)的變化幅度和持續(xù)時(shí)間均明顯大于寶坻站，地震期間不同位置的臺(tái)站同時(shí)觀測(cè)到2種不同類型的電場(chǎng)異常臨震信號(hào)。這表明，寶坻和永清2個(gè)臺(tái)站不同的電場(chǎng)異常信號(hào)反映了不同的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，未來(lái)可通過(guò)多源空間靜電分析形成有效的識(shí)別方法，在一定的氣象活動(dòng)范圍內(nèi)提前感知中等以上強(qiáng)度的地震。

致謝：感謝中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心劉勇研究員的熱情討論，感謝中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心提供地震信息，感謝中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)提供地面逐小時(shí)氣象數(shù)據(jù)，感謝地磁服務(wù)中心和中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái)太陽(yáng)活動(dòng)預(yù)報(bào)中心提供地磁活動(dòng)和太陽(yáng)活動(dòng)情況。