利用張衡一號(hào)衛(wèi)星電場(chǎng)數(shù)據(jù)研究吉林松原、河北唐山MS5.1地震前后空間電場(chǎng)時(shí)空演化特征

楊牧萍 錢(qián) 庚 張學(xué)民 孔祥瑞 申旭輝 張 萌 翟麗娜 金艷銘

1 遼寧省地震局，沈陽(yáng)市黃河北大街44號(hào)，110031

2 中國(guó)地震局地震研究所，武漢市洪山側(cè)路40號(hào)，430071

3 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

4 應(yīng)急管理部國(guó)家自然災(zāi)害防治研究院，北京市安寧莊路1號(hào)，100085

1964年阿拉斯加M8.5地震來(lái)臨之前，Alouette衛(wèi)星首次記錄到地震電離層電磁異常[1]，而后美國(guó)學(xué)者利用電離層垂測(cè)儀發(fā)現(xiàn)了地震前后電離層擾動(dòng)[2]。近年來(lái)，法國(guó)等國(guó)相繼發(fā)射一系列電磁監(jiān)測(cè)衛(wèi)星用于空間領(lǐng)域探索，其研究結(jié)果成為地震電磁空間探測(cè)的基礎(chǔ)[3-4]。全球第一顆用于探測(cè)地震電離層擾動(dòng)的衛(wèi)星是法國(guó)的DEMETER衛(wèi)星，于2004-06發(fā)射進(jìn)入太陽(yáng)同步軌道，2010-11服役期滿，在660～710 km軌道高度積累了6 a的觀測(cè)數(shù)據(jù)[5-6]。DEMETER衛(wèi)星工作時(shí)間大多處于太陽(yáng)活動(dòng)低年，獲取的探測(cè)資料有利于開(kāi)展地震前后電離層擾動(dòng)及空間物理相關(guān)現(xiàn)象的研究[7]。中國(guó)地震電磁衛(wèi)星(CSES)張衡一號(hào)于2013年立項(xiàng)，2018-02-02成功發(fā)射，正式開(kāi)啟其科學(xué)探測(cè)任務(wù)[8]。張衡一號(hào)與DEMETER衛(wèi)星相似，啟動(dòng)于太陽(yáng)活動(dòng)周期的活動(dòng)低年，且將經(jīng)過(guò)活動(dòng)最低年。該衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)采用圓軌道極軌太陽(yáng)同步方案，其軌道高度為507 km，相比于DEMETER衛(wèi)星更靠近電離層峰值區(qū)；升降交點(diǎn)時(shí)間為當(dāng)?shù)貢r(shí)間14:00和02:00，也稱(chēng)為晝側(cè)和夜側(cè)軌道；相對(duì)DEMETER衛(wèi)星16 d的回歸周期，張衡一號(hào)衛(wèi)星重訪周期設(shè)定為5 d，回歸周期加密，但也因此損失了軌道的空間覆蓋分辨率[7]。衛(wèi)星于2018-10底完成在軌測(cè)試，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，數(shù)據(jù)開(kāi)始正式對(duì)外發(fā)布(http:∥www.leos.ac.cn)。

本文基于經(jīng)過(guò)震中附近的張衡一號(hào)衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，首先將軌道數(shù)據(jù)分為升軌(夜側(cè))和降軌(晝側(cè))，分別對(duì)應(yīng)地方時(shí)02:00和14:00左右，由于日間太陽(yáng)輻射對(duì)電離層影響較大[9]，會(huì)對(duì)地震信息的提取造成影響，本文選取夜間(升軌)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；然后限制Dst≥-30 nT和Kp<3來(lái)排除空間磁環(huán)境擾動(dòng)，進(jìn)一步篩選出相應(yīng)的軌道數(shù)據(jù)；最后選取張衡一號(hào)電磁衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)中電場(chǎng)探測(cè)儀(EFD)載荷ULF/ELF頻段功率譜密度(PSD)數(shù)據(jù)分頻段進(jìn)行分析。

1 研究方法

以唐山古冶MS5.1地震為例，介紹本文研究方法(圖1，五角星為地震震中)。首先構(gòu)建觀測(cè)值統(tǒng)計(jì)背景場(chǎng)，地震震中經(jīng)緯度為39.78°N、118.44°E，研究區(qū)域?yàn)檎鹬小?0°范圍，即29.78°～49.78°N、108.44°～128.44°E，以經(jīng)度4°、緯度1°進(jìn)行網(wǎng)格劃分，組成5×20個(gè)網(wǎng)格。將2018～2020年每年04-12～08-12(即唐山古冶地震前90 d至震后30 d)某頻段PSD數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，計(jì)算出每個(gè)網(wǎng)格的中值和標(biāo)準(zhǔn)方差，得到2組5×20矩陣，分別為中值矩陣β(圖1(a))和標(biāo)準(zhǔn)方差矩陣σ(圖1(b))，利用2020-04-12～05-12(即震前90 d至震前60 d)的PSD數(shù)據(jù)計(jì)算中值矩陣α(圖1(c))；最后利用擾動(dòng)幅度提取公式θ=(α-β)/σ計(jì)算出相對(duì)于背景場(chǎng)的擾動(dòng)幅度θ(圖1(d))，θ表征地震研究的各時(shí)段空間電場(chǎng)相對(duì)于背景場(chǎng)擾動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)方差倍數(shù)。

2 震例分析

2.1 河北唐山古冶MS5.1地震震例分析

北京時(shí)間2020-07-12 06:38河北唐山古冶(39.78°N，118.44°E)發(fā)生MS5.1地震，震源深度10 km，由于張衡一號(hào)下午入境我國(guó)，沒(méi)有實(shí)時(shí)軌道數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)到此次地震。圖2為地震當(dāng)天距離最近的一條軌道(軌道號(hào)為135440)電場(chǎng)EFD記錄的ELF頻段實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，該軌道為降軌晝側(cè)軌道，入境時(shí)間為北京時(shí)間14:16，出境時(shí)間為北京時(shí)間14:30，未能記錄到本次地震事件。圖2(a)顯示電場(chǎng)ELF頻段x分量(上)、y分量(中)、z分量(下)數(shù)據(jù)時(shí)序曲線；圖2(b)為震中距，由于未記錄到本次地震，該軌道運(yùn)行期間2 000 km范圍內(nèi)也沒(méi)有其他MS5以上地震發(fā)生，故顯示為空白；由圖2(c)可以看出，Kp和Dst指數(shù)顯示近2個(gè)月空間磁環(huán)境都較為平靜，電磁衛(wèi)星記錄到的異常很有可能與本次地震有關(guān)；圖2(d)顯示，該軌道飛行痕跡距離唐山震中較近。

根據(jù)以往震例，將2020-07-12唐山古冶MS5.1地震震前90 d至震后30 d經(jīng)過(guò)震中附近±10°范圍內(nèi)的張衡一號(hào)衛(wèi)星2級(jí)軌道數(shù)據(jù)篩選出來(lái)，首先通過(guò)限制Kp<3和Dst≥-30 nT排除空間磁環(huán)境擾動(dòng)，剔除不符合條件的軌道數(shù)據(jù)，由于研究區(qū)不在高緯地區(qū)，不考慮AE指數(shù)；其次將ELF頻段分為4個(gè)頻段：39～351 Hz為第1頻段、371～879 Hz為第2頻段、898～1 503 Hz為第3頻段、1 523～2 265 Hz為第4頻段，并進(jìn)行時(shí)空演化特征研究[6,9-10]；最后將地震前90 d至震后30 d的數(shù)據(jù)分為6個(gè)時(shí)段：震前90～60 d、震前60～30 d、震前30～15 d、震前15 d至地震當(dāng)天、地震當(dāng)天至震后15 d及震后15～30 d。研究結(jié)果見(jiàn)圖3～6。

由圖3～6可以看出，在震前90～60 d、震前60～30 d、震前30～15 d時(shí)段內(nèi)θ逐漸增強(qiáng)，增強(qiáng)區(qū)域在距離震中4°以外的南部方向；震前15 d至地震當(dāng)天θ減弱，減弱區(qū)域在距離震中南部方向；地震當(dāng)天至震后15 d震中附近4°以外的北側(cè)和東南側(cè)θ均開(kāi)始大范圍增強(qiáng)；震后15～30 d，θ開(kāi)始逐漸回落，但也較震前60～15 d強(qiáng)度強(qiáng)。4個(gè)頻段的時(shí)空演化特征與以往震例相似度較高。

為更直觀地展示地震電場(chǎng)異常擾動(dòng)特征，采用定量方法進(jìn)行擾動(dòng)幅度時(shí)間序列分析，具體算法如下：對(duì)于2020-04-12～08-12電場(chǎng)PSD數(shù)據(jù)，每間隔15 d計(jì)算一個(gè)θ矩陣，并記錄矩陣中最大擾動(dòng)值∣θ∣max及平均擾動(dòng)值∣θ∣avg。2020-07-12唐山古冶MS5.1地震4個(gè)頻段擾動(dòng)幅度的時(shí)間序列如圖7所示，可以看出，4個(gè)頻段均顯示出震前先抬升至最高點(diǎn)，超過(guò)2倍均方差后在下降過(guò)程中發(fā)震，震后恢復(fù)的規(guī)律，且第2頻段表現(xiàn)尤為明顯，這與前文選取371～879 Hz作震例的研究結(jié)果較為相似。另外，4個(gè)頻段擾動(dòng)幅度時(shí)間序列特征相似，且震前均超過(guò)2倍均方差，這與錢(qián)庚等[11]利用法國(guó)DEMETER衛(wèi)星統(tǒng)計(jì)的全球45次MS7以上地震電場(chǎng)強(qiáng)度的時(shí)間序列分析結(jié)果一致，說(shuō)明此次唐山古冶地震震中上空電離層電場(chǎng)的擾動(dòng)很有可能是地震造成的。

2.2 吉林松原MS5.1地震震例分析

北京時(shí)間2019-05-18 06:24吉林松原(45.3°N，124.75°E)發(fā)生MS5.1地震，震源深度10 km。將該地震分4個(gè)頻段進(jìn)行時(shí)空演化特征分析，由于圖幅數(shù)量較多，僅保留擾動(dòng)幅度時(shí)序。圖8(a)顯示，震前最大擾動(dòng)幅度∣θ∣max值先下降而后抬升發(fā)震，震后恢復(fù)形態(tài)走勢(shì)，但其最大擾動(dòng)幅度一直低于2倍均方差，可見(jiàn)最大擾動(dòng)幅度低于2倍均方差被視為地震異常的可信度較低；圖8(b)的第2頻段地震前后最大擾動(dòng)幅度∣θ∣max時(shí)序與圖7(c)類(lèi)似，但在震前30～15 d超過(guò)了2倍均方差；圖8(c)的第3頻段地震前后最大擾動(dòng)幅度∣θ∣max時(shí)序與圖7(d)類(lèi)似，但其在所有時(shí)段均未超過(guò)2倍均方差；圖8(d)的第4頻段最大擾動(dòng)幅度∣θ∣max與前3個(gè)頻段走勢(shì)均不一致，震前抬升而后下降，恢復(fù)過(guò)程中發(fā)震，震后平穩(wěn)無(wú)變化，且整個(gè)過(guò)程均未超過(guò)2倍均方差?？傮w來(lái)說(shuō)，松原地震在前3個(gè)頻段時(shí)序特征相近，第4頻段則完全不同，且僅有第2頻段超過(guò)2倍均方差。

3 結(jié) 語(yǔ)

利用我國(guó)第一顆電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星張衡一號(hào)電場(chǎng)探測(cè)儀(EFD)載荷ULF/ELF頻段功率譜密度(PSD)數(shù)據(jù)，分4個(gè)頻段對(duì)2020年唐山古冶MS5.1地震和2019年吉林松原MS5.1地震進(jìn)行時(shí)空演化特征研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1)2020年唐山古冶MS5.1地震4個(gè)頻段擾動(dòng)幅度時(shí)間序列均顯示出震前先抬升至最高點(diǎn)超過(guò)2倍均方差，而后下降過(guò)程中發(fā)震，震后恢復(fù)這一規(guī)律，且第2頻段表現(xiàn)效果尤為明顯，這與前人選取371～879 Hz來(lái)作震例研究得出的結(jié)論相符。且這4個(gè)頻段擾動(dòng)幅度時(shí)間序列擬合度非常相似，震前均超過(guò)2倍均方差，說(shuō)明唐山古冶地震震前出現(xiàn)異常具有一定可信度。

2)2019年吉林松原MS5.1地震不同頻段的擾動(dòng)幅度時(shí)間序列相似度并不高，前3個(gè)頻段相似度相近一些，第4頻段則完全不一樣，且僅有第2頻段高過(guò)了2倍均方差，相比之下松原地震震前異常沒(méi)有唐山古冶地震表現(xiàn)明顯，異?？尚哦容^低。

在2組震例中，371～879 Hz這一頻段為電磁衛(wèi)星電場(chǎng)數(shù)據(jù)地震異常分析應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)頻段，前人研究發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間，其平臺(tái)和載荷的一些運(yùn)轉(zhuǎn)工作會(huì)產(chǎn)生一定的電磁輻射，對(duì)提取地震異常信號(hào)造成影響。澤仁志瑪?shù)萚6]測(cè)試法國(guó)DEMETER衛(wèi)星200 Hz以下電磁場(chǎng)顯示背景噪聲較強(qiáng)，這與曹晉濱等[9]利用TC1衛(wèi)星數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星本體造成電磁輻射主要集中在30 Hz以下、最多延伸到190 Hz左右的結(jié)論一致。而10 kHz以上的更高頻段受地面人工甚低頻發(fā)射站的影響較大，提取地震相關(guān)異常信息難度也相應(yīng)較大，故選取371～879 Hz頻段來(lái)進(jìn)行地震異常擾動(dòng)研究。本文研究亦表明了該頻段在地震異常分析應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)，與前人研究成果一致。