澤仁志瑪，申旭輝，曹晉濱，張學(xué)民，黃建平，劉 靜，歐陽(yáng)新艷，趙庶凡

1 中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036

2 北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院，北京 100191

1 引 言

2008年5月12日在青藏高原東南緣四川省汶川縣發(fā)生MS8.0級(jí)強(qiáng)震，造成69227人遇難，失蹤17923人.更令人意外的是2年不到的時(shí)間內(nèi)又一個(gè)災(zāi)難性地震在2010年4月14日襲擊了青藏高原中部玉樹(shù)地區(qū)，震級(jí)達(dá)MS7.1，造成了2000多人遇難.2011年3月11日又發(fā)生了日本宮城MS9.0級(jí)巨震，引發(fā)海嘯造成重大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失.這些頻繁發(fā)生的災(zāi)難性大震再次說(shuō)明地震是人類面臨的最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是當(dāng)今世界最重要的科學(xué)難題.20世紀(jì)以來(lái)大量學(xué)者利用非力學(xué)的電磁學(xué)方法研究地震的孕育與發(fā)生過(guò)程，發(fā)現(xiàn)ULF／ELF／VLF不同頻段的電磁信號(hào)提供了明顯的地震短臨信息[1-6］，由于地面觀測(cè)的局限性，俄羅斯、美國(guó)、日本、法國(guó)等國(guó)家相繼開(kāi)展了衛(wèi)星觀測(cè)的地震電磁異常研究，并發(fā)現(xiàn)多個(gè)地震前衛(wèi)星觀測(cè)到了不同頻段的空間電磁輻射異常[5，7-14］.Chmyrev等[7］利用Intercosmos-Bulgaria-1300衛(wèi)星數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)1982年的一個(gè)4.8級(jí)地震前1Hz頻率附近垂直準(zhǔn)靜電場(chǎng)分量變化幅度達(dá)3～7mV·m-1，磁場(chǎng)水平分量擾動(dòng)幅度達(dá)3nT.Parrot[8］利用極軌衛(wèi)星Aureol-3和同步軌道衛(wèi)星GEOS-2研究發(fā)現(xiàn)地震前ELF頻段電磁場(chǎng)不同分量出現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)象.Serebryakova等[9］利用Cosmos-1809衛(wèi)星和 Aureol-3衛(wèi)星對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)1989年在Spitak地震震中經(jīng)度6°，緯度2°—4°范圍的區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了450Hz以下頻段強(qiáng)烈的電磁輻射，且兩顆衛(wèi)星記錄的輻射強(qiáng)度和波譜分布相似.2008年MS8.0汶川地震前DEMETER衛(wèi)星在ELF／VLF／LF不同頻段上都觀測(cè)了電磁輻射異常[5，10-13］.

法國(guó) DEMETER（Detection of Electromagnetic Emission from Earthquake Regions）電磁衛(wèi)星是世界上首顆專門探測(cè)地震電離層擾動(dòng)的衛(wèi)星，于2004年6月至2010年12月運(yùn)行期間，在660～710km的軌道高度范圍內(nèi)積累了6年的翔實(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)，其中的電場(chǎng)、等離子體參數(shù)以及高能粒子數(shù)據(jù)被國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者廣泛應(yīng)用于地震電離層擾動(dòng)現(xiàn)象研究[5，10-13，15-18］，然而 利 用 DEMETER 衛(wèi) 星 搭 載 的 感應(yīng)式磁力儀（Instrument of Magnetic Search Coil，IMSC）觀測(cè)的變化磁場(chǎng)數(shù)據(jù)研究地震電磁輻射異?，F(xiàn)象方面的研究鮮有報(bào)道，這正是本文利用IMSC數(shù)據(jù)研究強(qiáng)震前后的空間磁場(chǎng)擾動(dòng)情況的原因，以期獲得變化磁場(chǎng)方面資料，補(bǔ)充前人研究的不足.

感應(yīng)式磁力儀IMSC主要由前置放大器、感應(yīng)線圈組成，感應(yīng)線圈是鎳鐵導(dǎo)磁合金，主線圈纏繞了12000匝銅線，線圈長(zhǎng)170mm，橫截面是4×4mm2.主線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為：

ε=μreffNSdB，其中μreff是相對(duì)有效滲透系數(shù)，N是線圈的匝數(shù)，S為線圈的橫截面面積，B是線圈外的磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度，IMSC測(cè)量頻段為[19.5Hz～20kHz］的變化磁場(chǎng)[19］.

前 人[5，10-13，15-18］提 取 地 震 電 離 層 異 常 信 息 研 究主要關(guān)注了大約地震前后1到2月的較短時(shí)段，為了更準(zhǔn)確、客觀地提取地震異常信息，本文在震中±10°范圍內(nèi)利用震前2個(gè)月至震后1個(gè)月的5年同期觀測(cè)資料構(gòu)建了背景場(chǎng)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了提取空間磁場(chǎng)在地震時(shí)段相對(duì)于背景場(chǎng)的擾動(dòng)幅度指標(biāo)公式.詳細(xì)分析了汶川地震前后空間磁場(chǎng)擾動(dòng)特征，首次補(bǔ)充了DEMETER衛(wèi)星關(guān)于汶川地震空間磁場(chǎng)變化異常的證據(jù).為獲得規(guī)律性認(rèn)識(shí)，本文對(duì)北半球2005—2009年的7級(jí)以上強(qiáng)震開(kāi)展了統(tǒng)計(jì)研究，并對(duì)比研究了在空間天氣平靜且無(wú)震條件下DEMETER衛(wèi)星在隨機(jī)地點(diǎn)上空觀測(cè)的磁場(chǎng)時(shí)空演變特征，給出了定量化的結(jié)果.

本文第2節(jié)介紹資料處理方法，第3節(jié)介紹研究方法，第4節(jié)介紹汶川震例及統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，第5節(jié)對(duì)比研究了空間天氣平靜且無(wú)震條件下在隨機(jī)地點(diǎn)上空DEMETER衛(wèi)星記錄的空間磁場(chǎng)演化特征.關(guān)于討論和結(jié)論詳見(jiàn)第6節(jié).

2 資料處理

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

關(guān)于孕震區(qū)輻射的電磁波動(dòng)如何從地面?zhèn)鞑サ诫婋x層，目前研究還不能真正解釋[1-3，20-23］.Pulinets等[23］認(rèn)為孕震區(qū)輻射的電磁波沿著磁力線傳播，因而衛(wèi)星記錄的電離層擾動(dòng)并不是在震中上空，而是出現(xiàn)一定的偏移.前人[24-26］研究地震電離層擾動(dòng)現(xiàn)象通常將震中經(jīng)向±6°／±10°，緯向±2°／±5°作為地震在電離層的影響范圍.根據(jù)Dobrovolsky等[27］提出的巖石圈孕震區(qū)大小估算公式：R=100.43M（其中R為孕震區(qū)直徑，單位為km，M為地震震級(jí)），震級(jí)達(dá)7至8級(jí)地震的孕震區(qū)直徑大致為1023km至2754km.因此本研究選擇震中經(jīng)緯度±10°的區(qū)域作為研究區(qū)域.資料處理過(guò)程主要包括以下幾個(gè)步驟，以期最大程度排除非震擾動(dòng)因素（如太陽(yáng)、地磁場(chǎng)活動(dòng)等）.

（1）設(shè)震中經(jīng)度為L(zhǎng)ON0，緯度為L(zhǎng)AT0，挑選經(jīng)過(guò)[LAT0±10°，LON0±10°］范圍內(nèi)的夜間軌道數(shù)據(jù).由于白天時(shí)段里太陽(yáng)引起的電離層改變可能會(huì)淹沒(méi)地震引起的微小擾動(dòng)，本研究只考慮當(dāng)?shù)匾归g時(shí)段的觀測(cè)數(shù)據(jù)，避免白天記錄數(shù)據(jù)的復(fù)雜性和多樣性解釋不清.

（2）根據(jù)DEMETER衛(wèi)星科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的輔助數(shù)據(jù)文件剔除記錄有誤的軌道.衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)控、載荷的開(kāi)關(guān)以及載荷的定標(biāo)等事件會(huì)影響觀測(cè)數(shù)據(jù)，輔助數(shù)據(jù)文件記載了這些事件的發(fā)生、持續(xù)時(shí)間，以及對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)有無(wú)影響等信息.

（3）剔除復(fù)雜空間天氣 （Dst≤-30nT，Kp≥3，AE≥200nT）情況下的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù).太陽(yáng)、行星際磁場(chǎng)對(duì)電離層的擾動(dòng)可能會(huì)掩蓋地震產(chǎn)生的異常信息[23，28-29］，因此我們?cè)跀?shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程只關(guān)注空間天氣平靜條件下的磁場(chǎng)異常，避免復(fù)雜空間天氣情況下的擾動(dòng)解釋不清.

2.2 磁場(chǎng)頻段選擇

衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間，衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷工作時(shí)不可避免地產(chǎn)生微弱電流.這些微弱電流的流動(dòng)必然會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)的擾動(dòng)[30］.如DEMETER衛(wèi)星本體對(duì)電磁場(chǎng)設(shè)備的影響主要出現(xiàn)在7.33Hz／19.53Hz／39.06Hz及其諧波[19］，DEMETER衛(wèi)星太陽(yáng)能帆板轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候產(chǎn)生的電磁擾動(dòng)主要出現(xiàn)在13.25Hz／77Hz及其諧波[31］.為了最大程度上避開(kāi)背景噪聲信號(hào)，作者曾測(cè)試了DEMETER衛(wèi)星感應(yīng)式磁力儀IMSC記錄的不同頻段電磁場(chǎng)信號(hào)噪聲水平[32］.

測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)在200Hz以下的電磁場(chǎng)信號(hào)背景噪聲比較強(qiáng).這結(jié)果與曹晉濱等[30，33］研究結(jié)果一致，曹晉濱等[30，33］利用TC1衛(wèi)星的磁場(chǎng)波動(dòng)分析儀數(shù)據(jù)研究衛(wèi)星在軌電磁輻射的特性，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星本體造成電磁輻射主要集中在30Hz以下，在30Hz以上衛(wèi)星本體的電磁輻射最多延伸到190Hz左右，而且強(qiáng)度明顯減弱.盡管前人在多個(gè)地震前發(fā)現(xiàn)了ELF／VLF200Hz以下頻段的空間電磁輻射異常[7-9，24-25，34］，但 DEMETER衛(wèi)星IMSC記錄200Hz以下頻段空間背景噪聲強(qiáng)，提取地震異常信息難度較大.測(cè)試結(jié)果表明處于ELF／VLF[370～897Hz］頻段的磁場(chǎng)強(qiáng)度圖像總體比較‘干凈’，噪聲水平比較小，所以本研究采用ELF／VLF[370～897Hz］頻段的磁場(chǎng)功率譜密度數(shù)據(jù)（Power Spectrum Density，此后簡(jiǎn)稱PSD）.

至于DEMETER記錄的VLF[1～10kHz］頻段，經(jīng)測(cè)試噪聲水平較弱且總體穩(wěn)定，未來(lái)可以繼續(xù)研究這個(gè)頻段.VLF10kHz以上的更高頻段受地面人工甚低頻發(fā)射站的影響比較大，提取地震相關(guān)的異常信息難度也大.如中國(guó)上空有澳大利亞NWC19.8kHz[16，20］信號(hào)（共軛干擾）、俄羅斯阿爾法導(dǎo)航系統(tǒng)11.9kHz／12.6kHz／14.9kHz頻段干擾.盡管 Molchanov等[20］、何宇飛等[16］利用DEMETER衛(wèi)星電場(chǎng)PSD數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星記錄的人工源VLF信號(hào)地震前后信噪比降低的現(xiàn)象，但Molchanov等[20］提出的震前人工源VLF信號(hào)信噪比衰減機(jī)理上需要更深入探討，在高頻段上很多電磁擾動(dòng)仍說(shuō)不清.

3 研究方法

以2008年5月12日MS8.0汶川地震（31°N，103.4°E）為例介紹本文研究方法.首先構(gòu)建觀測(cè)值統(tǒng)計(jì)背景場(chǎng)，把汶川震中±10°（21°N—41°N，93.4°E—113.4°E）的區(qū)域劃分成2°×2°的網(wǎng)格，一共得到10×10個(gè)網(wǎng)格.在每個(gè)2°×2°的網(wǎng)格單元里將2005—2009年DEMETER衛(wèi)星在2月1日—6月30日期間的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，求出ELF／VLF[370～897Hz］頻段磁場(chǎng)PSD值的均值和標(biāo)準(zhǔn)方差，得到一組10×10的均值矩陣β（圖1a）和一組標(biāo)準(zhǔn)方差矩陣σ（圖1b）.利用同樣的方法，只用地震發(fā)生當(dāng)年即2008年2月份的PSD值在每個(gè)網(wǎng)格單元中求出2月份觀測(cè)值的均值，得到一組10×10的均值矩陣α（圖1c）.定義：

利用公式（1）計(jì)算出每個(gè)2°×2°網(wǎng)格內(nèi)的θ值，結(jié)果如圖1d所示.公式（1）將2008年2月份汶川震中上空的磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)于背景場(chǎng)的變化大小歸一化為標(biāo)準(zhǔn)方差σ的倍數(shù)，θ為無(wú)量綱指標(biāo)，表征地震時(shí)段空間磁場(chǎng)相對(duì)于背景場(chǎng)的擾動(dòng)幅度.

圖1 汶川震中±10°范圍內(nèi)θ矩陣的構(gòu)建過(guò)程（a）由5年（2005—2009年）的2月1日—6月30日PSD值構(gòu)建的背景場(chǎng)均值β矩陣；（b）由5年（2005—2009年）的2月1日—6月30日PSD值構(gòu)建的背景場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)方差σ矩陣；（c）由2008年2月份的PSD值構(gòu)建的α均值矩陣；（5）計(jì)算出的2008年2月份的θ值.紅星表示汶川震中，色標(biāo)分別顯示β、σ、α、θ值的大小.Fig.1 Construction process ofθmatrix in the epicenter area of the Wenchuan earthquake（a）Background matrixβcomputed by PSD data during the same period（Feb.1to June 30）for the years from 2005to 2009；（b）The standard deviation matrixσcomputed by PSD data during the same period（Feb.1to June 30）for the years from 2005to 2009；（c）αmatrix computed by PSD data 1st to 29Feb 2008；（d）Results ofθ.The red star displays epicenter.The color bars represent the value ofβ，σ，α，andθ，respectively.

圖1 顯示了汶川震中±10°范圍內(nèi)θ值計(jì)算過(guò)程.圖1a為背景場(chǎng)β矩陣，圖中顏色表示ELF／VLF[370～897Hz］頻段磁場(chǎng)PSD值大小，從圖1a中可看出汶川震中±10°范圍內(nèi)2月1日—6月30日期間磁場(chǎng)強(qiáng)度平均變化范圍為10-8.5到10-8.1nT2／Hz.圖1b顯示了每個(gè)2°×2°網(wǎng)格單元內(nèi)觀測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)方差值分布情況，標(biāo)準(zhǔn)方差變化范圍為10-7.3到10-8.2nT2／Hz.圖1c顯示了2008年2月份α矩陣的大小，從圖1c中可看出2008年2月份的平均磁場(chǎng)強(qiáng)度變化范圍為10-8.7到10-7.3nT2／Hz，相對(duì)于背景場(chǎng)（圖1a）強(qiáng)度高約一個(gè)量級(jí).圖1d顯示了2008年2月份θ值的大小，用顏色表示，θ值的變化范圍為-0.3到1.5.

4 震例研究

4.1 汶川MS8.0級(jí)震例

根據(jù)上面介紹的研究方法，利用表征地震時(shí)段空間磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)背景場(chǎng)變化幅度的θ值分析汶川地震前后的空間磁場(chǎng)時(shí)空演化特征.汶川震中±10°區(qū)域內(nèi)背景場(chǎng)均值矩陣β和標(biāo)準(zhǔn)方差矩陣σ分別見(jiàn)圖1a，1b.將2008年2月1日—6月30日劃分為2月1日—2月29日、3月1—31日、4月1日—4月30、5月1日—5月12日、5月13日到23日、5月24日—6月23日共6個(gè)時(shí)段，分別求出這6個(gè)時(shí)段內(nèi)的α矩陣，并利用公式（1）計(jì)算出θ值，結(jié)果見(jiàn)圖2.圖2表示了2008年2月1日—6月30日期間汶川震中上空ELF／VLF[370～897Hz］頻段磁場(chǎng)相對(duì)背景場(chǎng)的擾動(dòng)幅度大小.

主要計(jì)算結(jié)果如下：汶川地震前3個(gè)月（2月1日—2月29日）最大θ值（相對(duì)背景場(chǎng)的最大擾動(dòng)幅度）為1.5；地震前2個(gè)月（3月1日—3月31日）磁場(chǎng)擾動(dòng)幅度開(kāi)始加強(qiáng)，最大θ值為2.1；地震前1個(gè)月（4月1—4月30日）磁場(chǎng)擾動(dòng)幅度最強(qiáng)烈，最大θ值為3.5，說(shuō)明這個(gè)時(shí)段內(nèi)空間磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)于背景場(chǎng)增強(qiáng)了3.5倍標(biāo)準(zhǔn)差；然而自5月1日—5月12日磁場(chǎng)強(qiáng)度開(kāi)始下降，最大θ值降為2.3；5月13日—5月23日（震后10天內(nèi)）磁場(chǎng)強(qiáng)度維持在低值范圍內(nèi)，最大θ值降為0.8；震后11天—1個(gè)半月（5月23日—6月23日）磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸回升，最大θ值為1.24.

圖2 2008年汶川地震前后ELF／VLF[370～897Hz］頻段磁場(chǎng)時(shí)空演化特征（a）2月1日—2月29日的θ值；（b）3月1日—3月31日的θ值；（c）4月1—4月30日的θ值；（d）5月1日—5月12日（地震當(dāng)天）的θ值；（e）5月13日—5月23日的θ值；（f）5月24日—6月23日的θ值.圖中紅星表示汶川地震震中，顏色表示θ值的大小.Fig.2 Temporal and spatial evolution of the magnetic field in the[370～897Hz］frequency band during the MS8.0Wenchuan earthquake（a）θvalue from 1Feb.to 29Feb.；（b）θvalue from 1Mar.to 31Mar.；（c）θvalue from 1Apr.to 30Apr.；（d）θvalue from 1May to 12May；（e）θvalue from 13May to 23May；（f）θvalue from 24May to 23June.The star indicates the epicenter，and the color bar represents the value ofθ.

為了定量化地描述地震時(shí)段空間磁場(chǎng)相對(duì)背景場(chǎng)的擾動(dòng)幅度，取的最大值（相對(duì)背景場(chǎng)的最大擾動(dòng)幅度）、平均值（相對(duì)背景場(chǎng)的平均擾動(dòng)幅度）考察地震前后磁場(chǎng)擾動(dòng)幅度的變化，結(jié)果見(jiàn)圖3.圖3給出了2008年1月1日—6月30日在汶川震中±10°范圍（10×10網(wǎng)格）內(nèi)的最大值和平均值隨時(shí)間變化情況.

從圖3中可以看出2008年2月份開(kāi)始磁場(chǎng)相對(duì)背景場(chǎng)強(qiáng)度上升，從2月15日一直到5月1日磁場(chǎng)擾動(dòng)幅度超過(guò)3倍標(biāo)準(zhǔn)差，5月1日達(dá)到最高值4.0，隨后在逐漸回落過(guò)程中發(fā)生汶川地震，震后磁場(chǎng)擾動(dòng)一直維持在低值狀態(tài).而在此期間震中相對(duì)背景場(chǎng)的磁場(chǎng)平均擾度幅度維持在1倍標(biāo)準(zhǔn)差附近，未見(jiàn)明顯的異?，F(xiàn)象，但是其震前震后的起伏形態(tài)與最大擾動(dòng)幅度曲線一致.已有較多文獻(xiàn)[5，10-13，15-17］報(bào)道了DEMETER衛(wèi)星在汶川地震前觀測(cè)到電子濃度、電子溫度、氧離子濃度、高能粒子、ELF／VLF／LF電場(chǎng)的明顯擾動(dòng).這些研究沒(méi)有涉及到DEMETER衛(wèi)星觀測(cè)的ELF／VLF頻段磁場(chǎng)擾動(dòng)情況，本文獲得的結(jié)果為深化認(rèn)識(shí)汶川地震相關(guān)的空間電磁異常補(bǔ)充了證據(jù).

4.2 震例統(tǒng)計(jì)

為了更全面地了解強(qiáng)震前后的空間磁場(chǎng)擾動(dòng)過(guò)程，根據(jù)DEMETER衛(wèi)星有效觀測(cè)數(shù)據(jù)，主要針對(duì)2005年1月1日—2009年12月31日北半球發(fā)生的32個(gè)MS7.0級(jí)以上，震源深度小于30km的強(qiáng)震開(kāi)展統(tǒng)計(jì)分析（地震目錄參考國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心http：／／data.earthquake.cn／data／），其中6個(gè)地震因某一時(shí)段內(nèi)缺數(shù)未納入研究.

在每個(gè)地震震中±10°范圍內(nèi)利用地震前2個(gè)月至地震后1個(gè)月的5年同期觀測(cè)資料，構(gòu)建其背景場(chǎng)均值矩陣β和標(biāo)準(zhǔn)方差矩陣σ.將地震發(fā)生當(dāng)年震前2個(gè)月至震后1個(gè)月的時(shí)段劃分為5個(gè)不同時(shí)段分別計(jì)算出α矩陣，并利用公式（1）計(jì)算出各個(gè)時(shí)段的θ值.這5個(gè)時(shí)段分別為震前第60天到第30天[-60dto-30d］、震前第29天到第10天[-29d to-10d］、震前第9天到地震當(dāng)天[-9dto 0d］、震后第1天到第10天[1dto 10d］、震后第11天到第30天[11dto 30d］.

利用圖2相同的模式，逐一繪制這26個(gè)地震在5個(gè)時(shí)段內(nèi)的θ值分布圖，并進(jìn)行對(duì)比分析（因篇幅有限在此未給圖像）.發(fā)現(xiàn)42%的地震（11／26）磁場(chǎng)時(shí)空變化特征與汶川地震大致相似，即地震期間（[-9dto 0d］和[1dto 10d］時(shí)段）磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)其它時(shí)段降低，而35%地震（9／26）磁場(chǎng)時(shí)空變化特征剛好相反，地震期間磁場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)其它時(shí)段高.23%地震（6／26）未見(jiàn)明顯規(guī)律.

5 隨機(jī)事件驗(yàn)證

為了更全面、客觀地認(rèn)識(shí)空間地震電磁異常現(xiàn)象，本文利用相同的方法，對(duì)比研究了空間天氣平靜且無(wú)震條件下在隨機(jī)地點(diǎn)上空DEMETER衛(wèi)星記錄的變化磁場(chǎng)的時(shí)空演化特征.隨機(jī)事件的選取方法如下：首先在北半球[緯度0°—65°，經(jīng)度0°—360°］范圍內(nèi)隨機(jī)選擇一組地點(diǎn)Pn（n=1to 26），其次選擇2005年2月—2009年11月中的任意平靜時(shí)間點(diǎn)作為隨機(jī)事件的發(fā)生時(shí)間.平靜時(shí)間點(diǎn)選擇條件為：在此時(shí)間點(diǎn)前2個(gè)月至后1個(gè)月內(nèi)在[緯度-65°到65°，Pn點(diǎn)經(jīng)度±10°］范圍內(nèi)無(wú)7級(jí)以上地震發(fā)生，此條件同時(shí)排除了南半球發(fā)生的強(qiáng)震可能在北半球產(chǎn)生的共軛效應(yīng).

其次在Pn點(diǎn)±10°范圍內(nèi)，收集2005—2009年每年隨機(jī)事件平靜時(shí)間點(diǎn)前2個(gè)月至后1個(gè)月的觀測(cè)資料，按照2.1節(jié)介紹的數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行預(yù)處理，第3節(jié)介紹的數(shù)據(jù)處理方法構(gòu)建隨機(jī)地點(diǎn)上空的背景場(chǎng)，并利用第4節(jié)震例統(tǒng)計(jì)的方法將隨機(jī)事件時(shí)間點(diǎn)前2個(gè)月至后1個(gè)月同樣劃分成5個(gè)時(shí)段，分別由公式（1）計(jì)算出隨機(jī)事件的θrand值（θrand表示隨機(jī)事件的θ值）.一共測(cè)試了4組（每組26個(gè)事件）隨機(jī)事件，利用圖4的方法，分別統(tǒng)計(jì)不同時(shí)段的最大值及平均值隨時(shí)間變化特征，結(jié)果見(jiàn)圖5.圖5表示了在空間天氣平靜條件下4組隨機(jī)地點(diǎn)上空的空間磁場(chǎng)相對(duì)其背景場(chǎng)的擾動(dòng)幅度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果.從圖中可以看出隨機(jī)地點(diǎn)上空的的平均值接近0，說(shuō)明隨機(jī)地點(diǎn)上空的空間磁場(chǎng)相對(duì)其背景場(chǎng)的平均擾度幅度很小最大值從未超過(guò)2倍標(biāo)準(zhǔn)差，并且沒(méi)有明顯的隨時(shí)間變化特征.

6 討論與結(jié)論

6.1 討 論

地面觀測(cè)資料已經(jīng)證實(shí)強(qiáng)震前存在明顯的電磁異?，F(xiàn)象，并提出了壓電、壓磁、感應(yīng)電磁，動(dòng)電電磁、熱磁效應(yīng)等機(jī)理解釋[1-2，4］，Huang等[1-2］從實(shí)驗(yàn)和理論方面對(duì)地震電磁波的激發(fā)及傳播特性進(jìn)行了研究，為地震電磁輻射異常提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù).總結(jié)國(guó)內(nèi)外關(guān)于“巖石圈-大氣層-電離層”耦合機(jī)理的研究[1-2，6，8，20-23，35］，可知有化學(xué)、聲學(xué)、電磁三種途徑引起地震空間電磁異常.化學(xué)途徑：孕震區(qū)化學(xué)參數(shù)（如水氡）的改變引起大氣成分的變化或大氣導(dǎo)電率的改變，導(dǎo)致大氣電場(chǎng)的擾動(dòng)，進(jìn)而影響電離層；聲學(xué)途徑：孕震區(qū)巖石變化引起大氣低頻震動(dòng)，通過(guò)聲重波模式上傳到電離層.電磁途徑：震前積累的大量能量一小部分通過(guò)電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)殪o電場(chǎng)和電磁輻射.

為什么強(qiáng)震前后空間磁場(chǎng)出現(xiàn)兩種截然不同的擾動(dòng)特征？圖6給出了這兩種不同擾動(dòng)特征地震的震中分布圖，從圖中可以看出第一種擾動(dòng)類型的地震主要（8／11）發(fā)生在20°N以北的中高緯度地區(qū)，而第二種擾動(dòng)類型的地震震中主要（7／9）分布在30°N以南的中低緯度.看來(lái)似乎與地震發(fā)生的不同部位有一定關(guān)聯(lián)，但地震前后空間磁場(chǎng)兩種不同的擾動(dòng)特征是不是與孕震區(qū)的位置、機(jī)理有關(guān)這個(gè)問(wèn)題還需要更深入的探索.關(guān)于孕震區(qū)激發(fā)的ELF／VLF電磁輻射進(jìn)入頂部電離層的一種可能路徑為孕震區(qū)電磁輻射進(jìn)入地層-電離層波導(dǎo)后，向上滲透到達(dá)衛(wèi)星位置，另一種可能路徑為電磁輻射進(jìn)入地層-電離層波導(dǎo)后，沿波導(dǎo)傳播至接收點(diǎn)的“磁共軛點(diǎn)”，然后沿地磁場(chǎng)磁力線方向傳播，經(jīng)過(guò)電離層和磁層到達(dá)衛(wèi)星位置[23，35］.

“巖石圈-大氣層-電離層”耦合機(jī)理目前的研究主要集中在震例積累、模型假說(shuō)階段.現(xiàn)階段，地震預(yù)測(cè)的研究尚處于探索性階段，在這個(gè)階段中，主要圍繞三項(xiàng)任務(wù)：第一，盡可能多地積累震例資料，包括正反兩方面的資料；第二是研究觀測(cè)量變化的機(jī)理；第三在震例和機(jī)理分析的基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)和完善觀測(cè)技術(shù).這不僅適用于地基觀測(cè)，也同樣適合于天基觀測(cè).對(duì)于天基觀測(cè)，由于研究時(shí)間尚短，震例的積累尤為重要，沒(méi)有充分的、客觀的震例研究結(jié)果，機(jī)理的研究不可能深入.

本文涉及的衛(wèi)星電磁場(chǎng)的觀測(cè)及其與地震的關(guān)聯(lián)問(wèn) 題，前 人 也 開(kāi) 展 過(guò) 統(tǒng) 計(jì) 研 究[24-25，29，36］.Nemec等[25］利用DEMETER衛(wèi)星的夜間電磁場(chǎng)PSD值對(duì)4.8級(jí)以上地震統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)在地震前0—4小時(shí)內(nèi)在VLF 1.7kHz頻段上的電磁波出現(xiàn)了雖微弱但明顯的降低，且淺源大地震更能引起電磁場(chǎng)強(qiáng)度的下降.Parrot等[29］利用Aureol-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)325個(gè)大于5級(jí)以上地震統(tǒng)計(jì)研究雖未發(fā)現(xiàn)地震活動(dòng)與電磁輻射明顯的因果關(guān)系，但發(fā)現(xiàn)震中ELF／VLF電磁輻射增強(qiáng)主要出現(xiàn)在800Hz以下，輻射主要沿緯度方向擴(kuò)展，在經(jīng)度上卻沒(méi)有這種現(xiàn)象.然而 Henderson等[24］，Rodger等[36］的統(tǒng)計(jì)研究結(jié)果表明地震與空間電磁輻射的相關(guān)性很微弱.Henderson等[24］利用低軌衛(wèi)星DE2數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果未發(fā)現(xiàn)明顯與地震相關(guān)的ELF／VLF輻射異常.Rodger等[36］利用低軌道衛(wèi)星ISIS數(shù)據(jù)對(duì)39個(gè)地震統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)沒(méi)有特殊或者類似的ELF／VLF異常輻射現(xiàn)象與地震相關(guān).不同的衛(wèi)星、不同的軌道設(shè)計(jì)以及使用不同的儀器，使得不同研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比是件非常困難的事情.DEMETER作為一個(gè)專門設(shè)計(jì)探測(cè)地震現(xiàn)象的衛(wèi)星，太陽(yáng)同步極軌設(shè)計(jì)，為多個(gè)地震現(xiàn)象的對(duì)比研究提供了良好的條件.從這點(diǎn)上說(shuō)本文的研究作為一次新的探索，可能為研究地震的天基效應(yīng)以及天地耦合機(jī)理，具有一定的意義.

6.2 結(jié) 論

本文利用DEMETER衛(wèi)星觀測(cè)的ELF／VLF[370～897Hz］頻段磁場(chǎng)功率譜密度值研究強(qiáng)震前后空間磁場(chǎng)擾動(dòng)特征，主要得出如下結(jié)論：

（1）2008年5月12日MS8.0汶川地震前后空間磁場(chǎng)存在某種演化規(guī)律：震前磁場(chǎng)波動(dòng)強(qiáng)烈，擾動(dòng)幅度超過(guò)3倍標(biāo)準(zhǔn)差，隨后開(kāi)始下降，在下降過(guò)程發(fā)生汶川地震.

（2）針對(duì)2005—2009年北半球MS7.0級(jí)以上震例統(tǒng)計(jì)研究表明，空間變化磁場(chǎng)在地震前后的時(shí)空演化特征存在一定規(guī)律.42%強(qiáng)震空間磁場(chǎng)擾動(dòng)特征主要為震前磁場(chǎng)擾動(dòng)幅度逐漸上升，超過(guò)3倍標(biāo)準(zhǔn)差后，在下降過(guò)程中發(fā)震.35%強(qiáng)震的震前20天開(kāi)始磁場(chǎng)擾動(dòng)幅度開(kāi)始上升，地震前10天內(nèi)最大擾動(dòng)幅度超過(guò)3倍標(biāo)準(zhǔn)差，在擾動(dòng)幅度最高期間發(fā)震，震后磁場(chǎng)擾動(dòng)幅度逐漸回落.23%強(qiáng)震在震前震后無(wú)明顯規(guī)律.

（3）隨機(jī)事件測(cè)試發(fā)現(xiàn)在空間天氣平靜且無(wú)震條件下隨機(jī)地點(diǎn)上空的磁場(chǎng)無(wú)明顯的時(shí)空演化規(guī)律，且隨機(jī)地點(diǎn)上空的空間磁場(chǎng)相對(duì)于背景場(chǎng)的平均擾動(dòng)幅度很小，最大擾動(dòng)幅度從未超過(guò)2倍標(biāo)準(zhǔn)差，并且沒(méi)有明顯的隨時(shí)間變化特征.

致 謝 本文作者感謝法國(guó)DEMETER衛(wèi)星科學(xué)中心提供衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)與相關(guān)文檔，感謝審稿人和編輯部的中肯意見(jiàn)和建議.

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