閆相相

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

基于GPS和DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)的地震電離層電子濃度異常變化研究

閆相相

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

地震電磁現(xiàn)象的觀測與研究是認識地球內(nèi)部物質(zhì)特性、地震孕育發(fā)生過程以及空間信號傳播和介質(zhì)特性變化的重要途徑?？臻g對地觀測技術(shù)的發(fā)展，推動了地震電磁信號在大氣層、電離層的傳播與耦合機制的研究。從20世紀60年代發(fā)現(xiàn)美國阿拉斯加大地震震中區(qū)上空出現(xiàn)電離層異常擾動現(xiàn)象以來，有關(guān)地震空間電磁、電離層擾動的現(xiàn)象引起了廣泛的關(guān)注，成為地震電磁學(xué)領(lǐng)域一個新的研究熱點。研究表明，在地震孕育發(fā)生過程中，地下介質(zhì)由彈性變形進入非彈性形變階段，原有微裂隙擴展、新生微裂隙發(fā)育并定向排列，體積膨脹，水溶液進入和重新分布等物理過程，產(chǎn)生壓磁、壓電、動電、感應(yīng)電磁、熱磁效應(yīng)等物理電磁效應(yīng)的同步和定向激發(fā)，從而引起在距離震源一定范圍內(nèi)可觀測的明顯地震電磁前兆現(xiàn)象。大量的震例和統(tǒng)計分析顯示，大地震和火山噴發(fā)前幾天到幾小時內(nèi)，對應(yīng)孕震區(qū)、火山噴發(fā)區(qū)上空大氣層、電離層存在電磁異常擾動現(xiàn)象。主要包括：①LF／VLF／ELF／ULF信號相位、振幅異常變化；②電離層電子濃度總含量（total electron content，TEC）和電離層F2層臨界頻率foF2異常；③電離層等離子體參數(shù)變化；④高能粒子擾動；⑤熱紅外輻射異常等。

全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）作為當前探測電離層的有效手段已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，通過其獲取的電離層TEC則是揭示電離層時空變化規(guī)律和特征的重要物理參量。2000年以來，俄羅斯、美國、法國、烏克蘭等國先后發(fā)射了地震電磁衛(wèi)星，尤其是法國DEMETER衛(wèi)星，其科學(xué)數(shù)據(jù)被廣泛地應(yīng)用于地震電離層擾動研究，取得了極大進展。中國的地震電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星（China Seismo-Electromagnetic Satellite，CSES）計劃已經(jīng)列入“十二五”立項。

本論文依托地震電磁立體觀測體系發(fā)展思路，配合中國地震電磁衛(wèi)星計劃的推進，開展了基于DEMETER衛(wèi)星和GPS數(shù)據(jù)的地震空間電磁電離層擾動現(xiàn)象的研究。本文研究內(nèi)容主要可分為3大部分：①研究GPS測量電離層TEC的原理，掌握電磁衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理方法和異常提取技術(shù)；開展DEMETER衛(wèi)星各載荷數(shù)據(jù)處理及異常提取方法研究。②分別針對汶川地震、日本地震和玉樹地震開展了震前電離層擾動的多參數(shù)分析，研究和對比了3次強震前電離層異常的特征；分別利用DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析了全球7．0級以上強震和中國境內(nèi)6．0級以上強震期間的電子濃度異常變化規(guī)律；針對我國西南地震多發(fā)區(qū)，開展伴隨著多次地震的電離層TEC長時間序列分析，深化對地震電離層異常擾動的研究。③調(diào)研和總結(jié)目前地震電離層耦合模擬的最新成果，詳細闡述孕震區(qū)擾動電場（seisomogenic electrostatic field，SEF）的計算過程，分析其對電離層的效應(yīng)。

本文研究工作獲得以下主要認識：

（1）汶川地震的電離層擾動多參數(shù)分析結(jié)果表明，震前多種參量都出現(xiàn)了一定程度的擾動現(xiàn)象，不同參數(shù)在時間和空間上的擾動特征并不一致，但這些參數(shù)之間存在相應(yīng)的聯(lián)系。

利用GPS TEC、DEMETER衛(wèi)星和NOAA／AVHRR衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，系統(tǒng)梳理了汶川地震前多種參數(shù)（包括電離層TEC、Ne、Ni、Tb、Ti以及高能粒子通量等）的變化特征，探索總結(jié)了汶川地震前大氣層-電離層響應(yīng)。結(jié)果表明，電離層電子濃度在5月6—10日有連續(xù)的負異常現(xiàn)象，5月9日則明顯增強；異常的范圍主要位于震中南部區(qū)域，南北向約1 100～ 1 670 km，東西向約1 600～3 700 km，擾動的峰值距震中約700～900 km。NOAA／AVHRR衛(wèi)星數(shù)據(jù)得到汶川地震前5月7日和8日出現(xiàn)了顯著的熱紅外亮溫異常，而DEMETER衛(wèi)星的原位探測則發(fā)現(xiàn)5月9日離子溫度有明顯增高，幅度約12．5%；以上異常區(qū)域都位于震中西北，范圍約100～300 km。此外，DEMETER衛(wèi)星IDP探測器高能粒子數(shù)據(jù)結(jié)果顯示5月6日夜間100～600 KeV能譜段出現(xiàn)明顯增強，增幅達6σ；這與前人得到的異常電場增強時間相一致。研究結(jié)果表明，不同參數(shù)在時間和空間上的擾動特征并不一致，但這些參數(shù)之間存在相應(yīng)的聯(lián)系，因此有必要聯(lián)合地基和天基手段共同觀測。

（2）日本地震和玉樹地震的電離層電子濃度變化研究結(jié)果表明，震前TEC都出現(xiàn)了不同程度的增強現(xiàn)象，而異常同時可能受到太陽或地磁活動的共同作用。

利用IGS（International GNSS Service）提供的TEC數(shù)據(jù)和日本NICT提供的電離層測高儀數(shù)據(jù)，分析了2011年3月11日日本MW9．0特大地震（Tohoku-oki earthquake）前上空的電離層變化。研究發(fā)現(xiàn)，震前3天即3月8日04～14時（UT）期間，赤道異常區(qū)電離層TEC出現(xiàn)了明顯的增強現(xiàn)象，異常最大幅度達40TECU，并伴隨有南半球磁共軛區(qū)增強現(xiàn)象。日本境內(nèi)的4個電離層測高儀數(shù)據(jù)分析顯示，3月8日4個臺站同時出現(xiàn)了foF2增強現(xiàn)象，其中Okinawa和Yamagawa 2個站增幅明顯。需要指出，3月6—12日太陽活動水平有所增強，可見太陽和地磁活動對3月8日大幅度的TEC擾動有所貢獻。然而，分析表明，僅僅是太陽活動增強無法造成如此強度的電離層擾動，即無論從持續(xù)時間、空間分布特征以及異常強度等方面都表明，以上TEC變化跟此次大地震有很大的關(guān)系。

同時，綜合GPS和DEMETER衛(wèi)星2種觀測手段研究了玉樹地震前的電離層等離子體參量變化情況。結(jié)果表明，GPS觀測的電離層TEC在震前20 h左右有明顯的增強現(xiàn)象，TEC增強的區(qū)域位于震中南部15°N～30°N范圍內(nèi)，擾動的峰值距震中約1 000 km。TEC增強區(qū)域顯示為典型的EIA增強現(xiàn)象，與汶川和日本地震前觀測到的TEC空間擾動特征較為一致。通過對DEMETER衛(wèi)星IAP和ISL載荷記錄的電離層等離子體參數(shù)時序變化和空間緯度變化分析，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的跟地震相關(guān)的擾動現(xiàn)象。以上也表明了2種觀測手段由于測量電子濃度的方式不同，其觀測結(jié)果存在一定的差別。

（3）DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)統(tǒng)計全球強震期間電子濃度Ne變化結(jié)果表明，在赤道和中低緯地區(qū)更容易觀測到明顯的Ne擾動，震級大小則與擾動幅度基本呈正相關(guān)?；贕PS數(shù)據(jù)全國強震期間TEC變化統(tǒng)計分析結(jié)果則表明，TEC異常擾動多集中在震前2～6天，同樣以增強為主，且集中在地方時12～20時。

基于法國DEMETER衛(wèi)星ISL升軌數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析了2005—2009年全球37個M≥7．0地震前后的電離層電子濃度變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，共有19個地震（51%）前觀測到了較為明顯的電子濃度異常擾動現(xiàn)象，其中大部分表現(xiàn)為異常增強；觀測到的電子濃度異?，F(xiàn)象一般出現(xiàn)在震前1～5天內(nèi)，也有部分地震前出現(xiàn)2次及以上擾動現(xiàn)象。分析表明，在赤道和中低緯地區(qū)更容易觀測到明顯的電子濃度擾動，即異常震例基本發(fā)生在緯度±40°以內(nèi)（18次），更是以±20°內(nèi)居多（13次）。此外，震源深度對電子濃度擾動的影響并不明顯，而震級大小則與擾動幅度基本上呈正相關(guān)；震前出現(xiàn)的電子濃度異常有時會受到地磁活躍的共同影響，此時的擾動幅度一般較大。

基于GPS數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析了2000—2010年期間中國境內(nèi)（包括臺灣地區(qū)）30次MW6．0以上地震的TEC異常擾動情況，結(jié)果表明，20次地震（66．7%）前觀測到了較為明顯的TEC異常擾動，擾動以增強為主；擾動多集中在震前2～6天，而且具有明顯的地方時特點，擾動一般集中在地方時12～20時，一般平均持續(xù)4～6 h，有的地震可以持續(xù)幾天。震前電離層TEC異常的空間變化主要表現(xiàn)為對電離層赤道異常雙峰（EIA）的影響上，不但會增強或降低峰值位置的電子濃度值，而且會造成駝峰最大值位置向磁赤道方向偏移。

（4）通過對中國西南地震多發(fā)區(qū)以及“檢驗區(qū)”電離層TEC變化長時間序列分析結(jié)果表明，電離層是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，受到太陽、地磁以及地震活動等因素影響，其擾動具有多源性。

通過中國地殼運動網(wǎng)絡(luò)提供的GPS觀測數(shù)據(jù)，獲取了高精度電離層TEC分布，采用滑動四分位法分析研究了中國西南區(qū)域2008年4—10月（太陽和地磁活動平靜時段）6次連續(xù)MW6．0以上地震期間孕震區(qū)電離層TEC長時間變化及其異常分布；并在此基礎(chǔ)上利用GIM（Global Ionosphere Maps）數(shù)據(jù)分析了全球TEC變化特征。鑒于電離層主要受到太陽和地磁等空間天氣的影響，我們將TEC變化與太陽EUV（extreme ultraviolet）輻射、行星際磁場（interplanetary magnetic field，IMF）南向分量Bz以及地磁活動指數(shù)Dst和Kp進行了比較。研究發(fā)現(xiàn)，該時段內(nèi)電離層TEC異常擾動與太陽和地磁活動有很好的相關(guān)性；而除汶川地震外，其他地震前沒有發(fā)現(xiàn)明顯的跟地震相關(guān)的TEC異常擾動現(xiàn)象。同時，對比分析了與上述研究區(qū)位于同一地磁緯度的“檢驗區(qū)”（30°～50°E，15°～35°N）的GPS TEC隨時間變化和異常分布情況，結(jié)果顯示，TEC異常分布的時空特征與研究區(qū)域較為一致。結(jié)果表明，電離層是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其擾動具有多源性。

（5）通過對地震電離層耦合機理研究初探，認識到電離層TEC在SEF的作用下出現(xiàn)明顯變化，在赤道向（longitude equatorward）較為明顯。

介紹了電離層電流和電導(dǎo)率張量以及電離層O＋光化學(xué)作用的數(shù)學(xué)物理方程，總結(jié)了孕震區(qū)擾動電場的數(shù)學(xué)模型及公式推導(dǎo)。結(jié)果表明，夜間擾動電場更容易傳播到電離層，這與觀測現(xiàn)象相一致。擾動電場向上傳播至電離層F層高度，導(dǎo)致電離層電子濃度變化。結(jié)果顯示，電離層TEC在SEF的作用下出現(xiàn)明顯變化，而在赤道向上更為明顯，這同樣也與觀測現(xiàn)象一致。

地震-電離層；全球定位系統(tǒng)（GPS）；DEMETER衛(wèi)星；電子濃度總含量（TEC）；異常信息；統(tǒng)計分析；孕震區(qū)電場

（作者電子信箱，閆相相：ahuyanxiang＠gmail．com）

P315．72；

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10．3969／j．issn．0235-4975．2014．07．013