張 宇 王蘭煒， 申旭輝張興國(guó) 張世中 顏 蕊

1) 中國(guó)北京100085中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所 2) 中國(guó)北京100085北京市地震觀測(cè)工程技術(shù)研究中心

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中國(guó)電磁衛(wèi)星地面對(duì)比觀測(cè)系統(tǒng)方案研究*

1) 中國(guó)北京100085中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所 2) 中國(guó)北京100085北京市地震觀測(cè)工程技術(shù)研究中心

針對(duì)我國(guó)即將發(fā)射的電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星觀測(cè)物理量和觀測(cè)頻段， 結(jié)合我國(guó)現(xiàn)有地基觀測(cè)基礎(chǔ)和對(duì)比觀測(cè)需求， 本文提出了地面對(duì)比觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案， 包括觀測(cè)對(duì)象、 觀測(cè)頻段和觀測(cè)區(qū)域的選取以及臺(tái)網(wǎng)布局方式． 在此基礎(chǔ)上， 根據(jù)該方案在甘肅省天祝前兆臺(tái)陣區(qū)域建立了古豐、 寺灘和坪城等3個(gè)臺(tái)站的地面對(duì)比觀測(cè)原型系統(tǒng)， 并取得了電磁場(chǎng)的初步觀測(cè)資料． 對(duì)觀測(cè)資料的分析結(jié)果表明， 地電場(chǎng)和地磁場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)呈典型的日變化形態(tài)， 具有較好的同步性和一致性， 能夠真實(shí)地反映小區(qū)域地電場(chǎng)和地磁場(chǎng)的變化． 該結(jié)果可為今后開(kāi)展試驗(yàn)性的星地聯(lián)合觀測(cè)和建立我國(guó)地震電離層立體監(jiān)測(cè)體系提供技術(shù)支撐．

電磁衛(wèi)星 觀測(cè)系統(tǒng) 對(duì)比觀測(cè) 原型系統(tǒng) 電磁場(chǎng)

引言

隨著空間技術(shù)的迅速發(fā)展， 多個(gè)國(guó)家已成功發(fā)射電離層電磁探測(cè)衛(wèi)星． 自Alouette-1衛(wèi)星觀測(cè)到1964年阿拉斯加MS8.5大地震震前電離層異常(Davis, Barker, 1965)后， 各國(guó)科研人員針對(duì)衛(wèi)星觀測(cè)地震前兆異常開(kāi)展了大量的研究工作， 并取得了很多有意義的研究成果(Gokhbergetal， 1982； Parrot， 1994； Shalimov， Gokhberg， 1998； Hayakawa， 1999； Liuetal， 2002； Kopytenkoetal， 2004； Pulinets， 2004； 張學(xué)民等， 2009； 安張輝等， 2011； 朱濤， 王蘭煒， 2011)． 其中， Parrot(1994)， Pulinets(2004)和Liu等(2002)利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)開(kāi)展了震前空間電磁場(chǎng)和電離層總電子含量(total electron content, 簡(jiǎn)寫(xiě)為T(mén)EC)異常擾動(dòng)的研究； 張學(xué)民等(2009)及朱濤和王蘭煒(2011)利用法國(guó)DEMETER衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)分析了智利MS7.0和汶川MS8.0大震前后的電磁擾動(dòng)異?，F(xiàn)象； 安張輝等(2011)利用邊際譜方法對(duì)汶川地震前天基和地基電場(chǎng)變化進(jìn)行了聯(lián)合分析， 研究結(jié)果顯示地基和空間電場(chǎng)的邊際譜均出現(xiàn)了增強(qiáng)現(xiàn)象， 且二者的一致性較好, 這些研究成果均為空間地震前兆觀測(cè)研究積累了經(jīng)驗(yàn)．

我國(guó)即將發(fā)射專門(mén)應(yīng)用于地震監(jiān)測(cè)研究的電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星(以下簡(jiǎn)稱電磁衛(wèi)星)， 將在我國(guó)地基電磁監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)的基礎(chǔ)上， 建立天地一體化立體地震電磁觀測(cè)體系， 極大提高我國(guó)地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)能力． 電磁衛(wèi)星的科學(xué)載荷包括電場(chǎng)探測(cè)儀、 感應(yīng)式磁力儀、 高精度磁強(qiáng)計(jì)、 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (Global Navigation Satellite System， 簡(jiǎn)寫(xiě)為GNSS)掩星接收機(jī)、 三頻信標(biāo)機(jī)、 朗繆爾探針、 等離子體分析儀和高能粒子探測(cè)器共8種， 可對(duì)空間電磁場(chǎng)、 等離子體、 高能粒子能譜等參量的背景變化和擾動(dòng)進(jìn)行探測(cè)， 從而識(shí)別地球內(nèi)部巖石圈所激發(fā)的信息．

電磁衛(wèi)星通過(guò)空間探測(cè)的方式對(duì)地震前兆現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)， 已成為地面前兆觀測(cè)手段的有益補(bǔ)充． 衛(wèi)星觀測(cè)為覆蓋全球的重訪軌道觀測(cè)， 其觀測(cè)點(diǎn)位置隨時(shí)間而改變， 而地基觀測(cè)為固定點(diǎn)連續(xù)觀測(cè)， 即二者觀測(cè)的物理量類似， 但觀測(cè)方法不同． 如何將衛(wèi)星觀測(cè)與地面觀測(cè)相結(jié)合， 基于我國(guó)多年積累的地面前兆觀測(cè)數(shù)據(jù)與即將發(fā)射的電磁衛(wèi)星獲取的電磁場(chǎng)和電離層等離子體探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)研究， 是我國(guó)未來(lái)立體監(jiān)測(cè)體系研究的關(guān)鍵． 法國(guó)和美國(guó)的科研人員曾就此進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)研究． 法國(guó)DEMETER衛(wèi)星旨在探測(cè)與火山、 地震相關(guān)的電離層擾動(dòng)現(xiàn)象， 其研究團(tuán)隊(duì)在留尼汪(Réunion)島富爾奈斯(La Fournaise)火山和希臘地震多發(fā)區(qū)科林斯(Corinth)海灣建立了地面對(duì)比觀測(cè)站． 觀測(cè)結(jié)果顯示， 2003年5月富爾奈斯火山噴發(fā)前記錄到了電磁異常信號(hào)， 其電場(chǎng)幅值變化高達(dá)幾百mV/km， 持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)小時(shí)， 信號(hào)頻率為幾十赫茲， 但是并未記錄到地震前兆信息(Zlotnickietal， 2006)． 為了與QuakeSat微納衛(wèi)星進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè)研究， 美國(guó)科研人員沿加州地區(qū)主要斷裂帶布設(shè)地面電磁臺(tái)站， 構(gòu)建成加利福尼亞磁觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(The California Magnetometer Network， 簡(jiǎn)寫(xiě)為CalMagNet)(Cutleretal, 2008)． QuakeSat衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間， 捕捉到2004年12月22日加州圣西蒙MS6.4地震的電磁異常信息， 但是地面觀測(cè)仍未記錄到相關(guān)的異常信息(Bleier， Dunson， 2005)．

雖然國(guó)際上在星地同步對(duì)比觀測(cè)方法方面的研究尚不夠深入， 但其試驗(yàn)方法和布設(shè)方案為我國(guó)星地對(duì)比觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)與借鑒． 目前， 我國(guó)已建成大規(guī)模、 規(guī)范化的地面業(yè)務(wù)型監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)， 相當(dāng)多的臺(tái)站連續(xù)觀測(cè)長(zhǎng)達(dá)30年之久， 積累了大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)和豐富的震例資料． 本文擬針對(duì)我國(guó)即將發(fā)射的電磁衛(wèi)星和立體觀測(cè)的需求， 提出我國(guó)地面對(duì)比觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案， 并通過(guò)建設(shè)地面對(duì)比觀測(cè)原型系統(tǒng)驗(yàn)證該方案的合理性和科學(xué)性， 為我國(guó)天地立體監(jiān)測(cè)體系的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供技術(shù)支撐．

1 電磁衛(wèi)星地面對(duì)比觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星地面對(duì)比觀測(cè)系統(tǒng)旨在開(kāi)展電磁場(chǎng)和電離層等離子體的地面與空間聯(lián)合觀測(cè)， 探索地面和衛(wèi)星高度電磁信號(hào)的變化特征和相關(guān)性及其對(duì)磁暴、 地震等特定事件的響應(yīng)特征． 該對(duì)比觀測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)主要包括觀測(cè)物理量、 觀測(cè)頻段和觀測(cè)區(qū)域的選取以及臺(tái)網(wǎng)布局方式的確定．

1.1 觀測(cè)物理量與頻段選取

電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星觀測(cè)的物理量包括空間電磁場(chǎng)、 等離子體參數(shù)和高能粒子能譜等3類共11種物理量， 詳細(xì)列于表1． 其中， 感應(yīng)式磁力儀和電場(chǎng)探測(cè)儀用于測(cè)量電離層的電磁輻射變化信息， 高精度磁強(qiáng)計(jì)用于測(cè)量基本磁場(chǎng)變化， 等離子體分析儀和朗繆爾探針用于測(cè)量原位的等離子體參數(shù)， GNSS掩星接收機(jī)和三頻信標(biāo)發(fā)射機(jī)用于測(cè)量電離層的電子密度剖面和TEC， 高能粒子探測(cè)器用于測(cè)量電離層的高能粒子通量和能譜．

表1 中國(guó)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星的載荷配置和探測(cè)物理量

地面對(duì)比觀測(cè)需要包含衛(wèi)星觀測(cè)頻段和相應(yīng)的物理量， 目前地面可開(kāi)展的對(duì)比觀測(cè)手段包括地電場(chǎng)、 地磁場(chǎng)、 電磁擾動(dòng)等地基電磁觀測(cè)與空間電磁場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比， 電離層測(cè)高和GPS/北斗觀測(cè)等地基電離層觀測(cè)與衛(wèi)星GNSS掩星接收機(jī)和三頻信標(biāo)發(fā)射機(jī)的反演結(jié)果比對(duì)分析， 地面對(duì)比觀測(cè)系統(tǒng)的儀器配置和所觀測(cè)的物理量列于表2．

表2 地面對(duì)比觀測(cè)系統(tǒng)的觀測(cè)儀器配置和觀測(cè)物理量

1.2 觀測(cè)區(qū)域的選取及臺(tái)網(wǎng)布局方式的確定

為便于對(duì)地震事件觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比， 應(yīng)選取地震危險(xiǎn)區(qū)、 活動(dòng)斷裂帶和衛(wèi)星在軌運(yùn)行5年內(nèi)可獲得較多地震事件的地區(qū)作為對(duì)比觀測(cè)區(qū)域． 考慮到衛(wèi)星重訪周期為5天， 重訪軌道間距為530 km， 衛(wèi)星運(yùn)行1分鐘跨越距離約為450 km， 本研究選取500 km×500 km的范圍作為地基同步對(duì)比觀測(cè)區(qū)域．

進(jìn)行星地對(duì)比觀測(cè)的前提是必須保證地面觀測(cè)設(shè)備正常運(yùn)行且觀測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)有效． 這就要求地面觀測(cè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行相互驗(yàn)證， 在小區(qū)域范圍內(nèi)具有同步性和一致性， 能夠反映相同的背景特征和事件響應(yīng)規(guī)律． 為了獲得小區(qū)域內(nèi)電、 磁場(chǎng)分布情況， 并能有效獲取地震信息， 參考QuakeSat衛(wèi)星的地面對(duì)比觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)， 臺(tái)站距離地震斷裂帶或潛在震源位置應(yīng)不超過(guò)30 km， 再加上建設(shè)經(jīng)費(fèi)、 場(chǎng)地、 通信等諸多因素的影響， 本研究設(shè)定我國(guó)電磁衛(wèi)星地面對(duì)比觀測(cè)臺(tái)站的間距以50 km左右為宜． 此外， 為了從空間上實(shí)現(xiàn)地面與衛(wèi)星的同步對(duì)比， 站點(diǎn)應(yīng)盡量沿衛(wèi)星運(yùn)行軌道并位于衛(wèi)星星下點(diǎn)．

2 電磁衛(wèi)星地面對(duì)比觀測(cè)原型系統(tǒng)

按照上節(jié)所述的區(qū)域選取要求， 結(jié)合我國(guó)主要斷裂帶分布和現(xiàn)有地基觀測(cè)基礎(chǔ)， 本研究在甘肅省天祝地震前兆科學(xué)臺(tái)陣區(qū)域建設(shè)了配合衛(wèi)星對(duì)比觀測(cè)的地面系統(tǒng)， 以驗(yàn)證地面對(duì)比觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的合理性與可行性．

2.1 地面對(duì)比觀測(cè)原型系統(tǒng)建設(shè)

甘肅省天祝地震前兆科學(xué)臺(tái)陣位于我國(guó)南北地震帶北端甘青交界的天祝地區(qū)， 觀測(cè)場(chǎng)地開(kāi)闊， 具有較好的電磁觀測(cè)環(huán)境. 圖1給出了天祝前兆臺(tái)陣的臺(tái)站分布， 可以看到該區(qū)域內(nèi)斷裂分布較多， 其中金強(qiáng)河斷裂、 毛毛山斷裂和老虎山斷裂是昌馬—祁連—海原斷裂帶的分支． 昌馬—祁連—海原斷裂帶是青藏高原北部邊緣地區(qū)最重要的巨型弧形斷裂帶， 其強(qiáng)震活動(dòng)非常活躍， 1920年海原MS8.5， 1927年古浪MS8.0， 1932年昌馬MS7.6， 1984年門(mén)源MS6.5， 1990年景泰MS6.2， 1999年景泰MS5.9， 1995年永登MS5.8， 1996年天祝MS5.4和2016年門(mén)源MS6.4等地震均發(fā)生在該斷裂上． 在天祝建設(shè)地面對(duì)比觀測(cè)系統(tǒng)， 有利于地震事件的觀測(cè)和對(duì)比， 宜于開(kāi)展地面對(duì)比觀測(cè)試驗(yàn)．

通過(guò)臺(tái)站實(shí)地勘選和場(chǎng)地測(cè)試， 選擇古豐、 寺灘和坪城等3個(gè)臺(tái)站建設(shè)地面對(duì)比觀測(cè)系統(tǒng)， 包括地磁場(chǎng)、 地電場(chǎng)和電磁擾動(dòng)觀測(cè)． 這3個(gè)臺(tái)站相距不超過(guò)100 km， 可滿足小區(qū)域觀測(cè)要求． 通過(guò)在典型構(gòu)造背景條件下建設(shè)相應(yīng)觀測(cè)點(diǎn)或臺(tái)陣， 結(jié)合同期在軌的衛(wèi)星觀

圖1 天祝前兆臺(tái)陣臺(tái)站分布圖

測(cè)量分量地磁場(chǎng)三分量(Bx,By,Bz)測(cè)量范圍(-65knT,65knT)頻帶/HzDC—15采樣率/Hz60分辨率/nT0.1噪聲水平/nT≤0.1(RMS)

測(cè)數(shù)據(jù)， 對(duì)電磁場(chǎng)變化趨勢(shì)進(jìn)行綜合分析研究．

2.1.1 地磁場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)

電磁衛(wèi)星地磁場(chǎng)觀測(cè)頻段為DC—15 Hz， 地基觀測(cè)采用磁通門(mén)磁力儀， 其技術(shù)指標(biāo)如表3所示． 該設(shè)備是星載高精度磁強(qiáng)計(jì)針對(duì)地面觀測(cè)的適應(yīng)性改型， 其探測(cè)原理和探測(cè)頻段與電磁衛(wèi)星高精度磁強(qiáng)計(jì)設(shè)備完全一致，

圖2 垂直地電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)建設(shè)示意圖Fig.2 Schematic diagram of vertical geo-electric field observation system

能夠?qū)崿F(xiàn)地磁場(chǎng)矢量的同頻段同物理量對(duì)比． 將磁通門(mén)磁力儀探頭埋設(shè)在地下3 m深處， 固定于無(wú)磁觀測(cè)墩上， 以避免人文環(huán)境和自然環(huán)境的影響； 傳感器引線采用地埋方式進(jìn)入觀測(cè)室．

2.1.2 地電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)建設(shè)

星載電場(chǎng)儀觀測(cè)DC—3.5 MHz頻段內(nèi)的三分量電場(chǎng)， 由于地面高頻干擾較復(fù)雜， 地面電磁觀測(cè)集中于低頻段， 觀測(cè)頻段為DC—0.01 Hz． 本研究在我國(guó)已廣泛開(kāi)展的地表水平地電場(chǎng)觀測(cè)基礎(chǔ)上， 補(bǔ)充垂直地電場(chǎng)觀測(cè)手段， 可滿足三分量電場(chǎng)觀測(cè)． 水平方向的觀測(cè)極距約為50—100 m， 電極埋深為2 m； 垂直方向井深約100 m， 為了充分發(fā)揮深井利用效能， 將100 m深井劃分為地表、 50 m和100 m共3層， 裝置系統(tǒng)建設(shè)示意圖如圖2所示． 由于井下電極在出現(xiàn)故障時(shí)無(wú)法更換， 采取同一深度埋設(shè)多個(gè)電極的方式(3個(gè)Pb-PbCl2固體不極化

表4 電場(chǎng)儀技術(shù)指標(biāo)

電極和1個(gè)鉛板電極)， 以保證觀測(cè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性． 通過(guò)對(duì)比不同電極的測(cè)量結(jié)果， 來(lái)驗(yàn)證觀測(cè)系統(tǒng)的可靠性．

地電場(chǎng)觀測(cè)采用多通道GEF-Ⅰ地電場(chǎng)儀， 同時(shí)滿足三分量多電極的觀測(cè)需求， 其主要性能指標(biāo)如表4所示．

2.1.3 電磁擾動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)建設(shè)

通常電磁擾動(dòng)觀測(cè)對(duì)象為電場(chǎng)強(qiáng)度E和磁場(chǎng)強(qiáng)度H(或磁感應(yīng)強(qiáng)度B)的水平分量. 為了與星載感應(yīng)式磁力儀三分量磁場(chǎng)探測(cè)進(jìn)行對(duì)比， 本研究增加了垂直方向的觀測(cè)試驗(yàn)， 并設(shè)觀測(cè)頻段為DC—20 Hz, 水平方向感應(yīng)式磁傳感器的埋深為2 m， 垂直方向埋深為3 m． 為了避免相互干擾， 磁傳感器之間的距離須大于5 m， 并與磁通門(mén)磁力儀探頭相隔5 m．

電磁擾動(dòng)觀測(cè)采用專門(mén)為對(duì)比觀測(cè)研制的DCRD-2A電磁擾動(dòng)觀測(cè)儀， 其主要技術(shù)指標(biāo)列于表5．

表5 電磁擾動(dòng)觀測(cè)儀技術(shù)指標(biāo)

2.2 觀測(cè)數(shù)據(jù)及初步分析結(jié)果

古豐、 寺灘和坪城這3個(gè)臺(tái)站的地面對(duì)比觀測(cè)系統(tǒng)于2015年7月開(kāi)始運(yùn)行． 圖3給出了2015年7月13日3個(gè)臺(tái)站同一測(cè)向磁通門(mén)磁力儀測(cè)量的地磁場(chǎng)相對(duì)變化曲線， 可以看出， 3個(gè)臺(tái)站在小區(qū)域內(nèi)的觀測(cè)數(shù)據(jù)形態(tài)具有較好的一致性．

為了確保地電場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性， 在不同測(cè)向布設(shè)兩種不同極距進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)， 此處以古豐臺(tái)為例. 古豐臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)東西測(cè)向長(zhǎng)、 短極距分別為240 m和200 m， 南北測(cè)向長(zhǎng)、 短極距分別為274 m和240 m， 垂直測(cè)向長(zhǎng)、 短極距分別為100 m和50 m． 圖4給出了2015年7月12日古豐臺(tái)地電場(chǎng)東西、 南北和垂直3個(gè)分量的相對(duì)日變化曲線． 可以看出， 同一測(cè)向不同極距觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線形態(tài)一致， 呈雙峰雙谷形態(tài)． 經(jīng)計(jì)算得到南北、 東西和垂直方向長(zhǎng)、 短極距測(cè)道電場(chǎng)強(qiáng)度觀測(cè)值的相關(guān)系數(shù)分別為0.9883， 0.9969和0.9435， 可見(jiàn)其觀測(cè)曲線形態(tài)一致且相關(guān)性好． 由此看來(lái)， 該觀測(cè)區(qū)域滿足地電場(chǎng)觀測(cè)條件， 具有典型地電場(chǎng)日變化特征．

圖5給出了3個(gè)臺(tái)站南北測(cè)向的地電場(chǎng)相對(duì)日變化曲線． 由于坪城臺(tái)每日凌晨3：00—4：00對(duì)場(chǎng)地供直流電進(jìn)行多極距地電阻率觀測(cè)， 干擾較大， 因此將該時(shí)段干擾數(shù)據(jù)剔除．

我提前結(jié)束行程，匆匆趕回家。到了自家小區(qū)時(shí)，剛巧碰上媽媽在干活。媽媽在小區(qū)里找了份保潔的工作，每天負(fù)責(zé)掃十棟樓的樓梯。她見(jiàn)到我，覺(jué)得驚訝，一邊拖地一邊問(wèn)：“你怎么回來(lái)得這么早，不是周末才回來(lái)嗎？錢(qián)不夠了？”

圖3 2015年7月13日寺灘、 坪城和古豐3個(gè)臺(tái)站的地磁場(chǎng)(B)三分量相對(duì)變化曲線

圖4 2015年7月12日古豐臺(tái)地電場(chǎng)相對(duì)變化曲線

可以看出， 小區(qū)域范圍內(nèi)地電場(chǎng)日變化曲線呈較好的同步性和互相關(guān)性， 說(shuō)明該區(qū)域地電場(chǎng)具有同步變化特性．

古豐、 寺灘和坪城這3個(gè)臺(tái)站電磁場(chǎng)觀測(cè)資料的對(duì)比分析表明， 本研究所建設(shè)的地面對(duì)比觀測(cè)系統(tǒng)工作正常， 地電場(chǎng)與地磁場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的同步性和一致性較好， 能夠真實(shí)地反映小區(qū)域的電磁場(chǎng)強(qiáng)度及其變化．

圖5 2015年7月12日地電場(chǎng)南北測(cè)向相對(duì)變化曲線

3 討論與結(jié)論

本文提出建設(shè)覆蓋電磁衛(wèi)星物理量和頻段的地面對(duì)比觀測(cè)系統(tǒng)， 并結(jié)合我國(guó)現(xiàn)有地基觀測(cè)基礎(chǔ)和對(duì)比觀測(cè)需求， 來(lái)研究地面對(duì)比觀測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案．

地面對(duì)比觀測(cè)原型系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行， 驗(yàn)證了地面對(duì)比觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的合理性， 表明該區(qū)域地面觀測(cè)數(shù)據(jù)的一致性較好， 觀測(cè)數(shù)據(jù)正常， 能夠真實(shí)反映小區(qū)域電、 磁場(chǎng)強(qiáng)度及其變化． 后續(xù)研究擬將該區(qū)域的觀測(cè)數(shù)據(jù)與已在軌運(yùn)行的歐空局Swarm衛(wèi)星磁場(chǎng)探測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合， 試驗(yàn)性地開(kāi)展星地同步對(duì)比觀測(cè)， 分析衛(wèi)星與地面觀測(cè)同類探測(cè)物理量的時(shí)空變化規(guī)律， 總結(jié)地面和衛(wèi)星高度電磁信號(hào)變化特征和相關(guān)性， 以及對(duì)磁暴、 地震等特定事件的響應(yīng)特征， 為我國(guó)電磁衛(wèi)星在軌運(yùn)行后星地觀測(cè)數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用以及立體地震電磁監(jiān)測(cè)體系的建立提供技術(shù)基礎(chǔ)和觀測(cè)經(jīng)驗(yàn)．

對(duì)甘肅省地震局監(jiān)測(cè)中心對(duì)本項(xiàng)目的大力支持表示衷心的感謝．

安張輝， 杜學(xué)彬， 范瑩瑩， 劉君， 譚大誠(chéng)， 陳軍營(yíng)， 解韜. 2011. 汶川MS8.0級(jí)大震前天基與陸基電場(chǎng)資料聯(lián)合應(yīng)用研究[J]． 地球物理學(xué)報(bào)， 54(11)： 2876--2884．

An Z H， Du X B， Fan Y Y， Liu J， Tan D C， Chen J Y， Xie T． 2011. A study of the electric field before the Wenchuan 8.0 earthquake of 2008 using both space-based and ground-based observational data[J]．ChineseJournalofGeophysics， 54(11)： 2876--2884 (in Chinese).

張學(xué)民， 錢(qián)家棟， 歐陽(yáng)新艷， 申旭輝， 蔡晉安， 趙庶凡． 2009. DEMETER衛(wèi)星觀測(cè)到的智利7．9級(jí)地震前的電離層電磁擾動(dòng)[J]． 地球物理學(xué)進(jìn)展， 24(4)： 1196--1203．

Zhang X M， Qian J D， Ouyang X Y， Shen X H， Cai J A， Zhao S F． 2009. Ionospheric electromagnetic disturbances observed on DEMETER satellite before an earthquake ofM7.9 in Chile[J]．ProgressinGeophysics， 24(4)： 1196--1203 (in Chinese).

朱濤， 王蘭煒． 2011. DEMETER衛(wèi)星觀測(cè)到的與汶川地震有關(guān)的LF電場(chǎng)異常[J]． 地球物理學(xué)報(bào)， 54(3)： 717--727.

Zhu T， Wang L W． 2011. LF electric field anomalies related to Wenchuan earthquake observed by DEMETER satellite[J]．ChineseJournalofGeophysics， 54(3)： 717--727 (in Chinese).

Bleier T， Dunson C. 2005. ELF magnetic field monitoring of the San SimeonM6.4 quake from both QuakeSat and a ground network[C/OL]∥ProceedingsoftheInternationalWorkshoponSeismo-Electromagnetics. [2015-11-10]. http:∥www.calmagnet.com/research/pdf/QuakeFinderIWSE.pdf.

Cutler J， Bortnik J， Dunson C， Doering J， Bleier T. 2008. CalMagNet： An array of search coil magnetometers monitor-ing ultra-low frequency activity in California[J].NatHazardsEarthSystSci， 8(2): 359--368．

Davis K, Barker D M. 1965. Ionospheric effects observed around the time of the Alaskan earthquake of March 28, 1964[J].JGeophysRes, 70(9): 2552--2553.

Gokhberg M B， Morgounov V A， Yoshino T， Tomizawa I. 1982. Experimental measurement of electromagnetic emissions possibly related to earthquakes in Japan[J].JGeophysRes， 87(B9): 7824--7828.

Hayakawa M.1999.AtmosphericandIonosphericElectromagneticPhenomenaAssociatedWithEarthquakes[M]. Tokyo： Terra Scientific Pub. Co.： 789--803.

Kopytenko E， Kopytenko Y， Maltsev P， Korepanov V， Molchanov O， Hayakawa H， Noda Y， Nagao T， Uyeda S. 2004. ULF geomagnetic field measurements in Japan and some recent results associated with Iwateken Nairiku Hokubu earthquake in 1998[J].PhysChemisEarth， 29(4/5/6/7/8/9): 481--494.

Liu J Y， Chuo Y J， Shan S J， Chen Y I， Pulinets S A， Yu S B. 2004. Pre-earthquake ionospheric anomalies registered by continuous GPS VTEC measurements[J].AnnGeophys， 22(5): 1585--1593.

Parrot M.1994. Statistical study of ELF/VLF emissions recorded by a low-altitude satellite during seismic events[J].JGeophysRes， 99(12): 23339--23347.

Pulinets S A. 2004. Ionospheric precursors of earthquakes: Recent advances in theory and practical applications[J].TerrAtmosphericOceanSci， 15(3): 413--435.

Shalimov S， Gokhberg M. 1998. Lithosphere-ionosphere coupling mechanism and its application to the earthquake in Iran on June 20， 1990. A review of ionospheric measurements and basic assumptions[J].PhysEarthPlanet， 105(3/4): 211--218.

Zlotnicki J, Le Mou?l J L, Kanwar R, Yvetot P, Vargemezis G, Menny P, Fauquet F. 2006. Ground-based electro-magnetic studies combined with remote sensing based on Demeter mission: A way to monitor active faults and volcanoes[J].PlanetSpaceSci, 54(5): 541--557.

Ground-based comparative observation system in China Seismo-Electromagnetic Satellite mission

1)InstituteofCrustalDynamics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100085，China2)BeijingEngineeringResearchCenterofEarthquakeObservation，Beijing100085，China

Considering satellite observation physical quantities and frequency-bands of China Seismo-Electromagnetic Satellite (CSES) as well as present situation of ground-based observation and comparative observation requirements in China， this paper proposed a design scheme for ground-based comparative observation system in CSES mission. According to the design scheme， three ground-based comparative observation systems Gufeng， Sitan and Pingcheng were established in Tianzhu area of Gansu Province， and preliminary observation data of electric field and magnetic field were obtained. The data analysis results show that the curves of electric field and magnetic field exhibit typical diurnal variation waveform with good synchronization and consistency， which can really reflect the intensities of electric and magnetic fields as well as their changes in a small region. Therefore， the result provides technical basis for satellite-ground joint observation and develop of stereo seismo-ionospheric monitoring system.

CSES; observation system; comparative observation; prototype system; electromagnetic field

國(guó)家自然科學(xué)基金(41374127)和民用航天科研項(xiàng)目“電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)地面驗(yàn)證技術(shù)研發(fā)”聯(lián)合資助.

2015-11-23收到初稿， 2016-02-20決定采用修改稿.

e-mail: wanglw829@126.com

10.11939/jass.2016.03.013

P315.73

A

張宇， 王蘭煒， 申旭輝， 張興國(guó)， 張世中， 顏蕊. 2016. 中國(guó)電磁衛(wèi)星地面對(duì)比觀測(cè)系統(tǒng)方案研究. 地震學(xué)報(bào), 38(3): 458--466. doi:10.11939/jass.2016.03.013.

Zhang Y, Wang L W, Shen X H, Zhang X G, Zhang S Z, Yan R. 2016. Ground-based comparative observation system in China Seismo-Electromagnetic Satellite mission.ActaSeismologicaSinica, 38(3): 458--466. doi:10.11939/jass.2016.03.013.