劉 江，黃雪影，楊 力，何福秀，姚賢良

（四川省地震局，四川 成都 610041）

震前電離層異常擾動(dòng)是近年來地震監(jiān)測預(yù)報(bào)的研究熱點(diǎn)。大量研究結(jié)果表明，由地震引起的電離層異常變化確實(shí)存在，強(qiáng)震（MS≥5.0）發(fā)生前數(shù)天到數(shù)小時(shí)內(nèi)可能會(huì)發(fā)生電離層異常擾動(dòng)，其異常變化具有明顯的短臨特性（Liuetal，2000；Pulinets，2009）。由于地震短臨預(yù)報(bào)的困難性，地震－電離層預(yù)報(bào)模式逐漸成為地震監(jiān)測預(yù)報(bào)新的研究方向。國內(nèi)外研究人員對(duì)此進(jìn)行了深入的研究，地震－電離層效應(yīng)基礎(chǔ)理論及電離層異常觀測手段等方面均取得了重大進(jìn)展。在地震－電離層耦合機(jī)理方面，目前還處于定性分析階段，其理論解釋主要分為聲重波機(jī)制和異常電場機(jī)制。其中，聲重波機(jī)制主要以同震和震后效應(yīng)為主，異常電場機(jī)制主要以震前效應(yīng)為主。后者能較好地解釋震前電離層異常擾動(dòng)現(xiàn)象，認(rèn)為地震孕育過程中，由地表巖石破裂引起的一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大氣電場異常，進(jìn)而疊加作用于電離層，引起電離層電子濃度、電子溫度等參量的顯著變化（Pulinetsetal，2000；Sorokinetal，2001；Kuoetal，2011）。在電離層異常觀測手段方面，地基電離層探測技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于地震前兆研究。電離層垂直電子濃度總含量（VTEC）和電離層F2層臨界頻率（foF2）作為電離層特性的重要參量得到研究人員的廣泛關(guān)注（何宇飛等，2020）。其中，VTEC可通過GNSS臺(tái)站觀測數(shù)據(jù)反演獲取，foF2可通過電離層測高站觀測獲取。隨著科技水平的提高，地基電離層探測技術(shù)為地震－電離層異常擾動(dòng)觀測提供了大量可靠的、高精度的觀測證據(jù)。研究結(jié)果表明，強(qiáng)震（MS≥5.0）發(fā)生前，上述參量可能會(huì)出現(xiàn)不同程度的異常變化（張學(xué)民等，2014；劉靜等，2014），多參量同步分析可為地震－電離層異常擾動(dòng)判識(shí)提供佐證，對(duì)于強(qiáng)震頻發(fā)地區(qū)的震情判定具有重要意義。

青藏高原地區(qū)地形復(fù)雜，新生代以來（～50 Ma）區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)劇烈，強(qiáng)震活動(dòng)頻繁，一直以來都是研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)。2020年3月西藏改則縣連續(xù)發(fā)生了2次MS5.0及以上地震（見表1），時(shí)間間隔兩天，震中位置相距約5 km，構(gòu)成震群型序列，余震活動(dòng)豐富（王月等，2020）。本文從時(shí)間和空間尺度對(duì)兩次地震發(fā)生前后電離層多個(gè)參量的演化特征進(jìn)行分析，驗(yàn)證電離層異常變化與地震孕育發(fā)生的相關(guān)性，以期為震前電離層異常效應(yīng)、地震－電離層監(jiān)測預(yù)報(bào)提供震例參考。

表1 2020年3月西藏改則M S≥5.0地震目錄（北京時(shí)間LT）

1 數(shù)據(jù)處理及異常檢驗(yàn)

1.1 數(shù)據(jù)處理

本文選取中國地殼運(yùn)動(dòng)觀測網(wǎng)絡(luò)（簡稱“中國陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)”）GNSS觀測數(shù)據(jù)、四川樂山垂測站foF2觀測數(shù)據(jù)，分析2020年3月10日、12日西藏改則MS5.0、MS5.1地震震前電離層異常擾動(dòng)特征。

（1）采用中國陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)70個(gè)均勻分布的GNSS基準(zhǔn)站2020年2月5日至3月20日西藏改則地震前后觀測數(shù)據(jù)，選擇球諧函數(shù)作為電離層VTEC的擬合模型，建立大規(guī)模高精度格網(wǎng)電離層模型（林劍等，2009；蔡華等，2014），利用Bernese軟件解算處理（Dachetal，2015），獲取中國區(qū)域電離層VTEC格網(wǎng)數(shù)據(jù)（經(jīng)緯度分辨率1°×1°，時(shí)間分辨率2 h），分析地震前后震中及附近區(qū)域電離層VTEC變化。

（2）采用震中附近區(qū)域GNSS基準(zhǔn)站（圖1）相同時(shí)間段觀測數(shù)據(jù)，通過單站點(diǎn)VTEC解算（王澤民等，2016；熊波，2012）獲取地震前后站點(diǎn)上空VTEC數(shù)據(jù)（時(shí)間分辨率15 min），分析地震前后震中附近區(qū)域站點(diǎn)上空VTEC時(shí)間序列變化。

圖1 震中區(qū)域GNSS站點(diǎn)分布

（3）選取四川樂山垂測站foF2相同時(shí)間段觀測數(shù)據(jù)（時(shí)間分辨率15 min），分析地震前后四川樂山垂測站上空foF2時(shí)間序列變化（劉江等，2020）。

1.2 異常檢驗(yàn)

選用滑動(dòng)四分位距法提取電離層VTEC、foF2異常信息，選取前15天相同時(shí)刻的觀測值求取相應(yīng)四分位距（IQR）及中位數(shù)（M），確定異常檢驗(yàn)倍數(shù)（N），建立上／下邊界閾值M±N×IQR，觀測值超出上或下邊界即視為異常，高于上邊界為正異常，低于下邊界為負(fù)異常。

此外，從二維空間分布上獲取西藏改則地震前后區(qū)域電離層VTEC異常分布，計(jì)算方法如下：

其中ΔTEC為VTEC異常擾動(dòng)變化量，L1和L2分別為VTEC背景上、下邊界閾值，K為待分析時(shí)刻VTEC數(shù)據(jù)。站點(diǎn)VTEC、foF2時(shí)間序列變化計(jì)算方法同上。

2 資料分析

2.1 空間活動(dòng)性分析

電離層變化受太陽活動(dòng)、地磁等空間環(huán)境影響，表現(xiàn)出顯著的季節(jié)性和周日性變化規(guī)律。因此，剔除空間環(huán)境變化對(duì)電離層的影響對(duì)于分析震前電離層異常與地震發(fā)生的相關(guān)性顯得尤為重要。其中，赤道環(huán)電流地磁指數(shù)（Dst）、全球地磁活動(dòng)指數(shù)（KP）和極光帶電急流強(qiáng)度指數(shù)（AE）用于反映地磁變化，太陽射電通量（F10.7）用于反映太陽活動(dòng)。本文選取2020年2月20日至3月20日西藏改則地震前后共30天內(nèi)Dst、KP、AE、F10.7指數(shù)變化（圖2），其中紅色直線為指數(shù)閾值（F10.7＝120 sfu、KP＝4、Dst＝－30 nT、AE＝500 nT）。從圖2可以看出，F(xiàn)10.7指數(shù)在整個(gè)時(shí)段內(nèi)穩(wěn)定在70～80 sfu之間，表明太陽活動(dòng)對(duì)電離層影響相對(duì)較小；Dst、KP和AE指數(shù)3月19日異常較為明顯，可能伴隨磁暴及亞暴事件發(fā)生，其余時(shí)段地磁活動(dòng)對(duì)電離層影響相對(duì)較小。

2.2 VTEC數(shù)值分析

根據(jù)中國區(qū)域VTEC格網(wǎng)數(shù)據(jù)（經(jīng)緯度分辨率1°×1°），選用滑動(dòng)四分位距法提取電離層VTEC異常信息，異常檢驗(yàn)倍數(shù)N＝3，獲取西藏改則地震前后區(qū)域ΔTEC數(shù)值空間分布（圖3、圖4）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)2020年3月9日和3月11日西藏改則震中附近區(qū)域ΔTEC數(shù)值空間分布均出現(xiàn)顯著正異常。從圖3和圖4中可以看出，3月9日和3月11日震中上空附近區(qū)域電離層ΔTEC顯著增強(qiáng)，其變化趨勢基本一致，06∶00 UT（14∶00 LT）達(dá)到最大，震中均位于異常區(qū)域的上邊緣，異常持續(xù)時(shí)間約為4 h。結(jié)合空間活動(dòng)指數(shù)變化（圖2）發(fā)現(xiàn)，3月9日空間活動(dòng)指數(shù)F10.7為71 sfu，KP最大值為2，Dst最小值為－7 nT，AE最大值為195 nT；3月11日空間活動(dòng)指數(shù)F10.7為71sfu，KP最大值為1.7，Dst最小值為4 nT，AE最大值為78 nT。所有指數(shù)結(jié)果均正常，未超過閾值，因此空間環(huán)境變化對(duì)這兩天的電離層數(shù)值影響均不明顯。

圖2 2020年2月20日至3月20日空間參數(shù)時(shí)序曲線變化

圖3 2020年3月9日02∶00～08∶00 UT區(qū)域ΔTEC值分布

圖4 2020年3月11日02∶00～08∶00 UT區(qū)域ΔTEC值分布

由于太陽活動(dòng)和地磁變化引起的電離層擾動(dòng)具有行星特征，而地震引起的電離層異常具有局部性特征，且擾動(dòng)幅度較小。因此，結(jié)合區(qū)域ΔTEC值空間分布，3月9日和3月11日出現(xiàn)的電離層異常擾動(dòng)可能與地震有關(guān)。

2.3 站點(diǎn)VTEC時(shí)間序列分析

VTEC異常分布可以反映區(qū)域電離層異常變化趨勢，但其異常分布范圍較大，時(shí)間分辨率較低，無法準(zhǔn)確展示震中區(qū)域電離層異常擾動(dòng)變化。為了獲取高時(shí)間分辨率VTEC數(shù)據(jù)，并從時(shí)間尺度分析電離層異常擾動(dòng)與西藏改則地震發(fā)生的相關(guān)性，本文通過單站點(diǎn)GNSS數(shù)據(jù)解算獲取震中附近區(qū)域站點(diǎn)VTEC數(shù)據(jù)（時(shí)間分辨率為15 min），選用滑動(dòng)四分位距法提取電離層VTEC異常信息，異常檢驗(yàn)倍數(shù)為N＝3，連續(xù)異常檢驗(yàn)時(shí)長為2 h，分析西藏改則地震前后震中附近區(qū)域站點(diǎn)VTEC時(shí)間序列變化。圖5～6分別給出了2020年2月20日至3月20日西藏區(qū)域、川滇區(qū)域GNSS站點(diǎn)VTEC時(shí)間序列變化。從圖5可以看出，西藏昂仁（xzar）、亞東（xzyd）和察隅（xzcy）3個(gè)站3月9日和3月11日VTEC正異常顯著。其中，3月9日05∶45UT（13∶45 LT）西藏亞東VTEC擾動(dòng)幅度最大，ΔTEC最大值為11.3 TECU，超出四分位上閾值的58%，3月11日06∶15UT（14∶15LT）西藏察隅VTEC擾動(dòng)幅度最大，ΔTEC最大值為14.4TECU，超出四分位上閾值的65%，其余時(shí)段均未出現(xiàn)明顯異常。從圖6可以看出，四川甘孜（scgz）、理塘（sclt），云南麗江（ynlj）、姚安（ynya）4個(gè)站3月11日VTEC正異常顯著。其中，3月11日06∶45UT（14∶45 LT）四川理塘VTEC擾動(dòng)幅度最大，ΔTEC最大值為17.0 TECU，超出四分位上閾值103%，其余時(shí)段均未出現(xiàn)明顯異常。結(jié)合震中區(qū)域GNSS站點(diǎn)分布（圖1），西藏昂仁、亞東站點(diǎn)距離震中位置最近，3月9日站點(diǎn)VTEC異常擾動(dòng)顯著，其余站點(diǎn)由于距離較遠(yuǎn)，異常擾動(dòng)相對(duì)不明顯。3月9日和3月11日異常擾動(dòng)出現(xiàn)后，隨即分別發(fā)生了西藏改則MS5.0、MS5.1地震，其短臨特征明顯。

圖5 2020年2月20日至3月20日西藏區(qū)域站點(diǎn)VTEC時(shí)間序列

圖6 2020年2月20日至3月20日川滇區(qū)域站點(diǎn)VTEC時(shí)間序列

2.4 站點(diǎn)fo F2時(shí)間序列分析

為驗(yàn)證震前電離層異常與西藏改則地震發(fā)生的相關(guān)性，并與VTEC異常分布和站點(diǎn)VTEC時(shí)間序列進(jìn)行對(duì)比。本文選取四川樂山垂測站點(diǎn)foF2觀測數(shù)據(jù)，選用滑動(dòng)四分位距法提取電離層foF2異常信息，異常檢驗(yàn)倍數(shù)N＝1.5，連續(xù)異常檢驗(yàn)時(shí)長為2 h，獲取四川樂山站點(diǎn)foF2時(shí)間序列，其中黑色垂線表示西藏改則地震發(fā)生時(shí)刻。從圖7可以看出，地震發(fā)生前3月9～11日樂山站點(diǎn)foF2時(shí)間序列均有異常擾動(dòng)發(fā)生。其中，3月9日14∶00LT foF2擾動(dòng)幅度最大，ΔfoF2最大值為1.9 MHz，超出四分位上閾值的29%，3月11日15∶00LT foF2擾動(dòng)幅度最大，ΔfoF2最大值為2.4 MHz，超出四分位上閾值的33%，其它時(shí)段異常變化均不明顯。該分析結(jié)果與VTEC異常分布和站點(diǎn)VTEC時(shí)間序列基本吻合。

圖7 2020年2月20日至3月20日四川樂山站點(diǎn)f0F2時(shí)間序列

綜合以上分析，2020年3月9日和3月11日電離層VTEC異常分布、站點(diǎn)VTEC時(shí)間序列及站點(diǎn)foF2時(shí)間序列均出現(xiàn)顯著的正異常，且異常具有明顯的獨(dú)立性、局地性特征，滿足地震－電離層異常判定標(biāo)準(zhǔn)。然而，通過查看震例信息發(fā)現(xiàn)，2020年3月20日09∶33 LT西藏日喀則市定日縣發(fā)生了MS5.9地震（震中28.63°N，87.42E°），與西藏改則震中距離約500 km。從發(fā)震時(shí)間上看，電離層異常擾動(dòng)出現(xiàn)在西藏定日地震前9～11 d，根據(jù)前人的震例統(tǒng)計(jì)結(jié)果，震前電離層異常顯著出現(xiàn)在震前一周；從發(fā)震地點(diǎn)上看，西藏定日與西藏改則震中位置相距較遠(yuǎn)，且西藏定日地震為孤立型地震（張小濤等，2020），與西藏改則地震無明顯相關(guān)性。因此，本文認(rèn)為3月9日和3月11日電離層異常擾動(dòng)與西藏改則MS5.0、MS5.1地震的孕育相關(guān)性較大，與西藏定日MS5.9地震無直接相關(guān)性。

3 討論與結(jié)論

西藏改則震區(qū)位于青藏高原西部地區(qū)，羌塘地塊南緣，震中附近地球物理觀測臺(tái)站分布稀疏，地球物理監(jiān)測能力及觀測資料有限。本文通過對(duì)2020年3月10日西藏改則MS5.0、3月12日MS5.1地震發(fā)生前后電離層VTEC異常分布、站點(diǎn)VTEC時(shí)間序列變化和站點(diǎn)foF2時(shí)間序列變化對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

（1）電離層VTEC異常分布顯示3月9日和3月11日04∶00～08∶00 UT（12∶00～16∶00 LT）震中附近區(qū)域均出現(xiàn)顯著的正異常，異常持續(xù)時(shí)間約4 h，異常變化趨勢基本一致，震中均位于異常區(qū)域的上邊緣，臨震電離層異常擾動(dòng)向磁赤道方向偏移，異常特征與地震－電離層耦合特征一致。站點(diǎn)VTEC時(shí)間序列和站點(diǎn)foF2時(shí)間序列觀測到了同步異常，與VTEC異常分布結(jié)果基本吻合。鑒于該異常擾動(dòng)變化在時(shí)間及空間上與2020年3月10日、3月12日西藏改則MS5.0、MS5.1地震關(guān)系密切，本文認(rèn)為其與西藏改則地震具有一定的相關(guān)性，可能是地震前兆異常，同時(shí)進(jìn)一步佐證了地震－電離層耦合局部性、集中性和顯著性特征。

（2）西藏日喀則、阿里地區(qū)處于印度板塊常年向歐亞板塊俯沖的交界處，2020年3月西藏改則MS5.0、MS5.1、西藏定日MS5.9地震作為中強(qiáng)地震，并未超出該區(qū)域常態(tài)化背景水平。然而，3月10日、3月12日西藏改則MS5.0、MS5.1地震構(gòu)成震群型序列，其余震活動(dòng)豐富，并于5月22日、23日在余震區(qū)再次發(fā)生MS4.8、MS4.7地震，震前電離層異常擾動(dòng)可能與西藏改則孕震過程中地震破裂帶的物理、化學(xué)反應(yīng)有關(guān)。3月20日西藏定日MS5.9地震作為孤立型地震，余震活動(dòng)水平不高，最大余震強(qiáng)度為MS3.4，震前電離層異常擾動(dòng)并不明顯。震前電離層異常擾動(dòng)是否與地震序列類型有關(guān)，是否與地震能量釋放過程有關(guān)，目前仍然缺乏直接的證據(jù)。地震發(fā)生過程非常復(fù)雜，地震孕育期、臨震前、主震及余震中的電離層異常擾動(dòng)機(jī)理還需要深入研究。

（3）震前電離層多參量同步分析可為地震－電離層異常擾動(dòng)判識(shí)提供更多證據(jù)，排除單一性、局地性異常，對(duì)于區(qū)域震情評(píng)估具有重要意義。然而，不同參量的觀測模式、反演精度、時(shí)空差異的對(duì)比分析也對(duì)地震科研人員提出了新的挑戰(zhàn)。未來，隨著電離層觀測技術(shù)水平的不斷提高，基于地基和空基電離層探測技術(shù)，開展天地一體化聯(lián)合觀測，分析地震前后電離層多參量異常變化，建立多參量時(shí)空關(guān)聯(lián)，完善多參量時(shí)空演化特征，深入研究地震－電離層耦合機(jī)理。

致謝：感謝中國地震局臺(tái)網(wǎng)中心、中國地震局地震預(yù)測研究所為本文提供GNSS臺(tái)站和電離層垂測站觀測數(shù)據(jù)。