玉樹Mw7.1地震前電離層異常擾動(dòng)初步分析

李 旺， 郭金運(yùn),2， 于學(xué)敏， 于紅娟, 張海平

(1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院， 山東 青島 266590；2. 海島(礁)測(cè)繪技術(shù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266590；3.山東省國(guó)土測(cè)繪院， 山東 濟(jì)南 250102)

地震是一種破壞力巨大的自然災(zāi)害，一直以來對(duì)人類的生命財(cái)產(chǎn)造成了極大的危害.地震-大氣層-電離層效應(yīng)的研究結(jié)果表明，震前的電離層異常擾動(dòng)是確實(shí)存在的，這可為今后的地震預(yù)報(bào)研究提供一個(gè)新的思路.自20世紀(jì)70年代起，科研工作者做了大量的研究，Zhao等[1]通過位于中國(guó)日本的四個(gè)電離層監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，汶川地震前三天F2層臨界頻率(foF2)有顯著的異常增大，且越靠近震中地區(qū)現(xiàn)象越明顯；Liu等[2]發(fā)現(xiàn)汶川地震前三天和前六天震中附近區(qū)域電離層分別出現(xiàn)了正異常和負(fù)異?，F(xiàn)象，且異常主要靠近赤道一側(cè)；Sharma等[3]對(duì)中國(guó)地區(qū)的三次6級(jí)以上的地震研究表明，震前的電離層總電子含量(TEC)和foF2異常擾動(dòng)確實(shí)存在，且異常主要出現(xiàn)在當(dāng)?shù)貢r(shí)間的11:00至17:00；He等[4]通過DEMETER衛(wèi)星對(duì)2006-2009年間5級(jí)以上地震震前的電子濃度變化統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，電離層異常與震級(jí)呈正比關(guān)系，與震源深度呈反比關(guān)系.

2010年4月14日北京時(shí)間7時(shí)49分，青海省玉樹藏族自治州玉樹縣發(fā)生7.1級(jí)地震，震源深度14km，震中位于縣城附近(96.6°E, 33.2°N),造成了嚴(yán)重的人員傷亡及財(cái)產(chǎn)損失，地震波及范圍35862km2，受災(zāi)人口約10萬人，極重災(zāi)區(qū)900km2，震中附近90%的房屋倒塌，造成2698人遇難及數(shù)萬人無家可歸[5].此次地震發(fā)生在甘孜-玉樹斷裂帶上，自第四紀(jì)以來有明顯的活動(dòng)特征.本文采用CODE(the Center for Orbit Determination in Europe)提供的GIM(Global ionosphere maps)數(shù)據(jù)，插值提取出震中區(qū)域電離層時(shí)間序列，以27天為背景值，通過滑動(dòng)四分位距法，排除太陽及地磁活動(dòng)的干擾，分析震前電離層的異常擾動(dòng).

1 數(shù)據(jù)及分析方法

目前IGS(International GNSS Service)在全球范圍內(nèi)有450多個(gè)觀測(cè)站，能夠提供大范圍且合適分辨率的TEC觀測(cè)資料，在研究電離層異常擾動(dòng)方面比較有優(yōu)勢(shì).CODE是IGS數(shù)據(jù)的一個(gè)分析中心，目前提供空間分辨率為5°(經(jīng)度)×2.5°(緯度)，時(shí)間分辨率2h的GIM數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)經(jīng)過了插值與平滑處理，過濾了小尺度的電離層擾動(dòng)，比較適合用來研究大尺度的電離層異常變化[6](數(shù)據(jù)網(wǎng)址：ftp://ftp.unibe.ch/aiub).

為了排除太陽和地磁活動(dòng)對(duì)電離層的擾動(dòng)影響，我們對(duì)太陽黑子、F10.7太陽輻射、Dst和Kp等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。太陽和地磁活動(dòng)參數(shù)由中科院空間中心提供(數(shù)據(jù)網(wǎng)址:http://159.226.22.201:9010/Portal/)，太陽黑子數(shù)(SSN)和F10.7太陽射電常數(shù)是通常用來表征太陽活動(dòng)的兩個(gè)參量，SSN有三百多年的觀察歷史，是表征太陽活動(dòng)的最重要參量，F(xiàn)10.7主要出自日冕活躍區(qū)上被磁場(chǎng)束縛的電漿，從1947年開始記錄數(shù)據(jù)，是目前為止除了太陽黑子之外，可供利用的太陽活動(dòng)的最長(zhǎng)期記錄.Dst指數(shù)主要是量測(cè)中低緯地區(qū)地磁活動(dòng)的指數(shù)，其主要量測(cè)地磁水平分量的變化，研究表明，當(dāng)Dst指數(shù)絕對(duì)值大于50nT時(shí)，可能發(fā)生了中大磁暴[7]；Kp指數(shù)描述全球平均每3小時(shí)的地磁強(qiáng)度，共分9個(gè)等級(jí)，在沒有磁暴的情況下，Kp指數(shù)一般小于3[8].

由于電離層受到太陽活動(dòng)的影響，使得電離層具有27d的周期性[9]，本文根據(jù)滑動(dòng)四分位距法的思想，以27d中每天同一時(shí)刻的觀測(cè)值作為背景值，以2.5倍中誤差為限差，先對(duì)太陽地磁活動(dòng)的狀態(tài)進(jìn)行異常分析，然后在對(duì)震中區(qū)域的電離層時(shí)間序列進(jìn)行異常分析.

2 TEC異常分析

如圖1(a)所示，震前的太陽活動(dòng)比較頻繁，起伏較大，有兩次較大的波峰出現(xiàn)在震前18d和震前10d，震前5d內(nèi)太陽活動(dòng)強(qiáng)度明顯減弱，震后SSN為0，明顯異常偏低，經(jīng)過滑動(dòng)四分位距法探測(cè)后，如1(b),發(fā)現(xiàn)在震前10d、5d、4d及震后3d內(nèi)，太陽活動(dòng)有異?，F(xiàn)象; 1(c)給出了震前一個(gè)月內(nèi)F10.7變化的時(shí)間序列，總的看出來，F(xiàn)10.7的變化相對(duì)平穩(wěn)，峰值出現(xiàn)在震前18d，之后逐漸降低，經(jīng)過異常探測(cè)后，如1(d)所示，異常時(shí)刻出現(xiàn)在震前18d、4～5d，其中震前18d的異常值達(dá)3.5SFU，總的說來，太陽活動(dòng)的主要異常時(shí)刻出現(xiàn)在震前18d、10d、4～5d及震后1～3d.可見，用兩種太陽活動(dòng)參量進(jìn)行互補(bǔ)分析能取得較好的效果.

圖1(e)給出了震前一個(gè)月內(nèi)的地磁Dst指數(shù)的變化情況，可以發(fā)現(xiàn)，Dst指數(shù)波動(dòng)的主要時(shí)刻出現(xiàn)在震前的5～9d和震前2d，其中震前5～9d內(nèi)，Dst指數(shù)達(dá)到-70nT,表明在該段時(shí)間內(nèi)，地球上很可能發(fā)生了中大等級(jí)磁暴，如1(f)所示，該段時(shí)間的地磁異常值達(dá)到-50nT，震前2d地磁也有-30nT的異常，另外在震前的27d、22d、20d、18d、12d地磁都有低幅度的異常變化；對(duì)比1(g)和1(e)，可以發(fā)現(xiàn)Kp指數(shù)的時(shí)間序列和Dst指數(shù)時(shí)間序列的變化趨勢(shì)相同，在震前5～9d內(nèi)，Kp指數(shù)明顯增大，最大值達(dá)到7，震前2d的Kp指數(shù)也達(dá)到了5，異常探測(cè)的結(jié)果表明，在這兩個(gè)時(shí)段內(nèi)，Kp指數(shù)都有明顯異常，表明，這兩個(gè)時(shí)段的地磁活動(dòng)十分不穩(wěn)定，另外震前的20d、12d的地磁活動(dòng)也有異常，總的說來，地磁活動(dòng)的異常時(shí)段主要集中在震前的22d、20d、12d、5～9d、2d.

((a)太陽黑子日變化；(b)太陽黑子日變化異常值(△SSN)；(c)F10.7射電通量日變化；(d)F10.7射電通電日變化異常值(△F10.7)；(e) Dst指數(shù)日變化；(f) Dst指數(shù)日變化異常值(△Dst)；(g)Kp指數(shù)日變化；(h)Kp指數(shù)日變化異常值(△Kp)；黑色豎線表示地震發(fā)生的時(shí)刻)圖1 2010年3月15日至4月17日(Universal Time Coordinated,UTC)的太陽及地磁活動(dòng)信息

((a)震中區(qū)域TEC時(shí)間序列; (b)震中區(qū)域TEC變化異常值; 黑色豎線表示地震發(fā)生的時(shí)候)圖2 2010年3月15日至4月17日玉樹地區(qū)電離層信息

通過CODE提供的GIM數(shù)據(jù)，通過插值提取了震中區(qū)域的TEC時(shí)間序列，在利用滑動(dòng)四分位距法進(jìn)行滑動(dòng)異常探測(cè)，圖2(a)給出了震中地區(qū)電離層TEC的時(shí)間序列及其異常判定的上下邊界，可以發(fā)現(xiàn)在大部分時(shí)刻TEC都處在上下邊界之間，這表示該時(shí)間段的TEC處于正常水平，但是某些時(shí)刻TEC明顯超出了邊界，如震前的26d、20d、13d，其具體異常值如2(b)所示，在震前26d、13d處TEC異常幅度達(dá)到8TECU，震前20d處也有明顯正異常，另外震前7～9d內(nèi)也有間斷的異常，對(duì)比圖1的太陽及地磁活動(dòng)異常探測(cè)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)TEC異常的大部分時(shí)間內(nèi)，太陽或地磁活動(dòng)都有異常出現(xiàn)，震前20d和震前4～9d的地磁活動(dòng)有異?，F(xiàn)象，另外震前后幾天內(nèi)，太陽活動(dòng)強(qiáng)度明顯降低，因此震前26d和震前13d的電離層異常較為特殊，本文選取這兩天的電離層異常進(jìn)行分析，判斷其是否與地震電離層效應(yīng)有關(guān).

3VTEC異常全球分布

圖3給出了3月19日(震前26d)的全球TEC異常分布圖，UTC 02:00時(shí)，全球絕大部分地區(qū)電離層很平靜，只有少部分地區(qū)有輕微擾動(dòng)，幅度約為1 TECU，震中區(qū)域無異?，F(xiàn)象；UTC 04:00時(shí)，震中東南方向有異常現(xiàn)象發(fā)生，約在中國(guó)南海區(qū)域，擾動(dòng)幅度2～3 TECU，同時(shí)異常緩慢向西移動(dòng)；UTC 06:00時(shí)，異常到達(dá)中國(guó)東南部地區(qū)，異常現(xiàn)象明顯增大，幅度達(dá)到6 TECU以上，同時(shí)對(duì)應(yīng)的磁共軛區(qū)也有異常出現(xiàn)，但范圍幅度較小，主要分布在澳大利亞西北部海域，異常幅度約為3～4 TECU；至UTC 08:00時(shí)，異?，F(xiàn)象達(dá)到最大值，主要分布在中國(guó)南部地區(qū)，約為80°～120°E，10°～30°N，異常幅度達(dá)到6 TECU以上，南半球?qū)?yīng)的磁共軛區(qū)異常現(xiàn)象也明顯增大，主要分布在85°～140°E，5°～15°S的狹長(zhǎng)區(qū)域，異常幅度約為4～5 TECU；UTC 10:00時(shí)，異常明顯減小，震中西南區(qū)域約有2～3TECU的擾動(dòng)，對(duì)應(yīng)磁共軛區(qū)的異常幾乎消失，至UTC12:00時(shí)，震中附近區(qū)域異常全部消失。此次異常主要持續(xù)時(shí)間為4h，主要出現(xiàn)在當(dāng)?shù)貢r(shí)間的14:00～18:00,有明顯的地震電離層擾動(dòng)特征，除了震中區(qū)域及其磁共軛區(qū)的TEC異常，全球還有些地方電離層有異?，F(xiàn)象，但幅度很小，基本可以忽略，結(jié)合圖1和圖2的太陽地磁情況，可以確定該天的電離層異常與地震有關(guān)。

((a)UTC02:00; (b)UTC04:00; (c)UTC06:00; (d)UTC08:00;(e)UTC10:00;(f)UTC12:00.黑色五角星為震中位置)圖3 2010年3月19日 02:00～12:00(UTC)的全球TEC異常分布

圖4給出了4月1日的TEC全球異常分布圖，可以清楚的看出異常的變化過程.UTC 02:00時(shí)，異常開始出現(xiàn)，位于震中的東南方向，異常幅度較低，約為3 TECU，此后異常幅度開始增大并向西移動(dòng)；UTC 04:00時(shí)，異常接近震中地區(qū)，異常幅度約為4 TECU，分布在震中東南部地區(qū)，與此同時(shí)，其對(duì)應(yīng)的磁共軛區(qū)也有明顯異常，分布在澳大利亞西北部海域；UTC 06:00時(shí)，異常進(jìn)一步加強(qiáng)，到達(dá)震中地區(qū)，范圍覆蓋中國(guó)南部地區(qū)，最大異常值達(dá)到6 TECU以上，對(duì)應(yīng)的磁共軛區(qū)的異常范圍也有所擴(kuò)大；至UTC 08:00時(shí)，異常的范圍和幅度達(dá)到了最大值，異常移動(dòng)到震中的西南部，范圍覆蓋中國(guó)南部及南亞大陸，范圍約在55°～110°E, 20°～38°N，長(zhǎng)度比約為3∶1，峰值點(diǎn)位于75°E，31°N，異常達(dá)到8 TECU，同時(shí)對(duì)應(yīng)的磁共軛區(qū)異常范圍和幅度也有擴(kuò)大現(xiàn)象，異常幅度達(dá)到5 TECU，但總體來說，異常范圍和幅度小于震中附近地區(qū)電離層異常；UTC10:00，異常繼續(xù)向西移動(dòng)，且逐漸減弱，主要分布在南亞大陸，異常幅度約為4 TECU，并且對(duì)應(yīng)磁共軛區(qū)的異常也開始逐漸減弱，至UTC 12:00時(shí)，震中地區(qū)的異常基本消失.

((a)UTC02:00; (b)UTC04:00; (c)UTC06:00; (d)UTC08:00;(e)UTC10:00;(f)UTC12:00.黑色五角星為震中位置)圖4 2010年4月1日 02:00～12:00(UTC)的全球TEC異常分布

此次電離層異常持續(xù)了大約8小時(shí)，主要異常時(shí)段出現(xiàn)在當(dāng)?shù)貢r(shí)間的11:00～17:00，震中附近地區(qū)及其對(duì)應(yīng)的磁共軛區(qū)電離層都出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，但總的來說，磁共軛區(qū)的異常較小，并且震中地區(qū)的電離層異常與地震中心并不嚴(yán)格對(duì)應(yīng)，而是處于靠近震中偏向赤道的一側(cè).在該天中，除了震中區(qū)域存在的電離層異?，F(xiàn)象，全球其它地方也存在著一些低幅度的異常擾動(dòng)，絕大部分異常值的絕對(duì)值小于2 TECU，與震中附近區(qū)域的電離層異常擾動(dòng)幅度相差較大，所以這些異常并不是由孕震期間地球的構(gòu)造變化引起的，如圖1所示，該天的地磁有異常降低現(xiàn)象，所以這可能與該天的地磁活動(dòng)異常偏低有關(guān).

4結(jié)束語

本文通過CODE提供的全球電離層TEC數(shù)據(jù)，利用滑動(dòng)四分位距功法探測(cè)了玉樹地震前的電離層異常變化，結(jié)果表明，玉樹地震前確實(shí)存在地震-大氣層-電離層效應(yīng)，震前26d和13d的震中附近區(qū)域的電離層會(huì)有異常擾動(dòng)，汶川地震前也有這種情況發(fā)生，這也和其他研究人員的結(jié)論較為一致[10-11],在3月19日，TEC異常主要持續(xù)4h，異常幅度約為6 TECU，在4月1日發(fā)生的電離層異常，持續(xù)時(shí)間約8h，最大異常值達(dá)到8TECU以上，這可能與臨震時(shí)間有關(guān)。同時(shí)這兩次異常的范圍和幅度比較明顯，異常幅度約是其它地區(qū)異常擾動(dòng)的三倍，結(jié)合當(dāng)天的太陽及地磁活動(dòng)情況，可以判定這兩次電離層異常可能是玉樹地震的前兆之一.

致謝：感謝歐洲定軌中心(CODE)提供的GIM，感謝中科院空間中心提供的地磁和太陽輻射數(shù)據(jù).

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