利用DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析全球Mw≥7.0地震的電離層電子濃度異常

閆相相，單新建，曹晉濱，湯吉

1地震動力學國家重點實驗室，中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029

2中國石油大學（華東）地球科學與技術(shù)學院，青島 266580

3北京航空航天大學宇航學院，北京 100191

1 引言

近年來，隨著空間對地觀測技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)地震電磁電離層擾動的研究成為熱點.主要集中在低頻電磁輻射（VLF／ELF／ULF）和等離子體（電子濃度、離子濃度、電子溫度、離子溫度等）參量的觀測與研究.在大量震例研究的基礎(chǔ)上，關(guān)于地震電離層耦合機制的研究也有一定進展，主要概括為三種途徑：電磁途徑、化學途徑、聲學途徑（Hayakawa et al.，2004）.當然，圍繞著地震電離層擾動的研究目前仍存在一些爭議.一方面，目前對強震電離層異常震例資料的積累仍不夠充分，尤其是天基資料；另一方面，由于巖石圈－大氣層－電離層耦合過程的復(fù)雜性，加之電離層本身有著復(fù)雜的周日變化，如何確定不同形態(tài)的電離層擾動是否與地震有關(guān)等.

從第一個衛(wèi)星觀測實例，即Alouette－1衛(wèi)星觀測到1964年Alaska大地震震前電離層臨界頻率顯著增高（Davis et al.，1965）開始，有關(guān)衛(wèi)星上觀測到與地震相關(guān)的電離層異常信息的報道陸續(xù)發(fā)表.Larkina等（1989）利用Intercosos－19衛(wèi)星數(shù)據(jù)對39個M＞5.5級、深度＜60km的地震進行統(tǒng)計分析時發(fā)現(xiàn)震前存在低頻（0.1～16kHz）電磁波輻射增強現(xiàn)象；Hayakawa等（2000）在利用Intercosmos－24衛(wèi)星的3000多個軌道數(shù)據(jù)對等離子體密度與地震活動的相關(guān)性進行統(tǒng)計研究時發(fā)現(xiàn)明顯的相關(guān)性只發(fā)生在LT10～16h，高度在500～700km的磁平靜條件下；Molchanov等（2002）基于IK－24衛(wèi)星數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析了位于赤道附近的50個M≥6級的地震時發(fā)現(xiàn)，在500～800km高度地震引起的電離層赤道異常駝峰附近的等離子體密度發(fā)生異常變化.

法國DEMETER衛(wèi)星于2004年6月29日發(fā)射，2010年12月9日停止科學數(shù)據(jù)的接收.其主要科學目標是研究與地震有關(guān)的電離層擾動信息以及探測全球尺度的電磁環(huán)境.衛(wèi)星采用準太陽同步圓形軌道，軌道高度710km（2005年12月調(diào)整為660km）.衛(wèi)星有效載荷包括：電場探測儀（ICE，Instrument Champ Electrique）（Berthelier et al.，2006a）、感應(yīng)式 磁 力 儀（IMSC，Instrument Magnetic Search Coil）（Parrot et al.，2006a）、等離子體分析儀（IAP，Instrument d′Analyse du Plasma）（Berthelier et al.，2006b）、Langmuir探 針（ISL，Instrument Sonde de Langmuir）（Lebreton et al.，2006）和 高 能 粒 子 探 測儀（IDP，Instrument for the Detection of Particle）（Sauvaud et al.，2006）.其中ISL載荷用來觀測電離層等離子體的電子濃度（Ne）（102～5×106cm－3）和電子溫度（Te）（600～10000K）.

國內(nèi)外已經(jīng)逐漸有大量學者利用DEMETER衛(wèi)星各載荷數(shù)據(jù)開展地震電離層效應(yīng)研究（曾中超等，2009；李新喬等，2010；張學民等，2010；朱濤等，2011；劉靜等，2011；張振霞等，2012；澤仁志瑪?shù)龋?012；萬劍華等，2012；Parrot et al.，2006a；Sarkar et al.，2007；Zhang et al.，2012）.Parrot等（2006）探討了幾次地震活動前DEMETER衛(wèi)星記錄的電磁波和電離層等離子體的擾動特征；Sarkar等（2007）利用ISL和IAP載荷數(shù)據(jù)分析比較了三次地震前的電離層不規(guī)則特性和中緯度區(qū)域異常特征；Zhang等（2012）則利用ICE載荷數(shù)據(jù)對2005—2010年間全球69個7級以上強震進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)其中32個地震前震中2000km范圍內(nèi)存在ULF和ELF波段的靜電擾動現(xiàn)象.劉靜等（2011）對2010年2月27日智利8.8級地震研究時發(fā)現(xiàn)震前多天DEMETER衛(wèi)星都觀測到了不同程度的電子濃度擾動現(xiàn)象.此外，He等（2011）利用ISL載荷統(tǒng)計分析了2006—2009年間全球5級以上地震前的電子濃度異常變化特征，總結(jié)了Ne變化與震中地理位置（南北半球）、地震類型（陸地和海域）和震源深度的統(tǒng)計關(guān)系，取得了一定的結(jié)論.然而值得注意的是，Heki（2011）和Cahyadi等（2013）的近期研究結(jié)果表明7級以上地震前的電離層電子濃度變化較為明顯，因此本文將著重探討7級以上強震前電離層電子濃度的異常變化特征.

2 數(shù)據(jù)情況

2.1 DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)

由于DEMETER衛(wèi)星在發(fā)射伊始的半年和最后停止接收科學數(shù)據(jù)前的半年存在軌道不全和數(shù)據(jù)接收不穩(wěn)定等因素，本文著重收集了2005－01－01—2009－12－31期間的DEMETER衛(wèi)星ISL探測器上的電子密度Ne數(shù)據(jù).由于夜間電離層變化較白天更為寧靜，有利于捕捉跟地震有關(guān)的擾動信息，因此本文只選取了升軌數(shù)據(jù)進行分析（升軌數(shù)據(jù)對應(yīng)地方時的夜晚）.此外，由于衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)控、載荷的開關(guān)以及載荷的定標等事件會影響觀測數(shù)據(jù)，我們根據(jù)DEMETER衛(wèi)星科學數(shù)據(jù)中心提供的輔助數(shù)據(jù)文件剔除了在這期間記錄有誤的軌道數(shù)據(jù).

2.2 地震事件

選取的地震事件為2005－01－01—2009－12－31期間全球7.0級以上地震，數(shù)據(jù)來自USGS（http：／／earthquake.usgs.gov／regional／neic／）.為了盡可能排除地磁活動的影響，去除在此期間所有磁暴日（Dst指數(shù)≤－40nT或一天內(nèi)Dst指數(shù)降幅＞40nT）以及4天內(nèi)的地震事件.此外，也去除了同一時期（15天內(nèi)）同一地理位置的地震事件（Le et al.，2011）.根據(jù)以上條件，得到符合條件的地震事件共40個.其中還需要去除DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)缺失的3個震例，最后統(tǒng)計分析的震例共計37個（圖1）.

圖1 2005年到2009年全球37個7.0級以上地震事件震中分布藍色圓圈表示觀測到異常的19次地震事件，紅色圓圈表示未見明顯異常的地震事件Fig.1 Epicenter distribution of the selected 37earthquakes with a magnitude above 7.0during January 2005to December 2009 Blue circles represent the events with electron density perturbations while the red circles indicate the events without the disturbance.

3 數(shù)據(jù)分析與結(jié)果

3.1 數(shù)據(jù)分析方法

研究表明，不同震級對應(yīng)孕震區(qū)的范圍不同，并存在經(jīng)驗公式R＝100.43M（R是孕震區(qū)半徑，M為震級）（Dobrovolsky et al.，1979）.針對本文的37個地震事件，其孕震區(qū)半徑約為：1000km（7.0級）～4500km（8.6級）.首先，需要根據(jù)震中位置來確定研究區(qū)域，即以震中為中心，參考地震的震級大小，將經(jīng)度和緯度分別加減一定度數(shù)，形成一個矩形區(qū)域.此外，還需要保證研究區(qū)域內(nèi)每天至少有一條軌道經(jīng)過.所以，本文中我們選取的研究區(qū)域為：緯度±15°，經(jīng)度±20°，并以1°×1°進行網(wǎng)格劃分.鑒于電離層擾動信息的短臨特性，設(shè)定分析時段為震前7天，震后1天，共9天的軌道數(shù)據(jù).這較He等（2011）中的震前30天作為分析時段更為合理.考慮到電離層電子濃度具有較為顯著的年變化和季節(jié)變化，將分析時段前后一個季度內(nèi)數(shù)據(jù)作為背景數(shù)據(jù)（去除磁暴日數(shù)據(jù)）.同樣將背景數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化，計算每個網(wǎng)格的中值作為背景場（Ne）.進而分析每個網(wǎng)格內(nèi)所有軌道數(shù)據(jù)相對與背景值的變化（ΔNe／Ne）.

我們以2007年9月28日（22.013°N，142.668°E）Mw7.5級地震為例具體說明.按照以上分析原則，研究區(qū)域為：緯度（7°N—37°N），經(jīng)度（123°E—163°E）；分析時段為2007年9月21—29日（9月22日和25日數(shù)據(jù)缺失），背景時段為2007年9月—10月期間去除分析時段和磁暴日的其他時段（9月6日無數(shù)據(jù)，9月20日Dst降幅超過40nT，10月25和26日Dst＜－40nT，去除）.分別將分析時段和背景時段經(jīng)過研究區(qū)域的各軌道數(shù)據(jù)以1°×1°進行網(wǎng)格劃分，以相應(yīng)的時間窗按克里金（Kriging）方法進行插值，克里金插值考慮了數(shù)據(jù)的空間結(jié)構(gòu)，能夠較好地反映數(shù)據(jù)自身的特性，尤其在數(shù)據(jù)稀少時其優(yōu)勢更加明顯.最后，計算背景時段每個網(wǎng)格的中值作為背景場，并求得分析時段相對于背景值的變化.圖2a顯示的分析時段Ne數(shù)據(jù)網(wǎng)格化后的分布情況，圖2b則顯示的是背景時段的中值.

圖2 2007年9月28日地震前震中附近區(qū)域電離層電子密度分布（a）；背景電子濃度分布（b）（三角形表示震中位置）Fig.2 Map of Ne around epicenter before Mw7.5earthquake on September 28in 2007（a）；Map of reference background Ne around epicenter（b）.Black triangle indicates the epicenter

圖3 2005年3月28日蘇門答臘地震前震中附近區(qū)域電離層電子密度相對于背景值的變化（ΔNe／Ne）；三角形表示震中位置Fig.3 Map ofΔNe／Ne around epicenter before Sumatra Mw8.6earthquake on March 28in 2005.Black triangle indicates the epicenter

3.2 典型震例對比分析

本節(jié)重點選取了分別位于赤道附近、中低緯和中高緯的三次典型地震，進行對比分析.一方面可以作為電子濃度異常信息提取的具體實例詳細闡述，另一方面可以分析不同條件下（緯度、震級、地磁環(huán)境等）的震前電子濃度擾動異同.

3.2.1 2005年3月28日蘇門答臘Mw8.6地震

根據(jù)3.1中所述的異常提取方法，以3月22—29日為分析時段，以3月和4月地磁活動平靜日為背景時段，分析震中區(qū)域電子濃度相對于背景時段的變化情況.如圖3所示.可以看出，在98°E—106°E和8°N—25°N、91°E—97°E和10°N—22°N兩個范圍內(nèi)電子濃度明顯增強，最大增幅分別達到2.8×100%和2.6×100%.

進一步地，我們逐一分析了3月22—29日期間的Ne全球軌道散點圖，發(fā)現(xiàn)3月25日和28日兩天在震中附近電離層電子濃度明顯偏高.為了分析震前電離層電子濃度擾動和磁暴期間電離層電子濃度擾動的異同，我們選取一次中等磁暴日3月14日（Dst指數(shù)－45nT）和25日、28日的電子濃度變化情況進行對比分析.圖4顯示的是2005年3月14日、25日和28日Ne全球軌道數(shù)據(jù)散點圖，其中3月25日部分軌道數(shù)據(jù)缺失.可以看出，3月14日受到地磁活動的影響，DEMETER衛(wèi)星可以監(jiān)測到全球范圍內(nèi)的Ne擾動情況，Ne峰值達到7×104～1×105cm－3；3月25日和28日則是在震中附近的兩條軌道觀測到明顯的Ne增強現(xiàn)象，其他軌道Ne峰值偏低.我們分別選取了3月14日3705＿1、3月25日3871＿1和3月28日3915＿1三 條 軌 道，對 比分析它們的Ne變化曲線，如圖5所示.三條軌道都顯示了在電離層中低緯地區(qū)電子濃度典型的單峰變化結(jié)構(gòu).其中軌道3705＿1在2°S—24°S出現(xiàn)了明顯的擾動，擾動峰值達到1×105cm－3；軌道3871＿1（震前4天）在6°N—14°N出現(xiàn)擾動，峰值達到7.5×104cm－3；軌道3915＿1（震前約20min）在7°N—16°N出現(xiàn)擾動，峰值達到6.5×104cm－3.

綜合以上分析，我們認為由于受到3月25日和28日的擾動影響，震中附近區(qū)域電離層電子濃度出現(xiàn)了明顯的增強（圖3）.考慮到3月25日地磁活動達到活躍水平，且DEMETER衛(wèi)星經(jīng)過震中位置時刻（15UT）的Dst指數(shù)達到－21nT，應(yīng)該說地磁活動的影響對此也有一定貢獻，所以在震中附近出現(xiàn)的電子濃度增強從范圍和幅度上都較3月28日更大.

圖4 2005年3月14日、25日和28日Ne全球軌道數(shù)據(jù)散點圖Fig.4 Scatter diagrams of electron density in the world on March 14，25and 28，respectively

3.2.2 2007年9月28日太平洋海域Mw7.5地震

圖2中已經(jīng)顯示了此次地震前分析時段和背景時段的Ne分布特征.我們同樣得到震中區(qū)域電子濃度相對于背景時段的變化情況（圖6）.可以看出，在137°E—145°E和5°S—20°N范圍內(nèi)電子濃度比較背景時段數(shù)據(jù)有明顯增強，增強幅度（1～2）×100%.此外，電子濃度增強的范圍相對震中向赤道方向有一定程度的偏移.

同樣，我們將此次地震前9月21—30日共9天的軌道數(shù)據(jù)逐一分析，發(fā)現(xiàn)9月24日震中附近電離層電子濃度較其他區(qū)域明顯偏高，其他日期電子濃度變化較為穩(wěn)定.圖7顯示了9月24日Ne全球軌道數(shù)據(jù)散點圖和震中附近軌道17245＿1的Ne變化曲線.可以看出，9月24日在震中附近的兩條軌道17245＿1和17246＿1電子濃度偏高，達到3.8×104cm－3；此外全球其他軌道除17242＿1外，電子濃度峰值變化不大.而圖7b中可以看出電離層電子濃度在中低緯地區(qū)同樣呈現(xiàn)單峰變化結(jié)構(gòu)，在靠近赤道的區(qū)域，緯度5°S—20°N范圍內(nèi)峰值達到3.8×104cm－3.

圖5 2005年3月14日3705＿1軌道（a）、3月25日3871＿1軌道（b）和3月28日3915＿1軌道（c）Ne變化曲線Fig.5 Electron density curves along the orbit 3705－1on March 14（a），3871－1on March 25（b）and 3915－1on March 28（c），respectively

3.2.3 2008年7月5日Mw7.7地震

在本文中統(tǒng)計的37個震例中，緯度在±40°以上的地震共有6個（圖1），其中震前能夠觀測到較為明顯的電子濃度擾動的只有此次地震.在其他的幾次地震中，2008年4月12日和2007年9月30日兩次地震（表1）所在的高緯度研究區(qū)域中軌道數(shù)據(jù)較少，基本上很難捕捉電子濃度的變化信息；而2007－01－13、2009－07－15以 及2009－01－15三 次 地 震前則沒有發(fā)現(xiàn)明顯電子濃度擾動現(xiàn)象.

同樣分析7月1—6日（6月28—30日軌道數(shù)據(jù)缺失）震中區(qū)域電子濃度相對于背景時段的變化可知（圖8），在震中東南側(cè)152°E—160°E和37°N—51°N范圍內(nèi)子濃度較背景數(shù)據(jù)有微弱的增強，增強幅度（0.2～0.45）×100%.進一步分析7月1～6日每一天的軌道數(shù)據(jù)，圖9顯示的是7月5日Ne全球軌道數(shù)據(jù)散點圖和震中附近軌道21430＿1的Ne變化曲線.可以看出，電離層電子濃度呈現(xiàn)雙峰變化的結(jié)構(gòu)；21430＿1軌道顯示的是7月5日震后約9h DEMETER衛(wèi)星過境時的數(shù)據(jù)情況，北半球震中上空峰值明顯較其它軌道增強，達3×104cm－3.

總結(jié)以上三次震例，可以看出，DEMETER衛(wèi)星記錄的數(shù)據(jù)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，而中高緯地區(qū)一般不利于觀測震前電子濃度變化；地震引起的電離層電子濃度異常區(qū)域一般和孕震區(qū)有關(guān)，而地磁擾動時的電離層異常一般具有全球性的特征，這與前人結(jié)論也基本一致（歐陽新艷等，2011）.此外，從圖3、6和8結(jié)果來看，基本上觀測到的電子濃度異常區(qū)在緯度上都偏離震中約5°～10°左右，并且在中高緯地區(qū)向赤道方向偏移.這與電磁信號在大氣層、電離層中的傳播路徑有關(guān).研究表明，孕震區(qū)激發(fā)的低頻電磁輻射傳播至低軌衛(wèi)星位置有兩種可能路徑（Pulinets et al.，2004）.一種是電磁波由地下擴散到大氣－電離層波導(dǎo)，沿波導(dǎo)傳播并向上擴散到達衛(wèi)星位置.另一種是電波擴散到大氣－電離層波導(dǎo)后，沿波導(dǎo)傳播至接收點的“磁共軛點”，然后沿地磁場磁力線方向傳播，經(jīng)過高電離層和磁層到達衛(wèi)星位置.后一種傳播方式稱為“哨聲?！眰鞑ィㄅ送?，2004）.由于磁力線形態(tài)、衛(wèi)星觀測狀態(tài)等影響，一方面會導(dǎo)致異常區(qū)偏離震中區(qū)一定范圍，即在高緯和中緯地區(qū)會向赤道方向偏移；同時也在一定程度上放大了擾動的區(qū)域范圍.

圖6 2007年9月28日地震前震中附近區(qū)域電離層電子密度相對于背景值的變化（ΔNe／Ne）（三角形表示震中位置）Fig.6 Map ofΔNe／Ne around epicenter before Mw7.5 earthquake on September 28in 2007.Black triangle indicates the epicenter

圖8 2008年7月5日地震前震中附近區(qū)域電離層電子密度相對于背景值的變化（ΔNe／Ne）（三角形表示震中位置）Fig.8 Map ofΔNe／Ne around epicenter before Mw7.7 earthquake on July 5in 2008.Black triangle indicates the epicenter

圖7 （a）2007年9月24日Ne全球軌道數(shù)據(jù)散點圖；（b）17245＿1軌道Ne變化曲線Fig.7 （a）Scatter diagrams of electron density in the world on September 24，2007；（b）Electron density curve along the orbit 17245－1

表1 利用DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析的2005年1月1日到2009年12月31日全球37個Mw7.0級及以上地震電離層電子濃度異常統(tǒng)計表Table 1 Summary of anomalous information in electron density related to strong earthquakes during January 2005to December 2009

3.3 震例統(tǒng)計分析結(jié)果

分析圖1中37個地震事件，將異常情況統(tǒng)計在表1中，并將其標識在圖1中（藍色圓圈）.表1中從左至右分別顯示了地震時間（世界時）、震級（Mw）、震中位置（°E，°N）、震源深度（km）、異常時間（ΔT）、異常范圍（°E，°N）、異常幅 度（包 括ΔNe／Ne和ΔNe）以及Dst指數(shù).結(jié)果顯示，19個地震前出現(xiàn)了較為明顯的電子濃度異常擾動現(xiàn)象，占所有地震事件的51%；其中異常出現(xiàn)在地震前的事件共14個，出現(xiàn)在震后的有5次；電子濃度出現(xiàn)增強現(xiàn)象的事件占18個，只有汶川地震前發(fā)現(xiàn)了電子濃度降低的現(xiàn)象；震前出現(xiàn)兩次及以上擾動現(xiàn)象的震例共5個.有關(guān)汶川地震前DEMETER衛(wèi)星的監(jiān)測結(jié)果，國內(nèi)外已經(jīng)有了較為全面的研究（Zhang et al.，2009；Akhoondzadeh et al.，2010；閆相相等，2012；Yan et al.，2013），都明確指出了汶川地震前DEMETER衛(wèi)星監(jiān)測到了電離層電子濃度降低的現(xiàn)象，與我們的計算結(jié)果基本一致，在此不再贅述.

結(jié)合圖1與表1結(jié)果可知，除2008年7月5日Mw7.7地震外，其它異常震例都發(fā)生在緯度±40°以內(nèi)，更是以±20°內(nèi)居多；在所有異常地震中，有1次深源地震（＞300km），5次中源地震（70～300km），多數(shù)為淺源地震（0～70km），而震源深度對電子濃度擾動幅度的影響并不明顯；絕大部分異常地震都發(fā)生在環(huán)太平洋地震帶的板塊邊界，并且多為海域地震.進一步地，我們異常頻次、空間分布以及震級大小與擾動幅度的關(guān)系等結(jié)果表示在圖10中.分析可知，異常大多發(fā)生在震前0～5天，較好的體現(xiàn)了電離層擾動的短臨特征；電子濃度在震中附近區(qū)域有顯著的增強效應(yīng)，增強較為明顯的范圍集中在緯度向±10°，經(jīng)度向則更廣一些，增強幅度0.4～0.8.此外，圖10b表明震級大小與擾動幅度有較好的正相關(guān)，基本上震級越大擾動幅度越大.

表1中最右側(cè)表示觀測到的異常軌道過境時刻Dst指數(shù)大小，可以看出有少數(shù)地震前異常發(fā)生的當天地磁活動達到活躍水平，其它則都表現(xiàn)為地磁平靜.3.2.1節(jié)中我們已經(jīng)提到，3月25日的電子濃度擾動幅度較大，可能也受到地磁活動的影響.同樣看到2005年9月26日Mw7.5級地震當天和前幾天監(jiān)測到了幾次較為明顯的電子濃度增強現(xiàn)象.然而，2005年9月太陽和地磁活動水平較高，雖然9月22～26日Dst指數(shù)沒有達到我們限定的－40nT，但是基本維持在－20nT上下.一方面我們提取的震前幾次擾動信息都存在區(qū)域性，跟地震活動有較好的空間關(guān)聯(lián)，但是另一方面擾動幅度與其它處于地磁平靜期的震例相比增幅較大，可以認為這些電子濃度擾動同樣受到了地磁活動作用的影響.

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

對比前人的相關(guān)研究結(jié)果，He等（2011）利用DEMETER衛(wèi)星ISL載荷統(tǒng)計分析了2006—2009年間全球5級以上地震前的電離層電子濃度異常變化，發(fā)現(xiàn)電子濃度在震中附近出現(xiàn)增強，并指出異常隨著震級的增大而增強；Li等（2012）和Parrot等（2012）基于DEMETER衛(wèi)星IAP載荷數(shù)據(jù)對震前離子濃度（Ni）進行統(tǒng)計分析后發(fā)現(xiàn)，離子濃度擾動同樣以增強為主，擾動幅度與震級大小也存在正相關(guān)，而且發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)離子濃度擾動的震例以海域地震居多；劉靜等（2013）對國內(nèi)MS6.0級以上地震前的等離子體參量異常統(tǒng)計分析結(jié)果顯示，異常時間為1～7天，異常可能出現(xiàn)在震中東西兩側(cè)，而且多向磁赤道偏移.以上結(jié)論與本文的研究結(jié)果較為一致.值得注意的是，He等（2011）的研究結(jié)果指出電子濃度異常區(qū)域在北半球向北偏移，在南半球向南偏移.而本文研究結(jié)果則表明觀測到的電子濃度異常區(qū)在緯度上都偏離震中約5°～10°左右，并且在中高緯地區(qū)向赤道方向偏移，這與孕震區(qū)激發(fā)的低頻電磁輻射在大氣層、電離層中的傳播路徑（Pulinets et al.，2004；潘威炎，2004）是一致的.

強震孕育的過程中是如何激發(fā)電離層高度電子濃度異常擾動的呢？我們試圖從以下兩方面來解釋強震前可能導(dǎo)致電離層電子濃度變化的成因.

在強震孕育的過程中，孕震區(qū)中巖石受到應(yīng)力作用，晶體結(jié)構(gòu)變形，可以產(chǎn)生電子電荷載體（positive holes）和電流.而這種p－h(huán)oles因應(yīng)力的積累被激活，進而傳播到周圍的巖體中并到達地表

（Freund et al.，2004；Takeuchi et al.，2006）.

在地表發(fā)生O2→O2＋＋e－作用，形成一個正的地面電動勢，產(chǎn)生向上的垂直擾動電場E和電流J，并通過大氣層穿透到電離層.傳到電離層高度的擾動電場E對電離層主要產(chǎn)生兩種作用，一種是E×B漂移作用（Kuo et al.，2011），另一種是激發(fā)聲重波（acoustic gravity waves，AGW）而導(dǎo)致電離層變化（Hegai et al.，2006）.一方面，擾動電場滲透到電離層高度后，與磁場作用形成E×B漂移.東向電場時，通過E×B電子向上運動，會引起電離層抬高，峰值密度增大.西向電場時，則E×B方向向下，電離層降低，峰值密度減少.所以針對不同地區(qū)的地震、同一地震的不同時刻，震前電離層電子濃度可能出現(xiàn)正異常也可能出現(xiàn)負異常.Kuo等（2011）計算得到地震斷層帶中巖石電流密度為0.2～10μA／m2所產(chǎn)生的地表電荷可以引起電離層電子濃度變化幅度達2%～25%.另一方面，擾動電場在電離層高度激發(fā)AGW（Liperovsky et al.，1992），產(chǎn)生大氣壓強的擾動，造成中性粒子運動，形成中性風擾動分量，也可以造成對電離層峰值高度和峰值密度的改變.需要注意到，DEMETER衛(wèi)星軌道高度660 km，處于電離層峰值以上（topside），其原位測量的電子濃度受到電離層E×B的效應(yīng)與地面臺站觀測結(jié)果存在一定的差異，這也造成了震前DEMETER衛(wèi)星觀測到的電子濃度與GPS觀測的TEC的變化特征存在一定的異同.

本文研究表明，發(fā)生異常的地震大多發(fā)生在環(huán)太平洋地震帶的板塊邊界，并且以海域地震為主（圖1），考慮到如果是巖層破裂、應(yīng)力積累導(dǎo)致的巖層介電常數(shù)改變等引起的電磁異常，有可能會被海洋屏蔽，因為當電磁波在水中傳播時將快速衰減，很難穿透海水到達大氣層和電離層.盡管海水可以吸收電磁波，但它可以很好的傳遞機械運動.強震前沿著板塊邊緣發(fā)生的緩慢錯動可能會在海水中激發(fā)長周期機械波，從而擾動大氣層，進而以聲波方式傳播到電離層底部（Ducic et al.，2003；Heki et al.，2006；Zhang et al.，2012），激發(fā)電離層電場及等離子體參量擾動，這類機械波在海水中的傳播耦合機理已經(jīng)有很多現(xiàn)象可以證實，如臺風及地震發(fā)生時激發(fā)的海嘯等.Zhang等（2012）在利用DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析2005—2010年間全球69個7級以上強震的靜電擾動現(xiàn)象時，就發(fā)現(xiàn)其中存在ULF和ELF波段的靜電擾動現(xiàn)象的多為海域地震.

4.2 結(jié)論

本文基于法國DEMETER衛(wèi)星ISL載荷數(shù)據(jù)，對2005—2009年全球37個7.0級以上地震前電離層電子濃度變化進行統(tǒng)計分析.主要結(jié)論如下：

（1）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，其中電子濃度大部分表現(xiàn)為異常增強；異?，F(xiàn)象大部分出現(xiàn)在震前1～5天內(nèi)；震前出現(xiàn)兩次及以上擾動事件的地震也較為常見，一方面表明強震前地震孕育過程中電磁信號持續(xù)時間較長，另一方面也受到了DEMETER衛(wèi)星過境時間和重訪周期的影響.

（2）異常震例基本都發(fā)生在緯度±40°以內(nèi)（18次），更是以±20°內(nèi)居多（13次），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，而中高緯地區(qū)一般不利于觀測震前電子濃度變化.

（3）震級大小則與擾動幅度基本上呈正相關(guān)，而震源深度對電子濃度擾動的影響并不明顯；

（4）磁暴期間電子濃度變化和地震引起的電離層電子濃度異常有所不同，前者一般具有全球性的特征，而后者的異常區(qū)域一般和孕震區(qū)有關(guān)；震前出現(xiàn)的電子濃度異常有時會同時受到地磁活躍的影響，此時的擾動幅度一般都較大.

總之，地震電離層擾動現(xiàn)象是復(fù)雜多變的，目前仍有很多問題需要探索和解決，需要地基和空間的聯(lián)合立體觀測來支持；另一方面，地震電離層耦合機理的研究仍需要加強.

致謝 作者感謝DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心提供的科學數(shù)據(jù)以及審稿專家提出的寶貴意見，感謝中國地震局地震預(yù)測研究所張學民研究員在文章結(jié)果分析中的有益討論.

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