強震前后空間電磁場時空演化特征

錢 庚 澤仁志瑪 張學(xué)民 申旭輝

1) 中國北京100036中國地震局地震預(yù)測研究所2) 中國北京100085中國地震局地殼應(yīng)力研究所

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強震前后空間電磁場時空演化特征

錢 庚1)，澤仁志瑪1)張學(xué)民1)申旭輝2)

1) 中國北京100036中國地震局地震預(yù)測研究所2) 中國北京100085中國地震局地殼應(yīng)力研究所

本文利用DEMETER衛(wèi)星觀測到的電磁場數(shù)據(jù)， 統(tǒng)計分析了2005—2009年全球MS≥7.0強震前后空間電磁場的時空演化特征． 在震中上空±10°范圍內(nèi)， 使用震前90天至震后30天的5年同期觀測到的電磁場極低頻/甚低頻(370—897 Hz)功率譜密度數(shù)據(jù)構(gòu)建了穩(wěn)定的背景場觀測模型， 提取了震中上空的空間電磁場相對于背景場的擾度幅度， 并統(tǒng)計分析了強震前后空間電磁場的時空演化特征． 統(tǒng)計結(jié)果顯示： 45次MS≥7.0強震中， 35次強震在地震發(fā)生前后磁場最大擾動幅度超過2.2倍標準差， 39次強震的電場最大擾動幅度超過2倍標準差； 最大的電磁擾動主要出現(xiàn)在震中±4°—±10°范圍內(nèi)． 另外， 震中上空的電磁場擾動幅度時序變化表現(xiàn)為3種不同類型的擾動特征， 且震前出現(xiàn)電磁異常的強震震中位置的分布特征與緯度存在一定關(guān)系； 而隨機選擇的非震區(qū)上空空間電磁場的擾動幅度則比較小， 未呈現(xiàn)出明顯的特征．

強震 電磁場 背景場模型 時空演化 統(tǒng)計分析

引言

全球每年發(fā)生多次M≥7強震， 給人類帶來了巨大的災(zāi)難和損失， 如2008年5月12日汶川MS8.0地震， 2010年玉樹MS7.1地震， 2011年日本MS9.0大地震． 但是地震監(jiān)測預(yù)報作為當今世界科學(xué)難題， 目前還不能達到準確預(yù)報預(yù)測地震的水準． 所幸近年來隨著電磁觀測技術(shù)的發(fā)展， 非力學(xué)的電磁學(xué)方法為實現(xiàn)地震短臨預(yù)報帶來了希望． 大量的地基電磁觀測(錢家棟， 1993; 丁鑒海等， 2008)和模擬實驗研究(Huang， Ikeya， 1998)結(jié)果均已表明， 在地震孕育發(fā)生過程中， 地震電磁前兆信號會出現(xiàn)在較寬頻段上(黃清華， 2005)， 尤其在極低頻/甚低頻上更容易出現(xiàn)明顯的地震電磁短臨變化．

自2004年6月29日法國發(fā)射世界上第一顆專門用于地震監(jiān)測的電磁衛(wèi)星以來， 地震空間電磁研究得到了飛速發(fā)展， 已發(fā)現(xiàn)了大量的地震電磁短臨異?，F(xiàn)象． Molchanov等(2006)利用DEMETER觀測到的電場數(shù)據(jù)， 采用信噪比方法分析了2004年12月26日蘇門答臘MS9.0地震， 結(jié)果顯示震中2500 km范圍內(nèi)人工源甚低頻電場信號在震前55—11天內(nèi)明顯減弱； 張學(xué)民等(2009)對汶川地震前甚低頻電場頻譜值變化特征進行了研究， 其結(jié)果表明， 在空間天氣平靜的5月6—10日， 震中緯度上的電場能量多處可達或超過其背景場能量的3倍均方差．

為更準確客觀地了解地震所引起的空間電磁異常現(xiàn)象， 研究人員對大量地震進行了統(tǒng)計分析. 例如： Němec等(2009)通過對2004—2008年5500次M≥5.0地震的電場垂直分量(Ez)進行分析的結(jié)果顯示， 在震中±3°區(qū)域內(nèi)， 甚低頻(1.7 kHz±200 Hz)電場強度在震前0—4小時內(nèi)降低至3倍標準差， 且該異常位于震中以西2°； 澤仁志瑪?shù)?2012)利用背景場觀測模型方法提取了2005—2009年北半球26次MS≥7.0地震的空間磁場擾動特征， 結(jié)果顯示77%的地震在震前30天內(nèi)變化磁場相對于背景場的擾動幅度超過3倍標準差．

澤仁志瑪?shù)?2012)僅研究了北半球地震前后的磁場擾動特征， 本文擬在其基礎(chǔ)上， 將研究區(qū)域擴大至全球范圍， 并補充電場觀測數(shù)據(jù)， 采用澤仁志瑪?shù)?2012)所用方法， 對研究時段選取劃分及數(shù)值計算作一定調(diào)整， 統(tǒng)計研究2005—2009年MS≥7.0強震的空間電磁擾動情況， 以揭示磁場、 電場以及電磁場在地震前后的演化特征． 此外， 還將進一步獲取強震前后電磁場的變化規(guī)律， 使本文研究結(jié)果更加充分可靠．

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)選取

DEMETER為太陽同步軌道衛(wèi)星， 于2004年6月29日—2010年12月9日在軌運行， 其軌道高度為710 km(后降為660 km)， 軌道傾角為98.3°(Cussacetal， 2006)． DEMETER衛(wèi)星攜帶了多個探測載荷， 其中電場探測儀(instrument champ electrique， 簡寫為ICE)用于測量直流至3.175 MHz的電場(Berthelieretal， 2006)， 感應(yīng)式磁力儀 (instrument of magnetic search coil， 簡寫為IMSC)用于觀測19.5 Hz—20 kHz頻段的變化磁場(Parrotetal， 2006)．

1.1 研究區(qū)域選取

根據(jù)Dobrovolsky等(1979)提出的巖石圈孕震區(qū)范圍經(jīng)驗公式

(1)

可以估算出巖石圈孕震區(qū)的大?。?式中M表示地震震級，ρ表示孕震區(qū)長度， 單位為km． 由于本文研究的地震均為MS≥7， 根據(jù)式(1)計算得到孕震區(qū)長度為1023 km以上， 相當于震中±5°的范圍． 根據(jù)Pulinets和Boyarchuk(2004)對地震引發(fā)的電磁波向電離層傳播機制的研究可知， 巖石圈激發(fā)的電磁波從地表沿磁力線傳播至電離層進而引起電離層的擾動， 并且地震電磁擾動信號傳播至電離層可能發(fā)生偏移， 最大偏移量可超過10°， 故本文將研究區(qū)域的范圍擴大至震中±10°的范圍．

1.2 數(shù)據(jù)

衛(wèi)星在軌運行期間載荷工作時會因微弱電流的產(chǎn)生而產(chǎn)生變化磁場， 從而引起低頻電磁擾動， 這使得物理觀測數(shù)據(jù)內(nèi)含有一定的背景噪聲． 曹晉濱等(2009)和Zeren等(2012)對電磁衛(wèi)星噪聲水平的分析研究顯示， 200 Hz以下的電磁信號受衛(wèi)星本體影響較大， 且有較強的背景噪聲． Zeren等(2012)針對DEMETER衛(wèi)星噪聲水平的測試結(jié)果表明， 變化磁場觀測數(shù)據(jù)在極低頻/甚低頻(370—897 Hz)頻段的背景噪聲較弱， 較有利于提取地震前兆信號， 故本文選取DEMETER衛(wèi)星的電磁場極低頻/甚低頻(370—897 Hz)觀測數(shù)據(jù)用于地震異常研究．

首先根據(jù)DEMETER衛(wèi)星的輔助數(shù)據(jù)文件， 剔除衛(wèi)星記錄有誤的軌道以及在衛(wèi)星姿態(tài)控制、 載荷開關(guān)等事件期間的數(shù)據(jù)， 以期最大限度地消除人工干擾． 其次， 由于太陽的作用， 電離層在白天呈現(xiàn)非常復(fù)雜的變化， 會對地震信息的提取造成影響. 為了盡量減少地磁場活動帶來的擾動， 本文僅考慮DEMETER衛(wèi)星2005—2009年在空間天氣平靜時期IMSC和ICE在夜間的觀測數(shù)據(jù)． 選取數(shù)據(jù)時， 設(shè)定地磁指數(shù)Dst≤-30 nT，KP≥3，AE≥200 nT的數(shù)據(jù)不參與計算．

2 研究方法

2.1 背景場與擾動幅度建立

在澤仁志瑪?shù)?2012)對2005—2009年北半球MS≥7.0地震前后的磁場擾動特征統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上， 本文對研究時段選取劃分及數(shù)值計算進行了一定調(diào)整， 將進一步對全球發(fā)生的地震進行研究， 并補充電場的研究結(jié)果． 此處以南半球2006年2月22日發(fā)生的莫桑比克MS7.6地震為例， 說明本文的研究過程．

構(gòu)建震中上空背景場觀測模型的步驟如下. 選取震中(20.87°S， 33.1°E)經(jīng)緯度±10°的區(qū)域(10.87°S—30.87°S， 23.1°E—43.1°E)， 以2°為步長， 構(gòu)建10°×10°網(wǎng)格， 并以震前90天至震后30天(2005年11月24日—2006年3月24日)的時段為例介紹計算過程． 首先根據(jù)2005—2009年DEMETER衛(wèi)星5年同時段的磁場極低頻/甚低頻(370—897 Hz)的功率譜密度(power spectral density， 簡寫為PSD)數(shù)據(jù)， 計算每個網(wǎng)格的中值和標準方差， 從而得到背景中值矩陣β (如圖1a)和背景標準方差矩陣σ(如圖1b)； 其次， 利用地震當年震前90—60天(2005年11月24日—12月24日)的磁場功率譜密度數(shù)據(jù)， 計算出該時段的中值矩陣α(如圖1c)； 最后， 根據(jù)擾動幅度提取公式計算出相對于背景場的擾動幅度θ(圖1d)． 式(2)表示在某個特定時段內(nèi)的空間變化磁場相對于其觀測背景場偏離標準方差的倍數(shù)， 即相對于背景場的擾動幅度． 由于計算所得的矩陣θ是在背景場的基礎(chǔ)上進行了歸一化處理， 因此可信度更高．

(2)

圖1 莫桑比克MS7.6地震震中±10°范圍內(nèi)磁場擾動幅度矩陣θ的構(gòu)建過程(a) 利用5年(2005—2009年)同期(11月24日—3月24日)震前90天至震后30天的變化磁場功率譜密度數(shù)據(jù)構(gòu)建的背景場中值矩陣β； (b) 由5年(2005—2009年)同期震前90天至震后30天的變化磁場功率譜密度數(shù)據(jù)構(gòu)建的背景場標準方差矩陣σ； (c) 由2005年11月24日—12月24日的磁場功率譜密度數(shù)據(jù)構(gòu)建的中值矩陣α； (d) 根據(jù)式(2)計算所得的矩陣θ

從圖1中背景場觀測模型的構(gòu)建及擾動幅度的提取過程可以看出： 背景場強度相對平靜(圖1a)， 其變化范圍為10-8.1—10-7.8nT2/Hz； 背景場標準方差值穩(wěn)定在100.43—100.58nT2/Hz(圖1b)； 地震時段的矩陣α則表現(xiàn)出一定的變化(圖1c)， 為10-8.3—10-7.5nT2/Hz； 磁場相對于背景場的擾動幅度顯示出相對平靜的狀態(tài)(圖1d)， 矩陣θ中的參數(shù)值保持在0.8—1， 因此在背景場擾動幅度基礎(chǔ)上所獲得的研究結(jié)果將更加客觀．

2.2 時間序列分析

為了更深入地研究震前90天至震后30天的電磁場擾動時序變化特征， 本文將研究時段每隔15天計算一次擾動幅度矩陣θ值， 然后利用定量分析方法， 計算出每個時段的最大擾動幅度|θ|max和平均擾動幅度|θ|avg， 進而得到電磁場擾動的時間序列變化特征．

3 震例分析

利用上述方法， 本文對2006年2月22日莫桑比克MS7.6地震前后空間電磁場的時空演化特征進行了分析． 選取震前90天至震后30天(2005年11月24日—2006年3月24日)為研究時段， 將其劃分為6個時段， 即震前90—60天、 震前60—30天、 震前30—15天、 震前15天—地震當天、 地震當天—震后15天、 震后15—30天， 分別計算出各時段震中上空±10°的電磁場背景觀測模型矩陣β和σ， 及其相應(yīng)的α矩陣， 并利用式(2)求取相應(yīng)的θ矩陣， 結(jié)果分別如圖2和圖3所示．

圖2 2006年莫桑比克MS7.6地震前后極低頻/甚低頻(370—897Hz)磁場(θ矩陣)時空演化特征

圖2給出了2005年11月24日—2006年3月24日莫桑比克地震震中上空的變化磁場在極低頻/甚低頻(370—897Hz)相對于背景觀測模型的時空演化特征． 可以看出： 該地震前90—30天的磁場擾動幅度較為平靜， θ矩陣中的所有元素值保持在0.8—1.3， 未發(fā)現(xiàn)較大幅度的擾動(圖2a， b)； 震前30—15天內(nèi)， 磁場擾動幅度略有增強， 可達1.8， 表現(xiàn)為震中及其西側(cè)的輕微擾動(圖2c)； 震前15天至地震當天， 震中以北地區(qū)的磁場擾動幅度逐漸加強， 并在研究區(qū)東北角出現(xiàn)一處變化磁場的強烈擾動， 其幅度可達3.9σ(圖2d)； 震后15天內(nèi)， 磁場擾動幅度開始回落， θ矩陣的所有元素值最大值為1.9(圖2e)， 震后15—30天內(nèi)， 磁場強度繼續(xù)下降至1.6σ(圖2f)．

圖3給出了莫桑比克地震前后的空間電場時空演化特征． 與圖2所示的地震期間變化磁場的演化特征相比較， 電場的變化則相對穩(wěn)定， 僅震前15天至地震當天(圖3d)和震后15天內(nèi)(圖3e)的θ值分別可達2.5和-2.3， 超過2σ， 其余時段的θ值均為0.9—1.5， 未超過2σ．

為更清晰地提取莫桑比克地震的電磁場異常擾動， 本文利用定量方法進行時間序列分析． 具體做法如下： 對于研究時段2005年11月24日—2006年3月24日內(nèi)的磁場與電場數(shù)據(jù)， 每隔15天計算得到1個θ矩陣并取其所有元素的絕對值|θ|， 以此計算出各個時段電磁場的最大擾動值|θ|max和平均擾動值|θ|avg． 由于|θ|進行了歸一化處理， 因此可以將磁場與電場的|θ|max值和|θ|avg值分別求取二者的平均值， 進而得到地震前后電磁場偏離背景場的方差倍數(shù)， 即電磁場擾動．

圖3 2006年莫桑比克地震前后空間電場(θ矩陣)的時空演化特征

圖4分別給出了磁場、 電場的|θ|max值及|θ|avg值以及電磁場的擾動幅度在地震期間的時序變化特征． 從圖4a可以看出， 震前90—15天內(nèi)磁場擾動幅度較弱， 均低于2σ， 而在震前15天內(nèi)磁場擾動幅度突然增強至2.2σ以上， 可達3.9， 并在此過程中發(fā)震， 震后磁場擾動幅度則回落至較弱狀態(tài)． 從圖4b可以看出： 震前90—15天內(nèi)電場變化平穩(wěn)， 均低于2σ， 至震前15天內(nèi)擾動幅度高于2σ， 增強至2.5， 地震在此期間發(fā)生， 震后電場擾動幅度持續(xù)下降． 由圖4c可以看出， 電磁場擾動曲線變化形態(tài)整體上與磁場極為相似， 表現(xiàn)為震前15天內(nèi)的明顯異常擾動， |θ|max達到3.2σ， 其它時段擾動則相對平靜．

圖4 2005年11月24日—2006年3月24日最大擾動幅度|θ|max與平均擾動幅度|θ|avg的時序變化特征. (a) 磁場擾動； (b) 電場擾動； (c) 電磁場擾動

4 統(tǒng)計研究

由于單次地震的異?，F(xiàn)象具有較大的隨機性， 不足以證明地震異常的客觀規(guī)律， 因此本文對2005—2009年全球發(fā)生的MS≥7.0強震進行統(tǒng)計分析， 以期獲取規(guī)律性認識． 利用DEMETER衛(wèi)星在軌運行期間積累的數(shù)據(jù)資料， 結(jié)合上述方法進行統(tǒng)計研究． 采用國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心(2015)提供的地震目錄， 選取MS≥7.0且震源深度小于40 km的強震， 共得到50條地震信息， 但由于某些研究時段內(nèi)沒有觀測數(shù)據(jù)， 最終選取45次(北半球27次， 南半球18次)地震用于統(tǒng)計分析．

4.1 強震前后空間電磁場的時空演化特征

對所選定的45次地震， 將每次地震的研究時段劃分為以下6個時段進行時空演化特征研究： 震前90—60天、 震前60—30天、 震前30—15天、 震前15天至地震當天、 地震當天至震后15天、 震后15—30天． 首先分別計算出每次地震的背景場中值矩陣β和標準方差矩陣σ， 并計算出上述6個時段內(nèi)的α矩陣， 然后利用式(2)計算出每個時段的θ值． 其次采用圖2和圖3的方法， 繪制出每次地震在上述6個時段內(nèi)的θ值分布圖， 逐一分析每次地震的θ值分布圖． 結(jié)果顯示， 45次地震在震前90—30天的磁場變化相對平靜， 有35次地震的最大磁場擾動幅度在某一時段超過2.2σ， 其中12次地震的磁場最大擾動幅度出現(xiàn)在震前15天至地震當天的時段內(nèi)， 5次地震的最大擾動幅度出現(xiàn)在震前30—15天， 18次地震的最大磁場擾動幅度則出現(xiàn)在震后． 從θ值的空間分布情況可以看出， 超過2.2σ的擾動往往出現(xiàn)在距離震中一定范圍的區(qū)域內(nèi)， 其中僅有9次地震的最大磁場擾動幅度出現(xiàn)在震中±4°內(nèi)， 而其余26次地震的最大磁場擾動幅度則出現(xiàn)在震中±4°—±10°范圍內(nèi)．

利用上述磁場的時空演化特征分析方法， 本文進一步分析了電場的時空演化． 結(jié)果表明， 45次地震中， 有39次地震的最大電場擾動幅度在某一時段超過2σ， 其中16次地震的最大擾動幅度出現(xiàn)在震前15天至地震當天的時段內(nèi)， 4次地震的最大擾動幅度發(fā)生在震前30—15天， 19次地震的最大擾動幅度出現(xiàn)在震后． 此外， 電場擾動的空間分布顯示， 僅有4次地震的最大電場擾動幅度出現(xiàn)在震中±4°內(nèi)， 其余35次地震的最大電場擾動幅度均出現(xiàn)在震中±4°—±10°范圍內(nèi)．

4.2 強震前后電磁場的時序特征

對于上述45次地震， 采用與莫桑比克地震相同的時間序列分析方法， 將每次地震震前90天至震后30天每隔15天歸為一個時段， 分別計算出該地震不同時段的α矩陣和θ值， 然后繪制|θ|max及|θ|avg的時序變化曲線．

圖5給出了變化磁場在強震前后相對于背景場的擾動幅度時序變化． 我們定義變化磁場擾動幅度的閾值為2.2σ， 結(jié)果表明， 對于78%(35/45)的地震而言， 在研究時段內(nèi)其變化磁場擾動幅度出現(xiàn)超過閾值的現(xiàn)象， 表現(xiàn)出異常特征， 而10次地震期間的磁場擾動平靜， 未超過2.2σ． 對這35次地震進行分類統(tǒng)計， 發(fā)現(xiàn)其擾動特征可歸納為3類： 第一類與莫桑比克地震類似， 表現(xiàn)為震前90—15天磁場擾動幅度平靜且低于2.2σ， 而在震前15天至地震當天最大擾動幅度突然增大并顯著大于2.2σ， 震后則持續(xù)降低， 該類型地震有12次， 其磁場擾動平均值變化如圖5a所示； 第二類表現(xiàn)為震前30—15天內(nèi)擾動幅度超過2.2σ， 達到最大值， 并在擾動下降過程中發(fā)震， 該類型地震僅有5次， 其磁場擾動平均值如圖5b所示； 第三類則表現(xiàn)為震后異常， 即震前磁場擾動幅度低于2.2σ， 而在震后其擾動幅度增大并超過2.2σ， 該類型地震有18次， 其磁場擾動平均值變化如圖5c所示．

圖5 強震前后變化磁場相對于背景場的最大擾動幅度|θ|max和平均擾動幅度|θ|avg的時序變化類型

圖6給出了強震前后電場的時序變化． 由于電場的擾動幅度相比磁場來說弱一些， 因此本文將閾值設(shè)為2σ． 結(jié)果顯示， 87%(39/45)的地震表現(xiàn)出了異常形態(tài)， 也表現(xiàn)為與磁場擾動相似的3種擾動類型， 如圖6所示． 16次地震表現(xiàn)出第一類擾動類型(圖6a)， 僅4次地震表現(xiàn)為第二類擾動特征(圖6b)， 而其余19次地震則顯示出第三類擾動形態(tài)的震后異常(圖6c)．

圖6 強震前后電場相對于背景場的最大擾動幅度|θ|max和平均擾動幅度|θ|avg的時序變化類型

由于磁場與電場的擾動幅度|θ|max及|θ|avg為歸一化結(jié)果， 因此對磁場與電場的擾動幅度求平均值， 即可得到地震前后電磁場的時序變化特征． 將具有相同擾動形態(tài)的地震磁場與電場進行疊加并分類繪制平均擾動幅度， 定義閾值為2.1σ， 其結(jié)果與磁場的時間序列特征極其相似， 基中有27次地震存在磁場與電場同步異常反應(yīng)， 同樣劃分為3種擾動形態(tài)如圖7所示， 分別有10次、 3次和14次地震表現(xiàn)為第一類(圖7a)、 第二類(圖7b)和第三類(圖7c)擾動時序變化．

4.3 非震情況對比

隨機選取35個非震隨機事件(發(fā)生前90天至發(fā)生后30天在隨機點±10°范圍內(nèi)無M≥7地震發(fā)生)， 使用相同的方法計算背景場及擾動幅度， 對比研究強震震中上空與非震區(qū)上空的電磁場擾動變化特征． 如圖8所示， 35個非震區(qū)上空電磁場擾動幅度時序變化結(jié)果顯示： 71%(25/35)的非震區(qū)變化磁場擾動幅度變化平緩， 均未超過2.2σ； 83%(29/35)的非震區(qū)電場擾動幅度變化平緩， |θ|max未超過2σ．

圖7 強震前后空間電磁場相對于背景場的最大擾動幅度|θ|max和平均擾動幅度|θ|avg的時序變化

圖8 隨機非震區(qū)上空電磁場相對于背景場的擾動幅度時序變化

5 討論與結(jié)論

對于地震發(fā)生前后空間電磁場的時空演化特征， 前人已基于DEMETER衛(wèi)星的磁場或電場觀測數(shù)據(jù)， 采用不同方法對地震電磁異常進行了相關(guān)統(tǒng)計研究(Němecetal， 2008， 2009; 澤仁志瑪?shù)龋?2012; Pí?aetal， 2013)． 本文在澤仁志瑪?shù)?2012)研究的基礎(chǔ)上， 綜合利用磁場和電場數(shù)據(jù)， 并采用了長達5年的長期觀測資料構(gòu)建了穩(wěn)定的背景場， 在此基礎(chǔ)上提取了相對于背景場的擾動特征， 對比分析了地震期間磁場與電場在強震前后的演化特征， 進一步得到電磁場的統(tǒng)計規(guī)律， 一定程度上彌補了前人單一場統(tǒng)計研究的不足． 本文的主要結(jié)論如下：

1) 2005—2009年全球發(fā)生的45次地震的統(tǒng)計結(jié)果表明， 地震前后電磁場的異常擾動主要出現(xiàn)在震前30天至震后30天內(nèi)， 并且最大幅度的磁場與電場擾動主要集中于震中±4°—±10°范圍內(nèi)．

2) 強震前后震中上空的電磁場相對其背景場的時序變化特征表現(xiàn)出了3種不同的擾動形態(tài)， 并且其最大異常擾動幅度分別出現(xiàn)在震前15天內(nèi)、 震前30—15天以及震后15—30天．

3) 不同擾動特征的地震震中分布情況顯示： 變化磁場相對于背景場的第一種擾動類型的地震主要集中在北緯30°、 赤道地區(qū)以及南緯20°附近； 第二種擾動類型地震主要發(fā)生在北半球地區(qū)； 震后異常擾動類型的震中則無明顯的分布特征. 電場的3種不同擾動類型的地震震中分布規(guī)律與磁場極其相似．

4) 非震隨機地區(qū)上空的電磁場時序變化特征研究結(jié)果表明, 71%的隨機地區(qū)在研究時段內(nèi)變化磁場最大擾動幅度從未超過2.2σ， 而83%的隨機區(qū)電場最大擾動幅度均低于2σ， 表現(xiàn)為平靜的擾動特征．

關(guān)于地震電磁擾動機理的研究目前還處于探索階段， Hayakawa(1999)提出的巖石圈-大氣層-電離層耦合模型在一定程度上解釋了空間存在地震電磁異常的可能性． 地震孕育過程中所釋放的化學(xué)氣體(氡氣)可以改變大氣成分和電導(dǎo)率的大小， 從而為電磁波動的產(chǎn)生提供擾動源； 另外， 地震波動也可以引發(fā)大氣低頻振動從而引起電離層擾動， 巖石圈電磁輻射也可沿磁力線向空間傳播到達電離層， 甚至到達磁層(Hayakawa， 1999; Pulinets， Boyarchuk， 2004)． 因此地震前兆信號可以直接或間接地傳播至空間， 但其具體傳播機理或電磁耦合機理目前尚不確定．

本文統(tǒng)計結(jié)果表明地震期間會產(chǎn)生不同類型的電磁擾動特征， 一定程度上反映了地震電離層耦合機理的復(fù)雜性． 在地震孕育機理尚不明確的情況下， 通過研究不同類型的地震震中分布， 我們嘗試研究其是否與孕育地震的巖石圈環(huán)境有關(guān)． 圖9給出了磁場與電場不同擾動類型的地震震中分布情況． 從圖9a可以看出， 第一種擾動類型的地震主要發(fā)生在北緯30°、 赤道地區(qū)以及南緯20°附近， 第二種擾動類型的地震主要分布在北半球， 第三種擾動類型的震后異常地震則未呈現(xiàn)清晰的區(qū)域性特征． 圖9b給出了地震期間電場的3種擾動類型的震中分布. 可以看出： 第一種擾動類型的地震震中分布特征與磁場類似， 第二種擾動類型的地震亦分布在北半球， 而第三種異常擾動類型的地震震中分布則較為隨機． 進一步觀察可以看出， 兩者的震中分布情況較為相似， 均表現(xiàn)出與緯度變化存在一定關(guān)系． 因此， 我們推測強震前后空間電磁場不同類型的擾動特征似乎與地震發(fā)生在巖石圈的不同部位有一定關(guān)聯(lián)． 但是孕震區(qū)位置、 孕震機理以及地震空間電磁異常機理等均需更深入的探索， 這也是我們即將要開展的研究．

圖9 磁場觀測(a)和電場觀測(b)所獲得的具有不同擾動類型的地震震中分布

未來遵循天地一體化觀測體系(申旭輝等， 2011)的思路， 綜合地基與空基觀測數(shù)據(jù)， 在大量震例分析的基礎(chǔ)上， 客觀認識地震電磁異常的存在性， 加強對地震電磁波傳播機制的研究顯得尤為重要．

衷心感謝法國DEMETER衛(wèi)星科學(xué)中心給予數(shù)據(jù)下載權(quán)限.

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Spatio-temporal evolution of electromagnetic field pre- and post-earthquakes

Qian Geng1)，Zeren Zhima1)Zhang Xuemin1)Shen Xuhui2)

1)InstituteofEarthquakeScience，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100036，China2)InstituteofCrustalDynamics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100085，China

Utilizing the electromagnetic field observations of DEMETER satellite， we statistically analyze the spatio-temporal evolution of electromagnetic field during the strong earthquakes with magnitude over than 7.0 occurred from 2005 to 2009. For each earthquake， using the power spectral density data of electromagnetic field in the ELF/VLF frequency band (370—897 Hz) from 90 days before the earthquake to 30 days after the earthquake， in the area within ±10° in latitude and in longitude from the epicenter， the background model is built up with the same period. A formula is applied to extract the perturbation amplitude of the electromagnetic field relative to the background field observation model during the earthquake time， and the perturbation amplitude is used to statistically study the spatio-temporal variations of electro-magnetic field for the 45 earthquakes， which had been chosen in this paper. Statistical analyses on the perturbation amplitude of magnetic field shows that 35 earthquakes exhibit anomaly that the maximum of perturbation amplitude exceeds 2.2 times standard deviation， while the result of the electric field shows that 39 strong earthquakes exhibit anomalies with the maximum perturbation higher than twice standard deviation， and the maximum electromagnetic perturbations mainly appear in the places within ±4° to ±10° in latitude and in longitude from the epicenter. The temporal variation of the perturbation amplitude shows there are three types of variation patterns. The abnormal electromagnetic perturbation that occurs before earthquakes displays that the distribution of epicenters is related to latitude. However， the perturbation amplitude of electromagnetic field over the random non-earthquake region is weak， without displaying prominent characteristic of anomalous variation.

strong earthquake; electromagnetic field; background field model; spatio-temporal evolution; statistical analysis

錢庚， 澤仁志瑪， 張學(xué)民， 申旭輝. 2016. 強震前后空間電磁場時空演化特征. 地震學(xué)報, 38(2): 259--271. doi:10.11939/jass.2016.02.010.

Qian G, Zeren Z M, Zhang X M, Shen X H. 2016. Spatio-temporal evolution of electromagnetic field pre- and post-earthquakes.ActaSeismologicaSinica, 38(2): 259--271. doi:10.11939/jass.2016.02.010.

國家國際科技合作項目(SQS2014RR113)和地震基本科研業(yè)務(wù)專項(2014IES0102)聯(lián)合資助.

2015-11-10收到初稿， 2016-01-25決定采用修改稿.

e-mail: qiangeng121@163.com

10.11939/jass.2016.02.010

P318.5

A