2022年1月8日青海門源6.9級地震前電離層異常特征分析

趙彬彬,錢 才,尼魯帕爾·買買吐孫,張小濤,余懷忠

(1.新疆維吾爾自治區(qū)地震局,新疆 烏魯木齊 830011;2.中國地震臺網中心,北京 100045)

0 引言

隨著空間探測技術的發(fā)展,利用衛(wèi)星技術觀測電離層變化已經成為多個國家重點發(fā)展項目之一。衛(wèi)星對地觀測具有全天候、全球性、周期短、效率高、動態(tài)性強等特點,并已經在地震發(fā)生機理研究、地震監(jiān)測預報、地震災害預防和應急救援工作等領域顯示出了巨大的應用潛力,且為地震的短臨預測提供了有利的條件,正在成為地震監(jiān)測預報和科學研究工作的重要支撐手段[1-2]。

近些年研究結果表明,電離層對地震響應異常敏感,盡管不是所有的地震前兆都觀測到電離層變化,但是電離層擾動可以看作地震短臨前兆[3-8]。中強地震,特別是強震前往往會有電離層擾動異常出現,且異常幅度隨震級增大而增高,地震引起的電離層異常通常具有局部性[1,9-11]。利用法國DEMETER衛(wèi)星研究發(fā)現,國內外許多強震發(fā)生前,均出現了不同程度的電離層擾動異常,異常大多出現在震前15天內,且有多參量同步出現異常的特征,如2008年汶川8.0級地震前,震中附近電子密度、電子溫度和氧離子密度出現劇烈變化,且電磁輻射增強[9,12-13];2010年智利8.8級地震前震中區(qū)上空附近電場、磁場及部分等離子體參量呈現出同步擾動異常特征[12,14-15];2005年蘇門答臘8.6級地震前在赤道區(qū)域的多個參量均出現電離層擾動現象[16];2008年改則6.9級地震前出現離子溫度升高和電場同步擾動的異常[17];2008年于田7.2級地震前震中附近電離層離子溫度、離子密度、磁場等出現多參量異常現象[18]。李美等對全球中強震前電離層擾動異常進行統(tǒng)計,結果顯示地震相關電離層擾動主要出現在震前一周,且具有明顯向震中遷移的趨勢[1]。

本文利用張衡一號電磁衛(wèi)星的朗繆爾探針(LAP)載荷電子密度數據和等離子體分析儀(PAP)載荷氧離子密度數據,分析2022年1月8日青海門源MS6.9地震前,電子密度和氧離子密度異常特征,并嘗試探討異常產生的物理機理。

1 數據及分析方法

1.1 衛(wèi)星簡介

張衡一號衛(wèi)星是我國2018年2月2日發(fā)射的第一顆電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星(China Seismo-Electromagnetic Satellite,CSES),也稱為張衡一號衛(wèi)星(ZH-1)。該衛(wèi)星是太陽同步軌道衛(wèi)星,軌道傾角97.4°,飛行高度507 km,觀測范圍為南北地理緯度65°之間。衛(wèi)星繞地球飛行一圈約需94.6 min,每天可飛行約15圈,重訪周期為5天,一個重訪周期內的平均軌道經度間隔為4.8°,對應赤道區(qū)距離大約為500 km,下一個重訪周期的軌道將嚴格按照之前的軌道飛行,以確保重訪軌道在空間位置上保持一致[19]。

本文研究所使用數據分別為星載朗繆爾探針(LAP)載荷記錄的電子密度和等離子分析儀(PAP)載荷中記錄的氧離子密度。根據衛(wèi)星工作模式,朗繆爾探針在巡查模式下為每3 s采樣一次;在經過地震帶以及中國區(qū)域時則切換為詳查模式,每1.5 s采樣一次[20];等離子體分析儀為每1 s采樣一次[21]。

1.2 數據選取及分析方法

本研究的衛(wèi)星數據選取自2019年以來,LAP載荷的原位電子密度數據和PAP載荷的氧離子密度數據。由于夜間電離層變化受干擾因素相對較少,更有利于捕捉與地震相關的擾動信息,因此本文只選取升軌數據進行分析,升軌數據對應地方時的夜晚。軌道重訪周期為5天,故每張圖使用5天的數據。地震震例選取自2019年以來,中國大陸及周邊6級以上地震進行統(tǒng)計,共16次。

研究表明,不同震級對應孕震區(qū)的范圍不同,前人總結出孕震區(qū)半徑R與震級M符合線性關系:lgR=0.29M+0.49[22]。以此公式,本文地震事件的孕震區(qū)半徑約為:200 km(6.0級)～450 km(7.4級)。以震中為中心,參考孕震區(qū)半徑及相鄰軌道的間隔距離,本文選取的研究區(qū)域為:震中緯度±5°,震中經度±5°。

經前人研究電離層擾動異常大多出現在震前15天內[1,10],故本文研究的所有震例,均選取震前30天的升軌軌道的數據進行分析,以5天為一個周期并剔除當天的KP≥3時間段內的數據,以排除磁擾的影響,相鄰軌道之間使用Kriging方法進行插值計算。

由于電離層電子密度和氧離子密度具有較為顯著的年變化和季節(jié)變化,將地震前一個季度內升軌數據作為背景數據(去除KP≥3的數據),以5°×5°進行網格劃分,計算每個網格在該季度的平均值作為背景值,網格之間按Kriging方法進行插值計算,然后觀察對比研究時段內每個網格的軌道數據圖像相對于背景值圖像的變化。

2 門源MS6.9地震分析結果

據中國地震臺網測定,北京時間2022年1月8日01時45分27秒在青海省海北藏族自治州門源縣(37.77°N,101.26°E)發(fā)生MS6.9地震,震中距離青海門源54km,距青海西寧141 km[23]。按照本文的數據選取方法,本次門源地震的研究區(qū)域為:緯度(33°～43°N),經度(96°～106°E);分析時段為2021年12月9日至2022年1月7日;背景時段為2021年10月—12月,期間去除KP≥3時段。將分析時段經過研究區(qū)域的各軌道數據進行網格劃分,并用Kriging方法進行插值。背景時段的各軌道數據,以5°×5°進行網格劃分,計算每個網格在該時段的平均值作為背景值,并用Kriging方法進行插值計算。

圖1(a)為2021年10—12月的背景電子密度;圖1中(b)～(f)為2021年12月9日—2022年1月7日中國大陸中、西部地區(qū)電子密度圖。圖1(b)顯示,在本次2022年1月8日門源MS6.9地震之前一個月,中國大陸中、西部的電子密度相對于背景值呈現出大面積降低的狀態(tài);圖1(c)中,電子密度與背景電子密度相當;圖1(d)和圖1(e)顯示,自2021年12月23日起,震中附近逐漸出現電子密度高值異常,并于12月28—31日達到最高值[圖1(e)],2022年1月4日至7日恢復至背景狀態(tài)[圖1(f)]。

注:黑色線條表示斷裂,紅色圓圈表示地震發(fā)生位置,紅色方框為研究區(qū)域圖1 2022年1月8日門源MS6.9地震前電子密度異常圖Fig.1 Electron density anomalies observed before Menyuan MS6.9 earthquake on January 8,2022

圖2(a)為2021年10—12月的背景氧離子密度;圖2(b)～圖2(f)為2021年12月9日至2022年1月7日中國大陸中、西部地區(qū)氧離子密度圖。在本次地震之前,氧離子密度異常與電子密度異常出現時間較為同步(圖2),圖2(b)顯示,在震前一個月,中國大陸中、西部的氧離子密度相對于背景值呈現出大面積降低的狀態(tài);圖2(c)和圖2(d)中,2021年12月14—26日,研究區(qū)(紅框)范圍內氧離子密度與背景值相當;12月28—31日研究區(qū)范圍內氧離子密度呈現出高值狀態(tài)[圖2(e)],之后,2022年1月4日至7日恢復至背景值附近[圖2(f)]。

農村土地經營權人對農地投入了大量資金、技術和勞動，對農地改良、價值提升起到了重要作用，當農地被國家征收時，讓其取得一定的征收補償符合法理。具體的補償數額應主要根據農地上的農用設施及附著物的價值，結合土地經營權人對農地改良經營的狀況而定。為防止農地被非農化、非糧化利用，應當對農村土地經營權施以合理的限制?？梢酝ㄟ^立法明確規(guī)定：農村土地經營權人必須從事農業(yè)生產經營，違犯法律、改變土地用途者要受到相應的行政處罰，其土地經營權被集體經濟組織收回。對于那些對耕地破壞嚴重或多次改變農地用途，情節(jié)較為惡劣的企業(yè)與個人，可以建立黑名單制度，禁止其再次取得農村土地經營權。

注:黑色線條表示斷裂,紅色圓圈表示地震發(fā)生位置,紅色方框為研究區(qū)域圖2 2022年1月8日門源MS6.9地震前氧離子密度異常圖Fig.2 Oxygen ion density anomalies observed before Menyuan MS6.9 earthquake on January 8,2022

根據電磁衛(wèi)星升軌軌道位置找出距離本次地震最近的軌道,并截取距震中較近、且出現異常值較高的部分作為研究對象,以分析該區(qū)域近1個月以來的數據變化情況,其經緯度范圍分別為99°～101°E和36°～40°N(圖3中紅色軌道部分)。2021年12月3日—2022年1月7日電磁衛(wèi)星經過該位置的軌道有8條。由于軌道重訪周期為5天,因此8條軌道數據的時間采樣間隔為5天。

圖3 1個重訪周期內研究區(qū)軌道位置圖Fig.3 The orbit positions in research area during one revisiting period

從電子密度時間序列來看[圖4(a)],自12月8日起該局部軌道的電子密度呈上升趨勢,在12月28日出現最高值為3.6×1010/m3;從氧離子密度時間序列來看,自12月3日起該局部軌道的氧離子密度呈現出上升趨勢,同樣,在12月28日出現最高值為4.6×1010/m3[圖4(b)]。1月2日之后,電子密度和氧離子密度均出現同步下降的趨勢[圖4(a)、圖4(b)]。高值異常之后第11天發(fā)生2022年1月8日青海門源MS6.9地震。

圖4 2022年1月8日門源MS6.9地震前電離層異常時間序列圖Fig.4 The time series diagram of ionospheric anomalies before Menyuan MS6.9 earthquake on January 8,2022

3 震例分析

針對2019年1月1日至2022年1月8日中國中西部及周邊6級以上地震,統(tǒng)計震前電離層電子密度和氧離子密度的異常特征。對于每次地震,選取震前1個月的升軌數據按本文提出的分析方法開展研究,研究區(qū)域為:震中緯度±5°,震中經度±5°。

分析結果歸總于表1,在統(tǒng)計的16次地震中,有6次地震前無明顯電子密度或氧離子密度異常,占比為37.5%;10次地震前出現電離層電子密度或氧離子密度異常,占比為62.5%。在震前出現異常的10次地震中,均出現電子密度異常,異常出現率為100%;6次地震前出現氧離子密度異常,異常出現率為60%。從異常出現至發(fā)震時間來看,10次地震中有7次地震前異常出現在6天以內,占比為70%;3次地震的異常出現在震前11～13天,占30%。經本次震例統(tǒng)計,震前電子密度異常范圍絕大部分在2.1×1010～4.5×1010/m3之間;氧離子密度異常范圍絕大部分在4.0×1010～6.0×1010/m3之間(表1)。

表1 震前異常信息統(tǒng)計表Table 1 Statistical information of anomalies before earthquakes

從與地震斷錯類型的關系來看(表2),在統(tǒng)計的16次地震中,有2次正斷型、5次逆沖型和9次走滑型。在這16次地震中,有6次地震前無電離層異常,10次地震前出現電離層異常,其中2次正斷型地震發(fā)生前均未出現電離層異常,異常占比0%(0/10);5次逆沖型地震中有4次出現震前電離層異常,異常占比40%(4/10);9次走滑型地震震前有6次出現電離層異常,異常占比60%(6/10)(圖5、表2)。故從本文分析來看,正斷型地震前一般無氧離子密度或電子密度異常;走滑型地震或逆沖型地震前71%(10/14)會出現電離層氧離子密度或電子密度異常。

圖5 不同破裂類型的異常占比圖Fig.5 Distribution of anomaly-associated earthquakes among different fault types

表2 地震震源機制解Table 2 Focal mechanism solutions of earthquakes

分析認為,不同破裂類型的地震,震前出現電離層異常的概率不同,可能與地震發(fā)生時震中位置的受力狀態(tài)有關。正斷型地震,地震發(fā)生時受水平拉張應力作用較大,正斷層的形成主要是受拉張應力和重力的作用,斷層帶內巖石破碎相對不太強烈[24];逆斷型地震,地震發(fā)生時受水平擠壓應力作用較大,逆斷層的形成主要是受水平擠壓應力和重力作用,斷層帶內常顯示出強烈的擠壓破碎現象[25];走滑型地震,地震發(fā)生時受水平剪切應力作用較大[25]。由于強震前孕震區(qū)內的應力狀態(tài)不同,可能導致地震動頻率的差異,從而對激發(fā)聲重波產生影響,進而影響電離層異常的出現。

從震前異常的電子密度與氧離子密度的關系來看(圖6),電子密度的變化與氧離子密度的變化具有一致性,震前氧離子密度較高的地震,其對應的震前電子密度也較高。王秀英等[26]通過DEMETER衛(wèi)星數據也檢驗了電子密度與離子密度無論在大的時空尺度,還是更小的時空尺度上均能保持高度一致的相對變化。從擾動幅度與地震震級的對應關系來看,本次研究的震例顯示,震級大小與擾動幅度關系不明顯。

圖6 震前異常的電子密度與氧離子密度關系圖Fig.6 he relationship between electron density and ion density of anomalies before earthquakes

4 討論與結論

青藏高原是我國現代最新構造活動與地震活動最強烈的地區(qū)[27],受印度板塊與歐亞板塊俯沖碰撞影響,形成海拔高達7 000～8 000 m以上的喜馬拉雅現代造山帶。該構造帶向東、西兩端延伸,在南迦巴瓦和南迦帕爾巴特形成東、西兩個構造結,并分別轉向緬甸和巴基斯坦,東構造結影響我國川滇藏地區(qū),西構造結影響興都庫什和帕米爾地區(qū)[27-28]。目前,中國大陸6.0級以上地震主要集中在青藏高原[29]。本次門源MS6.9地震發(fā)生在青藏高原東北緣,由于青藏地塊NE向的擠壓作用[30-32]和阿拉善地塊的阻擋,導致地殼物質SE向擠出,使該區(qū)域形成了以左旋走滑和逆沖斷裂為主的構造體系。

巖石圈-大氣層-電離層耦合機制(Lithosphere-Atmosphere-Ionosphere-Coupling,LAIC)是地震引起電離層異常最常見的解釋。目前,對LAIC機理的解釋主要分為兩類,一類為LAIC大氣聲重波(Acoustic Gravity Waves,AGWS)機制,一類為LAIC電場機制[33]。

前人研究發(fā)現,地震能夠產生并向大氣輻射低頻壓力波[34-36],這種波是由地震所引起的震中附近地表突發(fā)性地垂直起伏和傾斜產生的,包括次聲波和聲-重力波[37]。在2008年汶川8.0級地震、2010年玉樹7.1級地震、2011年日本9級地震等地震前均出現了次聲波異常,其在振幅、頻譜、持續(xù)時間和異常開始至發(fā)震時間等方面均具有共同的規(guī)律[38-40]?！奥卣稹毖芯堪l(fā)現在大震發(fā)生前也可能出現地表緩慢變化[41-42],這種由震前的地表緩慢活動引發(fā)的山體緩慢晃動而導致的氣流風速波動變化,可以激發(fā)產生聲重波[43]。由于聲重波頻率較低,在大氣中衰減很小,可以實現遠距離傳播[44],向上空傳遞到達電離層,引起電離層電子密度或離子密度發(fā)生振蕩,從而導致電離層異?，F象。

電離層異常現象也可能由LAIC電場機制引起。在地震孕育期間,受應力作用地表巖石破裂引起復雜的物理化學反映,并產生大量額外的離子。這些離子聚集在大氣層底層,不僅改變大氣層的電導率,還產生異常的地表大氣靜電場。在一定條件下,這個靜電場能滲透進電離層高度,從而引起電離層異常現象[33]。

本文對2022年1月8日門源MS6.9地震前電離層電子密度、氧離子密度異常進行分析,并統(tǒng)計2019年以來中國中西部及周邊6級以上地震前電離層電子密度和氧離子密度異常特征,主要獲得以下結論:

(1) 門源MS6.9地震前一個月,中國大陸中西部電子密度和離子密度比背景值偏低,電子密度和氧離子密度自12月初逐漸升高,12月28日達到最高值,1月2日之后,同步下降。在地震發(fā)生之前出現電子密度和氧離子密度逐漸升高-下降的過程。

(2) 對震例進行統(tǒng)計分析,大多數地震前出現電離層電子密度和離子密度異常,且一般出現在震前6天以內。經統(tǒng)計,震前電子密度異常范圍在2.1×1010～4.5×1010/m3之間;氧離子密度異常范圍在4.0×1010～6.0×1010/m3之間。正斷型地震前一般無電離層氧離子密度或電子密度異常;走滑型地震或逆沖型地震前大多數會出現電離層氧離子密度或電子密度異常。

(3) 對電離層異常的形成機理進行討論,存在兩種巖石圈-大氣層-電離層耦合機制,分別為大氣聲重波機制和電場機制。