汶川地震前羊八井中子-μ子望遠鏡計數率異常

張吉龍 丁鑒海 申旭輝 李 綱 余素榮 王 輝 盧 紅 譚有恒

(1.中國科學院高能物理研究所粒子天體物理中心,北京100049;2.中國地震局地震預測所,北京 100036;3.中國地震臺網中心,北京 100045)

1.引 言

俄羅斯率先通過空間衛星觀測發現在6級以上地震前幾小時高能粒子爆(BURSTS)異常現象[1],2004年發射的法國DEMETER衛星的高能粒子探測器IDP,正是用于監測1MeV高能電子在震前的沉降現象[2]。利用羊八井中子監測器,發現2001年昆侖山8.1級地震前4天左右中子記數率異常擾動[3-4],時間與新疆寬頻帶數字地震臺網記錄的異常低頻地脈動前驅波十分吻合[5]。這是首次報導地震前中子監測器計數異常擾動現象。羊八井中子-μ子望遠鏡在2007年底開始運行,次年就觀測到5.12汶川地震期間宇宙線計數率異常擾動。這是繼羊八井中子監測器觀測到震前宇宙線異常現象后,利用另一種宇宙線觀測手段觀測到的震前宇宙線異常現象。由于μ子望遠鏡具有方向信息,所以相對中子監測器獲得了更多的觀測信息,并初步顯示了中子-μ子望遠鏡作為一種新的地震監測儀器的可能性。

2.西藏羊八井宇宙線高能粒子觀測

2.1 西藏羊八井宇宙線觀測站

西藏羊八井觀測站,地處E 90°53′經度,N 30°13′緯度,海拔 4300米,為北半球海拔高度最高的宇宙線觀測站,現有多種宇宙線觀測設備正在運行。其中,與東京大學和名古屋大學合作建造的9 m2中子望遠鏡,能測量來自81個方向、最小能量為240 MeV的中子,數據記錄為1次/10秒。屬于覆蓋全球的用中子望遠鏡觀測太陽中子的觀測網。在第23次太陽活動峰年期間,提供了大量有價值的觀測結果[6-7]。另外,與日本理化所合作建造的 28支NM-64型中子監測器,探測500 MeV～20 GeV能量范圍的宇宙線粒子,同時采集 1、2、3、4、5、6、7 及8以上多重數數據,數據記錄為1次/1秒,總計數率達到107/小時[8]。在全球所有正在運行的大約60個中子監測器中,是總計數率最高的中子監測器,是世界公認的最重要的中子監測器之一。于2007年11月在羊八井開始運行的中子-μ子望遠鏡,由中方獨立建成,是目前世界海拔最高的μ子望遠鏡[9]。中子-μ子望遠鏡將結合羊八井現有的中子監測器和中子望遠鏡,開展對空間環境(高能粒子事件、地磁暴等)的監測預警。羊八井觀測站經由中國科學院網絡中心的8M光纖專線到高能所的數據傳輸已聯通,羊八井中子-μ子復合望遠鏡、中子監測器及中子望遠鏡的全部數據,已實時傳輸到北京中科院高能物理研究所,并經實時處理、實時入庫后實時通過網上發布。數據實施了每小時的更新,現可提供最近1小時內實時的經處理后的數據,并可通過瀏覽器提供實時的快視圖[10]。

2.2 羊八井中子-μ子望遠鏡

圖1 羊八井中子-μ子望遠鏡結構圖

羊八井中子-μ子望遠鏡系統由兩部分組成(見圖1)。一是由上下各24個塑料閃爍探測器構成的望遠鏡系統,上下兩層閃爍探測器相距130 cm。穿透性極強的μ子可穿過上下兩層探測器,并將能量沉積在探測器中產生閃爍光,經光電倍增管放大后輸出電脈沖信號。通過上下探測器脈沖信號的符合,可測定來自77(7×11)個方向、能量350 MeV以上的宇宙線計數。在這兩層閃爍探測器之間,由8支3He中子計數管構成的中子監測器,組成一個獨立的中子監測器用于記錄宇宙線強度變化,其中用于中子增殖的鉛塊還同時作為μ子探測器的一部分過濾其它宇宙線成分。數據采集系統運行在Linux系統下,所有數據都通過串口(R232)向計算機傳輸。為了保證系統的時間準確性,采用GPS對計算機時鐘每10分鐘作一次校正。

羊八井μ子-中子復合望遠鏡的數據傳輸、處理及發布系統也在Linux操作系統下工作,每天的數據分別形成μ子望遠鏡、中子監測器及閃爍探測器計數器等3個數據文件,數據經過8M專用光纖從羊八井實時傳輸到北京中國科學院高能物理研究所后存儲在服務器中,再實時對原始數據進行處理后寫入數據庫,用戶通過網絡瀏覽器就可瀏覽最新的快視圖,并可下載相關的數據。傳送周期由后臺定時激活程序設定。后臺定時激活程序用Linux系統的crond守護程序設置,目前羊八井宇宙線監測設備的數據每小時向北京傳輸1次,根據今后的需要(如空間天氣預報及地震前兆研究等),可實行每5分鐘甚至每分鐘1次的實時傳輸。

3 汶川地震前羊八井中子-μ子望遠鏡宇宙線異常現象

3.1 中子監測器

在2008年5月12日汶川地震發生前3天左右,羊八井中子-μ子望遠鏡其中的中子監測器計數率在5月9日出現明顯異常,記數率發生顯著降低,圖2所示為1小時計數率的異常情況,其中一條曲線是未經過氣壓修正曲線,另一條是經過氣壓修正曲線[11],用于分析的數據必須經過氣壓修正。圖中經過氣壓修正后的結果出現異常,9日當天5時的計數率峰值,相對前一天(8日)及后一天(10日)5時的計數率所取平均值,計數率降低達到約5.3σ(相當于超過無震時均方誤差的5.3倍)。

圖2 汶川5.12地震期間羊八井“中子-μ子望遠鏡”中子監測器每小時記數率(UT時)

3.2 μ子望遠鏡

在汶川地震前,羊八井中子-μ子望遠鏡其中的μ子望遠鏡計數率從5月7～9日打破正常日變形態,出現日變畸變異常。日變化異常出現在各個方向 ,如垂直(vertical)、偏東天頂角 20°(E20°)及偏西天頂角 20°(W20°)等,直到12 日,震前 10、11 日增高。圖3為6日到13日期間,μ子望遠鏡垂直方向(vertical)1小時計數率變化情況,標注觀測量粗線為實驗觀測計數率,標注背景細線為實驗背景計數率。背景計數率取自出現異常(7日)前一天(6日)的計數率,再考慮到μ子望遠鏡計數率在1～20日這一期間計數率平均,經計算約每天的計數率下降1817個計數。

圖3 汶川5.12地震期間羊八井μ子望遠鏡垂直方向每小時記數率(UT時)

根據圖3給出的背景,可計算出5.12汶川地震前宇宙線μ子望遠鏡垂直方向1小時計數率相對背景的顯著性分布,如圖4所示。從圖4可見,μ子垂直方向計數率在8日開始出現異常,每小時計數率減少量達到5σ。而9日每小時計數率出現顯著增高,顯著性最高達到12σ,這一異常增高與圖2中的中子監測器計數率異常時間基本一致,區別是中子監測器計數率降低,而 μ子計數率是增加。另外,在10日與11日計數率亦有顯著增高,但在震前一天計數率開始恢復正常。

圖4 汶川5.12地震期間羊八井μ子望遠鏡垂直方向每小時計數率偏離背景的顯著性分布(UT時)

4.宇宙線與其它電磁異常時空分布的一致性

宇宙線汶川地震前5天特別是5月9日出現明顯異常,其它地基—天基電磁觀測方法也同步出現突出異常,例如5月9日地磁低點位移、利用GPS反演得到的電離層總電子含量(TEC)、電離層測高儀得到的f o F2和電磁衛星監測的粒子密度和溫度等均觀測到局部電磁擾動現象,多數異常幅度超過50%[12-14]。

4.1 地磁低點位移異常

中國中部在2008年4月24日出現地磁低點位移基礎上,5月9日再次出現了一條近SN向的低點位移分界線(圖5),分界線的東部,低點時間在10～12時左右,而緊鄰分界線的西部,低點時間為15時,低點時間東西兩部分相差接近或超過3小時,打破了低點時間隨經度的連續變化規律,在鄰近汶川地震西部的臺站低點時間為17時,與其東部的臺站時間相差近5個小時。這次異常出現后僅3天,分界線東部發生汶川8.0級地震。

圖 5 2008年5月9日低點位移異常(據丁鑒海等,2008)

4.2 汶川地震前的空間電磁異常現象

4.2.1 TEC和foF2異常

汶川地震前收集到了瀘州(LUZH)GPS測點反演得到的TEC觀測資料(圖6中后三張圖中小方框散點為觀測值,虛線為上下四分位線,中間細實線為中位線),可以看到該測點TEC總體在1～5日日變幅度比較大,而6、7日日變幅相對減弱了40%左右,10～12日變化幅度與1～6日相當。同時在這段時間內有兩個明顯的日變幅增大的現象分別出現在3日和9日,增加幅度接近100%。與Kp指數等進行對比,3、4日的TEC增加可能與一系列電離層亞暴有關,而9日的快速增加與汶川地震孕育過程對電離層產生的擾動有關。

分析了重慶和昆明臺測高儀的 f o F2資料,與瀘州TEC繪制在同一張圖中(圖6),結果顯示這兩個臺的F2層臨界頻率的變化特征基本與瀘州TEC一致,顯示了3日和9日的快速增加,6～7日幅度減弱的現象,在空間電磁狀態平穩的情況下,6日以后異常現象應該與汶川地震有關。

圖6 利用GPS和電離層測高儀得到的TEC和f oF2曲線(據張學民等,2009)

4.2.2 電磁衛星觀測的電離層離子擾動異常

利用法國DEMETER衛星資料研究發現,離子密度5月7日在北緯30～40°左右出現快速增加的現象,超過70000 cm-3(其它緯度離子密度均在40000～60000 cm-3之間),增加幅度約 50%,異常極為明顯。

利用等離子體分析儀的觀測數據,結果顯示,2008年5月9日在飛過震中上空的軌道上記錄到離子溫度擾動異常,在北緯30～40°N范圍內,離子溫度最大擾動幅度在500 K左右。

5.結論與討論

1)同其它大震短臨前兆相似,2008年5月12日汶川震前一個月內特別是震前幾天有明顯短臨異常[15]。宇宙線高能粒子異常在震前5天內特別是5月9日出現突出異常,與地磁低點位移、電離層等空間電磁異常在時空分布上有明顯一致性,加強天地一體化立體監測包括天基—地基高能粒子監測對地震預報水平的提高是非常必要的。

2)利用西藏羊八井中子監測器10年的資料,發現在太陽活動、地磁活動均平靜的狀態下,連續數天打破正常日變化規律和計數率增高現象(高于5倍均方差),例如2001年11月14日昆侖山口西8.1級地震、2004年12月26日蘇門答臘8.7級地震和2005年10月8日巴基斯坦7.8級等大地震。在這一基礎上,利用在羊八井于2007年新建成的中子-μ子望遠鏡,研究了在2008年5月12日汶川地震前宇宙線變化情況,發現中子-μ子復合望遠鏡的中子監測器計數率及μ子望遠鏡計數率都在震前出現異常。

根據文獻[5][16],汶川地震及昆侖山地震前3天左右,寬頻帶地震儀均觀測到低頻顫動現象。這樣的低頻顫動現象,有可能正是“寂靜地震”的表現,即地下板塊相對極其緩慢的滑動時產生的頻率極低的地震波,并認為往往是具災難性破壞的強地震的先兆[17]。這種低頻顫動在沿地表傳播過程中,還同時有可能進入大氣層,形成及巖石圈-大氣層-電離層-磁層多種耦合。根據能量守恒,地面的波動,在向上傳播過程中,由于空氣密度逐漸減小,波動振幅將得到放大。放大的振幅將對電離層—大氣層產生較強的擾動,也使電離層等離子體參數以及大氣壓強、溫度受到擾動,入射地球宇宙線高能粒子在穿過電離層—大氣層時受到干擾而產生異常。中子氣象效應主要是較容易處理的氣壓效應[18],如在羊八井高度的中子-μ子復合望遠鏡的中子監測器,大氣壓升高1 hPa,則中子強度將減少約1%。對于9日5時的中子監測器峰值,相對前后兩天5時的計數率平均值,減少了約0.5%,相當于大氣壓強變化了約0.5 hPa的等效結果。μ子的氣壓效應相對中子較小,但是μ子還有較復雜的、明顯的溫度效應,對于不同能量μ子,溫度效應可能是正效應或負效應,μ子計數率的變化由氣壓和溫度效應共同決定,所以汶川地震期間μ子計數率變化與中子不一致是可以理解的。

3)宇宙線高能粒子作為聯系日地空間一種媒介,在異常響應過程中起到了有效傳遞和耦合作用。中子-μ子望遠鏡監測的宇宙線高能粒子來自于地球外,當這些高能粒子穿過地球外層空間到達地面探測器的過程中,將與地球的磁層、電離層及近地空間的大氣層作用,地球各層在震前受到的影響,都可能通過高能粒子反映出來,高能粒子進入地球的行進路程中受各種影響產生的累積,可能產生較明顯、較容易探測到的震前高能粒子異常。相對于衛星所載高能粒子探測器僅探測受到電離層這一局部影響高能粒子導致的異常,地面的中子-μ子望遠鏡可能對震前的異常更靈敏些。所以,將中子-μ子復合望遠鏡作為一種新的地震前兆觀測手段,可能有較好的開發應用前景。

4)提取高能粒子震前異常需排除正常背景場的變化和氣象、強磁擾等非震異常的干擾。羊八井觀測到的大多為震前1至幾天的異常現象,比較容易與如雷電等自然現象引發的時、分、秒級宇宙線短暫異常區分。氣象變化(如臺風)也可引起大氣波動而被寬頻帶數字地震儀記錄并誤認為地震前兆,應注意排除氣象因素影響。由于伴隨太陽活動引起的地磁場擾動對宇宙線的影響,在Kp＞3級|Dst|＞50時要特別注意消除干擾。汶川地震期間,太陽活動平靜,可以排除太陽活動的影響。

羊八井多種宇宙線觀測設備、結合地震前兆臺網數據,開展天地一體化地震預測綜合研究是最有效的震前異常判別方法。羊八井中子-μ子望遠鏡同一臺儀器包括了對中子及μ子兩種不同宇宙線高能粒子的探測手段,兩種探測手段相互印證,可加強觀測結果的可信度。對汶川地震的震前異常觀測,正是由同一臺儀器復合觀測到中子及μ子計數率異常現象,而且與其它天基—地基電磁觀測結果一致,說明觀測結果屬于隨機漲落的可能性非常小。

5)羊八井位于多地震的青藏高原,2001年昆侖山8級地震、2005年巴基斯坦 7.8級地震、2008年汶川8級地震均發生在距離羊八井1000千米左右范圍。利用羊八井中子-μ子望遠鏡及中子監測器,繼續監測地震前中子及μ子計數率異常擾動現象,并結合衛星的高能粒子探測器數據搜索高能電子在震前的沉降現象,綜合開展天地結合的地震前高能粒子異常現象,是研究巖石圈—大氣層—電離層(磁層)耦合的重要組成部分,也有利于進一步加深對地震電磁前兆及其機理的認識。

[1] ALEKSANDRIN S,et al.Origin of high-energy charged particle bursts in the near-earth space[C]//Proceedings of the ICRC,2001:4144-4147.

[2] BENCK S,CYAMUK UNGU M,CABRERA J.Study of correlations between waves and particle fluxes measured on board the DEMETER satellite[J].Advances in Space Research.2008,42(9):1538-1549.

[3] 張吉龍,譚有恒,盧 紅.羊八井中子監測設備及其在多學科交叉研究中的應用前景[C]//基于羊八井平臺的交叉學科研究論文集.拉薩,2004:71-78.

ZHANG Jilong,TAN Youheng,LU Hong.Yangbajing neutron monitor equipment and application prospects on the interdisciplinary research[C]//The First workshop on interdisciplinary research at YBJ.Lhasa,2004:71-78.

[4] 張吉龍,丁鑒海,申旭輝,等.強震前中子監測器計數率異常現象探索[J].電波科學學報,2010,25(1):31-36.

ZHANG jilong,DING Jianhai,SHEN Xuhui,et al.Neutron monitor count rate anomaly before strong earthquake[J].Chinese Journal of Radio Science,2010,25(1):31-36.(in Chinese)

[5] 趙根模,楊港生,陳化然.寂靜的前震與地震預測[J].地震,2001,21(1):69-77.

ZHAO Genmo,YANG Gangsheng,CHEN Huaran.Quiescent foreshock and earthquake prediction[J].Earthquake,2001,21(1):69-77.(in Chinese)

[6] Zhang J L,et al.Proc.Of the 29th ICRC,Pune,2005,SH 1.1

[7] MURAKI Y,TSUCHIYA H,FUJIKI K,et al.A solar neutron telescope in Tibet and its capability examined by the1998 November 28th event[J].Astroparticle Physics,2007,28(1):119-131.

[8] 張吉龍,鮑克智,丁林塏,等.用羊八井太陽宇宙線探測裝置對太陽耀斑中子的初步探測[J].高能物理與核物理,2000,24(12):1081-1087.

ZHANG Jilong,BAO Kezi,DING Linki,et al.A observation of solar flare neutrons using Yangbajing solar cosmic ray detect detector[J].High energy physics and nuclear physics,2000,24(12):1081-1087.(in Chinese)

[9] 余 杰,李鐵輝,王 輝,等.羊八井Muon望遠鏡中基于FPGA的方向測量電路[J].核電子學與探測技術,2009,29(2):390-401.

YU Jie,LI Tiehue,WANG Hui,et al.The direction measurement circuit based on FPGA for Yangbajing Muon telescope[J].Nuclear Electronics&Detection Technology,2009,29(2):390-401.(in Chinese)

[10] 聶思敏,張吉龍,盧 紅,等.基于IE的羊八井中子監測器數據實時發布系統[J].地震,2007,27(4):91-98.

NIE Simin,ZHANG Jilong,LU Hong,et al.Quick view images system of Yangbajing neutron monitor based on IE[J].Earthquake,2007,27(4):91-98.(in Chinese)

[11] 唐云秋,盧 紅,樂貴明,等.羊八井宇宙線強度觀測數據的氣壓修正[J].空間科學學報,2004,24(3):221-225.

TANG Yueqiou,LU Hong,YUE Guimin,et al.The pressure correction of the cosmic ray data in Yangbajing[J].Chinese Journal of Space science,2004,24(3):221-225.(in Chinese)

[12] 丁鑒海,余素榮,王亞麗.地磁低點位移現象與強震預測研究[J].電波科學學報,2008,23(6):1011-1017.

DING Jianhai,YU Surong,WANG Yali.Geomagnetic low-point displacement phenomena and strong earthquake prediction resesrch[J].Chinese Journal of Radio Science,2008,23(6):1011-1017.(in Chinese)

[13] WANG Wuxing,DING Jianhai,YU Surong,et al.Short-term and imminent geomagnetic anomalies of the Wenchuan Ms8.0 earthquake and exploration of earthquake prediction[J].Earthq Sci,2009,22(2):135-141.

[14] 張學民,丁鑒海,申旭輝,等.汶川8級地震前電磁擾動與電磁立體監測體系[J].電波科學學報,2009,24(1):1-8.

ZHANG Xuemin,DING Jianhai,SHEN Xuhui,et al.Electromagnetic perturbations before Wenchuan M 8 earthquakeand stereo electromagnetic observation system[J].Chinese Journal of Radio Science,2009,24(1):1-8.(in Chinese)

[15] 丁鑒海,申旭輝,潘威炎,等.地震電磁前兆研究進展[J].電波科學學報,2006,21(5):791-801.

DING Jianhai,SHEN Xuhui,PAN Weiyan,et al.Seismo-electromagnetism precursor research progress[J].Chinese Journal of Radio Science,2006,21(5):791-801.(in Chinese)

[16] 胡小剛,郝曉光.強臺風對汶川大地震和昆侖山大地震“震前擾動”影響的分析[J].地球物理學報,2009,52(5):1363-1375.

HU Xiaogang,HAO Xiaoguang.An analysis of the influences of typhoon on anomalous tremors before the great Wenchuan and Kunlunshan earthquakes[J].Chinese J.Geophys.,2009,52(5):1363-1357.(in Chinese)

[17] HIM A,LAIGLE M.Silent heralds of megathrust earthquakes[J].Science,2004,305(24):1917-1918.

[18] 多爾曼.宇宙線天體物理學實驗和理論基礎[M].北京:科學出版社,1987.