地震電離層VLF電磁場頻譜全球特征研究

張建國 陳化然 姚 麗 劉曉燦

1）河北省地震局邯鄲中心臺，河北邯鄲 056001

2）中國科學技術大學地球和空間科學學院，合肥 230026

3）中國地震局地球物理研究所，北京 100081

與地震活動有關的空間電磁擾動頻段主要集中在甚低頻/超低頻（VLF/ELF），這已經被眾多學者研究結果所證實。特別是2004年6月法國DEMENTER衛星成功發射以來，地震電離層電磁異常研究得到了長足發展。然而，相對于來自空間的擾動，諸如磁暴，磁層亞暴，太陽風擾動以及地面閃電等引起的電離層電磁擾動，地震電離層異常為弱信號,怎樣凸顯地震電離層異常信息是亟需解決的問題。

我們利用法國DEMETER衛星2006年3月至2009年2月期間地磁春、冬季夜側軌道頻譜數據，篩選了全球229個孤立地震，采用了統計學的研究方法，并限制地磁活動性來抑制非震擾動，得到了磁靜條件下地震電離層電磁頻譜異常特征的全球觀測模型。

（1）孤立地震選取：對于某一個地震，如果震前30天，或經度10°以內，或緯度10°以內沒有地震發生，那么該地震為孤立地震。此外，如前所述，緯度絕對值超過50°的背景數據誤差較大，并且我們分析的地震的空間域為震中距10°以內，因此，緯度絕對值大于40的地震也被排除掉。根據這些條件，2006年3月至2009年2月，共選出299個孤立地震。

（2）背景設置：Kp: 要求kp=[0°，2°]；網格：4°×2°。

季節：按勞埃德季節劃分方法，把2006年3月至2009年2月分為3個地磁季節，即3，4，9，10月為春秋季；5，6，7，8月為夏季；11，12，1，2月為冬季。在此，我們僅選取2006，2007和2008年夏季和2006，2007和2008年冬季分別做一個觀測背景，所有同一季節的地震統計研究時，采用該季節的背景。

頻段：分[20，1 k]，[20，10 k]兩個頻段，前一頻段頻率分辨率為50 Hz，后一頻段的分辨率為500 Hz。

（3）研究20 k～10 k Hz電場頻譜在時間-頻率（t-f）域的特征，比較相同背景下地震和隨機統計結果，找出地震電離層異常的優勢頻段。

（4）研究地震優勢頻段電場頻譜的時間-空間特征，找出優勢時間和優勢震中距。

（5）不同季節、不同半球、不同類型（海洋、陸地）地震的空間-空間域特征研究。

統計結果表明：①地磁夏季地震時50～300 Hz頻帶統計結果顯著低于隨機統計結果，地磁冬季地震時統計結果也顯示地震時50～300 Hz頻帶的電場頻譜明顯低于常態水平；[20，10 k]Hz頻段：地磁夏季1.5k～2k Hz及4k～8k Hz頻段的電場頻譜值高于相應頻段常態值，而地磁冬季的規律則和地磁夏季相反。因此，認為50～300 Hz頻帶可看做地震優勢頻段。②距離地震位置越近，電離層擾動越顯著，這可能是由地震引起的電離層效應，但異常的幅度較小；地震前后 72小時內，正負地震電離層異常均可發生，異常幅度值（sigma）超過3。③對同一地磁季節,不同半球地震異常的方位和方向均不相同，若不分半球，則異常間相互疊加，導致異常幅度減弱；在震中附近，海洋地震以正異常為主，而陸地地震則主要為負異常；冬季和分點季節，南北半球 VLF磁場能譜的震中空間-空間分布復雜；夏季南北半球震例出現趨勢分布，北半球夏季南北對稱，北半球震中正北800 km出現顯著的極大值，另有震中西南方向（600 km，800 km）出現極大值。南半球夏季σ東西方向對稱分布，西部600～1 000 km范圍的南北各440 km處出現極大值；東部以負值為主極大值出現在震中東北（200 km，500 km）處。

因此，我們認為衛星高度上全球地震電離層電磁場頻譜有以下特征：50～300 Hz為地震電離層效應的優勢頻段；距離地震空間位置越近，地震異常越顯著；不同半球的地震，異常方向和方位不同；地磁夏季北半球地震研究表明，海洋地震主要為正異常，而陸地地震則為負異常；地磁夏季，不同半球地震的磁場頻譜異常顯著不同，北半球的正異常偏南，而負異常偏北，南半球的正異常偏東北，而正異常偏西南。