強震前ELF／VLF磁場的擾動特征統計研究

澤仁志瑪，申旭輝，曹晉濱，張學民，黃建平，劉 靜，歐陽新艷，趙庶凡

1 中國地震局地震預測研究所，北京 100036

2 北京航空航天大學宇航學院，北京 100191

1 引 言

2008年5月12日在青藏高原東南緣四川省汶川縣發生MS8.0級強震，造成69227人遇難，失蹤17923人.更令人意外的是2年不到的時間內又一個災難性地震在2010年4月14日襲擊了青藏高原中部玉樹地區，震級達MS7.1，造成了2000多人遇難.2011年3月11日又發生了日本宮城MS9.0級巨震，引發海嘯造成重大人員傷亡和財產損失.這些頻繁發生的災難性大震再次說明地震是人類面臨的最嚴重的自然災害之一，地震預測預報是當今世界最重要的科學難題.20世紀以來大量學者利用非力學的電磁學方法研究地震的孕育與發生過程，發現ULF／ELF／VLF不同頻段的電磁信號提供了明顯的地震短臨信息[1-6］，由于地面觀測的局限性，俄羅斯、美國、日本、法國等國家相繼開展了衛星觀測的地震電磁異常研究，并發現多個地震前衛星觀測到了不同頻段的空間電磁輻射異常[5，7-14］.Chmyrev等[7］利用Intercosmos-Bulgaria-1300衛星數據發現1982年的一個4.8級地震前1Hz頻率附近垂直準靜電場分量變化幅度達3～7mV·m-1，磁場水平分量擾動幅度達3nT.Parrot[8］利用極軌衛星Aureol-3和同步軌道衛星GEOS-2研究發現地震前ELF頻段電磁場不同分量出現增強現象.Serebryakova等[9］利用Cosmos-1809衛星和 Aureol-3衛星對比研究發現1989年在Spitak地震震中經度6°，緯度2°—4°范圍的區域內出現了450Hz以下頻段強烈的電磁輻射，且兩顆衛星記錄的輻射強度和波譜分布相似.2008年MS8.0汶川地震前DEMETER衛星在ELF／VLF／LF不同頻段上都觀測了電磁輻射異常[5，10-13］.

法國 DEMETER（Detection of Electromagnetic Emission from Earthquake Regions）電磁衛星是世界上首顆專門探測地震電離層擾動的衛星，于2004年6月至2010年12月運行期間，在660～710km的軌道高度范圍內積累了6年的翔實觀測數據，其中的電場、等離子體參數以及高能粒子數據被國內外大量學者廣泛應用于地震電離層擾動現象研究[5，10-13，15-18］，然而 利 用 DEMETER 衛 星 搭 載 的 感應式磁力儀（Instrument of Magnetic Search Coil，IMSC）觀測的變化磁場數據研究地震電磁輻射異常現象方面的研究鮮有報道，這正是本文利用IMSC數據研究強震前后的空間磁場擾動情況的原因，以期獲得變化磁場方面資料，補充前人研究的不足.

感應式磁力儀IMSC主要由前置放大器、感應線圈組成，感應線圈是鎳鐵導磁合金，主線圈纏繞了12000匝銅線，線圈長170mm，橫截面是4×4mm2.主線圈產生的感應電壓為：

ε=μreffNSdB，其中μreff是相對有效滲透系數，N是線圈的匝數，S為線圈的橫截面面積，B是線圈外的磁場感應強度，IMSC測量頻段為[19.5Hz～20kHz］的變化磁場[19］.

前 人[5，10-13，15-18］提 取 地 震 電 離 層 異 常 信 息 研 究主要關注了大約地震前后1到2月的較短時段，為了更準確、客觀地提取地震異常信息，本文在震中±10°范圍內利用震前2個月至震后1個月的5年同期觀測資料構建了背景場，在此基礎上構建了提取空間磁場在地震時段相對于背景場的擾動幅度指標公式.詳細分析了汶川地震前后空間磁場擾動特征，首次補充了DEMETER衛星關于汶川地震空間磁場變化異常的證據.為獲得規律性認識，本文對北半球2005—2009年的7級以上強震開展了統計研究，并對比研究了在空間天氣平靜且無震條件下DEMETER衛星在隨機地點上空觀測的磁場時空演變特征，給出了定量化的結果.

本文第2節介紹資料處理方法，第3節介紹研究方法，第4節介紹汶川震例及統計分析結果，第5節對比研究了空間天氣平靜且無震條件下在隨機地點上空DEMETER衛星記錄的空間磁場演化特征.關于討論和結論詳見第6節.

2 資料處理

2.1 數據預處理

關于孕震區輻射的電磁波動如何從地面傳播到電離層，目前研究還不能真正解釋[1-3，20-23］.Pulinets等[23］認為孕震區輻射的電磁波沿著磁力線傳播，因而衛星記錄的電離層擾動并不是在震中上空，而是出現一定的偏移.前人[24-26］研究地震電離層擾動現象通常將震中經向±6°／±10°，緯向±2°／±5°作為地震在電離層的影響范圍.根據Dobrovolsky等[27］提出的巖石圈孕震區大小估算公式：R=100.43M（其中R為孕震區直徑，單位為km，M為地震震級），震級達7至8級地震的孕震區直徑大致為1023km至2754km.因此本研究選擇震中經緯度±10°的區域作為研究區域.資料處理過程主要包括以下幾個步驟，以期最大程度排除非震擾動因素（如太陽、地磁場活動等）.

（1）設震中經度為LON0，緯度為LAT0，挑選經過[LAT0±10°，LON0±10°］范圍內的夜間軌道數據.由于白天時段里太陽引起的電離層改變可能會淹沒地震引起的微小擾動，本研究只考慮當地夜間時段的觀測數據，避免白天記錄數據的復雜性和多樣性解釋不清.

（2）根據DEMETER衛星科學數據中心提供的輔助數據文件剔除記錄有誤的軌道.衛星姿態調控、載荷的開關以及載荷的定標等事件會影響觀測數據，輔助數據文件記載了這些事件的發生、持續時間，以及對觀測數據有無影響等信息.

（3）剔除復雜空間天氣 （Dst≤-30nT，Kp≥3，AE≥200nT）情況下的衛星觀測數據.太陽、行星際磁場對電離層的擾動可能會掩蓋地震產生的異常信息[23，28-29］，因此我們在數據預處理過程只關注空間天氣平靜條件下的磁場異常，避免復雜空間天氣情況下的擾動解釋不清.

2.2 磁場頻段選擇

衛星在軌運行期間，衛星平臺和有效載荷工作時不可避免地產生微弱電流.這些微弱電流的流動必然會產生磁場的擾動[30］.如DEMETER衛星本體對電磁場設備的影響主要出現在7.33Hz／19.53Hz／39.06Hz及其諧波[19］，DEMETER衛星太陽能帆板轉動的時候產生的電磁擾動主要出現在13.25Hz／77Hz及其諧波[31］.為了最大程度上避開背景噪聲信號，作者曾測試了DEMETER衛星感應式磁力儀IMSC記錄的不同頻段電磁場信號噪聲水平[32］.

測試結果發現在200Hz以下的電磁場信號背景噪聲比較強.這結果與曹晉濱等[30，33］研究結果一致，曹晉濱等[30，33］利用TC1衛星的磁場波動分析儀數據研究衛星在軌電磁輻射的特性，發現衛星本體造成電磁輻射主要集中在30Hz以下，在30Hz以上衛星本體的電磁輻射最多延伸到190Hz左右，而且強度明顯減弱.盡管前人在多個地震前發現了ELF／VLF200Hz以下頻段的空間電磁輻射異常[7-9，24-25，34］，但 DEMETER衛星IMSC記錄200Hz以下頻段空間背景噪聲強，提取地震異常信息難度較大.測試結果表明處于ELF／VLF[370～897Hz］頻段的磁場強度圖像總體比較‘干凈’，噪聲水平比較小，所以本研究采用ELF／VLF[370～897Hz］頻段的磁場功率譜密度數據（Power Spectrum Density，此后簡稱PSD）.

至于DEMETER記錄的VLF[1～10kHz］頻段，經測試噪聲水平較弱且總體穩定，未來可以繼續研究這個頻段.VLF10kHz以上的更高頻段受地面人工甚低頻發射站的影響比較大，提取地震相關的異常信息難度也大.如中國上空有澳大利亞NWC19.8kHz[16，20］信號（共軛干擾）、俄羅斯阿爾法導航系統11.9kHz／12.6kHz／14.9kHz頻段干擾.盡管 Molchanov等[20］、何宇飛等[16］利用DEMETER衛星電場PSD數據研究發現衛星記錄的人工源VLF信號地震前后信噪比降低的現象，但Molchanov等[20］提出的震前人工源VLF信號信噪比衰減機理上需要更深入探討，在高頻段上很多電磁擾動仍說不清.

3 研究方法

以2008年5月12日MS8.0汶川地震（31°N，103.4°E）為例介紹本文研究方法.首先構建觀測值統計背景場，把汶川震中±10°（21°N—41°N，93.4°E—113.4°E）的區域劃分成2°×2°的網格，一共得到10×10個網格.在每個2°×2°的網格單元里將2005—2009年DEMETER衛星在2月1日—6月30日期間的觀測數據進行統計平均，求出ELF／VLF[370～897Hz］頻段磁場PSD值的均值和標準方差，得到一組10×10的均值矩陣β（圖1a）和一組標準方差矩陣σ（圖1b）.利用同樣的方法，只用地震發生當年即2008年2月份的PSD值在每個網格單元中求出2月份觀測值的均值，得到一組10×10的均值矩陣α（圖1c）.定義：

利用公式（1）計算出每個2°×2°網格內的θ值，結果如圖1d所示.公式（1）將2008年2月份汶川震中上空的磁場強度相對于背景場的變化大小歸一化為標準方差σ的倍數，θ為無量綱指標，表征地震時段空間磁場相對于背景場的擾動幅度.

圖1 汶川震中±10°范圍內θ矩陣的構建過程（a）由5年（2005—2009年）的2月1日—6月30日PSD值構建的背景場均值β矩陣；（b）由5年（2005—2009年）的2月1日—6月30日PSD值構建的背景場標準方差σ矩陣；（c）由2008年2月份的PSD值構建的α均值矩陣；（5）計算出的2008年2月份的θ值.紅星表示汶川震中，色標分別顯示β、σ、α、θ值的大小.Fig.1 Construction process ofθmatrix in the epicenter area of the Wenchuan earthquake（a）Background matrixβcomputed by PSD data during the same period（Feb.1to June 30）for the years from 2005to 2009；（b）The standard deviation matrixσcomputed by PSD data during the same period（Feb.1to June 30）for the years from 2005to 2009；（c）αmatrix computed by PSD data 1st to 29Feb 2008；（d）Results ofθ.The red star displays epicenter.The color bars represent the value ofβ，σ，α，andθ，respectively.

圖1 顯示了汶川震中±10°范圍內θ值計算過程.圖1a為背景場β矩陣，圖中顏色表示ELF／VLF[370～897Hz］頻段磁場PSD值大小，從圖1a中可看出汶川震中±10°范圍內2月1日—6月30日期間磁場強度平均變化范圍為10-8.5到10-8.1nT2／Hz.圖1b顯示了每個2°×2°網格單元內觀測值的標準方差值分布情況，標準方差變化范圍為10-7.3到10-8.2nT2／Hz.圖1c顯示了2008年2月份α矩陣的大小，從圖1c中可看出2008年2月份的平均磁場強度變化范圍為10-8.7到10-7.3nT2／Hz，相對于背景場（圖1a）強度高約一個量級.圖1d顯示了2008年2月份θ值的大小，用顏色表示，θ值的變化范圍為-0.3到1.5.

4 震例研究

4.1 汶川MS8.0級震例

根據上面介紹的研究方法，利用表征地震時段空間磁場強度相對背景場變化幅度的θ值分析汶川地震前后的空間磁場時空演化特征.汶川震中±10°區域內背景場均值矩陣β和標準方差矩陣σ分別見圖1a，1b.將2008年2月1日—6月30日劃分為2月1日—2月29日、3月1—31日、4月1日—4月30、5月1日—5月12日、5月13日到23日、5月24日—6月23日共6個時段，分別求出這6個時段內的α矩陣，并利用公式（1）計算出θ值，結果見圖2.圖2表示了2008年2月1日—6月30日期間汶川震中上空ELF／VLF[370～897Hz］頻段磁場相對背景場的擾動幅度大小.

主要計算結果如下：汶川地震前3個月（2月1日—2月29日）最大θ值（相對背景場的最大擾動幅度）為1.5；地震前2個月（3月1日—3月31日）磁場擾動幅度開始加強，最大θ值為2.1；地震前1個月（4月1—4月30日）磁場擾動幅度最強烈，最大θ值為3.5，說明這個時段內空間磁場強度相對于背景場增強了3.5倍標準差；然而自5月1日—5月12日磁場強度開始下降，最大θ值降為2.3；5月13日—5月23日（震后10天內）磁場強度維持在低值范圍內，最大θ值降為0.8；震后11天—1個半月（5月23日—6月23日）磁場強度逐漸回升，最大θ值為1.24.

圖2 2008年汶川地震前后ELF／VLF[370～897Hz］頻段磁場時空演化特征（a）2月1日—2月29日的θ值；（b）3月1日—3月31日的θ值；（c）4月1—4月30日的θ值；（d）5月1日—5月12日（地震當天）的θ值；（e）5月13日—5月23日的θ值；（f）5月24日—6月23日的θ值.圖中紅星表示汶川地震震中，顏色表示θ值的大小.Fig.2 Temporal and spatial evolution of the magnetic field in the[370～897Hz］frequency band during the MS8.0Wenchuan earthquake（a）θvalue from 1Feb.to 29Feb.；（b）θvalue from 1Mar.to 31Mar.；（c）θvalue from 1Apr.to 30Apr.；（d）θvalue from 1May to 12May；（e）θvalue from 13May to 23May；（f）θvalue from 24May to 23June.The star indicates the epicenter，and the color bar represents the value ofθ.

為了定量化地描述地震時段空間磁場相對背景場的擾動幅度，取的最大值（相對背景場的最大擾動幅度）、平均值（相對背景場的平均擾動幅度）考察地震前后磁場擾動幅度的變化，結果見圖3.圖3給出了2008年1月1日—6月30日在汶川震中±10°范圍（10×10網格）內的最大值和平均值隨時間變化情況.

從圖3中可以看出2008年2月份開始磁場相對背景場強度上升，從2月15日一直到5月1日磁場擾動幅度超過3倍標準差，5月1日達到最高值4.0，隨后在逐漸回落過程中發生汶川地震，震后磁場擾動一直維持在低值狀態.而在此期間震中相對背景場的磁場平均擾度幅度維持在1倍標準差附近，未見明顯的異常現象，但是其震前震后的起伏形態與最大擾動幅度曲線一致.已有較多文獻[5，10-13，15-17］報道了DEMETER衛星在汶川地震前觀測到電子濃度、電子溫度、氧離子濃度、高能粒子、ELF／VLF／LF電場的明顯擾動.這些研究沒有涉及到DEMETER衛星觀測的ELF／VLF頻段磁場擾動情況，本文獲得的結果為深化認識汶川地震相關的空間電磁異常補充了證據.

4.2 震例統計

為了更全面地了解強震前后的空間磁場擾動過程，根據DEMETER衛星有效觀測數據，主要針對2005年1月1日—2009年12月31日北半球發生的32個MS7.0級以上，震源深度小于30km的強震開展統計分析（地震目錄參考國家地震科學數據共享中心http：／／data.earthquake.cn／data／），其中6個地震因某一時段內缺數未納入研究.

在每個地震震中±10°范圍內利用地震前2個月至地震后1個月的5年同期觀測資料，構建其背景場均值矩陣β和標準方差矩陣σ.將地震發生當年震前2個月至震后1個月的時段劃分為5個不同時段分別計算出α矩陣，并利用公式（1）計算出各個時段的θ值.這5個時段分別為震前第60天到第30天[-60dto-30d］、震前第29天到第10天[-29d to-10d］、震前第9天到地震當天[-9dto 0d］、震后第1天到第10天[1dto 10d］、震后第11天到第30天[11dto 30d］.

利用圖2相同的模式，逐一繪制這26個地震在5個時段內的θ值分布圖，并進行對比分析（因篇幅有限在此未給圖像）.發現42%的地震（11／26）磁場時空變化特征與汶川地震大致相似，即地震期間（[-9dto 0d］和[1dto 10d］時段）磁場強度相對其它時段降低，而35%地震（9／26）磁場時空變化特征剛好相反，地震期間磁場強度相對其它時段高.23%地震（6／26）未見明顯規律.

5 隨機事件驗證

為了更全面、客觀地認識空間地震電磁異常現象，本文利用相同的方法，對比研究了空間天氣平靜且無震條件下在隨機地點上空DEMETER衛星記錄的變化磁場的時空演化特征.隨機事件的選取方法如下：首先在北半球[緯度0°—65°，經度0°—360°］范圍內隨機選擇一組地點Pn（n=1to 26），其次選擇2005年2月—2009年11月中的任意平靜時間點作為隨機事件的發生時間.平靜時間點選擇條件為：在此時間點前2個月至后1個月內在[緯度-65°到65°，Pn點經度±10°］范圍內無7級以上地震發生，此條件同時排除了南半球發生的強震可能在北半球產生的共軛效應.

其次在Pn點±10°范圍內，收集2005—2009年每年隨機事件平靜時間點前2個月至后1個月的觀測資料，按照2.1節介紹的數據處理方法進行預處理，第3節介紹的數據處理方法構建隨機地點上空的背景場，并利用第4節震例統計的方法將隨機事件時間點前2個月至后1個月同樣劃分成5個時段，分別由公式（1）計算出隨機事件的θrand值（θrand表示隨機事件的θ值）.一共測試了4組（每組26個事件）隨機事件，利用圖4的方法，分別統計不同時段的最大值及平均值隨時間變化特征，結果見圖5.圖5表示了在空間天氣平靜條件下4組隨機地點上空的空間磁場相對其背景場的擾動幅度的統計結果.從圖中可以看出隨機地點上空的的平均值接近0，說明隨機地點上空的空間磁場相對其背景場的平均擾度幅度很小最大值從未超過2倍標準差，并且沒有明顯的隨時間變化特征.

6 討論與結論

6.1 討 論

地面觀測資料已經證實強震前存在明顯的電磁異常現象，并提出了壓電、壓磁、感應電磁，動電電磁、熱磁效應等機理解釋[1-2，4］，Huang等[1-2］從實驗和理論方面對地震電磁波的激發及傳播特性進行了研究，為地震電磁輻射異常提供了實驗依據.總結國內外關于“巖石圈-大氣層-電離層”耦合機理的研究[1-2，6，8，20-23，35］，可知有化學、聲學、電磁三種途徑引起地震空間電磁異常.化學途徑：孕震區化學參數（如水氡）的改變引起大氣成分的變化或大氣導電率的改變，導致大氣電場的擾動，進而影響電離層；聲學途徑：孕震區巖石變化引起大氣低頻震動，通過聲重波模式上傳到電離層.電磁途徑：震前積累的大量能量一小部分通過電荷轉移過程轉變為靜電場和電磁輻射.

為什么強震前后空間磁場出現兩種截然不同的擾動特征？圖6給出了這兩種不同擾動特征地震的震中分布圖，從圖中可以看出第一種擾動類型的地震主要（8／11）發生在20°N以北的中高緯度地區，而第二種擾動類型的地震震中主要（7／9）分布在30°N以南的中低緯度.看來似乎與地震發生的不同部位有一定關聯，但地震前后空間磁場兩種不同的擾動特征是不是與孕震區的位置、機理有關這個問題還需要更深入的探索.關于孕震區激發的ELF／VLF電磁輻射進入頂部電離層的一種可能路徑為孕震區電磁輻射進入地層-電離層波導后，向上滲透到達衛星位置，另一種可能路徑為電磁輻射進入地層-電離層波導后，沿波導傳播至接收點的“磁共軛點”，然后沿地磁場磁力線方向傳播，經過電離層和磁層到達衛星位置[23，35］.

“巖石圈-大氣層-電離層”耦合機理目前的研究主要集中在震例積累、模型假說階段.現階段，地震預測的研究尚處于探索性階段，在這個階段中，主要圍繞三項任務：第一，盡可能多地積累震例資料，包括正反兩方面的資料；第二是研究觀測量變化的機理；第三在震例和機理分析的基礎上不斷改進和完善觀測技術.這不僅適用于地基觀測，也同樣適合于天基觀測.對于天基觀測，由于研究時間尚短，震例的積累尤為重要，沒有充分的、客觀的震例研究結果，機理的研究不可能深入.

本文涉及的衛星電磁場的觀測及其與地震的關聯問 題，前 人 也 開 展 過 統 計 研 究[24-25，29，36］.Nemec等[25］利用DEMETER衛星的夜間電磁場PSD值對4.8級以上地震統計分析發現在地震前0—4小時內在VLF 1.7kHz頻段上的電磁波出現了雖微弱但明顯的降低，且淺源大地震更能引起電磁場強度的下降.Parrot等[29］利用Aureol-3衛星數據對325個大于5級以上地震統計研究雖未發現地震活動與電磁輻射明顯的因果關系，但發現震中ELF／VLF電磁輻射增強主要出現在800Hz以下，輻射主要沿緯度方向擴展，在經度上卻沒有這種現象.然而 Henderson等[24］，Rodger等[36］的統計研究結果表明地震與空間電磁輻射的相關性很微弱.Henderson等[24］利用低軌衛星DE2數據統計結果未發現明顯與地震相關的ELF／VLF輻射異常.Rodger等[36］利用低軌道衛星ISIS數據對39個地震統計結果發現沒有特殊或者類似的ELF／VLF異常輻射現象與地震相關.不同的衛星、不同的軌道設計以及使用不同的儀器，使得不同研究結果進行對比是件非常困難的事情.DEMETER作為一個專門設計探測地震現象的衛星，太陽同步極軌設計，為多個地震現象的對比研究提供了良好的條件.從這點上說本文的研究作為一次新的探索，可能為研究地震的天基效應以及天地耦合機理，具有一定的意義.

6.2 結 論

本文利用DEMETER衛星觀測的ELF／VLF[370～897Hz］頻段磁場功率譜密度值研究強震前后空間磁場擾動特征，主要得出如下結論：

（1）2008年5月12日MS8.0汶川地震前后空間磁場存在某種演化規律：震前磁場波動強烈，擾動幅度超過3倍標準差，隨后開始下降，在下降過程發生汶川地震.

（2）針對2005—2009年北半球MS7.0級以上震例統計研究表明，空間變化磁場在地震前后的時空演化特征存在一定規律.42%強震空間磁場擾動特征主要為震前磁場擾動幅度逐漸上升，超過3倍標準差后，在下降過程中發震.35%強震的震前20天開始磁場擾動幅度開始上升，地震前10天內最大擾動幅度超過3倍標準差，在擾動幅度最高期間發震，震后磁場擾動幅度逐漸回落.23%強震在震前震后無明顯規律.

（3）隨機事件測試發現在空間天氣平靜且無震條件下隨機地點上空的磁場無明顯的時空演化規律，且隨機地點上空的空間磁場相對于背景場的平均擾動幅度很小，最大擾動幅度從未超過2倍標準差，并且沒有明顯的隨時間變化特征.

致 謝 本文作者感謝法國DEMETER衛星科學中心提供衛星觀測數據與相關文檔，感謝審稿人和編輯部的中肯意見和建議.

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