利用GPS和DEMETER數據分析汶川地震前電離層變化

閆相相 單新建 曹晉濱 湯 吉 王飛飛

1)地震動力學國家重點實驗室，中國地震局地質研究所，北京 100029

2)北京航空航天大學宇航學院，北京 100191

3)中國石油大學(華東)，青島 266555

利用GPS和DEMETER數據分析汶川地震前電離層變化

閆相相1)單新建1)曹晉濱2)湯 吉1)王飛飛1，3)

1)地震動力學國家重點實驗室，中國地震局地質研究所，北京 100029

2)北京航空航天大學宇航學院，北京 100191

3)中國石油大學(華東)，青島 266555

利用GPS TEC和法國DEMETER衛星ISL探測器的觀測數據，分析了汶川地震前電離層變化。結果表明，電離層TEC在5月6—10日地方時下午有連續的負異常現象，5月9日地方時下午有明顯的正異常現象。電離層TEC異常的范圍主要位于震中南部區域，EW方向上1100～1670km，SN方向上1600～3700km。5月6日的負異常偏震中東南，5月7日的負異常偏震中西南，5月9日的正異常偏震中東南。震中西南和南部地區負異常較東南地區明顯，震中南部和東南地區正異常程度較西南地區偏高，震中位置所對應南半球磁力線共軛區都出現了一定程度的正或負擾動。DEMETER衛星觀測的電子密度Ne和離子密度Ni在5月6—10日也出現了明顯的負異常，異常分布與電離層TEC異常分布較為一致，主要集中在震中南部。震中所在的經度帶上存在2個負異常峰值，且在緯度上關于地磁赤道對稱。最后在上述異常的基礎上，對基于巖石圈—大氣層—電離層耦合的地震電離層異常機理開展了初步討論。

汶川地震 GPSTEC DEMETER 電子密度 離子密度

0 引言

近年來，大量的震例和統計分析表明，大地震和火山噴發前幾天到幾小時內，對應孕震區、火山噴發區上空大氣層、電離層存在電磁異常現象，如LF/VLF/ELF/ULF信號相位、振幅異常變化(Parrot，1994;Molchanov et al.，2003;Rozhnoi et al.，2004)，電離層電子濃度總含量(Total Electron Content，簡稱 TEC)異常(Liu et al.，2000，2004a，b，2006，2009;Zakharenkova et al.，2006;Zhao et al.，2008)，電離層 F2 層臨界頻率 foF2 異常(Liu et al.，2004a;Trigunait et al.，2004)，電離層等離子體參數變化(Zhang et al.，2009)等。在地震孕育過程中，地下介質原有微破裂擴展、新生微破裂發育并定向排列，體積膨脹，產生壓磁效應、壓電效應、動電效應、熱磁效應等物理電磁效應的同步和定向激發，從而在距離震中一定范圍內可觀測到明顯的地震電磁現象(Zlotnicki et al.，1986;Fenoglio，1995;Freund，2000;Huang，2002;Mishima，2009)。這些電離層電磁擾動現象主要可概括為低頻電磁擾動、等離子體變化和高能粒子擾動等。

2008年5月12日汶川特大地震發生后，許多學者從不同角度開展了對汶川地震的研究和探討，其中就包括汶川地震前的電磁擾動和電離層效應。Zhao等(2008)發現5月9日武漢、廈門站NmF2有明顯增強;且5月9日震中上空區域和所對應的磁共軛區電離層TEC增幅明顯。Liu等(2009)發現汶川地震前6～4天下午，在地震區上空電離層TEC明顯減小;而震前3天下午，在地震區上空電離層TEC顯著增強;另外發現震前6～4天，F2層峰值電子密度NmF2減少40%，所對應的峰值高度hmF2降低50～80km;震前3天，NmF2增強。Yu等(2009)也發現在5月9日下午16～18LT，汶川東南約20°范圍內上空電離層TEC出現了10～15TECU的顯著增強，同時在南半球磁力線共軛區也出現了TEC增強現象，增強幅度約10TECU。Zhang等(2009)利用法國DEMETER衛星數據分析了汶川地震前電離層等離子體異常，發現5月9日電離層O+濃度明顯偏低;Akhoondzadeh等(2010)分別利用GPS數據和DEMETER數據對統計分析了包括汶川地震在內的4次6級以上地震的電離層效應，發現每次地震前的異常形態并不一致，但異常幅度與震級有關。

此外，各國學者從電磁學、地球物理學、地球化學以及數值模擬等角度開展了地震電磁信號的巖石圈-大氣層-電離層耦合機制的研究(Molchanov，1995a，b;Grimalsky et al.，1999;Sorokin，2001;Freund，2004;Hayakawa，2004;Takeuchi et al.，2006)。Pulinets(2004)分別從近地表過程、電離層D層效應、E層效應和磁層效應4個方面論述了地震電離層耦合的物理模型。Hayakawa(2004)提出3種可能的地震電磁信號傳播途徑:電磁途徑、化學途徑和聲學途徑。Freund等(2004)基于實驗室巖石實驗的基礎提出了離子空穴(positive holes)運移假說模型，并分析了在地表、大氣層和電離層可能形成的地震電磁效應。但是，與地震相關的各種電磁效應的機理目前還沒有統一的解釋。

本研究在以上關于地震電磁現象認識的基礎上，分別利用GPSTEC數據和DEMETER數據開展了對汶川地震前電離層擾動現象的研究，對比分析了這種數據的結果，并與前人的工作進行了比較和討論。

1 數據及分析方法

1.1 GPS數據

電離層電子濃度總含量(TEC)是描述電離層的形態、結構及變化的最主要參量之一，是單位面積內電離層電子濃度沿某方向的積分總含量，代表著在該方向上電離層電子的總數目，單位為TECU。國際全球導航衛星系統服務中心(International GNSS Service，簡稱IGS)提供全球范圍內的GPS觀測數據，并建立起準實時的電離層TEC現報系統，監測全球范圍的TEC變化。JPL(Jet Propulsion Laboratory，美國噴氣動力學實驗室)作為IGS的7個分析中心之一，每2h反演生成一張空間分辨率為2.5°×5°的全球電離層TEC地圖數據，該數據為研究全球大尺度電離層結構和變化提供了基礎數據。本項研究選取了該TEC數據，分析了汶川地震震中位置及附近區域電離層時空演化特性和異常形態。

1.2 DEMETER衛星數據

DEMETER衛星于2004年6月29日發射，其科學目標是研究與地震、火山有關的電離層擾動信息，與人類活動有關的電離層擾動以及探測全球尺度的電磁環境(Parrot，2002)。衛星軌道是準太陽同步圓形軌道，軌道高度710km，于2005年12月中旬調整為660km。衛星有效載荷包括:電場探測儀(ICE)，觀測從直流到3.175 MHz的電場(Berthelier，2006a);感應式磁力儀(IMSC)觀測10Hz～17kHz的磁場(Parrot，2005);等離子體探測儀(IAP)，探測離子濃度、溫度等(Berthelier，2005);Langmuir探針(ISL)，觀測電子濃度和電子溫度(Lebreton，2006b);高能粒子探測儀(IDP)，測量高能電子的通量和能譜(Sauvaud，2006)。本文選取ISL探測器上的電子密度Ne和離子密度Ni數據，結合電離層TEC異常特征，分析了汶川地震震中位置及附近區域的異常分布特征。

1.3 電磁環境

電離層擾動受到很多因素的影響，包括太陽活動、地磁活動和天氣變化等。為了提取與地震有關的電離層擾動信息，需要排除其他空間方面的影響。選取了World Date Center for Geomagnetism提供的地磁數據(圖1)，包括:全球地磁擾動指數K p，時間分辨率為3h;表示赤道附近地球地表磁場擾動程度的地磁參數D st，時間分辨率為1h;描述極區地磁亞暴和極光帶電集流的大小的指數AE，時間分辨率為1h。

圖1 2008年4月27日至5月17日期間地磁指數Fig.1 Geomagnetic index during 27 April to 17 May，2008.

圖1分析結果顯示，4月27日至5月17日大部分時間內地磁指數K p≤3，D st≥-30nT，AE≤800nT。整體看來，太陽活動和地磁活動水平都很低。其中4月30日出現了3h的小磁暴，5月1—2日出現了9h的地磁活躍，其余時間地磁活動平靜到微擾。

2 GPSTEC監測結果分析

根據JPL提供的電離層TEC網格數據，利用插值法，得到了震中位置(103.32°E，31.00°N)從2008年4月27日到5月17日時間段內的電離層TEC時間序列圖。并根據異常判定的滑動四分位法(Liu，2009，2010)給出了異常判斷的上下邊界和滑動中值 (圖2)。

圖2 汶川地震震中位置的GPSTEC時間序列圖Fig.2 Time series of GPSTEC right above theWenchuan earthquake epicenter.

圖3 汶川地震震中位置上空在2006—2010年4月27日至5月17日期間的GPSTEC時間序列圖Fig.3 Time series of GPSTEC right above theWenchuan earthquake epicenter during 27 April to 17 May from 2006 to 2010.

可以看出地震發生前數天內震中位置對應的電離層TEC出現了一定程度的正、負擾動，且正負擾動是交錯的。分析得到，5月3日02～06UT和5月9日10～12UT期間電離層TEC出現了較強的正擾動，其中5月3日擾動幅度約20%，5月9日最大異常值5.9TECU，幅度達31.4%;此外，4月29日、5月6日和7日也出現了較大程度負擾動，其中5月6日10UT時刻擾動幅度達26%。Liu等(2010)的異常提取方法是，如果某日超過1/3的正擾動或者負擾動連續出現，GPS TEC觀測值大于或小于相應的上下邊界，則認為是正異常或負異常。據此得到，正異常為5月3日和9日，負異常為4月29日、5月6日和7日。還可以看出，在汶川地震前震中位置電離層TEC擾動的時間一般在02～12UT期間，且集中在04～10UT期間。圖3對比分析了2006年至2010年的4月27日至5月17日期間汶川地震震中位置上空的GPS TEC數據，由圖3可見2008年4月29日和5月6—10日電離層TEC明顯偏低，與圖2結果基本一致。此外，2008年5月3日電離層TEC也高于2007年、2009和2010年同期，但低于2006年同期。

為了進一步分析汶川地震前的電離層TEC擾動范圍和空間分布，用實際觀測值減去此前15天的滑動中值計算了5月1—15日04～10UT期間內電離層TEC差值，即DTEC，發現出現明顯擾動的有3天:5月6、7和9日，圖4，5，6分別給出其分布結果。

圖4 5月6日0400～1000UT(1200～1800LT)期間全球和中國區域電離層DTEC分布圖Fig.4 Global and China ionospheremaps observed during 0400 ～1000UT(1200 ～1800LT)on 6 May，2008.

由圖4可見，5月6日04～08UT期間，震中東南及南部出現了明顯的電離層TEC負擾動，其中06～08UT的擾動最大，達16～20TECU，且在此期間位于南半球的磁力線共軛區域也出現了一定程度的負擾動，這與其他許多地震之前電離層擾動不僅發生在震中上空，有時候也會出現在南半球或北半球磁共軛區域相一致。異常影響范圍主要位于震中南部區域，異常區域范圍緯向為10°～15°，經向為15°～35°。換算成距離，緯向最大異常尺度約1670km，經向達到3700km。根據前人研究結果，不同震級對應孕震區的范圍不同，并有經驗公式R=100.43M(R是孕震區半徑，M為震級)(Dobrovolsky et al.，1979)。根據此經驗公式得出，汶川地震的孕震區半徑R=2494km，這與實際觀測到的異常區域尺度一致。

5月7日04～10UT期間，震中附近也出現了明顯的電離層TEC負擾動，對應的南半球磁力線共軛區也都出現了不同程度的負擾動 (圖5);其中04UT擾動約10TECU，主要位于震中東南;06UT擾動10～13TECU，主要位于震中西南;08UT擾動幅度最強，達15～19TECU，主要位于震中南部稍偏西;10UT擾動10～12TECU，主要位于震中南部。

圖5 5月7日0400～1000UT(1200～1800LT)期間全球和中國區域電離層DTEC分布圖Fig.5 Global and China ionospheremaps observed during 0400 ～1000UT(1200 ～1800LT)on 7 May，2008.圖注同圖4

5月9日04～06UT期間，震中附近出現了一定程度的電離層TEC負擾動，擾動幅度不大，5～10TECU;而08～10UT，震中東南和南部都出現了較大程度的TEC正擾動，擾動幅度10～16TECU;且10UT時刻，對應南半球磁共軛區域也出現了一定程度的正擾動。另外，從異常的空間演化和分布可以看出，地震引起的電離層擾動并不在震中正上方，而是往赤道有一定程度的漂移，且擾動的范圍基本集中在震中南部區域。

圖6 5月9日0400～1000UT(1200～1800LT)期間全球和中國區域電離層DTEC分布圖Fig.6 Global and China ionospheremaps observed during 0400 ～1000UT(1200 ～1800LT)on 9 May，2008.圖標同圖4

Pulinests等(2003)指出，電離層擾動最大的位置并不是與震中位置垂直投影一致，在高緯和中緯地區會向赤道方向偏移。在上述震中附近電離層TEC擾動范圍分析的基礎上，自西向東分別在震中西南、南部和東南選取了 A(90.22°E，23°N)、B(103.32°E，23°N)、C(116.43°E，23°N)3個點(圖4)，分別分析了這3個點在4月27至5月17日期間電離層TEC時間序列。結果表明，A、B、C 3點都在4月29日、5月6日和7日出現了一定程度的負擾動，其中自西向東擾動程度逐步減少。B點和C點在5月3日和9日都出現了一定程度的正擾動，且上述正負擾動程度基本相當。另外，A點和B點負擾動次數和幅度較C點偏高，B點和C點正擾動次數和幅度較A點偏高。

3 DEMETER衛星監測結果分析

在對汶川地震前電離層TEC效應分析的基礎上，還利用DEMETER衛星數據分析了ISL探測器觀測的電子密度(Ne)和離子密度(Ni)的變化情況。由圖3可知，5月6—10日電離層TEC出現了連續的負擾動，其中5月6日和7日的負擾動較為明顯(圖4，5)。分別將5月6—10日的Ne和Ni數據合并，利用Kriging差值并參照電離層DTEC的異常提取方法，以4月21日至5月5日的數據為背景值，分析5月6—10日的Ne和Ni空間變化情況，得到Ne和Ni相對于背景值的差值d Ne和d Ni(圖7)。

圖7 5月6—10日期間d N e和d N i的空間分布Fig.7 Space distribution of d N e and d N i during 6 to 10 May.

由圖7可以看出，5月6—10日Ne和Ni的降軌數據(過境時間為10:00LT)變化趨勢基本一致，都在震中南部區域出現了明顯了負異常。異常的分布主要集中在0°～20°N和100°～120°E，震中位置所在的經度帶上存在2個負異常峰值，且在緯度上基本關于地磁赤道對稱。Ne和 Ni都在震中東南部(18°N，105°E)附近出現異常最大值，分別達-46000cm-3和-380000cm-3。Ne和Ni升軌數據(過境時間為22:00LT)擾動幅度則不大，其中Ne在震中南部區域也出現了小幅度的負擾動，而Ni則基本無明顯擾動。

以上結果較好地驗證了圖3中電離層TEC的連續負異常，且與圖4和圖5中電離層TEC的負異常分布特征有較好的一致性。相比較而言，DEMETER衛星觀測的Ne和Ni的異常范圍稍小。本文采用的電離層TEC數據的觀測高度為450km，而DEMETER衛星的軌道高度為660km，可以看出地震之前電離層上空出現的擾動隨著高度的變化也存在一定的差異。這受到地震孕育過程中電磁信號的傳播特性和大氣層-電離層耦合作用的影響。

4 討論與認識

利用GPSTEC數據和DEMETER衛星數據對汶川地震前的電離層異常進行了綜合分析，得出汶川地震震中及附近區域電離層擾動有如下特征:

(1)在汶川地震前2～6天(5月6—10日)電離層TEC有連續的負擾動現象，震前3天(5月9日)有明顯的正擾動。5月6—10日的負擾動逐漸降低，5月9日的正擾動幅度達31.4%。DEMETER衛星觀測的電子密度Ne及離子密度Ni在5月6—10日也出現了明顯的負擾動。

(2)電離層TEC異常影響范圍主要位于震中南部區域，且空間范圍較大。異常尺度在緯向為10°～15°，經向為15°～35°。換算成距離，緯向最大異常距離約1670km，經向最大異常距離約3700km。這與根據Dobrovolsky的經驗公式計算的孕震區范圍2494km較為一致。

(3)DEMETER衛星觀測的電子密度Ne及離子密度Ni異常分布與電離層TEC異常分布較為一致，主要集中在震中南部。震中所在的經度帶上存在2個負異常峰值，且在緯度上關于地磁赤道對稱。

汶川地震前電離層不同參數(TEC，Ne，Ni)都出現了異常擾動現象，這種擾動可能與大氣層和電離層的電場變化有關，而電場的變化則可能受到地震孕育過程中電磁信號傳播的影響。Freund等(2004)和Takeuchi(2006)基于巖石實驗提出了地震電磁信號傳播的離子空穴“positive holes(p-holes)”假說。p-holes是一種與礦物組分中氧陰離子亞晶格相關的缺陷電子，以一種不活動的、休眠的狀態存在于火成巖中，但是可以在加載的情況下被激活。當震源體中的pholes被激活后，這些載荷電流就傳播到周圍的巖體中，在震中周圍一個很大的范圍形成一個正的地面電勢，產生向上的垂直電場，并通過大氣層穿透到電離層。電離層的電子被迫向下運動，在大氣層中與中性粒子或正離子重組，從而影響電離層的電子密度和離子密度。

Sorokin等(2001)認為，在地震孕育的過程中，放射性物質和帶電氣溶膠注入大氣層，導致了大氣層電導率的增加，且在近地表形成一個垂直電動勢，進而導致大氣層垂直電流的變化及電離層電導率和電場的改變。一方面，電離層電場的變化影響了電離層中聲重波的傳播，造成了電離層電導率的橫向不均勻性，進而導致等離子體密度擾動。另一方面，電離層電場的增加使低電離層產生焦耳熱，進而影響了電離層的熱平衡，引起相關的熱紅外效應。Parrot等(2006)也指出，壓電和摩擦生電效應以及氣溶膠的釋放(放射性氣體或金屬離子)也會導致地球表面出現電荷并向大氣層、電離層傳播，引起大氣層電導率變化，導致異常電場的產生和等離子體的不穩定性。

以上研究結果表明，在汶川地震前孕震區上空確實觀測到了不同程度的異常信息，但是由于地震電離層耦合機理的復雜性，還需要進一步開展研究。

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SEISMOIONOSPHERIC ANOMALIESOBSERVED BEFOREWENCHUAN EARTHQUAKE USING GPS AND DEMETER DATA

YAN Xiang-xiang1)SHAN Xin-jian1)CAO Jin-bin2)TANG Ji1)WANG Fei-fei1，3)
1)State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China
2)Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China
3)China University of Petroleum(East China)，Qingdao 266555，China

Based on GPS TEC data and ISL detector data recorded by the French DEMETER satellite，ionospheric perturbations before the Wenchuan earthquake were analyzed.It is found that GPS TEC above the epicenter continuously decreased in the afternoon period during 6 May to 10 May but increased in the afternoon of9 May.The spatial distribution of the TEC anomalymainly located in the south of the epicenter，and the size of perturbation area was 1100 ～1670km and 1600 ～3700km from the epicenter in the latitudinal and longitudinal directions，respectively.It is further found that negative anomaly area located southeast on 6 May and moved to southwest on 7 May from epicenter.On 9 May，the anomaly turned to be positive and occurred in the southeast of the epicenter.The intensity of negative anomaly in the southwest or south area from epicenter was stronger than that in the southeast area，compared with the southwest area，the intensity of positive anomaly in southeast or south area was stronger.Moreover，it could be seen that the perturbation was also observed in the geomagnetic conjugate points of epicenter at the southern hemisphere.In addition，contour analysis on ionopheric plasma shows that electron density(Ne)and ion density(Ni)also reduced during 6 to 10 May.The anomalous distribution was in good conformity with TEC，which was concentrated mainly in the south of epicenter.There were two negative anomaly peaks along the earthquake longitude，which were symmetrical about the magnetic equator.Base on the above observation，we finally discuss the physical mechanism of the seismoionospheric anomaly according to Lithosphere-Atmosphere-Ionosphere Couling(LAIC)model.

Wenchuan earthquake，GPS TEC，DEMETER，electron density，ion density

P315.72

A

0253-4967(2012)01-0160-12

10.3969/j.issn.0253-4967.2012.01.015

2011-03-08收稿，2011-06-24改回。

科技部國際合作項目(2009DFA21480)資助。

閆相相，男，1986年生，2008年畢業于中國地質大學(武漢)地球信息科學與技術專業，現為中國地震局地質研究所在讀博士研究生，主要從事地震電磁現象物理學方面的研究，E-mail:ahuyanxiang@gmail.com。