玉樹Mw7.1地震前電離層異常擾動初步分析

李 旺， 郭金運,2， 于學敏， 于紅娟, 張海平

(1.山東科技大學 測繪科學與工程學院， 山東 青島 266590；2. 海島(礁)測繪技術國家測繪地理信息局重點實驗室， 山東 青島 266590；3.山東省國土測繪院， 山東 濟南 250102)

地震是一種破壞力巨大的自然災害，一直以來對人類的生命財產造成了極大的危害.地震-大氣層-電離層效應的研究結果表明，震前的電離層異常擾動是確實存在的，這可為今后的地震預報研究提供一個新的思路.自20世紀70年代起，科研工作者做了大量的研究，Zhao等[1]通過位于中國日本的四個電離層監測站的數據研究發現，汶川地震前三天F2層臨界頻率(foF2)有顯著的異常增大，且越靠近震中地區現象越明顯；Liu等[2]發現汶川地震前三天和前六天震中附近區域電離層分別出現了正異常和負異常現象，且異常主要靠近赤道一側；Sharma等[3]對中國地區的三次6級以上的地震研究表明，震前的電離層總電子含量(TEC)和foF2異常擾動確實存在，且異常主要出現在當地時間的11:00至17:00；He等[4]通過DEMETER衛星對2006-2009年間5級以上地震震前的電子濃度變化統計分析發現，電離層異常與震級呈正比關系，與震源深度呈反比關系.

2010年4月14日北京時間7時49分，青海省玉樹藏族自治州玉樹縣發生7.1級地震，震源深度14km，震中位于縣城附近(96.6°E, 33.2°N),造成了嚴重的人員傷亡及財產損失，地震波及范圍35862km2，受災人口約10萬人，極重災區900km2，震中附近90%的房屋倒塌，造成2698人遇難及數萬人無家可歸[5].此次地震發生在甘孜-玉樹斷裂帶上，自第四紀以來有明顯的活動特征.本文采用CODE(the Center for Orbit Determination in Europe)提供的GIM(Global ionosphere maps)數據，插值提取出震中區域電離層時間序列，以27天為背景值，通過滑動四分位距法，排除太陽及地磁活動的干擾，分析震前電離層的異常擾動.

1 數據及分析方法

目前IGS(International GNSS Service)在全球范圍內有450多個觀測站，能夠提供大范圍且合適分辨率的TEC觀測資料，在研究電離層異常擾動方面比較有優勢.CODE是IGS數據的一個分析中心，目前提供空間分辨率為5°(經度)×2.5°(緯度)，時間分辨率2h的GIM數據，該數據經過了插值與平滑處理，過濾了小尺度的電離層擾動，比較適合用來研究大尺度的電離層異常變化[6](數據網址：ftp://ftp.unibe.ch/aiub).

為了排除太陽和地磁活動對電離層的擾動影響，我們對太陽黑子、F10.7太陽輻射、Dst和Kp等數據進行分析。太陽和地磁活動參數由中科院空間中心提供(數據網址:http://159.226.22.201:9010/Portal/)，太陽黑子數(SSN)和F10.7太陽射電常數是通常用來表征太陽活動的兩個參量，SSN有三百多年的觀察歷史，是表征太陽活動的最重要參量，F10.7主要出自日冕活躍區上被磁場束縛的電漿，從1947年開始記錄數據，是目前為止除了太陽黑子之外，可供利用的太陽活動的最長期記錄.Dst指數主要是量測中低緯地區地磁活動的指數，其主要量測地磁水平分量的變化，研究表明，當Dst指數絕對值大于50nT時，可能發生了中大磁暴[7]；Kp指數描述全球平均每3小時的地磁強度，共分9個等級，在沒有磁暴的情況下，Kp指數一般小于3[8].

由于電離層受到太陽活動的影響，使得電離層具有27d的周期性[9]，本文根據滑動四分位距法的思想，以27d中每天同一時刻的觀測值作為背景值，以2.5倍中誤差為限差，先對太陽地磁活動的狀態進行異常分析，然后在對震中區域的電離層時間序列進行異常分析.

2 TEC異常分析

如圖1(a)所示，震前的太陽活動比較頻繁，起伏較大，有兩次較大的波峰出現在震前18d和震前10d，震前5d內太陽活動強度明顯減弱，震后SSN為0，明顯異常偏低，經過滑動四分位距法探測后，如1(b),發現在震前10d、5d、4d及震后3d內，太陽活動有異常現象; 1(c)給出了震前一個月內F10.7變化的時間序列，總的看出來，F10.7的變化相對平穩，峰值出現在震前18d，之后逐漸降低，經過異常探測后，如1(d)所示，異常時刻出現在震前18d、4～5d，其中震前18d的異常值達3.5SFU，總的說來，太陽活動的主要異常時刻出現在震前18d、10d、4～5d及震后1～3d.可見，用兩種太陽活動參量進行互補分析能取得較好的效果.

圖1(e)給出了震前一個月內的地磁Dst指數的變化情況，可以發現，Dst指數波動的主要時刻出現在震前的5～9d和震前2d，其中震前5～9d內，Dst指數達到-70nT,表明在該段時間內，地球上很可能發生了中大等級磁暴，如1(f)所示，該段時間的地磁異常值達到-50nT，震前2d地磁也有-30nT的異常，另外在震前的27d、22d、20d、18d、12d地磁都有低幅度的異常變化；對比1(g)和1(e)，可以發現Kp指數的時間序列和Dst指數時間序列的變化趨勢相同，在震前5～9d內，Kp指數明顯增大，最大值達到7，震前2d的Kp指數也達到了5，異常探測的結果表明，在這兩個時段內，Kp指數都有明顯異常，表明，這兩個時段的地磁活動十分不穩定，另外震前的20d、12d的地磁活動也有異常，總的說來，地磁活動的異常時段主要集中在震前的22d、20d、12d、5～9d、2d.

((a)太陽黑子日變化；(b)太陽黑子日變化異常值(△SSN)；(c)F10.7射電通量日變化；(d)F10.7射電通電日變化異常值(△F10.7)；(e) Dst指數日變化；(f) Dst指數日變化異常值(△Dst)；(g)Kp指數日變化；(h)Kp指數日變化異常值(△Kp)；黑色豎線表示地震發生的時刻)圖1 2010年3月15日至4月17日(Universal Time Coordinated,UTC)的太陽及地磁活動信息

((a)震中區域TEC時間序列; (b)震中區域TEC變化異常值; 黑色豎線表示地震發生的時候)圖2 2010年3月15日至4月17日玉樹地區電離層信息

通過CODE提供的GIM數據，通過插值提取了震中區域的TEC時間序列，在利用滑動四分位距法進行滑動異常探測，圖2(a)給出了震中地區電離層TEC的時間序列及其異常判定的上下邊界，可以發現在大部分時刻TEC都處在上下邊界之間，這表示該時間段的TEC處于正常水平，但是某些時刻TEC明顯超出了邊界，如震前的26d、20d、13d，其具體異常值如2(b)所示，在震前26d、13d處TEC異常幅度達到8TECU，震前20d處也有明顯正異常，另外震前7～9d內也有間斷的異常，對比圖1的太陽及地磁活動異常探測結果，發現TEC異常的大部分時間內，太陽或地磁活動都有異常出現，震前20d和震前4～9d的地磁活動有異常現象，另外震前后幾天內，太陽活動強度明顯降低，因此震前26d和震前13d的電離層異常較為特殊，本文選取這兩天的電離層異常進行分析，判斷其是否與地震電離層效應有關.

3VTEC異常全球分布

圖3給出了3月19日(震前26d)的全球TEC異常分布圖，UTC 02:00時，全球絕大部分地區電離層很平靜，只有少部分地區有輕微擾動，幅度約為1 TECU，震中區域無異常現象；UTC 04:00時，震中東南方向有異常現象發生，約在中國南海區域，擾動幅度2～3 TECU，同時異常緩慢向西移動；UTC 06:00時，異常到達中國東南部地區，異常現象明顯增大，幅度達到6 TECU以上，同時對應的磁共軛區也有異常出現，但范圍幅度較小，主要分布在澳大利亞西北部海域，異常幅度約為3～4 TECU；至UTC 08:00時，異常現象達到最大值，主要分布在中國南部地區，約為80°～120°E，10°～30°N，異常幅度達到6 TECU以上，南半球對應的磁共軛區異常現象也明顯增大，主要分布在85°～140°E，5°～15°S的狹長區域，異常幅度約為4～5 TECU；UTC 10:00時，異常明顯減小，震中西南區域約有2～3TECU的擾動，對應磁共軛區的異常幾乎消失，至UTC12:00時，震中附近區域異常全部消失。此次異常主要持續時間為4h，主要出現在當地時間的14:00～18:00,有明顯的地震電離層擾動特征，除了震中區域及其磁共軛區的TEC異常，全球還有些地方電離層有異常現象，但幅度很小，基本可以忽略，結合圖1和圖2的太陽地磁情況，可以確定該天的電離層異常與地震有關。

((a)UTC02:00; (b)UTC04:00; (c)UTC06:00; (d)UTC08:00;(e)UTC10:00;(f)UTC12:00.黑色五角星為震中位置)圖3 2010年3月19日 02:00～12:00(UTC)的全球TEC異常分布

圖4給出了4月1日的TEC全球異常分布圖，可以清楚的看出異常的變化過程.UTC 02:00時，異常開始出現，位于震中的東南方向，異常幅度較低，約為3 TECU，此后異常幅度開始增大并向西移動；UTC 04:00時，異常接近震中地區，異常幅度約為4 TECU，分布在震中東南部地區，與此同時，其對應的磁共軛區也有明顯異常，分布在澳大利亞西北部海域；UTC 06:00時，異常進一步加強，到達震中地區，范圍覆蓋中國南部地區，最大異常值達到6 TECU以上，對應的磁共軛區的異常范圍也有所擴大；至UTC 08:00時，異常的范圍和幅度達到了最大值，異常移動到震中的西南部，范圍覆蓋中國南部及南亞大陸，范圍約在55°～110°E, 20°～38°N，長度比約為3∶1，峰值點位于75°E，31°N，異常達到8 TECU，同時對應的磁共軛區異常范圍和幅度也有擴大現象，異常幅度達到5 TECU，但總體來說，異常范圍和幅度小于震中附近地區電離層異常；UTC10:00，異常繼續向西移動，且逐漸減弱，主要分布在南亞大陸，異常幅度約為4 TECU，并且對應磁共軛區的異常也開始逐漸減弱，至UTC 12:00時，震中地區的異常基本消失.

((a)UTC02:00; (b)UTC04:00; (c)UTC06:00; (d)UTC08:00;(e)UTC10:00;(f)UTC12:00.黑色五角星為震中位置)圖4 2010年4月1日 02:00～12:00(UTC)的全球TEC異常分布

此次電離層異常持續了大約8小時，主要異常時段出現在當地時間的11:00～17:00，震中附近地區及其對應的磁共軛區電離層都出現異常現象，但總的來說，磁共軛區的異常較小，并且震中地區的電離層異常與地震中心并不嚴格對應，而是處于靠近震中偏向赤道的一側.在該天中，除了震中區域存在的電離層異常現象，全球其它地方也存在著一些低幅度的異常擾動，絕大部分異常值的絕對值小于2 TECU，與震中附近區域的電離層異常擾動幅度相差較大，所以這些異常并不是由孕震期間地球的構造變化引起的，如圖1所示，該天的地磁有異常降低現象，所以這可能與該天的地磁活動異常偏低有關.

4結束語

本文通過CODE提供的全球電離層TEC數據，利用滑動四分位距功法探測了玉樹地震前的電離層異常變化，結果表明，玉樹地震前確實存在地震-大氣層-電離層效應，震前26d和13d的震中附近區域的電離層會有異常擾動，汶川地震前也有這種情況發生，這也和其他研究人員的結論較為一致[10-11],在3月19日，TEC異常主要持續4h，異常幅度約為6 TECU，在4月1日發生的電離層異常，持續時間約8h，最大異常值達到8TECU以上，這可能與臨震時間有關。同時這兩次異常的范圍和幅度比較明顯，異常幅度約是其它地區異常擾動的三倍，結合當天的太陽及地磁活動情況，可以判定這兩次電離層異常可能是玉樹地震的前兆之一.

致謝：感謝歐洲定軌中心(CODE)提供的GIM，感謝中科院空間中心提供的地磁和太陽輻射數據.

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