基于GPS和DEMETER衛星數據的地震電離層電子濃度異常變化研究

閆相相

（中國地震局地質研究所，北京100029）

基于GPS和DEMETER衛星數據的地震電離層電子濃度異常變化研究

閆相相

（中國地震局地質研究所，北京100029）

地震電磁現象的觀測與研究是認識地球內部物質特性、地震孕育發生過程以及空間信號傳播和介質特性變化的重要途徑。空間對地觀測技術的發展，推動了地震電磁信號在大氣層、電離層的傳播與耦合機制的研究。從20世紀60年代發現美國阿拉斯加大地震震中區上空出現電離層異常擾動現象以來，有關地震空間電磁、電離層擾動的現象引起了廣泛的關注，成為地震電磁學領域一個新的研究熱點。研究表明，在地震孕育發生過程中，地下介質由彈性變形進入非彈性形變階段，原有微裂隙擴展、新生微裂隙發育并定向排列，體積膨脹，水溶液進入和重新分布等物理過程，產生壓磁、壓電、動電、感應電磁、熱磁效應等物理電磁效應的同步和定向激發，從而引起在距離震源一定范圍內可觀測的明顯地震電磁前兆現象。大量的震例和統計分析顯示，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擾動現象。主要包括：①LF／VLF／ELF／ULF信號相位、振幅異常變化；②電離層電子濃度總含量（total electron content，TEC）和電離層F2層臨界頻率foF2異常；③電離層等離子體參數變化；④高能粒子擾動；⑤熱紅外輻射異常等。

全球定位系統（Global Positioning System，GPS）作為當前探測電離層的有效手段已經得到廣泛應用，通過其獲取的電離層TEC則是揭示電離層時空變化規律和特征的重要物理參量。2000年以來，俄羅斯、美國、法國、烏克蘭等國先后發射了地震電磁衛星，尤其是法國DEMETER衛星，其科學數據被廣泛地應用于地震電離層擾動研究，取得了極大進展。中國的地震電磁監測試驗衛星（China Seismo-Electromagnetic Satellite，CSES）計劃已經列入“十二五”立項。

本論文依托地震電磁立體觀測體系發展思路，配合中國地震電磁衛星計劃的推進，開展了基于DEMETER衛星和GPS數據的地震空間電磁電離層擾動現象的研究。本文研究內容主要可分為3大部分：①研究GPS測量電離層TEC的原理，掌握電磁衛星數據處理方法和異常提取技術；開展DEMETER衛星各載荷數據處理及異常提取方法研究。②分別針對汶川地震、日本地震和玉樹地震開展了震前電離層擾動的多參數分析，研究和對比了3次強震前電離層異常的特征；分別利用DEMETER衛星數據和GPS數據統計分析了全球7．0級以上強震和中國境內6．0級以上強震期間的電子濃度異常變化規律；針對我國西南地震多發區，開展伴隨著多次地震的電離層TEC長時間序列分析，深化對地震電離層異常擾動的研究。③調研和總結目前地震電離層耦合模擬的最新成果，詳細闡述孕震區擾動電場（seisomogenic electrostatic field，SEF）的計算過程，分析其對電離層的效應。

本文研究工作獲得以下主要認識：

（1）汶川地震的電離層擾動多參數分析結果表明，震前多種參量都出現了一定程度的擾動現象，不同參數在時間和空間上的擾動特征并不一致，但這些參數之間存在相應的聯系。

利用GPS TEC、DEMETER衛星和NOAA／AVHRR衛星的觀測數據，系統梳理了汶川地震前多種參數（包括電離層TEC、Ne、Ni、Tb、Ti以及高能粒子通量等）的變化特征，探索總結了汶川地震前大氣層-電離層響應。結果表明，電離層電子濃度在5月6—10日有連續的負異常現象，5月9日則明顯增強；異常的范圍主要位于震中南部區域，南北向約1 100～ 1 670 km，東西向約1 600～3 700 km，擾動的峰值距震中約700～900 km。NOAA／AVHRR衛星數據得到汶川地震前5月7日和8日出現了顯著的熱紅外亮溫異常，而DEMETER衛星的原位探測則發現5月9日離子溫度有明顯增高，幅度約12．5%；以上異常區域都位于震中西北，范圍約100～300 km。此外，DEMETER衛星IDP探測器高能粒子數據結果顯示5月6日夜間100～600 KeV能譜段出現明顯增強，增幅達6σ；這與前人得到的異常電場增強時間相一致。研究結果表明，不同參數在時間和空間上的擾動特征并不一致，但這些參數之間存在相應的聯系，因此有必要聯合地基和天基手段共同觀測。

（2）日本地震和玉樹地震的電離層電子濃度變化研究結果表明，震前TEC都出現了不同程度的增強現象，而異常同時可能受到太陽或地磁活動的共同作用。

利用IGS（International GNSS Service）提供的TEC數據和日本NICT提供的電離層測高儀數據，分析了2011年3月11日日本MW9．0特大地震（Tohoku-oki earthquake）前上空的電離層變化。研究發現，震前3天即3月8日04～14時（UT）期間，赤道異常區電離層TEC出現了明顯的增強現象，異常最大幅度達40TECU，并伴隨有南半球磁共軛區增強現象。日本境內的4個電離層測高儀數據分析顯示，3月8日4個臺站同時出現了foF2增強現象，其中Okinawa和Yamagawa 2個站增幅明顯。需要指出，3月6—12日太陽活動水平有所增強，可見太陽和地磁活動對3月8日大幅度的TEC擾動有所貢獻。然而，分析表明，僅僅是太陽活動增強無法造成如此強度的電離層擾動，即無論從持續時間、空間分布特征以及異常強度等方面都表明，以上TEC變化跟此次大地震有很大的關系。

同時，綜合GPS和DEMETER衛星2種觀測手段研究了玉樹地震前的電離層等離子體參量變化情況。結果表明，GPS觀測的電離層TEC在震前20 h左右有明顯的增強現象，TEC增強的區域位于震中南部15°N～30°N范圍內，擾動的峰值距震中約1 000 km。TEC增強區域顯示為典型的EIA增強現象，與汶川和日本地震前觀測到的TEC空間擾動特征較為一致。通過對DEMETER衛星IAP和ISL載荷記錄的電離層等離子體參數時序變化和空間緯度變化分析，沒有發現明顯的跟地震相關的擾動現象。以上也表明了2種觀測手段由于測量電子濃度的方式不同，其觀測結果存在一定的差別。

（3）DEMETER衛星數據統計全球強震期間電子濃度Ne變化結果表明，在赤道和中低緯地區更容易觀測到明顯的Ne擾動，震級大小則與擾動幅度基本呈正相關。基于GPS數據全國強震期間TEC變化統計分析結果則表明，TEC異常擾動多集中在震前2～6天，同樣以增強為主，且集中在地方時12～20時。

基于法國DEMETER衛星ISL升軌數據，統計分析了2005—2009年全球37個M≥7．0地震前后的電離層電子濃度變化。結果發現，共有19個地震（51%）前觀測到了較為明顯的電子濃度異常擾動現象，其中大部分表現為異常增強；觀測到的電子濃度異常現象一般出現在震前1～5天內，也有部分地震前出現2次及以上擾動現象。分析表明，在赤道和中低緯地區更容易觀測到明顯的電子濃度擾動，即異常震例基本發生在緯度±40°以內（18次），更是以±20°內居多（13次）。此外，震源深度對電子濃度擾動的影響并不明顯，而震級大小則與擾動幅度基本上呈正相關；震前出現的電子濃度異常有時會受到地磁活躍的共同影響，此時的擾動幅度一般較大。

基于GPS數據統計分析了2000—2010年期間中國境內（包括臺灣地區）30次MW6．0以上地震的TEC異常擾動情況，結果表明，20次地震（66．7%）前觀測到了較為明顯的TEC異常擾動，擾動以增強為主；擾動多集中在震前2～6天，而且具有明顯的地方時特點，擾動一般集中在地方時12～20時，一般平均持續4～6 h，有的地震可以持續幾天。震前電離層TEC異常的空間變化主要表現為對電離層赤道異常雙峰（EIA）的影響上，不但會增強或降低峰值位置的電子濃度值，而且會造成駝峰最大值位置向磁赤道方向偏移。

（4）通過對中國西南地震多發區以及“檢驗區”電離層TEC變化長時間序列分析結果表明，電離層是一個復雜的系統，受到太陽、地磁以及地震活動等因素影響，其擾動具有多源性。

通過中國地殼運動網絡提供的GPS觀測數據，獲取了高精度電離層TEC分布，采用滑動四分位法分析研究了中國西南區域2008年4—10月（太陽和地磁活動平靜時段）6次連續MW6．0以上地震期間孕震區電離層TEC長時間變化及其異常分布；并在此基礎上利用GIM（Global Ionosphere Maps）數據分析了全球TEC變化特征。鑒于電離層主要受到太陽和地磁等空間天氣的影響，我們將TEC變化與太陽EUV（extreme ultraviolet）輻射、行星際磁場（interplanetary magnetic field，IMF）南向分量Bz以及地磁活動指數Dst和Kp進行了比較。研究發現，該時段內電離層TEC異常擾動與太陽和地磁活動有很好的相關性；而除汶川地震外，其他地震前沒有發現明顯的跟地震相關的TEC異常擾動現象。同時，對比分析了與上述研究區位于同一地磁緯度的“檢驗區”（30°～50°E，15°～35°N）的GPS TEC隨時間變化和異常分布情況，結果顯示，TEC異常分布的時空特征與研究區域較為一致。結果表明，電離層是一個復雜的系統，其擾動具有多源性。

（5）通過對地震電離層耦合機理研究初探，認識到電離層TEC在SEF的作用下出現明顯變化，在赤道向（longitude equatorward）較為明顯。

介紹了電離層電流和電導率張量以及電離層O＋光化學作用的數學物理方程，總結了孕震區擾動電場的數學模型及公式推導。結果表明，夜間擾動電場更容易傳播到電離層，這與觀測現象相一致。擾動電場向上傳播至電離層F層高度，導致電離層電子濃度變化。結果顯示，電離層TEC在SEF的作用下出現明顯變化，而在赤道向上更為明顯，這同樣也與觀測現象一致。

地震-電離層；全球定位系統（GPS）；DEMETER衛星；電子濃度總含量（TEC）；異常信息；統計分析；孕震區電場

（作者電子信箱，閆相相：ahuyanxiang＠gmail．com）

P315．72；

A；

10．3969／j．issn．0235-4975．2014．07．013