2010年墨西哥M7.2地震前電離層VTEC異常響應(yīng)初探

童楊津，聞德保，舒 敏

2010年墨西哥M7.2地震前電離層VTEC異常響應(yīng)初探

童楊津1，2，聞德保1，2，舒 敏1，2

(1.長沙理工大學 交通運輸工程學院，長沙 410114；2.現(xiàn)代公路交通基礎(chǔ)先進建養(yǎng)技術(shù)湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙 410114)

針對震前震區(qū)上空電離層擾動是否受到地震活動影響這一難點，提出了一種組合式電離層擾動時空分析法。基于該方法，在震中附近設(shè)置了一個監(jiān)測點A(32.5°N，115°W)及相近地磁緯度的兩個參考點B(32.5°N，100°W)和C(32.5°N，55°E)，運用滑動四分位距法的雙重檢測標準分別檢測了上述三點垂直總電子含量(VTEC)的時序變化。結(jié)合空間天氣情況分析出最有可能與地震活動相關(guān)的異常時段，并提取出了上述異常時段的VTEC空間異常分布，結(jié)果顯示在該異常時段地震孕育區(qū)及其附近上空電離層出現(xiàn)了持續(xù)的正異常擾動現(xiàn)象。最終研究表明：4月4號出現(xiàn)的VTEC異常與本次地震孕育活動有關(guān)，且異常峰值主要集中于震中東、南側(cè)。

Mexico地震；垂直總電子含量(VTEC)；滑動四分位距法；電離層擾動

0 引言

地震是一種重大的自然災害，由于其復雜性使地震預報成為全球性的難題。自1964年美國阿拉斯加大地震發(fā)生時發(fā)現(xiàn)電離層擾動后[1]，地震電離層擾動前兆研究逐漸成為研究熱點，但目前仍處于初級階段，需作進一步探究。此前國內(nèi)外學者對此進行了大量研究：文獻[2]通過一些案例證實了異常電場對電離層的影響；文獻[3]提出了一種新的區(qū)域性變化指數(shù)，利用該方法發(fā)現(xiàn)震前5～10 d的電離層總電子含量(total electron content，TEC)有所提高，震后回到正常狀態(tài)；文獻[4]調(diào)查了1993～2002年期間印尼M≥5.9的震例，發(fā)現(xiàn)震前2～7天電離層TEC有顯著下降；文獻[5]結(jié)合空間天氣指數(shù)，利用最大電離層電子濃度NmF2及TEC等參數(shù)分析2008年汶川地震電離層擾動情況，得出5月3號與9號的電離層異常為地震電離層響應(yīng)信號；文獻[6]利用全球電離層圖(global ionosphere map，GIM)的垂直總電子含量(vertical total electron content，VTEC)格網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析了1998～2012中國區(qū)域56個M≥6.0的地震震前電離層擾動情況，結(jié)果顯示震前2～9 d每日下午TEC均有顯著下降。然由于地震電離層響應(yīng)機理尚不明晰，電離層變化特性及影響因素有待進一步研究，其他學者對地震電離層擾動持有保留意見及不同看法。文獻[7]研究了2008年太陽活動低潮期日本M>6.8的5個震例，認為很難找出電離層異常與地震的相關(guān)聯(lián)系。文獻[8]分析了1999年加利福尼亞州Hector Mine地震，結(jié)果顯示TEC異常與本次地震無關(guān)。文獻[9]對2010年全球發(fā)生的M7.0+的7個地震進行了時空分析，研究表明有5個震例出現(xiàn)了明顯異常且與地震相關(guān)，而其中的2月27號的智利(Chile)M8.8地震與4月4號的墨西哥(Mexico) M7.2地震需進一步分析。

針對上述狀況，對地震電離層擾動存在分歧尤其是震前空間天氣相對平靜、大震級的震例進行深入研究顯得尤為重要。因此，本文選定2010-04-04發(fā)生于Mexico的M7.2地震(發(fā)震時刻為22：40UT，震中為32.297°N，115.278°W)作為本次研究的震例。為辨別電離層擾動因素，在排除震前15 d M≥5的其他地震影響的情況下，選取了震中附近的一個監(jiān)測點和與其相近地磁緯度的兩個參考點，運用滑動四分位距法的雙重檢測標準對上述三點的VTEC時間序列進行了異常檢測；結(jié)合空間天氣及Dst異常檢測情況分析出最有可能與地震孕育活動相關(guān)的異常時段，并針對所得異常時段作了進一步的VTEC空間擾動分析。研究結(jié)果表明地震當天出現(xiàn)的VTEC異常與本次地震孕育活動相關(guān)，但異常主要集中于震中東、南兩側(cè)。

1 數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析

1.1 數(shù)據(jù)選取

為研究震前電離層響應(yīng)機制，本文選取了歐洲定軌中心(the Center for Orbit Determination in Europe，CODE)提供的GIM VTEC格網(wǎng)數(shù)據(jù)。考慮到上述格網(wǎng)數(shù)據(jù)時間間隔及空間分辨率較大等問題，同時引入了美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)和SWPC聯(lián)合提供的美國地區(qū)的總電子含量(United States total electron content，USTEC)格網(wǎng)數(shù)據(jù)(空間分辨率1°(經(jīng)度)×1°(緯度)，時間間隔15 min)作補充分析。在空間天氣方面，利用F10.7、Dst、Kp等指數(shù)反映震前30 d太陽活動及地磁狀況。

1.2 數(shù)據(jù)分析

本文以15 d同一時刻的待檢觀測數(shù)據(jù)作為滑動背景值，利用滑動四分位距法[10]作為地震電離層異常檢測方法，具體形式如為

IQR=Q3-Q1

(1)

UB=Q2+k·IQR

(2)

LB=Q2-k·IQR

(3)

式(1)～式(3)中，Q1、Q2、Q3 分別為某一待檢時刻數(shù)據(jù)及其前15d同一時刻數(shù)據(jù)(共16d)排序后獲取的第一、第二和第三四分位數(shù)，UB與LB分別為上下邊界，k為倍常數(shù)，其大小決定篩選異常信號門檻的高低(k取1時，假設(shè)檢測的數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，UB、LB利用均值(mean)μ和標準差σ可約表示為μ±1.34σ；k取1.5時則可約表示為μ±2σ)。當觀測值超過上下邊界，即認定該時刻出現(xiàn)異常。

圖1給出了震前1～29日及地震當日共30 d的F10.7、Dst及Kp等指數(shù)變化情況，總體狀況表明該30 d的空間天氣相對平靜。為排除地磁活動相對平靜條件下地磁活動差異引起的電離層異常對檢測結(jié)果產(chǎn)生干擾，利用滑動四分位距法對3月21號至4月4號的Dst進行了相應(yīng)檢測[11](倍常數(shù)k取1.5)，結(jié)果顯示25號出現(xiàn)了正異常，28號、1～3號出現(xiàn)了負異常。同時，為區(qū)分小磁暴、太陽輻射等因素是否對地震區(qū)域上空電離層異常檢測產(chǎn)生干擾，顧及震前1～15日全球M≥5的其他地震影響，選取了震中附近的一個格網(wǎng)點A(32.5°N，115°W)作為監(jiān)測點，同時選取與其相近地磁緯度的點B(32.5°N，100°W)和點C(32.5°N，55°E)作為參考點，如圖2所示，其中B點處于地震孕育區(qū)之外，估計的孕育區(qū)范圍由公式R=100.43M[12](R為孕育區(qū)半徑，M為矩震級)獲取。

圖1 空間天氣指數(shù)，黑色/灰色陰影為Dst上/下界異常

圖2 地震相關(guān)信息分布圖

圖3(a)及圖3(b)分別展示了利用傳統(tǒng)上下界(倍常數(shù)k取1)及增加置信水平后(倍常數(shù)k取1.5)的A、B、C三點的VTEC時序檢測結(jié)果，其中圖3(a)的A點檢測結(jié)果顯示25～26號、2～3號及4號均出現(xiàn)連續(xù)的異常，而B點在上述相同時間段也有異常情況出現(xiàn)，C點的連續(xù)異常主要集中于29號與3～4號等兩個時段。提高檢測方法的可信度后，如圖3(b)所示，A、B、C在上述異常時間段仍有異常出現(xiàn)，證實了上述異常時段確實存在擾動。結(jié)合Dst異常時刻，初步判定25～26號、2～3號的A點VTEC異常與地磁活動相關(guān)，而4號A點的VTEC異常與地震是否相關(guān)需作進一步分析。

為此，圖4給出了4號期間A點VTEC異常時刻及其相鄰時刻的5幅全球VTEC異常圖。圖中顯示世界時(universaltime,UT)2∶00時地震孕育區(qū)未出現(xiàn)異常情況，至UT4∶00，地震孕育區(qū)內(nèi)及其外東側(cè)均出現(xiàn)了正異常且異常一直持續(xù)至UT8∶00，而在其他區(qū)域未出現(xiàn)類似持續(xù)異常的情況。從圖3(a)中B點的VTEC時序檢測結(jié)果可以看出，異常時間增至UT10∶00。由于持續(xù)的異常時段在當?shù)靥幱谝雇恚栽摦惓Ｎ词芴栞椛溆绊憽Ｍ瑫r，在相近磁緯雖有VTEC異常區(qū)的出現(xiàn)，但均以一定速度向西運動，未持續(xù)停留在某一區(qū)域，可以斷定持續(xù)的異常與太陽、磁暴無關(guān)。

(a)倍常數(shù)k取1；(b) 倍常數(shù)k取1.5圖3 A、B、C三點VTEC異常時序檢測，黑色/灰色陰影為VTEC上/下界異常

考慮到GIMVTEC格網(wǎng)數(shù)據(jù)的空間分辨率及時間間隔較大等問題，利用NOAA/NCEI提供的USTEC格網(wǎng)數(shù)據(jù)作進一步補充。圖5給出了4月4號UT4∶00前后時間間隔1h的震區(qū)VTEC異常

圖4 全球VTEC異常圖

圖5 震區(qū)VTEC異常圖

情況。由圖5可知，震區(qū)的VTEC異常出現(xiàn)在UT3∶30～UT3∶45，異常范圍超過地震孕育區(qū)，且集中于震中南側(cè)。至UT3∶45～UT4∶00，VTEC異常區(qū)向震中靠攏，異常峰值增大。到了UT4∶00～UT4∶15，該異常區(qū)一分為二，出現(xiàn)于震中南北向，異常峰值集中于南側(cè)且南側(cè)VTEC異常部分與前一時段相比出現(xiàn)了南移的趨勢，之后幾個時段VTEC異常主要集中震中東南側(cè)，異常峰值均處于地震孕育區(qū)范圍之外。

由于文獻[12]提供的地震孕育區(qū)范圍公式主要基于震區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力、地表變形以及周圍的內(nèi)含物等，而中性風、壓力梯度、洛侖磁力和重力等因素極易運輸電離層電漿(主要有正離子、電子、原子和分子等物質(zhì)組成)，在其作用下高速移動下的電漿與地震孕育區(qū)產(chǎn)生的電磁場相互反應(yīng)可使異常擴大[13]，因而該地震孕育區(qū)范圍公式并不完全適用于地震電離層擾動的范圍[14]。圖4～5展示的該地震孕育區(qū)東側(cè)未發(fā)現(xiàn)漂移的VTEC異常區(qū)的靠近，因而判斷地震孕育區(qū)東南兩側(cè)的異常只是局部區(qū)域的VTEC異常變化。綜合前述一系列分析，認定4月4號出現(xiàn)的VTEC正異常與地震孕育活動相關(guān)。文獻[9]的研究結(jié)果顯示本次地震未發(fā)現(xiàn)明顯VTEC異常，主要由于其根據(jù)震中點的VTEC異常持續(xù)時間判定異常的有無，再考慮是否進一步作空間分析，而本文研究表明持續(xù)的異常主要集中于震中東、南側(cè)，未處于震中。

2 結(jié)束語

本文利用GIMVTEC格網(wǎng)數(shù)據(jù)及USTEC格網(wǎng)數(shù)據(jù)，采用滑動四分位距法作為異常檢測法。為排除地磁活動相對平靜條件下由地磁活動差異引起的電離層擾動，對地震當天及震前1～14d的Dst進行了相應(yīng)檢測，在排除震前15dM≥5的其他地震影響的情況下選取了兩個相近磁緯的參考點與震中附近的監(jiān)測點作對比，對震前電離層進行了時空分析。結(jié)果表明4月4號震中東、南側(cè)持續(xù)出現(xiàn)的VTEC正異常擾動與本次地震孕育活動相關(guān)。

致謝：作者衷心感謝USGS(UnitedStatesGeologicalSurvey) 、CODE(TheEuropeanCenterforOrbitDetermination) 及WDC(WorldDataCenter)分別提供的地震信息、GIMVTEC格網(wǎng)數(shù)據(jù)和空間天氣數(shù)據(jù)，同時特別感謝NOAA/NCEI的RobRedmon博士提供的USTEC格網(wǎng)數(shù)據(jù)以及湖南省研究生科研創(chuàng)新項目的資助。

[1]LEONARDRS，BARNESRA.ObservationofIonosphericDisturbancesFollowingtheAlaskaEarthquake[J].JournalofGeophysicalResearch，1965，70(5)：1250-1253.

[2]PULINETSSA，LIUJY.IonosphericVariabilityUnrelatedtoSolarandGeomagneticActivity[J].JournalofGeophysicalResearch，2004(9)：1926-1933.

[3]PULINETSSA，KOTSARENKOAN，CIRAOLOL，etal.SpecialCaseofIonosphericDay-to-dayVariabilityAssociatedwithEarthquakePreparation[J].AdvancesinSpaceResearch，2007，39(5)：970-977.

[4]SARMOKOS，LIUJY，HATTORIK，etal.IonosphericGPSTECAnomaliesandM≥5.9EarthquakesinIndonesiaDuring1993-2002[J].TerrestrialAtmospheric&OceanicSciences，2008，19(5)：481-488.

[5]ZHAOBi-qiang，WANGMin，YUTao，etal.IsanUnusualLargeEnhancementofIonosphericElectronDensityLinkedwiththe2008GreatWenchuanEarthquake?[J].JournalofGeophysicalResearch，2008，113(A11)：1-5.DOI：10.1029/2008JA013613.

[6]LIUJY，CHENCH，TSAIHF，etal.AStatisticalStudyonSeismo-ionosphericAnomaliesoftheTotalElectronContentforthePeriodof56M≥6.0EarthquakesOccurringinChinaDuring1998-2012[J].ChineseJournalofSpaceScience，2013，33(3)：258-269.

[7]ASTAFYEVAE，HEKIK.VerticalTECoverSeismicallyActiveRegionDuringLowSolarActivity[J].JournalofAtmosphericandSolar-terrestrialPhysics，2011，73 (13)：1643-1652.

[8]THOMASJN，LOVEJJ，KOMJATHYA，etal.OnTheReportedIonosphericPrecursorofthe1999HectorMine，CaliforniaEarthquake[J].GeophysicalResearchLetters，2012，39(6)：1-6.DOI：10.1029/2012GL051022.

[9]YAOYi-bin，CHENPeng，ZHANGShun，etal.AnalysisofPre-earthquakeIonosphericAnomaliesBeforeTheGlobalM=7.0+Earthquakesin2010[J].NaturalHazardsandEarthSystemSciences，2012，12(3)：575-585.

[10]FUJIWARAH，KAMOGAWAM，IKEDAM，etal.AtmosphericAnomaliesObservedduringEarthquakeOccurrences[J].GeophysicalResearchLetters，2004，31(17)：1-6.DOI：10.1029/2004GL019865.

[11]LIWang，GUOJin-yun，YUXue-min，etal.AnalysisofIonosphericAnomalyPrecedingtheMw7.3YutianEarthquake[J].GeodesyandGeodynamics，2014，5(2)：54-60.

[12]DOBROVOLSKY I P，ZUBKOV S I，MIACHKIN V I，et al.Estimation of the Size of Earthquake Preparation Zones[J].Pure and Applied Geophysics，1979，117(5)：1025-1044.

[13]SU Y C，LIU J Y，CHEN S P，et al.Temporal and Spatial Precursors in Ionospheric Total Electron Content of the 16 October 1999 Mw7.1 Hector Mine Earthquake[J].Journal of Geophysical Research：Space Physics，2013，118(10)：6511-6517.

[14]SU Y C，LIU J Y.Reply to Comment by F.Masci and J.N.Thomas on “Temporal and Spatial Precursors in Ionospheric Total Electron Content of The 16 October 1999 Mw7.1 Hector Mine Earthquake”[J].Journal of Geophysical Research：Space Physics，2014，119(8)：6998-7004.

The Discussion on Anomalous Response of Ionospheric VTEC before 2010 M7.2 Mexico Earthquake

TONGYang-Jin1，2，WENDe-Bao1，2，SUMin1，2

(1.School of Traffic and Transportion Engineering，Changsha University of Science & Technology， Changsha 410114，China； 2.Co-Innovation Center for advanced construction and maintenance technology of modern transpotation infrastructural facility，Changsha 410114，China)

A combined spatial-temporal analysis for ionospheric anomalies is proposed due to the difficulty whether pre-earthquake ionospheric anomalies over the earthquake zone are caused by the seismicity or not.Based on the approach above，the sliding interquartile range method with double checking standard was employed to detect vertical total electron content(VTEC) time series of monitoring point A(32.5°N，115°W) near the epicenter and reference point B(32.5°N，100°W) and C(32.5°N，55°E) which are similar to point A in geomagnetic latitude.Combined with space weather conditions，the most likely abnormal period related to seismic activity has been achieved，and then spatial VTEC anomalies have also been sucessful extracted in the period of abnormal time above and the results show that the positive anomalies appear continually over the earthquake preparation zone and its nearby.Final research shows that positive anomalies over the earthquake preparation zone and its nearby on April 4 are related to the seismic activity and the VTEC anomalous peaks mainly concentrate in the east and south of the epicenter.

Mexico earthquake；vertical total electron content(VTEC)；sliding interquartile range method；ionospheric anomalies

童楊津，聞德保，舒敏.2010年墨西哥M7.2地震前電離層VTEC異常響應(yīng)初探[J].導航定位學報,2015,3(3):117-121+131.(TONG Yang-Jin,WEN De-Bao,SU Min.The Discussion on Anomalous Response of Ionospheric VTEC before 2010 M7.2 Mexico Earthquake[J].Journal of Navigation and Positioning,2015,3(3):117-121+131.)

10.16547/j.cnki.10-1096.20150323.

2015-05-18

國家自然科學基金(41174001)，湖南省杰出青年基金(14JJ1021)，教育部科學技術(shù)類項目(213028A)，湖南省教育廳重點項目(12A002)，湖南省研究生科研創(chuàng)新項目(CX2015B350)。

童楊津(1990—)，男，江西玉山人，碩士生，主要從事基于GNSS的電離層研究。

聞德保(1974—)，男，河南光山人，教授，主要從事電離層層析成像、GNSS氣象學和無線電掩星技術(shù)等方面的研究。

P228

A

2095-4999(2015)-03-0117-05