九寨溝7.0級(jí)地震前電離層TEC異常分析

張明敏，劉智敏,2，劉 盼，從建鋒

(1.山東科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590;2.海島(礁)測(cè)繪技術(shù)國(guó)家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590)

地震是一種突發(fā)性的地質(zhì)災(zāi)害,它會(huì)對(duì)震區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)造成巨大的損害。如何能夠準(zhǔn)確及時(shí)地預(yù)報(bào)地震以減少人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失，已逐漸得到世界各國(guó)學(xué)者的重視。自1964年Barnes等[1]首次發(fā)現(xiàn)電離層異常擾動(dòng)與地震之間存在著相關(guān)聯(lián)系以來(lái)，電離層擾動(dòng)逐漸成為地震前兆信息研究熱點(diǎn)之一。1971年，Antsilevich等發(fā)現(xiàn)1966年Tashkentd Ms7.5地震震區(qū)上空存在電離層TEC增加現(xiàn)象[2]。Pulinets等通過(guò)對(duì)10年內(nèi)震區(qū)數(shù)天前電離層變化作時(shí)間序列分析，提出了由地震引起的電離層擾動(dòng)特征[3]。Calais等利用GPS數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)1994-01-17 Northridge地震后30 min內(nèi)出現(xiàn)電離層TEC異常擾動(dòng)現(xiàn)象[4]。近年來(lái)，由于GNSS技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得電離層TEC異常更加廣泛地運(yùn)用于地震預(yù)報(bào)領(lǐng)域[5-9]。鄒斌等利用主成分分析法和滑動(dòng)四分位法分析了震級(jí)大于Ms7.0(玉田地震，日本地震，汶川地震，玉樹(shù)地震)震前電離層TEC的異常特征[10]。除了中值法，平均值法等傳統(tǒng)的電離層TEC分析方法外，張小紅等利用ARIMA模型提出一種震前電離層TEC異常探測(cè)新方法，使得TEC背景值的探測(cè)精度高于傳統(tǒng)方法[11]。Thampisv等利用層析觀測(cè)技術(shù)分析了日本上空夏季夜間電離層擾動(dòng)現(xiàn)象[12]。姚宜斌等利用GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)分析研究了2011年3月11日日本地震前電離層TEC異常變化，認(rèn)為震前3天出現(xiàn)的電離層異常可作為地震前兆[13]。Guo等通過(guò)對(duì)2012年4月11日的蘇門答臘地震和墨西哥地震對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)電離層異常擾動(dòng)與地震強(qiáng)度，臨震時(shí)間及震源深度有關(guān)[14]。郭文玲等提出了一種能夠同時(shí)獲取不同區(qū)域電離層傳播模式特性的電離層聯(lián)合探測(cè)體制,為未來(lái)研究電離層擾動(dòng)與地震的相關(guān)性提供了一種新思路[15]。

2017-08-08 T21:19，四川省九寨溝縣發(fā)生7.0級(jí)地震，震中位于33.2°N，103.82°E，震源深度約20 km。截至2017-08-13 T 20:00，地震造成25人死亡，同時(shí)給當(dāng)?shù)卦斐蓢?yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。本文采用滑動(dòng)四分位距法，結(jié)合太陽(yáng)與地磁場(chǎng)活動(dòng)指數(shù)，分析九寨溝地震前后電離層TEC的變化狀態(tài)及其時(shí)空特性，為以后的地震預(yù)測(cè)工作提供可靠信息。

1 數(shù)據(jù)及分析方法

本文采用IGS提供的全球電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行電離層異常分析，該數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率為2 h，空間分辨率為5°(經(jīng)度)×2.5°(緯度)。有研究表明：震前電離層異常區(qū)域并不與震中正上空電離層區(qū)域一致，而是會(huì)偏離震中一定距離[17]。因此，選取震源所在單元格網(wǎng)的4個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)的震前16 d至震后3 d的TEC時(shí)間序列，震中位置及格網(wǎng)點(diǎn)分布情況如圖1所示，其中點(diǎn)A,B,C,D的坐標(biāo)分別為(100°E，35°N)、(105°E，35°N)、(100°E，32.5°N)、(105°E，32.5°N)。此外，太陽(yáng)活動(dòng)和地磁場(chǎng)的變化也會(huì)引起電離層電子含量濃度異常，因此，為排除空間環(huán)境因素對(duì)電離層異常探測(cè)的影響，本文對(duì)美國(guó)航空航天局提供的太陽(yáng)射電通量F10.7和日本京都地磁數(shù)據(jù)中心提供的磁暴時(shí)變化指數(shù)Dst及全球地磁活動(dòng)指數(shù)Kp等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。F10.7主要反應(yīng)太陽(yáng)對(duì)地球上的高層氣體加熱效應(yīng)，按其大小分為強(qiáng)(F10.7>150 SFU)、中(100 SFU

為了彌補(bǔ)平均值法和中位數(shù)法的缺陷，劉正彥教授提出了四分位距法[18]。該方法是將數(shù)值從小到大排序后分為4等份，每一等份分占四分之一，等分點(diǎn)根據(jù)其數(shù)值大小分為上四分位(Q1)，中位數(shù)(Q2)和下四分位(Q3)。假設(shè)排序后的數(shù)值為X1，X2，…，Xl，則四分位距的各項(xiàng)參數(shù)如下：

(1)

(2)

其中，k為常倍數(shù)，IQR為四分位距，LB為上邊界，UB為下邊界。當(dāng)觀測(cè)值超過(guò)上下邊界時(shí)，則認(rèn)為對(duì)應(yīng)時(shí)段出現(xiàn)TEC異常。本文選擇15 d作為時(shí)間窗口，即分析每天的數(shù)據(jù)時(shí)取其前14 d及該天的同一時(shí)刻的TEC組成一組時(shí)間序列，則Q1=X4，Q2=X8，Q3=X12，上下邊界定義為：LB=Q2+1.5·IQR，UB=Q2-1.5·IQR，觀測(cè)值大于上邊界為正異常，小于下邊界稱為負(fù)異常。

2 電離層異常分析

2.1 TEC時(shí)間序列分析

本文提取了震前16 d至震后3 d的TEC時(shí)間序列作為分析范圍。圖2依次給出了格網(wǎng)點(diǎn)A，B，C，D的TEC時(shí)間序列和變化異常，圖中顯示4個(gè)探測(cè)點(diǎn)的變化趨勢(shì)具有良好的一致性。從震前7 d開(kāi)始每一個(gè)探測(cè)點(diǎn)上空的TEC峰值有明顯增加，且震前第4 d的TEC峰值均高于其它時(shí)段。大部分時(shí)間的TEC時(shí)間序列都在上下邊界之內(nèi)，而震前11～14 d出現(xiàn)負(fù)異常，震前3～5 d出現(xiàn)正異常，且在震前13 d和震前4 d峰值擾動(dòng)異常強(qiáng)烈。4個(gè)探測(cè)點(diǎn)均在震前4 d出現(xiàn)正異常峰值，其中觀測(cè)點(diǎn)A達(dá)到最大值約4TECU，隨著距震中距離的減小，4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的峰值也減少，而在震前13 d出現(xiàn)的負(fù)異常峰值中距離震中最近的D點(diǎn)則達(dá)到1.7TECU，大于其余3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)負(fù)異常峰值。A觀測(cè)點(diǎn)震前14 d開(kāi)始出現(xiàn)負(fù)異常，震前13 d負(fù)異常達(dá)到最大值，約1.7TECU，震前11～14 d共出現(xiàn)了5次負(fù)異常，震前5 d開(kāi)始出現(xiàn)正異常直至震前3 d結(jié)束。

圖2 2017-07-23—2017-08-11震中周圍格網(wǎng)點(diǎn)TEC時(shí)間序列及異常變化圖

距離震中最近的B點(diǎn)在震前11～14 d出現(xiàn)3次負(fù)異常，最大值約1TECU，且B點(diǎn)的正負(fù)異常峰值均小于其它3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。另外，4個(gè)觀測(cè)點(diǎn)均在地震當(dāng)天出現(xiàn)幅度較小的負(fù)異常，負(fù)異常值在0.2～0.6TECU之間，震后1 d出現(xiàn)幅度較小的正異常，正異常值在0.1～0.6TECU之間。

為了判斷震前某一時(shí)段的TEC異常是否由地震引起的，需結(jié)合對(duì)應(yīng)時(shí)段的空間環(huán)境狀況綜合分析該時(shí)段TEC產(chǎn)生異常的原因[19]。圖3依次給出了2008-07-23—2008-08-11的太陽(yáng)射電通量F10.7，地磁Dst指數(shù)和地磁Kp指數(shù)的時(shí)間序列。由圖3可知，震前16 d至震后3 d F10.7指數(shù)較為穩(wěn)定且均未超過(guò)100SFU，表明整個(gè)時(shí)段內(nèi)太陽(yáng)輻射較弱。震前11～14 d Dst指數(shù)大于-30 nT， Kp指數(shù)除了震前13 d短時(shí)間內(nèi)等于4.0，其余均小于4.0，說(shuō)明有較弱的地磁擾動(dòng)，則這幾天的TEC異常與地磁活動(dòng)存在一定的聯(lián)系，是否由孕育區(qū)地震引起的還需從空間角度進(jìn)一步研究。震前4 d Kp指數(shù)未超過(guò)4.0，但該天的Dst指數(shù)出現(xiàn)明顯波動(dòng)，最小時(shí)小于-30 nT，是整個(gè)時(shí)段地磁活動(dòng)最強(qiáng)的一天，極可能發(fā)生了弱磁暴，所以可初步認(rèn)為該天的電離層異常是由地磁的劇烈活動(dòng)引起的，是否與孕育區(qū)地震有關(guān)也需要進(jìn)一步分析。地震當(dāng)天，Dst指數(shù)大于-30 nT，Kp指數(shù)更是小于3，可見(jiàn)該天太陽(yáng)活動(dòng)與地磁活動(dòng)均很平靜，可判定該天的TEC異常是由孕育區(qū)地震引起的。

圖3 2017-07-23—2017-08-11 Dst，Kp，F(xiàn)10.7指數(shù)變化

2.2 TEC空間分布異常分析

區(qū)分地震擾動(dòng)與磁暴等活動(dòng)的一個(gè)很重要的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為電離層TEC異常是否具有局地性特征[19]。為了進(jìn)一步分析震前13 d和震前4 d TEC異常是否與此次地震有關(guān)，本文分別給出了這兩天經(jīng)度50°E-150°E，緯度0°N-50°N范圍內(nèi)電離層異常圖。

震前13 d 6:00—16:00UT間隔2 h的TEC異常情況如圖4所示，其中紅色五角星為震中位置，由圖4可知在6:00—10:00UT期間，震中東部出現(xiàn)了明顯的正異常，其中6:00UT時(shí)異常幅度在8～10TECU，隨后正異常向震中移動(dòng)并且異常值逐漸增大，在8:00UT達(dá)到峰值，最大異常值約12TECU，10：00UT時(shí)正異常逐漸減弱直至消失。14:00UT時(shí)在震中西南方向出現(xiàn)了負(fù)異常，與8:00UT時(shí)的正異常相比，14:00UT的負(fù)異常區(qū)域更大，異常程度卻有所減小，至16：00UT時(shí)負(fù)異常逐漸擴(kuò)散直至消失。這一天TEC異常現(xiàn)象(包括正異常與負(fù)異常)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，且只出現(xiàn)在震中區(qū)域附近，而在其他地方?jīng)]有出現(xiàn)明顯的異常，因而可以認(rèn)為震前13 d的電離層異常是此次地震的前兆。

圖4 震前13 d(2017-07-26)TEC異常分布(紅色五角星為震中位置)

震前4 d 6:00—16:00UT間隔2 h的TEC異常情況如圖5所示，其中紅色五角星為震中位置，由圖5可知在8:00UT之前，整個(gè)區(qū)域中絕大部分的電離層很平靜，只有在震中東南方向出現(xiàn)了微弱的電離層異常，異常值為3TECU左右。10:00UT時(shí)在震中西部開(kāi)始出現(xiàn)明顯的電離層異常，此后，隨著異常區(qū)域不斷向外擴(kuò)散的同時(shí)異常值也顯著增加，尤其到了12:00UT時(shí)，電離層異常達(dá)到峰值為15TECU左右。同時(shí)，在震區(qū)以南及東北方向也出現(xiàn)了明顯的正異常。此時(shí)異常區(qū)域覆蓋了整個(gè)分析區(qū)域的絕大部分。12:00UT之后，電離層異常迅速減弱消失。此次電離層異常較震前13 d強(qiáng)，具有全域性，異常時(shí)間反而明顯縮短，結(jié)合圖3，可知震前第4 d時(shí)地磁活動(dòng)劇烈，因此可斷定震前4 d出現(xiàn)的電離層異常與地磁活動(dòng)有關(guān)。

3 結(jié)束語(yǔ)

利用IGS提供的全球電離層格網(wǎng)數(shù)據(jù)采用滑動(dòng)四分位距法對(duì)九寨溝地震前后進(jìn)行電離層TEC時(shí)間序列分析，發(fā)現(xiàn)從震前7 d開(kāi)始震區(qū)內(nèi)的TEC明顯增加，尤其是震前4 d(2017-08-04)的TEC峰值異常高，幅度達(dá)到23TECU左右。震前13 d、震前4 d和地震當(dāng)天電離層出現(xiàn)明顯異常。結(jié)合空間環(huán)境因素(Dst,F10.7,Kp指數(shù))，進(jìn)一步得出地震當(dāng)天電離層出現(xiàn)0.4TECU左右的負(fù)異常可排除太陽(yáng)活動(dòng)與地磁活動(dòng)的影響，與此次地震的孕育活動(dòng)有關(guān)。震前13 d和震前4 d出現(xiàn)TEC異常的同時(shí)，地磁活動(dòng)也比較活躍，基于此現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步從空域角度分析這兩天的電離層TEC異常分布情況得出：震前13 d出現(xiàn)的負(fù)異常可以排除地磁活動(dòng)的影響，認(rèn)為是此次地震前兆信息之一，而震前4 d出現(xiàn)的正異常是由地磁劇烈活動(dòng)引起的，并不能作為此次地震的預(yù)報(bào)信息。雖然電離層異常可以作為地震預(yù)報(bào)依據(jù)之一，但由于電離層異常的多態(tài)性以及時(shí)空不確定性，要想提高通過(guò)電離層異常預(yù)報(bào)地震的時(shí)間、空間和強(qiáng)度等準(zhǔn)確程度還需大量針對(duì)性的研究。

圖5 震前4 d(2017-08-04)TEC異常分布(紅色五角星為震中位置)