2019 年印度尼西亞Mw7.1 地震震前電離層擾動分析

李 帥，李仲勤，寇瑞雄，李 偉,2

（1.蘭州交通大學 測繪與地理信息學院/地理國情監測技術應用國家地方聯合工程研究中心/甘肅省地理國情監測工程實驗室，蘭州 730070；2.蘭州交通大學 土木工程學院，蘭州 730070）

0 引言

地震作為經常發生的惡性自然災害，破壞性大且難以預測。地震孕育過程非常復雜，與地球表面質量、內部運動和微觀過程有關。目前地震預報手段主要從地質和統計角度出發，但受當前技術和方法的限制，無法從地球內部直接觀測地震孕震過程，導致地震預測十分困難，因此研究地震前兆信息變得尤為關鍵。1964 年阿拉斯加地震后，文獻[1]首次捕捉到地震與電離層擾動之間存在關聯，為地震前兆信息的探索提供了新思路。電離層是指距離地表60～1 000 km 左右，處于部分電離或完全電離狀態的大氣層。全球衛星導航系統（global navigation satellite system, GNSS）雙頻接收機可以精確測量出信號路徑上電離層的總電子含量（total electric content, TEC），一般用總電子含量單位(total electron content units, TECU)來度量TEC 的多少，1 個TECU 等于1016個電子/平方米。TEC 變化代表電離層總體的活動水平。文獻[2]通過全球定位系統（global positioning system, GPS）數據解算，得到孕震地區的TEC 值并探測樣例地震，結果顯示，TEC 在震前發生顯著下降，且異常區域呈現共軛結構。文獻[3]統計分析了全球736 個、震級在6.0 以上的地震，討論了震前電離層異常與地震的相關性，且異常發生的概率同震級和震源深度有關。文獻[4]采用時間序列模型，以預測值為標準來界定異常，得到了異常發生頻率與臨震時間呈負相關的結論。文獻[5]分析了2001—2014年全球震幅7.0 級以上的淺源地震，結果表明，一場地震中，TEC 異常呈現正負2 種形式，震前TEC異常中，正異常出現的比例要大于負異常，并且可能出現在同一天。

本文以世界協調時（coordinated universal time,UTC）2019 年7 月14 日9:10:51 發生在印度尼西亞（0.59°S,128.03°E）的7.1 級地震為例，結合空間環境數據，分析震前電離層TEC 擾動異常及時空分布特征。此次地震位于環太平洋及亞歐地震帶交界處，震源深度19 km，屬走滑斷層（strikeslip fault, SSF）機制的淺源地震（震源深度不大于100 km），根據文獻[3]，淺源地震更易于觸發TEC的異常擾動。一般地震是由斷層滑動引起，就地震表面變化而言，其特征包括水平和垂直位移。通常認為，垂直地殼位移會產生聲波引起電離層擾動[6]，這導致許多學者忽略了水平位移較多的SSF 地震引起電離層擾動的可能性。如文獻[7]關注到了電離層對不同震源機制響應的差異性，卻并未將SSF類型納入其中。文獻[8-9]中探測了多個SSF 地震對電離層的同震效應且均探測到較強的擾動，但對震前電離層擾動方面未做討論。因此選擇該樣例對特定淺源SSF 地震震前電離層擾動現象進一步分析。

1 數據來源

采用國際GNSS 服務組織（International GNSS Services, IGS）發布的全球電離層圖（global ionosphere map, GIM）。該組織自1998 年開始，發布時間間隔為2 h、空間分辨率為5°（經線）×2.5°（緯線）的全球垂直總電子含量（vertical total electron content, VTEC）格網數據。強震孕震區范圍經驗公式[10]為

式中：R 為孕震區半徑；N 為震級。

7 級以上地震的孕震區范圍約為1 000 km（經度跨度10°），遠大于GIM 數據分辨率，因此GIM數據擁有足夠的精度進行異常探測。采用插值法可得到震中及周圍格網點TEC 的時間序列。TEC變化主要受地磁和太陽輻射影響，為此引用京都世界地磁數據中心發布的磁暴環電流指數Dst 及行星性等效日幅度Ap 指數作為地磁影響參考[11]。磁赤道上每隔1 段經度跨度設置1 個地磁臺，地磁臺每小時的水平強度變化均值即為Dst 指數。Ap 值是指3 h 磁情指數Kp 線性化后的日均值。太陽輻射以美國國家海洋和大氣管理局發布的輻射通量F10.7 作為參考依據[12]。

2 異常數據提取

為排除空間天氣的干擾，確定TEC 異常不是由高太陽輻射或地磁風暴所引起。需使用太陽輻射流量F10.7、地磁指數Dst 及Ap 等日地空間環境參數，對太陽和地磁活動進行描述。

表1 為各環境指數所對應的活動水平，分為低中高3 個區間，以此依據判斷當日日地環境活動水平。

表1 各區間日地空間環境指數對應的活動水平

表1 中：sfu（solar flux unit）為太陽通量單位，1 個sfu=1×10－22W·m－2·Hz－1

根據經驗，如果當日F10.7＞150 個sfu，則從分析中刪除這一天[13]。在任何時候|Dst|＞ 40 nT 當天和以下 3 d 也排除[5]，根據文獻[14]，KP＞2+（Ap＞9）時定義當日發生中等磁擾，故AP＞9 時也排除當天的異常。

圖1 為2019-06-30—2019-07-14 的環境指數。

圖1 2019-06-30—2019-07-14 的環境指數

由圖1 可知：除2019 年7 月9 日和7 月10 日之外，DST 指數活動區間為-40 nT≤DST≤40 nT；Ap 指數活動區間為Ap＜9 nT；F10.7 指數活動區間為60 個sfu≤F10.7≤70 個sfu 之間，電離層平靜，可排除地磁及太陽活動引起的電離層異常情況。7 月9 日和7 月10 日Ap＞9 nT，認為當日發生中等地磁擾動，因此這2 d 的異常可能由地磁擾動所引起。國內外研究成果表明，震前TEC 異常主要發生于震前2 個星期以內[15]，本文選取震前29 d的TEC 作為數據源，其中前15 d 作為背景值，后14 d 作為研究對象，使用滑動4 分位法判斷異常。該方法為傳統4 分位法和滑動時窗法的結合，彌補了4 分位法本身上下界沒有時序性的不足。4 分位法即將不同日期同一時刻的觀測序列按從大到小的順序依次排列，將其4 等分提取數列的中位數M、上分位U 及下分位L，并依此來進行上界UB和下界 LB的確定，即：

式中： UB為觀測序列上界，若觀測值高于UB則判定其為正異常； LB為觀測序列下界，觀測值低于LB判斷其為負異常；K 值為系數，它用來控模型的敏感度，根據經驗一般K 取1.5，K 值越大模型對異常值的敏感度越低。

滑動時窗法需先選取滑動窗口的長度T，而后得出窗口內觀測值的平均值X 及標準差σ ，X 即為參考背景值，再以2 倍標準差作為誤差判定的上下界[16]。這種以平均值作為參考值的方法實質是高通濾波器，可過濾掉周期小于窗口長度的誤差[17]。但窗口長度過長會導致帶寬增加，從而受到季節性限制。

滑動4 分位法即取震前太陽地磁活動平靜的15 d 作為初始滑動窗口，滑動中值為背景值，為閾值進行判定。得到后一天的TEC上下邊界，再依次向后滑動時間窗口，直至地震當日，即可得到震前14 d 的TEC 上下邊界。

分析圖2 可知：在2019 年7 月1 日4:00 UTC、7 月2 日的6:00 UTC 及7 月7 日的4:00 UTC時，TEC 發生明顯正異常，峰值達4.34 個TECU；在2019 年7 月11 日4:00 UTC 時，TEC 發生負異常而后轉為正異常，時長達6 h；2019 年7 月13 日4:00 UTC 時，TEC 發生明顯負異常，正異常峰值達4.34 個TECU，異常幅度27.27%，負異常峰值達-4.61 個TECU，異常幅度25.69%；2019 年7 月9 日和7 月10 日各發生不同程度的正異常。

圖2 震前14 d TEC 相對于上下界的偏離值（豎線代表地震發生時刻）

綜上所述，震中上空在震前第3 天（7 月11 日）前，異常屬性主要以正異常為主，2019 年7 月11 日發生正負異常交替現象，之后異常屬性轉為負異常。異常集中發生在2:00—10:00 UTC 之間。

3 空間異常分布

僅僅使用滑動4 分位法，雖可檢測震中TEC異常，卻無法直觀反映由地震引起的空間TEC 異常分布情況。考慮到地震發生地點位于赤道的特殊性，及易受赤道異常影響等因素，因此當震中TEC 發生顯著異常時，對震中及附近區域進行TEC異常判定，可得出當日區域TEC 異常分布圖。當一點 TEC 值相對其背景值的變化率(ΔTEC/TEC ×100% )超過25%時，判定該點TEC 異常。為避免局部強異常混在全球性弱異常之中被排除，另選取37.5%、50%作為閾值對局部強異常進行篩選，綜合分析異常的空間分布。為排除與地震無關的異常，定義以下異常判定標準：

1）若連通的異常區域包含研究區域邊界網格，則剔除該異常；

2）連通的異常區域質心坐標與震中或震中磁共軛點距離緯度超15°，經度超60°則剔除該異常；

3）剔除連通區域經緯度跨度過小（經度跨度小于10°，緯度跨度小于7.5°）或過大（經度跨度大于60°，緯度跨度大于30°）的異常。選擇經度范圍（70°E～170°E）、緯度范圍（30°S～50°N）為研究區域。提取出震中顯著異常日即2019 年7 月1 日、7 月2 日、7 月7 日、7 月9 日、7 月10 日、7 月11 日及7 月13 日這7 d 的區域網格異常數據，按2 h 時間間隔作異常分布圖。另外雖經滑動4 分位法提取到7 月2 日和7 月10 日震中TEC 出現顯著異常，但經上述方法判別后此2 d 圖中全天無與地震有關異常發生，其中：7 月2 日是由赤道異常或天氣原因引起的TEC 異常，根據7 月10 日地磁指數，當日震中異常是由地磁擾動所引起。以上2 d的TEC 異常與地震無關，因此下文對剩余5 d 的TEC 異常進行分析。圖3 為利用15 個地磁平靜日各網格測量得到的TEC 中值（即背景值）所作的電離層圖，黑色五角星代表震中位置，圓形代表震中對應磁共軛點，為后續TEC 變化提供參考。

如圖4 所示為2019 年 7 月1 日TEC 異常情況， 只 是 在 2:00 UTC 時， 20°N～47.5°N 和130°E～150°E 出現正異常，TEC 變化率峰值達32%；在 4:00 UTC 時，異常區域隨時間向西偏移至15°N～32.5°N 和110°E～150°E，TEC 變化率最大值增加到47.6%；在6:00 UTC 時，分別在20°N～42.5°N和90°E～130°E，7.5°S～20°S 和95°E～125°E 出現2 處正異常分布，且在空間上呈共軛結構，TEC 變化率最大值為53.8%，隨后至8:00 UTC 時，異常消失。

圖3 地磁平靜日區域電離層圖

圖4 基于滑動差分法獲取的2019 年7 月1 日異常日孕震區電離層圖

分析圖5 為2019 年 7 月7 日TEC 異常情況。在 4:00 UTC 時，震中及磁共軛點上空分別在0°S～15°S 和 135°E～145°E，及 20°N～27.5°N 和120°E～160°E 出現正異常，TEC 變化率峰值達47.5%。隨后異常區域向西遷移，強度減弱至8:00UTC 消失。在10:00 UTC 時，孕震區西部再次出現共軛結構的強正異常，異常分布于 2.5°S～17.5°S 和75°E～110°E，以及20°N～35°N 和80°E～110°E，TEC 最大變化率為76.7%。在14:00 UTC時，15°N～22.5°N 和80°E～125°E 出現局部正異常。異常范圍呈現先增大后減小趨勢，持續至 20:00 UTC 消失，TEC 最大變化率達39.1%。

圖5 基于滑動差分法獲取的7 月7 日異常日孕震區電離層圖

圖6 所示為2019 年7 月9 日TEC 異常情況。在6:00 UTC 時，20°N～30°N 和120°E～130°E 出現局部正異常，TEC 變化率最大值為30.6%。在8:00 UTC 時，異常范圍增大至北緯（22.5°N～35°N 和100°E～135°E，TEC 變化率最大值為36.9%；同時在其共軛區出現小范圍正異常分布。

分析圖7 為2019 年7 月11 日TEC 異常情況。在6:00 UTC 時，5°S～15°S 和75°E～105°E 以及17.5°N～30°N 和75°E～125°E 有局部負異常出現，TEC 變化率最大值達42.6%。在8:00 UTC時，2 處異常分別移至2.5°S～12.5°S 和75°E～90°E以及20°N～35°N 和75°E～105°E 處，TEC 變化率最大值為42.6%；隨后至10:00 UTC 時，異常消失。

圖6 基于滑動差分法獲取的7 月9 日異常日孕震區電離層圖

圖7 基于滑動差分法獲取的7 月11 日異常日孕震區電離層圖

由圖8 可得： 2019 年7 月13 日，在6:00 UTC時， 震 中 及 磁 共 軛 點 西 側-12.5°S～5°S 和90°E～120°E 以及20°N～30°N 和95°E～115°E 出現局部負異常，TEC 變化率峰值為43.9%；在8:00 UTC 時，2 處異常分別向西移至-17.5°S～2.5°N 和80°E～115°E，以及20°N～30°N 和85°E～110°E 處，TEC 變化率最大值增加至48.2%；在10:00 UTC 時，2 處異常移至-12.5°S～0°N 和 75°E～105°E 以及20°N～27.5°N 和75°E～95°E 處，TEC 變化率最大值減小至40.6%；隨后在12:00 UTC 時，異常消失。

圖8 基于滑動差分法獲取的7 月13 日異常日孕震區電離層圖

根據文獻[18-19]，震前孕震區會釋放氡氣等氣體使地表大氣層發生電離，并被水分子阻止了離子重組，隨著大量氣體的釋放，地表離子濃度增強并形成異常電場。電場進入F 層后，離子受電場和重力波等因素的影響，電子濃度產生異常，并沿磁力線傳播，因此導致TEC 擾動現象發生。不過單一的電場機制目前無法解釋全部的電離層擾動現象，還需要在未來的研究中對其進行補充，不斷完善。

4 結束語

本文以印度尼西亞（0.59°S,128.03°E）矩震級（moment magnitude scale, MW） 7.1 級地震為例，使用震前14 d 的TEC 觀測數據，通過設置上下界判定震中位置的TEC 異常，再對震中區域上空電離層擾動時空分布特征分析，得出以下結論：

1）震中在2 個星期時間內，共出現7 次明顯異常，分別在2019 年7 月1 日、7 月2 日、7 月7 日、7 月9 日、7 月10 日、7 月11 日和7 月13 日。其中5 次為正異常，1 次為負正交替及1 次為負異常。另外震前第12 天（7 月12 日）和第4 天（7 月10 日）異常由天氣和地磁擾動引起。因此地震引發的電離層異常發生于震前2 個星期內，呈現出正異常轉負異常的特性：正異常峰值達4.34 個TECU，異常幅度27.27%；負異常峰值達4.61 個TECU，異常幅度為25.69%。

2）在震中區域上空電離層擾動時空分布分析中，多日有局部異常發生。震前第5 天（7 月9 日）之前以正異常為主，震前第3 天（7 月11 日）后轉為負異常，與震中格網點異常分析所得結果一致。從時序方面，異常主要發生時間段在2:00—10:00 UTC 之間。異常區域運動軌跡自東向西，在增強過程中轉化為共軛結構。

本次研究所得結論部分與前人一致，不同的是發現了異常屬性由正轉負的特點且有自東向西偏移的趨勢。對于擾動最明顯區域的位置分析并未得出明確原因，有學者認為孕震區產生附加電場引起磁赤道方向的電子擾動[20]，本文震中所在位置接近磁赤道，故偏移并不明顯，這也是下一步要做的工作。目前，地震-大氣層-電離層耦合關系并沒有統一的解釋說明，針對特定斷層機制引發的地震前電離層擾動信息的探測可幫助人們更好地理解并佐證這一學說，也為后面的工作例如推測電離層擾動源等做了鋪墊。同時提取出的異常特征也可作為地震前兆信息與其他地質、生物等手段相結合而共同應用于地震預報工作當中。

致謝：感謝IGS 中心提供的電離層TEC 數據、美國國家海洋與大氣管理局提供的F10.7 數據及日本京都地磁中心提供的Dst 和Ap 指數。