2020年3月西藏改則M S≥5.0地震震前電離層異常特征

劉 江，黃雪影，楊 力，何福秀，姚賢良

（四川省地震局，四川 成都 610041）

震前電離層異常擾動是近年來地震監測預報的研究熱點。大量研究結果表明，由地震引起的電離層異常變化確實存在，強震（MS≥5.0）發生前數天到數小時內可能會發生電離層異常擾動，其異常變化具有明顯的短臨特性（Liuetal，2000；Pulinets，2009）。由于地震短臨預報的困難性，地震－電離層預報模式逐漸成為地震監測預報新的研究方向。國內外研究人員對此進行了深入的研究，地震－電離層效應基礎理論及電離層異常觀測手段等方面均取得了重大進展。在地震－電離層耦合機理方面，目前還處于定性分析階段，其理論解釋主要分為聲重波機制和異常電場機制。其中，聲重波機制主要以同震和震后效應為主，異常電場機制主要以震前效應為主。后者能較好地解釋震前電離層異常擾動現象，認為地震孕育過程中，由地表巖石破裂引起的一系列復雜的物理化學反應，產生大氣電場異常，進而疊加作用于電離層，引起電離層電子濃度、電子溫度等參量的顯著變化（Pulinetsetal，2000；Sorokinetal，2001；Kuoetal，2011）。在電離層異常觀測手段方面，地基電離層探測技術已被廣泛應用于地震前兆研究。電離層垂直電子濃度總含量（VTEC）和電離層F2層臨界頻率（foF2）作為電離層特性的重要參量得到研究人員的廣泛關注（何宇飛等，2020）。其中，VTEC可通過GNSS臺站觀測數據反演獲取，foF2可通過電離層測高站觀測獲取。隨著科技水平的提高，地基電離層探測技術為地震－電離層異常擾動觀測提供了大量可靠的、高精度的觀測證據。研究結果表明，強震（MS≥5.0）發生前，上述參量可能會出現不同程度的異常變化（張學民等，2014；劉靜等，2014），多參量同步分析可為地震－電離層異常擾動判識提供佐證，對于強震頻發地區的震情判定具有重要意義。

青藏高原地區地形復雜，新生代以來（～50 Ma）區域構造活動劇烈，強震活動頻繁，一直以來都是研究人員關注的焦點。2020年3月西藏改則縣連續發生了2次MS5.0及以上地震（見表1），時間間隔兩天，震中位置相距約5 km，構成震群型序列，余震活動豐富（王月等，2020）。本文從時間和空間尺度對兩次地震發生前后電離層多個參量的演化特征進行分析，驗證電離層異常變化與地震孕育發生的相關性，以期為震前電離層異常效應、地震－電離層監測預報提供震例參考。

表1 2020年3月西藏改則M S≥5.0地震目錄（北京時間LT）

1 數據處理及異常檢驗

1.1 數據處理

本文選取中國地殼運動觀測網絡（簡稱“中國陸態網絡”）GNSS觀測數據、四川樂山垂測站foF2觀測數據，分析2020年3月10日、12日西藏改則MS5.0、MS5.1地震震前電離層異常擾動特征。

（1）采用中國陸態網絡70個均勻分布的GNSS基準站2020年2月5日至3月20日西藏改則地震前后觀測數據，選擇球諧函數作為電離層VTEC的擬合模型，建立大規模高精度格網電離層模型（林劍等，2009；蔡華等，2014），利用Bernese軟件解算處理（Dachetal，2015），獲取中國區域電離層VTEC格網數據（經緯度分辨率1°×1°，時間分辨率2 h），分析地震前后震中及附近區域電離層VTEC變化。

（2）采用震中附近區域GNSS基準站（圖1）相同時間段觀測數據，通過單站點VTEC解算（王澤民等，2016；熊波，2012）獲取地震前后站點上空VTEC數據（時間分辨率15 min），分析地震前后震中附近區域站點上空VTEC時間序列變化。

圖1 震中區域GNSS站點分布

（3）選取四川樂山垂測站foF2相同時間段觀測數據（時間分辨率15 min），分析地震前后四川樂山垂測站上空foF2時間序列變化（劉江等，2020）。

1.2 異常檢驗

選用滑動四分位距法提取電離層VTEC、foF2異常信息，選取前15天相同時刻的觀測值求取相應四分位距（IQR）及中位數（M），確定異常檢驗倍數（N），建立上／下邊界閾值M±N×IQR，觀測值超出上或下邊界即視為異常，高于上邊界為正異常，低于下邊界為負異常。

此外，從二維空間分布上獲取西藏改則地震前后區域電離層VTEC異常分布，計算方法如下：

其中ΔTEC為VTEC異常擾動變化量，L1和L2分別為VTEC背景上、下邊界閾值，K為待分析時刻VTEC數據。站點VTEC、foF2時間序列變化計算方法同上。

2 資料分析

2.1 空間活動性分析

電離層變化受太陽活動、地磁等空間環境影響，表現出顯著的季節性和周日性變化規律。因此，剔除空間環境變化對電離層的影響對于分析震前電離層異常與地震發生的相關性顯得尤為重要。其中，赤道環電流地磁指數（Dst）、全球地磁活動指數（KP）和極光帶電急流強度指數（AE）用于反映地磁變化，太陽射電通量（F10.7）用于反映太陽活動。本文選取2020年2月20日至3月20日西藏改則地震前后共30天內Dst、KP、AE、F10.7指數變化（圖2），其中紅色直線為指數閾值（F10.7＝120 sfu、KP＝4、Dst＝－30 nT、AE＝500 nT）。從圖2可以看出，F10.7指數在整個時段內穩定在70～80 sfu之間，表明太陽活動對電離層影響相對較小；Dst、KP和AE指數3月19日異常較為明顯，可能伴隨磁暴及亞暴事件發生，其余時段地磁活動對電離層影響相對較小。

2.2 VTEC數值分析

根據中國區域VTEC格網數據（經緯度分辨率1°×1°），選用滑動四分位距法提取電離層VTEC異常信息，異常檢驗倍數N＝3，獲取西藏改則地震前后區域ΔTEC數值空間分布（圖3、圖4）。結果發現2020年3月9日和3月11日西藏改則震中附近區域ΔTEC數值空間分布均出現顯著正異常。從圖3和圖4中可以看出，3月9日和3月11日震中上空附近區域電離層ΔTEC顯著增強，其變化趨勢基本一致，06∶00 UT（14∶00 LT）達到最大，震中均位于異常區域的上邊緣，異常持續時間約為4 h。結合空間活動指數變化（圖2）發現，3月9日空間活動指數F10.7為71 sfu，KP最大值為2，Dst最小值為－7 nT，AE最大值為195 nT；3月11日空間活動指數F10.7為71sfu，KP最大值為1.7，Dst最小值為4 nT，AE最大值為78 nT。所有指數結果均正常，未超過閾值，因此空間環境變化對這兩天的電離層數值影響均不明顯。

圖2 2020年2月20日至3月20日空間參數時序曲線變化

圖3 2020年3月9日02∶00～08∶00 UT區域ΔTEC值分布

圖4 2020年3月11日02∶00～08∶00 UT區域ΔTEC值分布

由于太陽活動和地磁變化引起的電離層擾動具有行星特征，而地震引起的電離層異常具有局部性特征，且擾動幅度較小。因此，結合區域ΔTEC值空間分布，3月9日和3月11日出現的電離層異常擾動可能與地震有關。

2.3 站點VTEC時間序列分析

VTEC異常分布可以反映區域電離層異常變化趨勢，但其異常分布范圍較大，時間分辨率較低，無法準確展示震中區域電離層異常擾動變化。為了獲取高時間分辨率VTEC數據，并從時間尺度分析電離層異常擾動與西藏改則地震發生的相關性，本文通過單站點GNSS數據解算獲取震中附近區域站點VTEC數據（時間分辨率為15 min），選用滑動四分位距法提取電離層VTEC異常信息，異常檢驗倍數為N＝3，連續異常檢驗時長為2 h，分析西藏改則地震前后震中附近區域站點VTEC時間序列變化。圖5～6分別給出了2020年2月20日至3月20日西藏區域、川滇區域GNSS站點VTEC時間序列變化。從圖5可以看出，西藏昂仁（xzar）、亞東（xzyd）和察隅（xzcy）3個站3月9日和3月11日VTEC正異常顯著。其中，3月9日05∶45UT（13∶45 LT）西藏亞東VTEC擾動幅度最大，ΔTEC最大值為11.3 TECU，超出四分位上閾值的58%，3月11日06∶15UT（14∶15LT）西藏察隅VTEC擾動幅度最大，ΔTEC最大值為14.4TECU，超出四分位上閾值的65%，其余時段均未出現明顯異常。從圖6可以看出，四川甘孜（scgz）、理塘（sclt），云南麗江（ynlj）、姚安（ynya）4個站3月11日VTEC正異常顯著。其中，3月11日06∶45UT（14∶45 LT）四川理塘VTEC擾動幅度最大，ΔTEC最大值為17.0 TECU，超出四分位上閾值103%，其余時段均未出現明顯異常。結合震中區域GNSS站點分布（圖1），西藏昂仁、亞東站點距離震中位置最近，3月9日站點VTEC異常擾動顯著，其余站點由于距離較遠，異常擾動相對不明顯。3月9日和3月11日異常擾動出現后，隨即分別發生了西藏改則MS5.0、MS5.1地震，其短臨特征明顯。

圖5 2020年2月20日至3月20日西藏區域站點VTEC時間序列

圖6 2020年2月20日至3月20日川滇區域站點VTEC時間序列

2.4 站點fo F2時間序列分析

為驗證震前電離層異常與西藏改則地震發生的相關性，并與VTEC異常分布和站點VTEC時間序列進行對比。本文選取四川樂山垂測站點foF2觀測數據，選用滑動四分位距法提取電離層foF2異常信息，異常檢驗倍數N＝1.5，連續異常檢驗時長為2 h，獲取四川樂山站點foF2時間序列，其中黑色垂線表示西藏改則地震發生時刻。從圖7可以看出，地震發生前3月9～11日樂山站點foF2時間序列均有異常擾動發生。其中，3月9日14∶00LT foF2擾動幅度最大，ΔfoF2最大值為1.9 MHz，超出四分位上閾值的29%，3月11日15∶00LT foF2擾動幅度最大，ΔfoF2最大值為2.4 MHz，超出四分位上閾值的33%，其它時段異常變化均不明顯。該分析結果與VTEC異常分布和站點VTEC時間序列基本吻合。

圖7 2020年2月20日至3月20日四川樂山站點f0F2時間序列

綜合以上分析，2020年3月9日和3月11日電離層VTEC異常分布、站點VTEC時間序列及站點foF2時間序列均出現顯著的正異常，且異常具有明顯的獨立性、局地性特征，滿足地震－電離層異常判定標準。然而，通過查看震例信息發現，2020年3月20日09∶33 LT西藏日喀則市定日縣發生了MS5.9地震（震中28.63°N，87.42E°），與西藏改則震中距離約500 km。從發震時間上看，電離層異常擾動出現在西藏定日地震前9～11 d，根據前人的震例統計結果，震前電離層異常顯著出現在震前一周；從發震地點上看，西藏定日與西藏改則震中位置相距較遠，且西藏定日地震為孤立型地震（張小濤等，2020），與西藏改則地震無明顯相關性。因此，本文認為3月9日和3月11日電離層異常擾動與西藏改則MS5.0、MS5.1地震的孕育相關性較大，與西藏定日MS5.9地震無直接相關性。

3 討論與結論

西藏改則震區位于青藏高原西部地區，羌塘地塊南緣，震中附近地球物理觀測臺站分布稀疏，地球物理監測能力及觀測資料有限。本文通過對2020年3月10日西藏改則MS5.0、3月12日MS5.1地震發生前后電離層VTEC異常分布、站點VTEC時間序列變化和站點foF2時間序列變化對比分析，得到以下結論：

（1）電離層VTEC異常分布顯示3月9日和3月11日04∶00～08∶00 UT（12∶00～16∶00 LT）震中附近區域均出現顯著的正異常，異常持續時間約4 h，異常變化趨勢基本一致，震中均位于異常區域的上邊緣，臨震電離層異常擾動向磁赤道方向偏移，異常特征與地震－電離層耦合特征一致。站點VTEC時間序列和站點foF2時間序列觀測到了同步異常，與VTEC異常分布結果基本吻合。鑒于該異常擾動變化在時間及空間上與2020年3月10日、3月12日西藏改則MS5.0、MS5.1地震關系密切，本文認為其與西藏改則地震具有一定的相關性，可能是地震前兆異常，同時進一步佐證了地震－電離層耦合局部性、集中性和顯著性特征。

（2）西藏日喀則、阿里地區處于印度板塊常年向歐亞板塊俯沖的交界處，2020年3月西藏改則MS5.0、MS5.1、西藏定日MS5.9地震作為中強地震，并未超出該區域常態化背景水平。然而，3月10日、3月12日西藏改則MS5.0、MS5.1地震構成震群型序列，其余震活動豐富，并于5月22日、23日在余震區再次發生MS4.8、MS4.7地震，震前電離層異常擾動可能與西藏改則孕震過程中地震破裂帶的物理、化學反應有關。3月20日西藏定日MS5.9地震作為孤立型地震，余震活動水平不高，最大余震強度為MS3.4，震前電離層異常擾動并不明顯。震前電離層異常擾動是否與地震序列類型有關，是否與地震能量釋放過程有關，目前仍然缺乏直接的證據。地震發生過程非常復雜，地震孕育期、臨震前、主震及余震中的電離層異常擾動機理還需要深入研究。

（3）震前電離層多參量同步分析可為地震－電離層異常擾動判識提供更多證據，排除單一性、局地性異常，對于區域震情評估具有重要意義。然而，不同參量的觀測模式、反演精度、時空差異的對比分析也對地震科研人員提出了新的挑戰。未來，隨著電離層觀測技術水平的不斷提高，基于地基和空基電離層探測技術，開展天地一體化聯合觀測，分析地震前后電離層多參量異常變化，建立多參量時空關聯，完善多參量時空演化特征，深入研究地震－電離層耦合機理。

致謝：感謝中國地震局臺網中心、中國地震局地震預測研究所為本文提供GNSS臺站和電離層垂測站觀測數據。