利用張衡一號衛星電場數據研究吉林松原、河北唐山MS5.1地震前后空間電場時空演化特征

楊牧萍 錢 庚 張學民 孔祥瑞 申旭輝 張 萌 翟麗娜 金艷銘

1 遼寧省地震局，沈陽市黃河北大街44號，110031

2 中國地震局地震研究所，武漢市洪山側路40號，430071

3 中國地震局地震預測研究所，北京市復興路63號，100036

4 應急管理部國家自然災害防治研究院，北京市安寧莊路1號，100085

1964年阿拉斯加M8.5地震來臨之前，Alouette衛星首次記錄到地震電離層電磁異常[1]，而后美國學者利用電離層垂測儀發現了地震前后電離層擾動[2]。近年來，法國等國相繼發射一系列電磁監測衛星用于空間領域探索，其研究結果成為地震電磁空間探測的基礎[3-4]。全球第一顆用于探測地震電離層擾動的衛星是法國的DEMETER衛星，于2004-06發射進入太陽同步軌道，2010-11服役期滿，在660～710 km軌道高度積累了6 a的觀測數據[5-6]。DEMETER衛星工作時間大多處于太陽活動低年，獲取的探測資料有利于開展地震前后電離層擾動及空間物理相關現象的研究[7]。中國地震電磁衛星(CSES)張衡一號于2013年立項，2018-02-02成功發射，正式開啟其科學探測任務[8]。張衡一號與DEMETER衛星相似，啟動于太陽活動周期的活動低年，且將經過活動最低年。該衛星軌道設計采用圓軌道極軌太陽同步方案，其軌道高度為507 km，相比于DEMETER衛星更靠近電離層峰值區；升降交點時間為當地時間14:00和02:00，也稱為晝側和夜側軌道；相對DEMETER衛星16 d的回歸周期，張衡一號衛星重訪周期設定為5 d，回歸周期加密，但也因此損失了軌道的空間覆蓋分辨率[7]。衛星于2018-10底完成在軌測試，各項性能指標滿足設計要求，數據開始正式對外發布(http:∥www.leos.ac.cn)。

本文基于經過震中附近的張衡一號衛星軌道數據進行研究，首先將軌道數據分為升軌(夜側)和降軌(晝側)，分別對應地方時02:00和14:00左右，由于日間太陽輻射對電離層影響較大[9]，會對地震信息的提取造成影響，本文選取夜間(升軌)數據進行分析；然后限制Dst≥-30 nT和Kp<3來排除空間磁環境擾動，進一步篩選出相應的軌道數據；最后選取張衡一號電磁衛星軌道數據中電場探測儀(EFD)載荷ULF/ELF頻段功率譜密度(PSD)數據分頻段進行分析。

1 研究方法

以唐山古冶MS5.1地震為例，介紹本文研究方法(圖1，五角星為地震震中)。首先構建觀測值統計背景場，地震震中經緯度為39.78°N、118.44°E，研究區域為震中±10°范圍，即29.78°～49.78°N、108.44°～128.44°E，以經度4°、緯度1°進行網格劃分，組成5×20個網格。將2018～2020年每年04-12～08-12(即唐山古冶地震前90 d至震后30 d)某頻段PSD數據進行統計處理，計算出每個網格的中值和標準方差，得到2組5×20矩陣，分別為中值矩陣β(圖1(a))和標準方差矩陣σ(圖1(b))，利用2020-04-12～05-12(即震前90 d至震前60 d)的PSD數據計算中值矩陣α(圖1(c))；最后利用擾動幅度提取公式θ=(α-β)/σ計算出相對于背景場的擾動幅度θ(圖1(d))，θ表征地震研究的各時段空間電場相對于背景場擾動的標準方差倍數。

2 震例分析

2.1 河北唐山古冶MS5.1地震震例分析

北京時間2020-07-12 06:38河北唐山古冶(39.78°N，118.44°E)發生MS5.1地震，震源深度10 km，由于張衡一號下午入境我國，沒有實時軌道數據監測到此次地震。圖2為地震當天距離最近的一條軌道(軌道號為135440)電場EFD記錄的ELF頻段實時數據，該軌道為降軌晝側軌道，入境時間為北京時間14:16，出境時間為北京時間14:30，未能記錄到本次地震事件。圖2(a)顯示電場ELF頻段x分量(上)、y分量(中)、z分量(下)數據時序曲線；圖2(b)為震中距，由于未記錄到本次地震，該軌道運行期間2 000 km范圍內也沒有其他MS5以上地震發生，故顯示為空白；由圖2(c)可以看出，Kp和Dst指數顯示近2個月空間磁環境都較為平靜，電磁衛星記錄到的異常很有可能與本次地震有關；圖2(d)顯示，該軌道飛行痕跡距離唐山震中較近。

根據以往震例，將2020-07-12唐山古冶MS5.1地震震前90 d至震后30 d經過震中附近±10°范圍內的張衡一號衛星2級軌道數據篩選出來，首先通過限制Kp<3和Dst≥-30 nT排除空間磁環境擾動，剔除不符合條件的軌道數據，由于研究區不在高緯地區，不考慮AE指數；其次將ELF頻段分為4個頻段：39～351 Hz為第1頻段、371～879 Hz為第2頻段、898～1 503 Hz為第3頻段、1 523～2 265 Hz為第4頻段，并進行時空演化特征研究[6,9-10]；最后將地震前90 d至震后30 d的數據分為6個時段：震前90～60 d、震前60～30 d、震前30～15 d、震前15 d至地震當天、地震當天至震后15 d及震后15～30 d。研究結果見圖3～6。

由圖3～6可以看出，在震前90～60 d、震前60～30 d、震前30～15 d時段內θ逐漸增強，增強區域在距離震中4°以外的南部方向；震前15 d至地震當天θ減弱，減弱區域在距離震中南部方向；地震當天至震后15 d震中附近4°以外的北側和東南側θ均開始大范圍增強；震后15～30 d，θ開始逐漸回落，但也較震前60～15 d強度強。4個頻段的時空演化特征與以往震例相似度較高。

為更直觀地展示地震電場異常擾動特征，采用定量方法進行擾動幅度時間序列分析，具體算法如下：對于2020-04-12～08-12電場PSD數據，每間隔15 d計算一個θ矩陣，并記錄矩陣中最大擾動值∣θ∣max及平均擾動值∣θ∣avg。2020-07-12唐山古冶MS5.1地震4個頻段擾動幅度的時間序列如圖7所示，可以看出，4個頻段均顯示出震前先抬升至最高點，超過2倍均方差后在下降過程中發震，震后恢復的規律，且第2頻段表現尤為明顯，這與前文選取371～879 Hz作震例的研究結果較為相似。另外，4個頻段擾動幅度時間序列特征相似，且震前均超過2倍均方差，這與錢庚等[11]利用法國DEMETER衛星統計的全球45次MS7以上地震電場強度的時間序列分析結果一致，說明此次唐山古冶地震震中上空電離層電場的擾動很有可能是地震造成的。

2.2 吉林松原MS5.1地震震例分析

北京時間2019-05-18 06:24吉林松原(45.3°N，124.75°E)發生MS5.1地震，震源深度10 km。將該地震分4個頻段進行時空演化特征分析，由于圖幅數量較多，僅保留擾動幅度時序。圖8(a)顯示，震前最大擾動幅度∣θ∣max值先下降而后抬升發震，震后恢復形態走勢，但其最大擾動幅度一直低于2倍均方差，可見最大擾動幅度低于2倍均方差被視為地震異常的可信度較低；圖8(b)的第2頻段地震前后最大擾動幅度∣θ∣max時序與圖7(c)類似，但在震前30～15 d超過了2倍均方差；圖8(c)的第3頻段地震前后最大擾動幅度∣θ∣max時序與圖7(d)類似，但其在所有時段均未超過2倍均方差；圖8(d)的第4頻段最大擾動幅度∣θ∣max與前3個頻段走勢均不一致，震前抬升而后下降，恢復過程中發震，震后平穩無變化，且整個過程均未超過2倍均方差。總體來說，松原地震在前3個頻段時序特征相近，第4頻段則完全不同，且僅有第2頻段超過2倍均方差。

3 結 語

利用我國第一顆電磁監測試驗衛星張衡一號電場探測儀(EFD)載荷ULF/ELF頻段功率譜密度(PSD)數據，分4個頻段對2020年唐山古冶MS5.1地震和2019年吉林松原MS5.1地震進行時空演化特征研究，結果發現：

1)2020年唐山古冶MS5.1地震4個頻段擾動幅度時間序列均顯示出震前先抬升至最高點超過2倍均方差，而后下降過程中發震，震后恢復這一規律，且第2頻段表現效果尤為明顯，這與前人選取371～879 Hz來作震例研究得出的結論相符。且這4個頻段擾動幅度時間序列擬合度非常相似，震前均超過2倍均方差，說明唐山古冶地震震前出現異常具有一定可信度。

2)2019年吉林松原MS5.1地震不同頻段的擾動幅度時間序列相似度并不高，前3個頻段相似度相近一些，第4頻段則完全不一樣，且僅有第2頻段高過了2倍均方差，相比之下松原地震震前異常沒有唐山古冶地震表現明顯，異常可信度較低。

在2組震例中，371～879 Hz這一頻段為電磁衛星電場數據地震異常分析應用的優勢頻段，前人研究發現，衛星在軌運行期間，其平臺和載荷的一些運轉工作會產生一定的電磁輻射，對提取地震異常信號造成影響。澤仁志瑪等[6]測試法國DEMETER衛星200 Hz以下電磁場顯示背景噪聲較強，這與曹晉濱等[9]利用TC1衛星數據發現衛星本體造成電磁輻射主要集中在30 Hz以下、最多延伸到190 Hz左右的結論一致。而10 kHz以上的更高頻段受地面人工甚低頻發射站的影響較大，提取地震相關異常信息難度也相應較大，故選取371～879 Hz頻段來進行地震異常擾動研究。本文研究亦表明了該頻段在地震異常分析應用中的優勢，與前人研究成果一致。