2022, Vol. 42
2. 中国地震局地震研究所, 武汉市洪山侧路40号，430071;
3. 中国地震局地震预测研究所，北京市复兴路63号，100036;
4. 应急管理部国家自然灾害防治研究院，北京市安宁庄路1号，100085
对地震前后电离层高度观测数据的研究表明，地震活动会引起电离层ULF/ELF/VLF等低频段电磁信号的扰动[1-2]。由DEMETER卫星观测数据可知，顶部电离层区域的ULF/ELF/VLF电磁波动主要分为上行和下行两种类型[3]，其中上行电磁波动是从岩石圈、大气层向上传播的电磁波动，下行电磁波动是从等离子层或磁层向下传播到顶部电离层的电磁波动[4]。利用电场和磁场三分量波形数据进行频谱分析和波矢量分析(波矢分析)，可获得电磁波的来源方向、出现位置和极化信息，进而计算出电磁波的特性[5]，随后采用坡印廷矢量的能流方向来辅助判定波矢量的具体方向，并从存在180°方位差的2个平行方向的波矢方向中计算出具体方向。
本文利用搭载在DEMETER卫星上的电场探测仪(ICE)和感应式磁力仪(IMSC)详查(burst)模式下的电场与磁场三分量波形数据，通过SVD方法对东北亚地区DEMETER卫星运行期间MS≥6.0典型地震震前异常电磁波数据进行波矢分析和坡印廷(Poynting)矢量能流分析，计算得到异常电磁波的来源方向与出现位置，并尝试解释异常电磁波的产生原因及其与地震的关联，为地震电离层耦合机制研究提供依据。
1 研究区域与数据处理 1.1 研究区域本文选取东北亚地区(105°~145°E，38°~58°N)作为研究区域，该地区位于太平洋板块、北美板块和欧亚板块的交汇处，现今地震活动活跃，发育有郯庐地震带、山西地震带、燕山地震带和河北平原地震带。有记录以来，研究区多次发生7级以上地震，给社会带来巨大的经济损失和人员伤亡[6]。
由于本文选取的震例为MS≥6地震，基于电磁信号从岩石圈传播至电离层时可能发生偏移的机制[7]，根据Dobrovolsky等[8]提出的岩石圈孕震区范围计算公式，计算得到的孕震区为震中±10°范围：
| $ \rho = {10^{0.43M}} $ | (1) |
式中，M为震级，ρ为依据M计算得出的孕震区直线长度，单位km。
1.2 数据处理首先筛选DEMETER卫星2005-01~2009-12在38°~58°N、105°~145°E范围内的典型震例。由于东北亚地区现今强震较少，本文选取MS6.0以上地震开展研究，并限制震源深度为40 km。根据国家地震科学数据共享中心的地震目录，共得到17次地震。为保证地震异常的可信度，选取震前3个月至震后1个月震中经纬度±10°范围内无MS5.0以上地震发生的情况，最后得到6个典型震例，如表 1所示。
|
表 1 东北亚地区2005~2009年MS6.0以上震例目录 Tab. 1 The earthquake catalogue with magnitude MS≥6.0 in northeast Asia |
逐一筛选6个典型震例震前1个月经过震中经纬度±10°范围内的轨道数据，选取轨道数据中载荷编号为1130的电场探测仪(ICE)和1135感应式磁力仪(IMSC)的加密波形三分量数据开展研究。通过限制Kp < 2和Dst≥－30 nT，排除空间磁环境扰动，以剔除不符合条件的轨道数据，进一步筛选出需要处理的数据样本，从6个震例中共得到6 000余条轨道数据。
本文采用Santolík等[9]基于电磁卫星观测数据开发的电磁场奇异值分解(SVD)方法，具体算法见文献[10]。利用基于SVD方法开发的PRASSADCO软件来分析异常电磁波特性[9]，可根据DEMETER卫星详查模式下电磁场三分量波形数据来解析电磁波特性，并验证波矢方向、坡印廷矢量和极化度等众多参量[5]。
2 震例统计分析由于篇幅限制，本文仅对2005-08-16日本本洲东岸近海MS7.2地震震前异常电磁波动进行详细叙述。
2.1 2005-08-16日本本洲东岸近海MS7.2地震奇异值分析对2005-08-16日本本洲东岸近海MS7.2地震震前1个月经过震中经纬度±10°范围内的轨道数据进行初步筛选，通过限制Kp指数和Dst指数排除空间磁环境带来的噪声干扰，并利用震中附近筛选好的详查模式下1130和1135轨道数据进行SVD分析，发现在震前2 d出现了明显的电离层扰动异常。
在排除空间磁环境干扰的情况下，利用SVD方法对2005-08-14经过震中上空、轨道号为059371的夜间升轨高分辨率磁场与电场三分量波形数据进行波矢量分析。图 1为385~480 Hz电磁波波矢分析结果，图中黑色箭头指向地震的震中纬度，黑色直线为截止频率(450 Hz)。图 1(a)为磁场功率谱密度(PSD)，图 1(b)为电场功率谱密度(PSD)，可以看出，12:23后截止频率附件电场活动较为强烈，呈现连续的电场扰动。亦能隐约观测到磁场异常扰动信号，但强度不如电场明显。图 1(c)为极化率，可以看出，12:23后截止频率以下主要呈黄绿色，表示极化率大于0，异常电磁波表现为右旋极化特征。由图 1(d)和1(e)可以看出，12:23后极角大于90°，方位角约为±15°，当地磁场指向地球方向时，电磁波沿当地磁子午面且来源于地球方向。图 1(f)为坡印廷矢量，其正负值分别表示向高纬度和低纬度地区传播，可以看出，在截止频率附近所有时间段均为负值，说明电磁波向低纬度地区传播。
|
图 1 2005-08-14震中上空电磁波SVD分析结果 Fig. 1 Analysis of electromagnetic wave polarization over the epicenter on 14 August 2005 |
为更直观地展示信号的传播过程，以示意图的形式详细描述。首先定义DEMETER卫星所在的直角坐标系，图 2中Z轴为沿磁力线的磁场B0的方向，X轴和Z轴均在磁子午面内，X轴方向为从地球指向外部，极角θ为波矢量k与B0的夹角，方位角φ为波矢量k在XY平面内的投影与X轴的夹角。
|
图 2 球坐标系中定义的波矢量k、极角θ、方位角φ Fig. 2 The wave vector k, polar angle θ, azimuth angle φ defined in the spherical coordinate system |
图 3为传播参数极角θ≈108°、方位角φ≈±15°、极化率sense >0时，2005-08-14 12:23:00的电磁波传播示意图，图中波矢量k表示为带箭头的实线，其方向为从地球指向卫星，与磁场B0的夹角为108°，且在XY平面内的投影(k1)与X轴近似平行；紫色箭头表示波的右旋极化特征。由图可知，电磁波为来源于地球方向、被DEMETER卫星接收到的右旋极化波。由于空间磁扰来源较多，没有完全的磁静日，目前尚不能确定该异常电磁波是否由地震产生，随着圈层耦合探测技术的发展，后续将加入更多相关数据来开展研究。
|
图 3 异常电磁波传播模式示意图 Fig. 3 Schematic diagram of abnormal electromagnetic wave propagation mode |
对2个地震震前1个月的轨道数据进行逐一筛选，排除空间磁环境带来的噪声干扰，并利用震中附近筛选好的详查模式下1130和1135轨道数据进行SVD分析。结果发现，2个地震震前1个月未出现电离层异常扰动现象。
2.3 2007-02-17日本北海道地区MS6.2地震奇异值分析对日本北海道地区地震震前1个月、震中经纬度±10°范围内的轨道数据进行筛选，排除空间天气噪声干扰，利用震中附近筛选好的详查模式下1130和1135轨道数据进行SVD分析，确定最明显的电离层扰动异常出现于震前6 d。图 4为轨道号139340的降轨日间轨道电磁波波矢量分析结果，图中黑色箭头指向地震震中纬度。图 4(b)显示，在440 Hz附近发现电场活动较为强烈，呈现连续的电场扰动，磁场活动也较为明显(图 4(a))；从图 4(d)和4(e)中可以看出，极角约等于30°，方位角接近180°，表明电磁波向地球方向沿子午面传播；图 4(f)为标准方差归一化坡印廷矢量的水平部分，在440 Hz附近均为负值，说明电磁波向赤道方向传播。
|
图 4 2007-02-11震中上空电磁波SVD分析结果 Fig. 4 Analysis of electromagnetic wave polarization over the epicenter on 11 February, 2007 |
依照前文步骤进行数据筛选及处理分析，最终确定最明显的电离层异常扰动出现于震前2 d。图 5为轨道号210781的升轨夜间轨道电磁波波矢量分析结果，其中黑色箭头指向地震震中纬度。图 5(b)显示，在220 Hz附近发现不连续的强烈电场活动，图 5(a)中的磁场也有一些扰动；图 5(d)和5(e)显示极角约等于30°，方位角接近-180°，表明电磁波向地球方向沿子午面传播；图 5(f)显示220 Hz附近均为正值，说明电磁波向高纬度方向传播。
|
图 5 2008-06-11震中上空电磁波SVD分析结果 Fig. 5 Analysis of electromagnetic wave polarization over the epicenter on 11 June 2008 |
依照前文步骤进行数据筛选及处理分析，最终确定最明显的地震异常出现于震前1 d。图 6为轨道号263320的降轨日间轨道电磁波波矢量分析结果，其中黑色箭头指向地震震中纬度。由图 6(b)可看出，在420 Hz附近电场活动较为强烈，呈现连续的电场扰动，磁场活动也较为明显(图 6(a))；图 6(d)和6(e)显示，极角约等于0°，方位角接近－90°，表明电磁波向地球以外垂直于子午面传播；图 6(d)显示420 Hz附近均为负值，表示该电磁波向低纬度方向传播。
|
图 6 2009-06-04震中上空电磁波SVD分析结果 Fig. 6 Analysis of electromagnetic wave polarization over the epicenter on 4 June 2009 |
本文选取东北亚地区(38°~58°N，105°~145°E)MS≥6.0典型震例，并从符合空间和时间尺度的17个震例中筛选出6个进行分析。利用DEMETER卫星详查模式下磁场与电场的极低频(ELF)三分量波形数据，选取震中上空±10°、震前30 d共6 000余条1130和1135轨道数据进行波矢量分析，结果如下：
1) 2005-08-16日本本洲东岸近海MS7.2地震和2009-06-05日本北海道地区MS6.6地震震前在质子回旋频率以下DEMETER卫星记录到来源于地球的异常电磁波扰动，这是由于地震导致岩石层破裂产生电磁辐射，而电磁辐射向上传播至电离层高度，并被震中上方附近的电磁卫星记录到；
2) 2005-11-10俄罗斯西伯利亚东南部MS6.4地震和2007-08-02俄罗斯萨哈林岛(库页岛)MS6.8地震震前在质子回旋频率以下DEMETER卫星未记录到异常电磁波扰动，这种虽然发生了大地震，但震中上方附近电离层高度的电磁卫星并未记录到异常电磁波扰动的现象，可能是由于地震产生的电磁波未传播至电离层高度，或者有可能传播到电离层高度至磁共轭点，但并未被震中上空的卫星记录到；
3) 2007-02-17日本北海道地区MS6.2地震和2008-06-13日本本州东岸近海MS7.3地震震前在质子回旋频率以下DEMETER卫星记录到异常电磁波扰动，但并非来源于地球，这是因为空间磁扰来源较多，没有完全的磁静日，而电离层中有许多等离子体波动，另外地震引起的电磁波扰动可能并未传播至电离层，或直接传播到磁共轭点，但未被卫星接收到。
随着圈层耦合探测技术的发展和相关研究的不断深入，后续会加入更多数据进行分析研究，以期在岩石圈、大气层和电离层的耦合机理等方面寻求突破。
| [1] |
泽仁志玛, 申旭辉, 曹晋滨, 等. 强震前ELF/VLF磁场的扰动特征统计研究[J]. 地球物理学报, 2012, 55(11): 3 699-3 708 (Zeren Zhima, Shen Xuhui, Cao Jinbin, et al. Statistical Analysis of ELF/VLF Magnetic Field Disturbances before Major Earthquakes[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2012, 55(11): 3 699-3 708)
(  0) |
| [2] |
于海雁, 周洪娟, 乔晓林. 汶川MS8.0地震前ELF异常电磁辐射传播分析[J]. 地震学报, 2010, 32(6): 641-648 (Yu Haiyan, Zhou Hongjuan, Qiao Xiaolin. Study on Wave Propagation of ELF Emission Anomaly before MS8.0 Wenchuan Earthquake[J]. Acta Seismologica Sinica, 2010, 32(6): 641-648)
( 0) |
| [3] |
Zeren Z, Chen L J, Xiong Y, et al. On the Origin of Ionospheric Hiss: A Conjugate Observation[J]. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 2017, 122(11): 11 784-11 793
( 0) |
| [4] |
Chen L J, Santolík O, Hajoš M, et al. Source of the Low-Altitude Hiss in the Ionosphere[J]. Geophysical Research Letters, 2017, 44(5): 2 060-2 069
( 0) |
| [5] |
钱庚. 基于SVD方法地震电离层异常特征研究[D]. 北京: 中国地震局地震预测研究所, 2016 (Qian Geng. Study of Ionospheric Anomalies during the Earthquake Based on the SVD Technique[D]. Beijing: Institute of Earthquake Science, CEA, 2016)
( 0) |
| [6] |
杨牧萍, 黄建平, 张学民, 等. 东北亚地区电离层ELF/VLF电场的动态背景场研究[J]. 地球物理学进展, 2018, 33(6): 2 285-2 294 (Yang Muping, Huang Jianping, Zhang Xuemin, et al. Analysis on Dynamic Background Field of Ionosphere ELF/VLF Electric Field in Northeast Asia[J]. Progress in Geophysics, 2018, 33(6): 2 285-2 294)
( 0) |
| [7] |
Pulinets S A, Boyarchuk K A. Ionospheric Precursors of Earthquakes[M]. New York: Springer, 2004
( 0) |
| [8] |
Dobrovolsky I P, Zubkov S I, Miachkin V I. Estimation of the Size of Earthquake Preparation Zones[J]. Pure and Applied Geophysics, 1979, 117(5): 1 025-1 044
( 0) |
| [9] |
Santolík O, Parrot M, Lefeuvre F. Singular Value Decomposition Methods for Wave Propagation Analysis[J]. Radio Science, 2003, 38(1): 1-10
( 0) |
| [10] |
胡云鹏, 泽仁志玛, 黄建平, 等. 张衡一号卫星记录的空间电磁波传播特征分析方法及算法实现[J]. 地球物理学报, 2020, 63(5): 1 751-1 765 (Hu Yunpeng, Zeren Zhima, Huang Jianping, et al. Algorithms and Implementation of Wave Vector Analysis Tool for the Electromagnetic Waves Recorded by the CSES Satellite[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2020, 63(5): 1 751-1 765)
( 0) |
2. Institute of Seismology, CEA, 40 Hongshance Road, Wuhan 430071, China;
3. Institute of Earthquake Forecasting, CEA, 63 Fuxing Road, Beijing 100036, China;
4. National Institute of Natural Hazards, MEM, 1 Anningzhuang Road, Beijing 100085, China