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
1964年阿拉斯加M8.5地震来临之前，Alouette卫星首次记录到地震电离层电磁异常[1]，而后美国学者利用电离层垂测仪发现了地震前后电离层扰动[2]。近年来，法国等国相继发射一系列电磁监测卫星用于空间领域探索，其研究结果成为地震电磁空间探测的基础[3-4]。全球第一颗用于探测地震电离层扰动的卫星是法国的DEMETER卫星，于2004-06发射进入太阳同步轨道，2010-11服役期满，在660~710 km轨道高度积累了6 a的观测数据[5-6]。DEMETER卫星工作时间大多处于太阳活动低年，获取的探测资料有利于开展地震前后电离层扰动及空间物理相关现象的研究[7]。中国地震电磁卫星(CSES)张衡一号于2013年立项，2018-02-02成功发射，正式开启其科学探测任务[8]。张衡一号与DEMETER卫星相似，启动于太阳活动周期的活动低年，且将经过活动最低年。该卫星轨道设计采用圆轨道极轨太阳同步方案，其轨道高度为507 km，相比于DEMETER卫星更靠近电离层峰值区；升降交点时间为当地时间14:00和02:00，也称为昼侧和夜侧轨道；相对DEMETER卫星16 d的回归周期，张衡一号卫星重访周期设定为5 d，回归周期加密，但也因此损失了轨道的空间覆盖分辨率[7]。卫星于2018-10底完成在轨测试，各项性能指标满足设计要求，数据开始正式对外发布(http://www.leos.ac.cn)。
本文基于经过震中附近的张衡一号卫星轨道数据进行研究，首先将轨道数据分为升轨(夜侧)和降轨(昼侧)，分别对应地方时02:00和14:00左右，由于日间太阳辐射对电离层影响较大[9]，会对地震信息的提取造成影响，本文选取夜间(升轨)数据进行分析；然后限制Dst≥-30 nT和Kp＜3来排除空间磁环境扰动，进一步筛选出相应的轨道数据；最后选取张衡一号电磁卫星轨道数据中电场探测仪(EFD)载荷ULF/ELF频段功率谱密度(PSD)数据分频段进行分析。
1 研究方法以唐山古冶MS5.1地震为例，介绍本文研究方法(图 1，五角星为地震震中)。首先构建观测值统计背景场，地震震中经纬度为39.78°N、118.44°E，研究区域为震中±10°范围，即29.78°~49.78°N、108.44°~128.44°E，以经度4°、纬度1°进行网格划分，组成5×20个网格。将2018~2020年每年04-12~08-12(即唐山古冶地震前90 d至震后30 d)某频段PSD数据进行统计处理，计算出每个网格的中值和标准方差，得到2组5×20矩阵，分别为中值矩阵β (图 1(a))和标准方差矩阵σ (图 1(b))，利用2020-04-12~05-12(即震前90 d至震前60 d)的PSD数据计算中值矩阵α (图 1(c))；最后利用扰动幅度提取公式θ =(α - β)/σ计算出相对于背景场的扰动幅度θ (图 1(d))，θ表征地震研究的各时段空间电场相对于背景场扰动的标准方差倍数。
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图 1 唐山古冶MS5.1地震震中±10°范围内电场扰动幅度矩阵θ构建过程 Fig. 1 Construction process of electric field disturbance amplitude matrix θ within ±10° of the epicenter of Guye MS5.1 earthquake in Tangshan |
北京时间2020-07-12 06:38河北唐山古冶(39.78°N，118.44°E)发生MS5.1地震，震源深度10 km，由于张衡一号下午入境我国，没有实时轨道数据监测到此次地震。图 2为地震当天距离最近的一条轨道(轨道号为135440)电场EFD记录的ELF频段实时数据，该轨道为降轨昼侧轨道，入境时间为北京时间14:16，出境时间为北京时间14:30，未能记录到本次地震事件。图 2(a)显示电场ELF频段x分量(上)、y分量(中)、z分量(下)数据时序曲线；图 2(b)为震中距，由于未记录到本次地震，该轨道运行期间2 000 km范围内也没有其他MS5以上地震发生，故显示为空白；由图 2(c)可以看出，Kp和Dst指数显示近2个月空间磁环境都较为平静，电磁卫星记录到的异常很有可能与本次地震有关；图 2(d)显示，该轨道飞行痕迹距离唐山震中较近。
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图 2 135440号轨道ELF相关数据图像 Fig. 2 No.135440 data image related to ELF |
根据以往震例，将2020-07-12唐山古冶MS5.1地震震前90 d至震后30 d经过震中附近±10°范围内的张衡一号卫星2级轨道数据筛选出来，首先通过限制Kp < 3和Dst≥-30 nT排除空间磁环境扰动，剔除不符合条件的轨道数据，由于研究区不在高纬地区，不考虑AE指数；其次将ELF频段分为4个频段：39~351 Hz为第1频段、371~879 Hz为第2频段、898~1 503 Hz为第3频段、1 523~2 265 Hz为第4频段，并进行时空演化特征研究[6, 9-10]；最后将地震前90 d至震后30 d的数据分为6个时段：震前90~60 d、震前60~30 d、震前30~15 d、震前15 d至地震当天、地震当天至震后15 d及震后15~30 d。研究结果见图 3~6。
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图 3 唐山古冶地震第1频段时空演化特征 Fig. 3 Spatio-temporal evolution of the electric field at the first frequency band of Guye earthquake in Tangshan |
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图 4 唐山古冶地震第2频段时空演化特征 Fig. 4 Spatio-temporal evolution of the electric field at the second frequency band of Guye earthquake in Tangshan |
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图 5 唐山古冶地震第3频段时空演化特征 Fig. 5 Spatio-temporal evolution of the electric field at the third frequency band of Guye earthquake in Tangshan |
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图 6 唐山古冶地震第4频段时空演化特征 Fig. 6 Spatio-temporal evolution of the electric field at the fourth frequency band of Guye earthquake in Tangshan |
由图 3~6可以看出，在震前90~60 d、震前60~30 d、震前30~15 d时段内θ逐渐增强，增强区域在距离震中4°以外的南部方向；震前15 d至地震当天θ减弱，减弱区域在距离震中南部方向；地震当天至震后15 d震中附近4°以外的北侧和东南侧θ均开始大范围增强；震后15~30 d，θ开始逐渐回落，但也较震前60~15 d强度强。4个频段的时空演化特征与以往震例相似度较高。
为更直观地展示地震电场异常扰动特征，采用定量方法进行扰动幅度时间序列分析，具体算法如下：对于2020-04-12~08-12电场PSD数据，每间隔15 d计算一个θ矩阵，并记录矩阵中最大扰动值∣θ∣max及平均扰动值∣θ∣avg。2020-07-12唐山古冶MS5.1地震4个频段扰动幅度的时间序列如图 7所示，可以看出，4个频段均显示出震前先抬升至最高点，超过2倍均方差后在下降过程中发震，震后恢复的规律，且第2频段表现尤为明显，这与前文选取371~879 Hz作震例的研究结果较为相似。另外，4个频段扰动幅度时间序列特征相似，且震前均超过2倍均方差，这与钱庚等[11]利用法国DEMETER卫星统计的全球45次MS7以上地震电场强度的时间序列分析结果一致，说明此次唐山古冶地震震中上空电离层电场的扰动很有可能是地震造成的。
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图 7 唐山古冶地震时序变化特征 Fig. 7 Temporal variation of the electric field during Guye earthquake in Tangshan |
北京时间2019-05-18 06:24吉林松原(45.3°N，124.75°E)发生MS5.1地震，震源深度10 km。将该地震分4个频段进行时空演化特征分析，由于图幅数量较多，仅保留扰动幅度时序。图 8(a)显示，震前最大扰动幅度∣θ∣max值先下降而后抬升发震，震后恢复形态走势，但其最大扰动幅度一直低于2倍均方差，可见最大扰动幅度低于2倍均方差被视为地震异常的可信度较低；图 8(b)的第2频段地震前后最大扰动幅度∣θ∣max时序与图 7(c)类似，但在震前30~15 d超过了2倍均方差；图 8(c)的第3频段地震前后最大扰动幅度∣θ∣max时序与图 7(d)类似，但其在所有时段均未超过2倍均方差；图 8(d)的第4频段最大扰动幅度∣θ∣max与前3个频段走势均不一致，震前抬升而后下降，恢复过程中发震，震后平稳无变化，且整个过程均未超过2倍均方差。总体来说，松原地震在前3个频段时序特征相近，第4频段则完全不同，且仅有第2频段超过2倍均方差。
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图 8 松原地震第2频段时序变化特征 Fig. 8 Temporal variation of the electric field during Songyuan earthquake |
利用我国第一颗电磁监测试验卫星张衡一号电场探测仪(EFD)载荷ULF/ELF频段功率谱密度(PSD)数据，分4个频段对2020年唐山古冶MS5.1地震和2019年吉林松原MS5.1地震进行时空演化特征研究，结果发现：
1) 2020年唐山古冶MS5.1地震4个频段扰动幅度时间序列均显示出震前先抬升至最高点超过2倍均方差，而后下降过程中发震，震后恢复这一规律，且第2频段表现效果尤为明显，这与前人选取371~879 Hz来作震例研究得出的结论相符。且这4个频段扰动幅度时间序列拟合度非常相似，震前均超过2倍均方差，说明唐山古冶地震震前出现异常具有一定可信度。
2) 2019年吉林松原MS5.1地震不同频段的扰动幅度时间序列相似度并不高，前3个频段相似度相近一些，第4频段则完全不一样，且仅有第2频段高过了2倍均方差，相比之下松原地震震前异常没有唐山古冶地震表现明显，异常可信度较低。
在2组震例中，371~879 Hz这一频段为电磁卫星电场数据地震异常分析应用的优势频段，前人研究发现，卫星在轨运行期间，其平台和载荷的一些运转工作会产生一定的电磁辐射，对提取地震异常信号造成影响。泽仁志玛等[6]测试法国DEMETER卫星200 Hz以下电磁场显示背景噪声较强，这与曹晋滨等[9]利用TC1卫星数据发现卫星本体造成电磁辐射主要集中在30 Hz以下、最多延伸到190 Hz左右的结论一致。而10 kHz以上的更高频段受地面人工甚低频发射站的影响较大，提取地震相关异常信息难度也相应较大，故选取371~879 Hz频段来进行地震异常扰动研究。本文研究亦表明了该频段在地震异常分析应用中的优势，与前人研究成果一致。
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