2011, Vol. 54
2. 中国地震局兰州地震研究所,兰州 730000
, DU Xue-Bin1,2, FAN Ying-Ying1,2, LIU Jun1,2, TAN Da-Cheng1,2, CHEN Jun-Ying1,2, XIE Tao1,2
2. 2. Lanzhou Institute of Seismology, China Earthquake Administration, Lanzhou 730000, China
汶川MS8.0、玉树MS7.1 级地震发生后，地震的预测预报问题再次受到极大关注.近几十年的有关观测研究表明[1~3]，在地质学、地球物理学和地球化学等众多的观测现象中，电磁异常是对地震短临信息反映最为敏感的前兆现象之一，电磁异常信号在许多地震前被记录到，这些异常信号通常出现在震前几天或几个小时.
汶川地震发生后，研究人员对陆基电磁场和空间电离层诸多参量进行了详细研究[4~10].陆基电磁场方面，根据潮汐力谐振共振波(简称为HRT)短临地震预测模型，钱复业等[5]得到了汶川地震的HRT波短临前兆现象；范莹莹等[7]利用震中周围电磁台站记录到的地电场和地磁场资料分析研究后得出，在地震前自然电场、地磁场日变波形出现了畸变，并且地电、地磁场功率谱出现了谱值增大现象，特别是周期小于3h 的低频成分的谱值增大了3 个数量级；利用甘肃陇南汉王地震台的地电场和ELF 电磁等观测手段，高署德等[8]也捕捉到了此次地震前后的异常信息.空基电磁场方面，李新乔等[9]利用法国DEMETER(Detection of Electro-Magnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions)地震电磁卫星所记录到的高能粒子探测数据进行了研究，发现在汶川北部区域地震当天和前后几天的电子能谱有明显差异；对震前一周内DEMETER 卫星观测到的电离层参量进行分析研究后，曾中超等[4]发现在震前4天和5天卫星经过震中附近上空所记录到的电子浓度、温度和氧离子浓度出现了剧烈变化，并且在震前3天和7天探测到了增强的电磁辐射；朱涛等[10]利用DEMETER 卫星LF 频段电场功率谱数据得出，在汶川地震前电场功率谱密度先明显增大，随后减小.
在已有的研究结果中，将陆基和天基电磁场联合研究的报道极少.陆基观测受观测场地的局限性较大，空间观测虽然不受地区的局限但其观测的不连续性和受外空间的干扰较大.本文拟采用边际谱方法将汶川MS8.0 级大震前天基和陆基电场观测资料进行联合探索性研究，如果这两种观测手段研究结果能够相互对应，对地震前兆异常信息的判定将会更具说服力.
2 处理方法及数据资料 2.1 方法美国国家宇航局N.E.Huang 等人[11~13]提出的一种新的信号处理方法，希尔伯特-黄变换方法.其核心思想是:首先将信号进行经验模态分解(EmpiricalModeDecomposition, 简称EMD).具体方法是，通过找出时间序列X(t)中所有的局部极大值和局部极小值，利用三次样条函数分别拟合局部极大值和局部极小值，从而得到上、下两条包络线.求出上、下包络线的平均值M10(t)，将原始序列X(t)减去M10(t)便可得到一个去掉低频的新时间序列H10(t)，若新时间序列H10(t)满足以下两个条件:
(1) 极值点数目和过零点数目相等或最多相差1个；
(2) 在任意点，由局部极大值和局部极小值点所构成的两条包络线平均值为0.
则该序列为本征模态函数，如果H10(t)不满足上述两个条件，则需要重复上述取局部极值过程，直到满足上述的两个条件.假设经过k+1次循环后满足了该条件，则H1k(t)为第一阶的本征模态函数，定义为C1(t).用原始时间序列X(t)减去C1(t)，得到一个新的时间序列R1(t).再对R1(t)进行上述过程，便可以得到第二阶本征模态函数C2(t).如此重复上述的过程，直至Rn(t)不能再分解出本征模态函数为止.因此，原始时间序列X(t)可以表示成如下形式:
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(1) |
由上述过程分解得到的各分量具有完备性和几乎正交性，并且该过程也是自适应的.
其次对上述分离出来的本征模态函数(Intrinsic Mode Function, IMF)利用Hilbert变换进行计算，并对计算结果在整个时间区间进行积分便可得到希尔伯特边际谱，它通常代表某固定频率所对应的振幅在整个时间区域上累加.该方法作为一种正在发展中的新方法，虽然存在有许多不足之处(如，插值和断点飞逸等)，但在许多领域已经取得了很多研究成果[14~24]，作者在实际工作中对该方法也有过初步的应用[25].
2.2 数据资料空间电场数据资料来源于法国在2004 年6 月29日发射，目前仍然在轨运行的DEMETER 地震电磁卫星，该星为准太阳同步极轨卫星，其轨道倾角为98.23°，重量130kg, 飞行高度为710km(2005年12月中旬改为660km)，其主要的科学任务之一是研究电离层扰动与地震活动之间的关系.卫星上所搭载的载荷有两种工作模式:观测测量模式(Survey)和加密观测模式(Burst)[26~32]，文中选用电场测量仪在观测测量模式下所采集的电离层电场数据，在选择观测数据时，要求卫星轨道与震中之间的最小距离不超过2000km, 由于DEMETER 卫星与电场相关的产品中有6 种数据类型，其中波形数据有4种，谱数据有2种，而加密观测只是在预先设定的区域进行，不利于进行研究，因此本文只选用了观测测量模式时的数据，该数据类型为ULF 频段电场波形数据，在其产品中代码为1129，该类型数据采样率为39.0625Hz.
DEMETER 地震电磁卫星的电场观测数据在半个轨道上通常有24万多个，平均每个分量有8万多个数据，这给我们的计算带来了不小的麻烦，并且卫星在南北半球(±65°之间)采样，如果对半个轨道的数据进行研究则会引入更多的干扰信息.在本文分析研究时，取一个矩形区域(10°×15°)(见图 1)(其位置的选取只是经验决定，并没有确定的理论支持)，选取投影经过该矩形区域的轨道，为了便于研究结果之间的比较，我们对轨道投影落在矩形区域时段内数据进行截取，每个轨道截取的数据长度均为8448个数据点.
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图 1 卫星轨道、台站位置、震中位置及 数据截取范围图示 Fig. 1 The map of orbit，station，epicenter and range of data cut |
陆基电场数据有两个来源，中国地震局兰州地震研究所(CEA-LIS)与法国国家科学研究院克莱蒙费朗地球物理观象台(CNRS-OPGC)合作开展地震电磁观测，在甘肃省天祝地区建立的电磁观测台，以及中国地震局在四川省、甘肃省建立的地电场观测台站.中法合作的台站选取了松山台(距离汶川震中683km)，国内台站选取了成都台(距离汶川震中35km)，陇南台(距离汶川震中297km)和天水台(距离汶川震中427km)，各台站的位置如图 1 中所示.
中法合作的松山台位于甘肃省天祝县松山乡，地电场观测是在地面上沿NS、EW 向各布3 个测道，极距为90~290m, 使用法国产的固体不极化电极和测量仪器，电极埋深达2 m 以上，外线路埋深30cm, 该台站测量仪器的采样周期为10s.国内地电场观测台站通常采用三个方向观测，即两个正交测道、一个斜向测道，仪器采样周期为60s.考虑到所使用地电场观测资料时间段较长，两种仪器类型数据的一致性，以及克服台站正常检查工作造成的缺数影响，故采用它们各自的时均值进行分析研究.
3 结果 3.1 空间结果对空间数据的分析按两种方法进行:重复轨道比较和“连续"轨道比较(此处的“连续"仅指在日期上是连续的).重复轨道比较反映的是，在电离层中相对固定位置上电场的变化情况，而“连续"轨道比较反映的是，在电离层中固定区域上电场的演化趋势.图 2是利用边际谱方法对截取的DEMETER 卫星电场数据的处理结果图，其中图 2A 是对14个重复轨道的处理结果，然后利用Surfer8.0软件绘制.在绘制中把各个轨道的结果按日期前后排列，绘制过程中各轨道结果之间没有进行插值，以便于真实地反映各个轨道累加振幅变化的实际情况.纵向排列的三个小图表示电离层电场三个方向的结果，三个方向分别是指向地球的方向、轨道平面的法线方向和轨道的切线方向，横坐标为轨道的日期，纵坐标为频率，色标表示各频率累加振幅的大小所对应的颜色，图中红色箭头为汶川地震的发生时间(下同).第一个轨道时间为2007年11月1日，最后一个轨道时间为2008年6月12日，共15个轨道，轨道的重复周期约为16天.从图中可以看出，在第13个轨道两个方向上的低频率部分出现了累加振幅增大现象，累加振幅的大小比正常情况时增加1~2 个量级，这说明该区域电离层电场能量增强，与其他正常时刻相比较，有其他较低频率信号加入，该轨道日期为2008 年5 月11 日(汶川地震发生的前一天晚上)，这种增大现象非常明显(比图中其他几次变化大).中间小图上也有变化，只是在选取了相同的色标值后显示不出来了，这也说明了这种变化在轨道平面法线方向上的增强现象较弱.
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图 2 重复轨道和连续轨道边际谱演化图 Fig. 2 The evolution map of marginal spectrum about repeat orbits and cotinuted orbits |
图 2B，2C 是“连续"轨道的处理结果，图 2B 是DEMETER 卫星夜侧44个轨道的结果图，图 2C 是该卫星昼侧26 个轨道的结果图.与图 2A 类似，把轨道按日期连续排列，横坐标为日期，纵坐标为频率，色标显示的是累加振幅所对应的颜色，图中的白色条带是由于当天轨道没有记录到研究所需要类型的数据(2008年4月15日)，图 2B 轨道的起止时间为2008年4月4日至2008年5月17日，图 2C 轨道的起止时间为2008年4月17日至2008 年5 月12日.在这两张图中可以看出在2008年4月29日开始直到汶川地震发生，出现了较为连续的电场累加振幅增大现象，增大的幅度同样为1~2 个量级，这种现象在其他两个方向上也有反映，同样，在垂直轨道平面方向上发生的变化较其他两个方向上要弱一些.需要说明的是，在其他时间段电离层电场累加振幅也有个别增强现象，这种增强更多地是与太阳活动或地磁活动有关.张学民等[33]在利用DEMETER卫星电场VLF频段频谱数据对汶川地震分析研究时发现，在震前1周内也呈现出了能量增强现象.
3.2 陆基结果在研究陆基电场观测资料时，将每5天的数据组成一个时间序列，计算相应的边际谱，并把这些序列的计算结果按日期顺序进行排列.图 3A 是松山台地电场观测三个方向的结果，图中横坐标为日期(2008年1月1日至6月13日)，以5天为时间间隔，纵坐标为频率，色标表示这5 天中相同频率振幅累加值所对应的颜色.从图中可以看出，在震前大约15天开始出现了累加振幅增大2 个数量级的现象，另外，还发现该台站的电场出现周期性的增强，但在汶川地震发生以后这种周期性在短时间内受到了影响.
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图 3 松山、天水、陇南和成都地电场台边际谱演化图 Fig. 3 The map of marginal spectrum about Songshan, Tianshui, Long nan and Chengdu geoelectric field stations |
图 3B，3C 和 3D 分别是天水台(2008年1月16日至6月13 日)、陇南台(2008 年2 月4 日至6 月19日)和成都台(2008年1月26日至6月19日)地电观测台站的处理结果，制图方式和坐标与松山台的处理结果一致.从图中可以看出，天水台有两个测道、陇南台、成都台有三个测道从4 月10 日以后都出现了地电场累加振幅的增强现象(均增加了2 个量级)，但这种增强现象减弱或消失的时间不完全一致，陇南台和成都台在地震发生后仍然持续了一段时间才消失，而其他的两个台站则在地震前减弱或消失，造成这种现象的表面原因似乎与各台站到震中的距离有关，但其产生的机理仍需进一步的详细探讨和研究.虽然各台站的异常情况不完全相同，但都与汶川地震发生表现出来了很好的对应性.
4 讨论在陆基观测结果中，我们发现在这四个台站的结果中多数测道在汶川地震前出现了累加振幅增强现象，这说明这些台站同时记录到了一些相关联的信号.由于在大磁暴时会出现这种情况，为此，我们查证了中国气象局国家空间天气监测预警中心的空间天气月报，发现在4 月22 日、23 日有小磁暴外，其余研究时段的磁场活动水平均较低.对于地震之前会产生电磁信号，国内外都有许多报道，研究人员也进行过大量的实验研究，并在实验中观测到了岩样破裂前的电磁辐射信号，但对产生机制的解释都不完全相同[34].具有代表性的是文献[35~40]研究认为，在强地震孕震晚期阶段介质内部微裂隙定向排列并非线性发展，加之岩石膨胀-流体扩散(DD)模式[41~43]中地下水的作用，使得在孕震晚期震源区介质中电子导电，从而激发出了低频电磁波信号.在实际的观测当中，我国的地电观测台站曾记录到了震前异常现象，如:1976 年唐山7.8 级地震前通州地电场自6月中旬至7 月出现了140 mV 的变化.关于汶川地震，类似的变化在这四个台站也有出现，在边际谱演化图中表现为地电场累加振幅出现增大现象，在不同的台站这些现象的出现、结束的时间以及出现的测道都不完全相同，这些可能与异常的传播机理及台站局部的构造环境有密切的联系，还需进一步深入研究.
对电离层电场的研究结果，除了要排除各种干扰因素外，关键问题还有关于传播机理和电离层各参量如何变化的问题.关于“地震-电离层耦合"的机制[4， 6， 34， 43~45]，目前并不能对此完全解释，科学家们对这种耦合机制建立了许多模型，如化学传播、声学传播和电磁传播模型等，这些耦合过程可以改变或影响电离层离子温度、浓度及电子密度等参量.关于震前电离层参量变化研究较多的是电子密度变化研究[4， 26， 27]，震前电子密度是增强还是减弱变化，目前还没有统一的结论，但可以认为，震前电子密度变化与正常时段相比都不完全相同，电子密度的这种扰动变化致使卫星测得的电离层当中电场变化幅度也出现了这种扰动，因此，电场的边际谱表现出了增强现象.
5 结论本文利用DEMETER 地震电磁卫星和中法国际合作天祝地电场观测台站以及中国地震局在四川省、甘肃省建立的地电观测台站在汶川地震前记录的电场资料，使用基于希尔伯特-黄变换的边际谱方法进行了研究，得出以下结论:
(1) 对文中划定的区域范围内，卫星在重复轨道和“连续"轨道上记录的电离层电场观测资料分析研究发现，对于重复轨道研究结果，在2008年5月11日该轨道电场累加振幅出现了明显的增强现象(增大1~2个量级)；对“连续"轨道研究结果，电场累加振幅在4月29日开始出现相对连续的增强现象(1~2个量级)，并一直持续到5月12日.这两种方式的研究结果都发现了震前的累加振幅增强现象.
(2) 对中法合作的松山电磁观测台站、中国地震局地电台网的成都、陇南和天水地电场观测台站，在汶川地震前所记录资料分析后发现，松山台从4 月25日开始出现电场累加振幅增强现象(2 个量级)，并在地震发生前有所减弱；成都台在4月10日~14日开始出现了累加振幅增强现象(2 个量级)，在5月5日开始记录到了非常大的累加振幅增强现象，这种现象在5月19日后消失；天水台和陇南台累加振幅增强现象出现时间与成都台相差不大，但结束时间不完全相同，天水台的结束时间要早于陇南台和成都台.
(3) 从陆基和电离层电场累加振幅出现增强现象的时间来看，二者有较好的一致性.为了排除这种同步性是由于外空间的干扰(主要为磁暴)所致，我们查证了中国气象局国家空间天气监测预警中心的空间天气月报，发现在4 月22 日、23 日有小磁暴外，其余研究时段的太阳活动和地磁活动水平均较低，排除了这种增强现象是由于外太空干扰引起的可能性.对长时间尺度、不同观测手段研究结果所表现出的一致性说明，这两种观测手段观测到了相关联的现象，这些现象出现的时间和位置与汶川地震有很好的对应关系.若想得出在强震前普遍存在这一现象的结论，还需要做很多的工作，比如，进行更多的震例研究，进一步寻找更为适合的震源区电磁波从地面到电离层的传播机理等工作.
致谢卫星数据由DEMETER 卫星中心网站提供，陆基电场观测资料来源于中法国际合作和中国地震局地电观测台网，边际谱计算程序来源于G.Rilling团队，以及审稿专家和本文编辑所付出的辛勤劳动，在此一并表示衷心感谢.
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