1 研究背景

地震过程并不只局限于岩石圈，也会透过电磁场效应作用于对流层、电离层乃至磁层，其中，电离层前兆异常的出现具有较为稳定的时间尺度，在地震预报研究中具有较高价值（Pulinets et al，2021）。但是，由于地震的等级与类型、震源机制与深浅、孕震区地质结构与位置、地震发生时间及空间环境等因素的不同，导致震前电离层异常及岩石圈—大气层—电离层耦合的物理机制呈现多样性和复杂性，震前电离层异常的研究尚有诸多亟待深入研究及解决的问题。

2 研究内容及理论基础

选取2000—2020年全球1 660个M_W≥6.0地震（图 1），地震目录及相关地震参数来源为全球矩心矩张量（GCMT，Global Centroid Moment Tensor）计划（https://www.globalcmt.org/），利用CODE提供的电离层垂直方向总电子含量（vertical total electron content，VTEC）数据（空间分辨率为2.5°和5°、时间分辨率为2 h），结合D_st指数，从震级大小、震源深度、震中位置、震源机制4个方面，研究震前电离层异常特征，并对比分析上述地震背景时段内电离层异常特征。

针对每个震例，采用包络线法进行震前电离层VTEC异常探测。一天中有连续4 h的VTEC超出上（下）边界值，则认为该天出现了电离层正（负）异常，异常大小（Anomaly Level，AL）定义为最大异常值超出中值的百分比。本文将AL＜20%时的电离层异常现象看作太阳活动的逐日影响，只统计AL＞20%情况下震前1—15天的电离层异常现象。为避免地磁活动影响，将发生地磁扰动（D_st≤-40 nT或D_st≥40 nT）当天和其后3天的电离层异常视作由地磁场扰动引起，并予以去除。排除太阳及地磁活动影响后，计算每个震例震前T天内不同AL的电离层异常发生天数，记为N_{AL, T}。

计算完成每个震例的N_{AL, T}后，研究所有震例的震前电离层VTEC异常发生率P_E。P_E统计方法步骤如下：按照特定条件将震例分为若干组，例如将同时满足M_W≥6.6及震源深度≤20 km的震例看作一组；计算每组震例发生前电离层异常发生率P_E（Le et al，2011），公式如下

$ P_{\mathrm{E}}=\frac{1}{K} \sum\limits_{n=1}^{K} \frac{N_{\mathrm{AL}, T}^{n}}{T-\Delta S_{n}} \times 100 \% $

(1)

式中，K为每组震例的个数；T为地震前天数；ΔS_n为第n个震例在震前T天内受地磁扰动影响的天数，每组震例的P_E即为该组每个震例电离层异常发生率的平均值。

为了比较地震与其他因素引起的电离层异常特征的不同，计算背景时间段内电离层异常发生率P_N，具体步骤为：将每个震例发生前300—61天作为其背景天数，在选定240天中，去除地磁扰动影响天数及其他邻近地震发生天数，记为ΔW，则每个震例的背景天数为240 -ΔW；针对每个震例，计算其背景时间段内发生电离层异常的天数N_AL；针对每组震例，计算其背景时间段内的P_N，公式如下

$ P_{\mathrm{N}}=\frac{\sum\limits_{n=1}^{K} N_{\mathrm{AL}}^{n}}{K \times 240-\Delta W} $

(2)

3 研究结果

在所选1 660个震例中，震前1—15天出现电离层VTEC异常现象的震例个数为1 418，发生异常的概率为85.42%。其中，负异常现象810次，占比57.12%。

震前电离层异常与震级大小、震源深度、震中位置、震源机制有如下关系：①震级大小：震前电离层异常发生概率随着AL的升高而降低，震前电离层异常发生概率与震级大小之间无明显的对应关系；②震源深度：浅源地震异常概率随深度增大而减小，而中源和深源地震异常概率随深度增大而增大；③震中位置：震前电离层异常发生概率随纬度增高而增大，但高纬度区域地震次数少，对统计结果准确性有一定影响，尚需深入讨论；④震源机制：正断层发生异常概率最大，走滑断层次之，逆断层最小。然而，正断层震例仅236个，可能对统计结果准确性有一定影响。

（1）震源机制为正断层的地震：低纬度情况下，震前异常发生率趋势表现为随震级增大而增加，随震源深度增大而减小；中纬度情况下，震前异常发生率趋势变化与震级大小、震源深浅的相关性不明显；震前异常发生率随纬度增加减小。

（2）震源机制为逆断层的地震：低纬度情况下，震前异常发生率趋势表现为随震级增大而增加，若为浅源地震，则该趋势不明显；中纬度情况下，异常发生率趋势表现为随震级增大而增加，但是该趋势变化与震源深度增加关系不明显；震前异常发生率趋势随纬度增加而增大。

（3）震源机制为走滑断层的地震：低纬度情况下，震前异常发生率趋势表现为随震级增大而增加，但随着震源深度增大，该趋势越来越不明显；中纬度情况下，异常发生率表现为随震级增大呈增加—降低趋势；震前异常发生率趋势与纬度高低相关性不大。

当地震震源深度小于20 km时，不同震级的P_E/P_N最大值变化见图 2。由图 2可见，P_E/P_N随着AL增大而增加，最大可达3.4。背景时段与震前电离层异常发生率变化趋势存在较大差异，再次证明震前几天内出现的电离层异常现象与地震相关性较大。

4 结束语

震级大小、震源深浅、纬度高低及不同的震源机制都会对震前电离层异常产生一定影响：震前电离层异常发生率的变化趋势整体表现为随震级的增加而增大；对于浅源地震，随震源深度增加而减小；不同纬度整体趋势相差不大；震源机制为逆断层时异常发生率相对较低。此外，背景时段内电离层异常发生率与震前电离层异常发生率变化趋势存在较大差异，表明震前电离层异常现象可能与地震前兆具有一定相关性。本文通过总结全球1 660个地震发生前电离层异常特征规律，为地震电离层耦合物理机制及地震预报的深入研究提供相应科学依据。