1 引言

地震电磁辐射现象是指伴随着地震孕育过程而产生的电磁辐射源释放出的某种电磁信号，且大多出现在地震前几天至几小时内地震孕育的后期，近地表大气层、上大气层、电离层、甚至磁层都存在电磁辐射异常（Pulinets et al，2004）。因此，具有短临预测的应用前景。

于海雁等（2010）对DEMETER卫星记录的电磁数据研究发现，电磁辐射呈现出很强的平面波特征，传播方向为上行传播；曾中超等（2009）利用DEMETER卫星于地震前3—7天在震中附近记录到了电子浓度、电子温度和氧离子浓度出现的剧烈变化（变化率均超20%）。本研究利用法国DEMETER卫星极低频（Extremely Low Frequency，ELF）电场和磁场三分量电离层观测数据，对2008年5月12日汶川M_S 8.0大地震前10天数据进行分析，研究地震前电磁数据自功率谱变化特征，旨在揭示地震电磁辐射变化特征，为地震电磁预测尤其短临预测提供参考依据。

2 方法与原理

自功率谱计算是有限数据给出信号频率成分的分布描述，在频域内提取淹没在噪声中有用信息的分析方法，可对电磁场异常引起的背景场变化效果进行放大。一般情况下，无地震时正常观测情况下电、磁场的谱记为Y₀(ω)，由地震活动引起的电、磁场谱异常记为Y_S (ω)，则观测的总电、磁场谱为：

$ Y(\omega)=Y_0(\omega)+Y_{\mathrm{S}}(\omega) $

(1)

定义电、磁场的自功率谱为

$ P_y(Y(\omega))=Y(\omega) Y^*(\omega) $

(2)

将（1）式带入（2）式可得到

$ \begin{aligned} P_y(Y(\omega)) & =\left(Y_0(\omega)+Y_{\mathrm{S}}(\omega)\right) \cdot\left(Y_0^*(\omega)+Y_{\mathrm{S}}^*(w)\right) \\ & =P_y\left(Y_0(\omega)\right)+Y_0(\omega) Y_{\mathrm{S}}^*(\omega)+Y_{\mathrm{S}}(\omega) Y_0^*(\omega)+P_y\left(Y_{\mathrm{S}}(\omega)\right) \end{aligned} $

(3)

3 计算结果分析

针对汶川M_S 8.0地震，计算在2 000 km范围内、地震前10天搜索到的20条轨道中ELF频段电、磁场自功率谱等参数，其中3个磁场分量为B_x（地磁场磁力线北向分量）、B_y（地磁场磁力线东向分量）、B_z（地磁场磁力线垂向分量）；3个电场分量为E_x（地磁场磁力线北向分量电场）、E_y（地磁场磁力线东向分量电场）、E_z（地磁场磁力垂向分量电场）。本文重点分析前人研究成果（Zhao et al，2008；朱涛等，2011）中提到的可能与地震有关的前兆异常，筛选出的卫星轨道分别为20589_0、20595_1、20618_0和20633_0（其中_0为降轨，_1为升轨）。研究结果表明，仅在电场E_z分量上有频谱异常变化（图 1），而其他分量不明显。观测数据采用地磁B0坐标系，电、磁场数据采样率为2.5 kHz。

通过对位于汶川M_S 8.0地震前、震中区上空不同频率电场的4条轨道数据分析发现（图 1），一般情况下电场E_z分量的优势频段为0—10 Hz左右（图 1中2条红线为星载数据处理模块产生的干扰信号），但在地震前3天（9日）E_z分量[图 1（a）中黑圈，降轨轨道]北京时间12点附近出现了频段增大异常变化，其异常频率幅度的最大值达到20 Hz附近，持续时间约1 min，而当频率增加到100 Hz左右时，信号强度减弱逐渐趋于背景值；在5月9日的另一条经过震源区上空的轨道[图 1（b）中黑圈，升轨轨道]同样出现电场E_z分量频率扰动增大现象，异常频率也到了20 Hz左右，而10日无明显异常变化，但在11日和12日异常信号继续出现[图 1（c）、图 1（d）]，其中在地震前一天（11日）E_z分量的异常幅度要大于地震前2 h的异常幅度。

为了便于比较说明，在此以5月9日20589_0轨道其他分量电磁场ELF频段自功率频谱变化为例（图 2），可以看出电磁其他分量自功率谱值无明显异常变化。

众所周知，电离层扰动一般会受到地磁活动的影响，如在磁暴期间电离层会有非常复杂的变化，几乎所有的电离层参数都会受到影响。而地磁D_st指数系统监测了全球环电流感应场的强度，普遍认为当D_st指数低于-50 nT并持续2 h以上时，表示会有磁暴发生。因此，对汶川地震前后5月1日到5月31日的D_st指数变化分析看出，在观察到异常的时段内并未出现较强的地磁活动，属于磁静日，表明汶川地震前电磁异常变化与地磁指数D_st无明显的对应关系，即观察到的电离层异常不是由地磁活动所引起，研究认为极有可能是来源于地震震源的异常信息。

4 结束语

对于ELF频段的地震前电磁辐射变化特征，研究结果表现出了电磁辐射增强现象，这可能是正常情况下这个周期的电磁辐射出现概率较小，所以一旦在地震前激发，电磁场频谱往往表现为幅度增强的异常。但异常变化为何仅在电场E_z分量观测到？可能的原因为垂向Z分量指向与震源位置，而电场受到的影响比磁场更敏感更易被观测到。因此，为更全面了解地震电磁辐射前兆异常现象，还需加强电磁波在天基和地基的对比分析，深入开展岩石圈—大气层—电离层之间耦合与地震关系的机理研究。

文中的DEMETER卫星观测数据由法国CNES提供，地磁D_st指数来源于http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/网站，在此一并感谢。