2011, Vol. 54
2. 中国科学院研究生院,北京 100049;
3. 中国地震局地震预测研究所, 北京 100036
, WAN Wei-Xing1, HUANG Jian-Ping3, ZHANG Xue-Min3, ZHAO Shu-Fan3, OUYANG Xin-Yan3, ZEREN Zhi-Ma3
2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China
地震电离层效应研究是当前地震科学与电离层科学领域所共同面临的最具挑战性的课题之一.通过对强震前后的电离层观测数据的分析研究，已经发现震中上空附近存在电离层D、E、F 层的震前扰动现象[1~7].基于这些现象的地震电离层耦合机理研究，近二十年也有大量相关文章发表，Kamogawa[8]、Hayakawa[9]、Pulinets[10]等将这种耦合关系推测为三种途径，分别为化学途径、声学途径、电磁途径.但值得指出，地震(特别是强震)是一种偶发事件，至今对震前电离层扰动研究结果的积累并不充分；而加之地震电离层耦合过程的复杂性和多样性，也需要对不同地震事件期间的电离层现象进行更为广泛和深入的分析，以最终揭示地震电离层耦合的规律和机理.
2004年6 月29 日，世界上第一颗专门服务于地震电离层效应监测的法国DEMETER 卫星发射成功，2010年12月9日停止数据接收，积累了近6年半的电离层观测资料.卫星采用准太阳同步圆形轨道，轨道倾角98.3°，高度710km(2005 年12 月中旬开始降为660km)，卫星重量130kg[11]，卫星上配置了多种电离层参数的观测仪器，其中包括电场探测仪(ICE)[12]，观测从直流到3.5 MHz的电场；感应式磁力仪(IMSC)[13]，观测几赫兹到20kHz的变化磁场；等离子体分析仪(IAP)[14]，探测H+ 、He+ 、O+ 三种离子浓度及离子温度；Langmuir探针(ISL)[15]，观测电子浓度、离子浓度及电子温度；高能粒子探测仪(IDP)[16]，探测0.8~2.5 MeV 范围内的电子通量.
现今，已有多位学者利用DEMETER 卫星观测数据开展了地震效应方面的研究和分析.例如，Parrot[17]发现Kii半岛地震震前七天电磁场及等离子体浓度的同步扰动；Bhattacharya[18]指出DEMETER卫星观测到了2006 年3 月7 日Gujarat(23.78°N，70.90°E)5.5 级地震前的电磁辐射现象；张学民等(2009)[19， 20]发现智利7.9级地震、新疆于田7.2级地震前的电离层电磁扰动；曾中超等(2009)[21]分析发现汶川地震震前第4、第5 天电离层等离子体浓度异常，及第3、第7 天电磁辐射增强等；刘静等(2010)[22]发现汶川地震前5月7日电子浓度、离子浓度均出现增加的现象.
本文利用DEMETER 卫星观测数据，对2010年2月27日6时34 分(UT)发生在智利(35.8°S，72.7°W)的8.8 级地震空间环境效应进行了研究.我们发现，此次特大地震震前电离层中电子浓度参数有明显扰动，并对其异常特征进行了深入分析.
2 数据选取本研究选取数据为20°S~50°S，260°E~300°E范围内的升轨数据，这样，卫星经过震中上空为世界时1~4 时，即当地时21~24 时.根据地磁指数(Dst、Kp，参见图 1)，2010年2月15~17日有一弱磁暴发生(最小Dst指数为-62nT).为了避免该磁暴的影响，我们主要分析2 月18~27 日震前10天及2月28日震后1天的数据资料.这些资料为升轨数据(夜侧)，每天包含2轨，经向上相差约24°，本段时间内共22轨数据.
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图 1 2010年2月地磁指数变化竖线为发震时刻. Fig. 1 Geomagnetic index changes in Feb 2010 Earthquake Ume ^ marked by vertical line. |
电离层中电子浓度的扰动时常会伴有电磁场的变化，DEMETER 卫星既有等离子体的观测又有电磁场的观测，为考察本卫星观测电子浓度扰动的可靠性，本文在开展电子浓度研究前，首先分析此段时间内由DEMETER 网站(http://demeter.cnrs-orleans.fr/)提供的各种参量2级图像，研究电子浓度与电磁场是否存在同步扰动现象.
如图 2a 所示的是其中一轨(2 月25 日升轨30242)数据示例，从上至下各参量分布为:电场频谱、磁场频谱、高能粒子能谱、高能粒子通量、电子浓度、电子温度、三种离子(H+ 、He+ 、O+)的浓度、离子温度、人工神经网络所记录的哨声数.上述DEMETER 网站同时还在2 级图像的最后一行给出了地震事件，此图纵坐标即代表震中到卫星的距离，三角形代表相对此幅图时间之后的地震，方框代表之前的地震，圆形代表同震，用图形大小代表不同震级的地震，而不同的颜色等级对应从大于30天到0~ 6小时的时间范围，颜色越深，说明离地震时间越短.图 2b给出了此幅2级图像对应的卫星轨道.
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图 2 2月25日升轨30242的2级图像(a)及其空间位置图（b) Fig. 2 Level 2 picture of 30242 up orbit (a) and its spatial location (b) on Feb 25th |
分析全部22轨2级图像数据，发现2 月25 日距震中约2000km 的西侧轨道上，30°S~55°S范围内出现电场、磁场、电子浓度、电子温度、O+ 浓度和离子温度的同步扰动(图 2a中红竖直线界定的区域)；2月26日震中上空的轨道，在35°S~50°S范围内也出现电场、电子浓度、电子温度、O+ 浓度和离子温度的同步扰动(图 3a中红竖直线界定的区域)；此外，2月27日震前4小时，震中东侧的轨道，在磁赤道附近，电场出现低值，电子浓度、电子温度、离子温度呈现强烈的扰动(图 4a中红竖直线界定的区域)，其中离子温度升幅近1500K(Pulinets应用DEMETER数据分析苏门达腊地震时也发现了等离子体在赤道附近的这种强烈扰动现象[23]).
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图 3 2月26日升轨30256的2级图像（a)及其空间位置图（b) Fig. 3 Level 2 picture of 30256 up orbit (a) and its spatial location (b) on Feb 26th |
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图 4 2月27日升轨30270的2级图像（a)及其空间位置图（b) Fig. 4 Level 2 picture of 30270 up orbit (a) and its spatial location (b) on Feb 27th |
为研究震前电子浓度随时间的变化规律，本文拟开展时序分析.由于受单颗卫星的限制，观测参量既随时间变化也随空间变化，张学民等[24]在分析DEMETER 电子浓度变化特征时发现，与参考轨道相邻近的1-2条轨道相关系数比较高，卫星记录的数据在一定范围内，特别是同纬度地区存在区域相似性，可以用来作对比分析，因此本文将对观测数据进行重采样，针对同纬度点开展时序分析.
为寻求电子浓度的背景信息，本研究采取了滑动中值的方法对其进行了分析，具体方法如下:将实测值按0.1°进行重采样，然后每一纬度点的数据按窗长20轨(10天数据)、步长2轨(每天震中周围数据为2轨)做滑动中值处理，并取80%、20%的分位点作为上下阀值.按此方法，取2010年2月8日~2月17日的20条轨道数据作为背景值，对22条轨道进行处理，纬度范围限制在25.8°S~45.8°S(震中纬度的±10°范围内)，电子浓度变化的时间序列如图 5a所示.为更好地显示异常信息，将实际观测值与上下阀值相减，未超过阀值的结果以“0"值处理，超过上限的为正值，超过下限的为负值，处理后的时间序列图如图 5b所示.
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图 5 电子浓度（Ne)滑动中值时间序列图 (a)为原始观测值及其上下阀值，（b)为观测值减上下阀值.紫色线为发震时刻. Fig. 5 Time series chart of electron densities with gliding median method (Original observations, upper and lower thresholds are shown in figure (a) ； Values subtracted upper and lower thresholds are shown in figure (b) ； Earthquake time is marked by purple line. |
图 5中虽对观测值进行了上下限的限制，但由于其变化幅度较大，最大达上万cm-3，经处理后仍有大量观测值超出阀值，因此在图 5b中我们将相减后的数值超过±10000cm-3的作为异常.由图可知，2月18日两条轨道都出现电子浓度正异常值，其最大处超出中值2.5×104cm-3，由于15、16、17日有一弱的磁暴发生，且18日的Kp指数与17日相当，因此初步推断18日的高值有可能是暴后效应，因而我们不做进一步分析；24日电子浓度呈现弱的负异常值，最低值低于下限近1×104cm-3；震前一天，26日两条轨道数值均超出上限值，35.8°N 左右超出阀值大约为1×104cm-3.
3.3 电子浓度随纬度变化在电离层中低纬地区，电子浓度随纬度会呈现单峰或双峰的变化，欧阳新艳等[25]分析了DEMETER卫星所观测电子浓度的季节变化特征.为提取背景特征，本研究将2010年1月份经过本区的所有电子浓度数据(共62条轨道)按0.1°重采样后求中值(图 6中粗黑实线所示)，并取2 倍标准差作为上下限(图 6中黄圈线所示)，以此为基础来限定异常值.
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图 6 2月18〜28日各轨道电子浓度随纬度变化曲线图 Fig. 6 The graph of electron density changing with ktitude between Feb. 18th and Feb. 28th |
图中电子浓度分布基本为单峰结构，磁赤道附近的电子浓度变化范围较大，变幅量常超过几万电子cm-3，因此本研究中所得中值无法限定该区域内的电子浓度值.关注震中±10°范围内(即25.8°S~45.8°S，图中蓝线所示)的电子浓度，图中显示除受磁暴影响的18日值高外，只有震前一天2 月26 日在震中纬度附近出现多点高值.
3.4 空间差值图将纬向(-60°~0°)、经向(260°~320°)按3°×5°的格子进行划分，以2月1日~2月17日震前数据为基础(去除Dst低于-30、Kp大于或等于4的2月2日、2月15、16、17 日轨道数据)，计算每个格子中的中值作为背景场(如图 7 所示).每日观测数据也按划分好的格子求中值，与背景值相减并除以背景场中每个格子的标准差，按2天窗长、1天步长进行滑动显示(如图 8所示).
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图 7 2月1〜14日电子浓度（Ne)背景场图中绿线为卫星飞行轨道. Fig. 7 Electron density background between Feb. 1st and Feb. 14th The green lines are the satellite orbits. |
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图 8 2月18〜28日电子浓度差值图 图中绿线为卫星飞行轨道，红圈代表震中位置，图标题中方括号代表闭区间、圆括号代表开区间. Fig. 8 Spatial difference map of electron density between Feb. 18th and Feb. 28th The green lines are the satellite orbits； red circle is epicenter； in the picture title, square brackets representthe closed interval and parentheses representopened interval. |
差值图中显示，2月20日赤道附近出现多个高值区，并且震中东北侧1500km 处出现一个高值区，电子浓度增幅近8倍标准差；27日、28日赤道附近再次出现高值，增幅最大处为7.5 倍标准差.除20日距离震中1500km 处出现的异常区外，其他异常多出现在赤道附近，由于这些异常偏离震中较远且区域较大，其诱因是地震直接影响，还是震前电磁异常沿磁力线传播影响，还是其他空间天气因素影响，仍不可而知，有待于继续深入研究.
4 结论与讨论(1) 震前扰动异常应是相对于背景值的高值或低值，为寻求背景值本研究采取了以前10天的数据为基础进行滑动分析的方法，以及取前1个月、半个月中值的分析方法.通过对智利地震的实践研究，发现这些方法都可以提取相对于背景的震前异常.
(2) 通过分析智利地震震前10天及震后1天的DEMETER 数据发现，在震中区附近的电离层中，20日震中东北侧1500km 处电子浓度升高，24 日电子浓度开始降低，25、26日电场、磁场及部分等离子体参量呈现同步扰动，并且26日2条轨道的电子浓度值出现高于背景值的异常，27日震前4小时电子浓度在震中西北侧磁赤道附近出现电场频谱下降，等离子体参量强烈扰动的现象.
(3) 依据现有研究成果，有的学者发现震前电离层电子浓度降低[26]，也有的学者发现震前电离层电子浓度升高[7].岩石介质从某种程度上说具有半导体特性，影响介质导电能力的主要因素是内部结构缺陷和杂质，如果内部杂质是周期表中第III族中的元素，则称为P 型半导体，在这样的材料中传导主要是由带正电的空穴引起的.如果杂质是周期表中第V 族中的元素，则称为N 型半导体，传导性是由于有多余的负离子引起的.Takeuchi等[27]的研究表明，地震孕育过程中由于岩石应力积累，如果地震断层带的岩石为P 型半导体，则在地表形成一组带正电的空穴(如图 9所示)，在地表的正电位会吸引电离层中电子下沉，与大气中的中性粒子或者正离子复合，从而使震中上空附近电离层电子浓度降低.而如果是N 型半导体，则刚好相反，在地表聚集电子，使大气中带负电的电子向上运动，从而使震中上空附近电离层电子浓度增加.正因为地震孕育区的岩石介质的搀杂特性不同，所以震前电离层中存在正异常也存在负异常，并且这种异常在E×B的作用下还会向东或向西漂移，这就是为什么本研究轨道未完全经过震中上空，但也发现了24日电子浓度降低、26日电子浓度升高的现象.此外，电离层底部电子浓度较稀薄，垂直电场引起的扰动较小，而当这个扰动电场沿磁力线向上(磁赤道方向)传播到电子浓度较大的地方时，引起的扰动也会相应变大，从而被卫星观测到，图 8 2月20日的电子浓度异常不仅向东偏移，并且有向磁赤道方向偏移的现象.综上所述，针对不同地区的地震、同一地震的不同时刻，震前电离层电子浓度可能出现正异常也可能出现负异常，并且这种异常会向东西两侧及磁赤道方向偏移.
致谢
作者衷心感谢法国DEMETER数据中心为本文提供的1级观测数据.
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