利用GPS和DEMETER数据分析汶川地震前电离层变化

闫相相 单新建 曹晋滨 汤 吉 王飞飞

1)地震动力学国家重点实验室，中国地震局地质研究所，北京 100029

2)北京航空航天大学宇航学院，北京 100191

3)中国石油大学(华东)，青岛 266555

利用GPS和DEMETER数据分析汶川地震前电离层变化

闫相相1)单新建1)曹晋滨2)汤 吉1)王飞飞1，3)

1)地震动力学国家重点实验室，中国地震局地质研究所，北京 100029

2)北京航空航天大学宇航学院，北京 100191

3)中国石油大学(华东)，青岛 266555

利用GPS TEC和法国DEMETER卫星ISL探测器的观测数据，分析了汶川地震前电离层变化。结果表明，电离层TEC在5月6—10日地方时下午有连续的负异常现象，5月9日地方时下午有明显的正异常现象。电离层TEC异常的范围主要位于震中南部区域，EW方向上1100～1670km，SN方向上1600～3700km。5月6日的负异常偏震中东南，5月7日的负异常偏震中西南，5月9日的正异常偏震中东南。震中西南和南部地区负异常较东南地区明显，震中南部和东南地区正异常程度较西南地区偏高，震中位置所对应南半球磁力线共轭区都出现了一定程度的正或负扰动。DEMETER卫星观测的电子密度Ne和离子密度Ni在5月6—10日也出现了明显的负异常，异常分布与电离层TEC异常分布较为一致，主要集中在震中南部。震中所在的经度带上存在2个负异常峰值，且在纬度上关于地磁赤道对称。最后在上述异常的基础上，对基于岩石圈—大气层—电离层耦合的地震电离层异常机理开展了初步讨论。

汶川地震 GPSTEC DEMETER 电子密度 离子密度

0 引言

近年来，大量的震例和统计分析表明，大地震和火山喷发前几天到几小时内，对应孕震区、火山喷发区上空大气层、电离层存在电磁异常现象，如LF/VLF/ELF/ULF信号相位、振幅异常变化(Parrot，1994;Molchanov et al.，2003;Rozhnoi et al.，2004)，电离层电子浓度总含量(Total Electron Content，简称 TEC)异常(Liu et al.，2000，2004a，b，2006，2009;Zakharenkova et al.，2006;Zhao et al.，2008)，电离层 F2 层临界频率 foF2 异常(Liu et al.，2004a;Trigunait et al.，2004)，电离层等离子体参数变化(Zhang et al.，2009)等。在地震孕育过程中，地下介质原有微破裂扩展、新生微破裂发育并定向排列，体积膨胀，产生压磁效应、压电效应、动电效应、热磁效应等物理电磁效应的同步和定向激发，从而在距离震中一定范围内可观测到明显的地震电磁现象(Zlotnicki et al.，1986;Fenoglio，1995;Freund，2000;Huang，2002;Mishima，2009)。这些电离层电磁扰动现象主要可概括为低频电磁扰动、等离子体变化和高能粒子扰动等。

2008年5月12日汶川特大地震发生后，许多学者从不同角度开展了对汶川地震的研究和探讨，其中就包括汶川地震前的电磁扰动和电离层效应。Zhao等(2008)发现5月9日武汉、厦门站NmF2有明显增强;且5月9日震中上空区域和所对应的磁共轭区电离层TEC增幅明显。Liu等(2009)发现汶川地震前6～4天下午，在地震区上空电离层TEC明显减小;而震前3天下午，在地震区上空电离层TEC显著增强;另外发现震前6～4天，F2层峰值电子密度NmF2减少40%，所对应的峰值高度hmF2降低50～80km;震前3天，NmF2增强。Yu等(2009)也发现在5月9日下午16～18LT，汶川东南约20°范围内上空电离层TEC出现了10～15TECU的显著增强，同时在南半球磁力线共轭区也出现了TEC增强现象，增强幅度约10TECU。Zhang等(2009)利用法国DEMETER卫星数据分析了汶川地震前电离层等离子体异常，发现5月9日电离层O+浓度明显偏低;Akhoondzadeh等(2010)分别利用GPS数据和DEMETER数据对统计分析了包括汶川地震在内的4次6级以上地震的电离层效应，发现每次地震前的异常形态并不一致，但异常幅度与震级有关。

此外，各国学者从电磁学、地球物理学、地球化学以及数值模拟等角度开展了地震电磁信号的岩石圈-大气层-电离层耦合机制的研究(Molchanov，1995a，b;Grimalsky et al.，1999;Sorokin，2001;Freund，2004;Hayakawa，2004;Takeuchi et al.，2006)。Pulinets(2004)分别从近地表过程、电离层D层效应、E层效应和磁层效应4个方面论述了地震电离层耦合的物理模型。Hayakawa(2004)提出3种可能的地震电磁信号传播途径:电磁途径、化学途径和声学途径。Freund等(2004)基于实验室岩石实验的基础提出了离子空穴(positive holes)运移假说模型，并分析了在地表、大气层和电离层可能形成的地震电磁效应。但是，与地震相关的各种电磁效应的机理目前还没有统一的解释。

本研究在以上关于地震电磁现象认识的基础上，分别利用GPSTEC数据和DEMETER数据开展了对汶川地震前电离层扰动现象的研究，对比分析了这种数据的结果，并与前人的工作进行了比较和讨论。

1 数据及分析方法

1.1 GPS数据

电离层电子浓度总含量(TEC)是描述电离层的形态、结构及变化的最主要参量之一，是单位面积内电离层电子浓度沿某方向的积分总含量，代表着在该方向上电离层电子的总数目，单位为TECU。国际全球导航卫星系统服务中心(International GNSS Service，简称IGS)提供全球范围内的GPS观测数据，并建立起准实时的电离层TEC现报系统，监测全球范围的TEC变化。JPL(Jet Propulsion Laboratory，美国喷气动力学实验室)作为IGS的7个分析中心之一，每2h反演生成一张空间分辨率为2.5°×5°的全球电离层TEC地图数据，该数据为研究全球大尺度电离层结构和变化提供了基础数据。本项研究选取了该TEC数据，分析了汶川地震震中位置及附近区域电离层时空演化特性和异常形态。

1.2 DEMETER卫星数据

DEMETER卫星于2004年6月29日发射，其科学目标是研究与地震、火山有关的电离层扰动信息，与人类活动有关的电离层扰动以及探测全球尺度的电磁环境(Parrot，2002)。卫星轨道是准太阳同步圆形轨道，轨道高度710km，于2005年12月中旬调整为660km。卫星有效载荷包括:电场探测仪(ICE)，观测从直流到3.175 MHz的电场(Berthelier，2006a);感应式磁力仪(IMSC)观测10Hz～17kHz的磁场(Parrot，2005);等离子体探测仪(IAP)，探测离子浓度、温度等(Berthelier，2005);Langmuir探针(ISL)，观测电子浓度和电子温度(Lebreton，2006b);高能粒子探测仪(IDP)，测量高能电子的通量和能谱(Sauvaud，2006)。本文选取ISL探测器上的电子密度Ne和离子密度Ni数据，结合电离层TEC异常特征，分析了汶川地震震中位置及附近区域的异常分布特征。

1.3 电磁环境

电离层扰动受到很多因素的影响，包括太阳活动、地磁活动和天气变化等。为了提取与地震有关的电离层扰动信息，需要排除其他空间方面的影响。选取了World Date Center for Geomagnetism提供的地磁数据(图1)，包括:全球地磁扰动指数K p，时间分辨率为3h;表示赤道附近地球地表磁场扰动程度的地磁参数D st，时间分辨率为1h;描述极区地磁亚暴和极光带电集流的大小的指数AE，时间分辨率为1h。

图1 2008年4月27日至5月17日期间地磁指数Fig.1 Geomagnetic index during 27 April to 17 May，2008.

图1分析结果显示，4月27日至5月17日大部分时间内地磁指数K p≤3，D st≥-30nT，AE≤800nT。整体看来，太阳活动和地磁活动水平都很低。其中4月30日出现了3h的小磁暴，5月1—2日出现了9h的地磁活跃，其余时间地磁活动平静到微扰。

2 GPSTEC监测结果分析

根据JPL提供的电离层TEC网格数据，利用插值法，得到了震中位置(103.32°E，31.00°N)从2008年4月27日到5月17日时间段内的电离层TEC时间序列图。并根据异常判定的滑动四分位法(Liu，2009，2010)给出了异常判断的上下边界和滑动中值 (图2)。

图2 汶川地震震中位置的GPSTEC时间序列图Fig.2 Time series of GPSTEC right above theWenchuan earthquake epicenter.

图3 汶川地震震中位置上空在2006—2010年4月27日至5月17日期间的GPSTEC时间序列图Fig.3 Time series of GPSTEC right above theWenchuan earthquake epicenter during 27 April to 17 May from 2006 to 2010.

可以看出地震发生前数天内震中位置对应的电离层TEC出现了一定程度的正、负扰动，且正负扰动是交错的。分析得到，5月3日02～06UT和5月9日10～12UT期间电离层TEC出现了较强的正扰动，其中5月3日扰动幅度约20%，5月9日最大异常值5.9TECU，幅度达31.4%;此外，4月29日、5月6日和7日也出现了较大程度负扰动，其中5月6日10UT时刻扰动幅度达26%。Liu等(2010)的异常提取方法是，如果某日超过1/3的正扰动或者负扰动连续出现，GPS TEC观测值大于或小于相应的上下边界，则认为是正异常或负异常。据此得到，正异常为5月3日和9日，负异常为4月29日、5月6日和7日。还可以看出，在汶川地震前震中位置电离层TEC扰动的时间一般在02～12UT期间，且集中在04～10UT期间。图3对比分析了2006年至2010年的4月27日至5月17日期间汶川地震震中位置上空的GPS TEC数据，由图3可见2008年4月29日和5月6—10日电离层TEC明显偏低，与图2结果基本一致。此外，2008年5月3日电离层TEC也高于2007年、2009和2010年同期，但低于2006年同期。

为了进一步分析汶川地震前的电离层TEC扰动范围和空间分布，用实际观测值减去此前15天的滑动中值计算了5月1—15日04～10UT期间内电离层TEC差值，即DTEC，发现出现明显扰动的有3天:5月6、7和9日，图4，5，6分别给出其分布结果。

图4 5月6日0400～1000UT(1200～1800LT)期间全球和中国区域电离层DTEC分布图Fig.4 Global and China ionospheremaps observed during 0400 ～1000UT(1200 ～1800LT)on 6 May，2008.

由图4可见，5月6日04～08UT期间，震中东南及南部出现了明显的电离层TEC负扰动，其中06～08UT的扰动最大，达16～20TECU，且在此期间位于南半球的磁力线共轭区域也出现了一定程度的负扰动，这与其他许多地震之前电离层扰动不仅发生在震中上空，有时候也会出现在南半球或北半球磁共轭区域相一致。异常影响范围主要位于震中南部区域，异常区域范围纬向为10°～15°，经向为15°～35°。换算成距离，纬向最大异常尺度约1670km，经向达到3700km。根据前人研究结果，不同震级对应孕震区的范围不同，并有经验公式R=100.43M(R是孕震区半径，M为震级)(Dobrovolsky et al.，1979)。根据此经验公式得出，汶川地震的孕震区半径R=2494km，这与实际观测到的异常区域尺度一致。

5月7日04～10UT期间，震中附近也出现了明显的电离层TEC负扰动，对应的南半球磁力线共轭区也都出现了不同程度的负扰动 (图5);其中04UT扰动约10TECU，主要位于震中东南;06UT扰动10～13TECU，主要位于震中西南;08UT扰动幅度最强，达15～19TECU，主要位于震中南部稍偏西;10UT扰动10～12TECU，主要位于震中南部。

图5 5月7日0400～1000UT(1200～1800LT)期间全球和中国区域电离层DTEC分布图Fig.5 Global and China ionospheremaps observed during 0400 ～1000UT(1200 ～1800LT)on 7 May，2008.图注同图4

5月9日04～06UT期间，震中附近出现了一定程度的电离层TEC负扰动，扰动幅度不大，5～10TECU;而08～10UT，震中东南和南部都出现了较大程度的TEC正扰动，扰动幅度10～16TECU;且10UT时刻，对应南半球磁共轭区域也出现了一定程度的正扰动。另外，从异常的空间演化和分布可以看出，地震引起的电离层扰动并不在震中正上方，而是往赤道有一定程度的漂移，且扰动的范围基本集中在震中南部区域。

图6 5月9日0400～1000UT(1200～1800LT)期间全球和中国区域电离层DTEC分布图Fig.6 Global and China ionospheremaps observed during 0400 ～1000UT(1200 ～1800LT)on 9 May，2008.图标同图4

Pulinests等(2003)指出，电离层扰动最大的位置并不是与震中位置垂直投影一致，在高纬和中纬地区会向赤道方向偏移。在上述震中附近电离层TEC扰动范围分析的基础上，自西向东分别在震中西南、南部和东南选取了 A(90.22°E，23°N)、B(103.32°E，23°N)、C(116.43°E，23°N)3个点(图4)，分别分析了这3个点在4月27至5月17日期间电离层TEC时间序列。结果表明，A、B、C 3点都在4月29日、5月6日和7日出现了一定程度的负扰动，其中自西向东扰动程度逐步减少。B点和C点在5月3日和9日都出现了一定程度的正扰动，且上述正负扰动程度基本相当。另外，A点和B点负扰动次数和幅度较C点偏高，B点和C点正扰动次数和幅度较A点偏高。

3 DEMETER卫星监测结果分析

在对汶川地震前电离层TEC效应分析的基础上，还利用DEMETER卫星数据分析了ISL探测器观测的电子密度(Ne)和离子密度(Ni)的变化情况。由图3可知，5月6—10日电离层TEC出现了连续的负扰动，其中5月6日和7日的负扰动较为明显(图4，5)。分别将5月6—10日的Ne和Ni数据合并，利用Kriging差值并参照电离层DTEC的异常提取方法，以4月21日至5月5日的数据为背景值，分析5月6—10日的Ne和Ni空间变化情况，得到Ne和Ni相对于背景值的差值d Ne和d Ni(图7)。

图7 5月6—10日期间d N e和d N i的空间分布Fig.7 Space distribution of d N e and d N i during 6 to 10 May.

由图7可以看出，5月6—10日Ne和Ni的降轨数据(过境时间为10:00LT)变化趋势基本一致，都在震中南部区域出现了明显了负异常。异常的分布主要集中在0°～20°N和100°～120°E，震中位置所在的经度带上存在2个负异常峰值，且在纬度上基本关于地磁赤道对称。Ne和 Ni都在震中东南部(18°N，105°E)附近出现异常最大值，分别达-46000cm-3和-380000cm-3。Ne和Ni升轨数据(过境时间为22:00LT)扰动幅度则不大，其中Ne在震中南部区域也出现了小幅度的负扰动，而Ni则基本无明显扰动。

以上结果较好地验证了图3中电离层TEC的连续负异常，且与图4和图5中电离层TEC的负异常分布特征有较好的一致性。相比较而言，DEMETER卫星观测的Ne和Ni的异常范围稍小。本文采用的电离层TEC数据的观测高度为450km，而DEMETER卫星的轨道高度为660km，可以看出地震之前电离层上空出现的扰动随着高度的变化也存在一定的差异。这受到地震孕育过程中电磁信号的传播特性和大气层-电离层耦合作用的影响。

4 讨论与认识

利用GPSTEC数据和DEMETER卫星数据对汶川地震前的电离层异常进行了综合分析，得出汶川地震震中及附近区域电离层扰动有如下特征:

(1)在汶川地震前2～6天(5月6—10日)电离层TEC有连续的负扰动现象，震前3天(5月9日)有明显的正扰动。5月6—10日的负扰动逐渐降低，5月9日的正扰动幅度达31.4%。DEMETER卫星观测的电子密度Ne及离子密度Ni在5月6—10日也出现了明显的负扰动。

(2)电离层TEC异常影响范围主要位于震中南部区域，且空间范围较大。异常尺度在纬向为10°～15°，经向为15°～35°。换算成距离，纬向最大异常距离约1670km，经向最大异常距离约3700km。这与根据Dobrovolsky的经验公式计算的孕震区范围2494km较为一致。

(3)DEMETER卫星观测的电子密度Ne及离子密度Ni异常分布与电离层TEC异常分布较为一致，主要集中在震中南部。震中所在的经度带上存在2个负异常峰值，且在纬度上关于地磁赤道对称。

汶川地震前电离层不同参数(TEC，Ne，Ni)都出现了异常扰动现象，这种扰动可能与大气层和电离层的电场变化有关，而电场的变化则可能受到地震孕育过程中电磁信号传播的影响。Freund等(2004)和Takeuchi(2006)基于岩石实验提出了地震电磁信号传播的离子空穴“positive holes(p-holes)”假说。p-holes是一种与矿物组分中氧阴离子亚晶格相关的缺陷电子，以一种不活动的、休眠的状态存在于火成岩中，但是可以在加载的情况下被激活。当震源体中的pholes被激活后，这些载荷电流就传播到周围的岩体中，在震中周围一个很大的范围形成一个正的地面电势，产生向上的垂直电场，并通过大气层穿透到电离层。电离层的电子被迫向下运动，在大气层中与中性粒子或正离子重组，从而影响电离层的电子密度和离子密度。

Sorokin等(2001)认为，在地震孕育的过程中，放射性物质和带电气溶胶注入大气层，导致了大气层电导率的增加，且在近地表形成一个垂直电动势，进而导致大气层垂直电流的变化及电离层电导率和电场的改变。一方面，电离层电场的变化影响了电离层中声重波的传播，造成了电离层电导率的横向不均匀性，进而导致等离子体密度扰动。另一方面，电离层电场的增加使低电离层产生焦耳热，进而影响了电离层的热平衡，引起相关的热红外效应。Parrot等(2006)也指出，压电和摩擦生电效应以及气溶胶的释放(放射性气体或金属离子)也会导致地球表面出现电荷并向大气层、电离层传播，引起大气层电导率变化，导致异常电场的产生和等离子体的不稳定性。

以上研究结果表明，在汶川地震前孕震区上空确实观测到了不同程度的异常信息，但是由于地震电离层耦合机理的复杂性，还需要进一步开展研究。

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SEISMOIONOSPHERIC ANOMALIESOBSERVED BEFOREWENCHUAN EARTHQUAKE USING GPS AND DEMETER DATA

YAN Xiang-xiang1)SHAN Xin-jian1)CAO Jin-bin2)TANG Ji1)WANG Fei-fei1，3)
1)State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China
2)Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Beijing 100191，China
3)China University of Petroleum(East China)，Qingdao 266555，China

Based on GPS TEC data and ISL detector data recorded by the French DEMETER satellite，ionospheric perturbations before the Wenchuan earthquake were analyzed.It is found that GPS TEC above the epicenter continuously decreased in the afternoon period during 6 May to 10 May but increased in the afternoon of9 May.The spatial distribution of the TEC anomalymainly located in the south of the epicenter，and the size of perturbation area was 1100 ～1670km and 1600 ～3700km from the epicenter in the latitudinal and longitudinal directions，respectively.It is further found that negative anomaly area located southeast on 6 May and moved to southwest on 7 May from epicenter.On 9 May，the anomaly turned to be positive and occurred in the southeast of the epicenter.The intensity of negative anomaly in the southwest or south area from epicenter was stronger than that in the southeast area，compared with the southwest area，the intensity of positive anomaly in southeast or south area was stronger.Moreover，it could be seen that the perturbation was also observed in the geomagnetic conjugate points of epicenter at the southern hemisphere.In addition，contour analysis on ionopheric plasma shows that electron density(Ne)and ion density(Ni)also reduced during 6 to 10 May.The anomalous distribution was in good conformity with TEC，which was concentrated mainly in the south of epicenter.There were two negative anomaly peaks along the earthquake longitude，which were symmetrical about the magnetic equator.Base on the above observation，we finally discuss the physical mechanism of the seismoionospheric anomaly according to Lithosphere-Atmosphere-Ionosphere Couling(LAIC)model.

Wenchuan earthquake，GPS TEC，DEMETER，electron density，ion density

P315.72

A

0253-4967(2012)01-0160-12

10.3969/j.issn.0253-4967.2012.01.015

2011-03-08收稿，2011-06-24改回。

科技部国际合作项目(2009DFA21480)资助。

闫相相，男，1986年生，2008年毕业于中国地质大学(武汉)地球信息科学与技术专业，现为中国地震局地质研究所在读博士研究生，主要从事地震电磁现象物理学方面的研究，E-mail:ahuyanxiang@gmail.com。