利用DEMETER卫星数据统计分析全球Mw≥7.0地震的电离层电子浓度异常

闫相相，单新建，曹晋滨，汤吉

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中国石油大学（华东）地球科学与技术学院，青岛 266580

3北京航空航天大学宇航学院，北京 100191

1 引言

近年来，随着空间对地观测技术的发展，有关地震电磁电离层扰动的研究成为热点.主要集中在低频电磁辐射（VLF／ELF／ULF）和等离子体（电子浓度、离子浓度、电子温度、离子温度等）参量的观测与研究.在大量震例研究的基础上，关于地震电离层耦合机制的研究也有一定进展，主要概括为三种途径：电磁途径、化学途径、声学途径（Hayakawa et al.，2004）.当然，围绕着地震电离层扰动的研究目前仍存在一些争议.一方面，目前对强震电离层异常震例资料的积累仍不够充分，尤其是天基资料；另一方面，由于岩石圈－大气层－电离层耦合过程的复杂性，加之电离层本身有着复杂的周日变化，如何确定不同形态的电离层扰动是否与地震有关等.

从第一个卫星观测实例，即Alouette－1卫星观测到1964年Alaska大地震震前电离层临界频率显著增高（Davis et al.，1965）开始，有关卫星上观测到与地震相关的电离层异常信息的报道陆续发表.Larkina等（1989）利用Intercosos－19卫星数据对39个M＞5.5级、深度＜60km的地震进行统计分析时发现震前存在低频（0.1～16kHz）电磁波辐射增强现象；Hayakawa等（2000）在利用Intercosmos－24卫星的3000多个轨道数据对等离子体密度与地震活动的相关性进行统计研究时发现明显的相关性只发生在LT10～16h，高度在500～700km的磁平静条件下；Molchanov等（2002）基于IK－24卫星数据统计分析了位于赤道附近的50个M≥6级的地震时发现，在500～800km高度地震引起的电离层赤道异常驼峰附近的等离子体密度发生异常变化.

法国DEMETER卫星于2004年6月29日发射，2010年12月9日停止科学数据的接收.其主要科学目标是研究与地震有关的电离层扰动信息以及探测全球尺度的电磁环境.卫星采用准太阳同步圆形轨道，轨道高度710km（2005年12月调整为660km）.卫星有效载荷包括：电场探测仪（ICE，Instrument Champ Electrique）（Berthelier et al.，2006a）、感应式 磁 力 仪（IMSC，Instrument Magnetic Search Coil）（Parrot et al.，2006a）、等离子体分析仪（IAP，Instrument d′Analyse du Plasma）（Berthelier et al.，2006b）、Langmuir探 针（ISL，Instrument Sonde de Langmuir）（Lebreton et al.，2006）和 高 能 粒 子 探 测仪（IDP，Instrument for the Detection of Particle）（Sauvaud et al.，2006）.其中ISL载荷用来观测电离层等离子体的电子浓度（Ne）（102～5×106cm－3）和电子温度（Te）（600～10000K）.

国内外已经逐渐有大量学者利用DEMETER卫星各载荷数据开展地震电离层效应研究（曾中超等，2009；李新乔等，2010；张学民等，2010；朱涛等，2011；刘静等，2011；张振霞等，2012；泽仁志玛等，2012；万剑华等，2012；Parrot et al.，2006a；Sarkar et al.，2007；Zhang et al.，2012）.Parrot等（2006）探讨了几次地震活动前DEMETER卫星记录的电磁波和电离层等离子体的扰动特征；Sarkar等（2007）利用ISL和IAP载荷数据分析比较了三次地震前的电离层不规则特性和中纬度区域异常特征；Zhang等（2012）则利用ICE载荷数据对2005—2010年间全球69个7级以上强震进行统计分析，发现其中32个地震前震中2000km范围内存在ULF和ELF波段的静电扰动现象.刘静等（2011）对2010年2月27日智利8.8级地震研究时发现震前多天DEMETER卫星都观测到了不同程度的电子浓度扰动现象.此外，He等（2011）利用ISL载荷统计分析了2006—2009年间全球5级以上地震前的电子浓度异常变化特征，总结了Ne变化与震中地理位置（南北半球）、地震类型（陆地和海域）和震源深度的统计关系，取得了一定的结论.然而值得注意的是，Heki（2011）和Cahyadi等（2013）的近期研究结果表明7级以上地震前的电离层电子浓度变化较为明显，因此本文将着重探讨7级以上强震前电离层电子浓度的异常变化特征.

2 数据情况

2.1 DEMETER卫星数据

由于DEMETER卫星在发射伊始的半年和最后停止接收科学数据前的半年存在轨道不全和数据接收不稳定等因素，本文着重收集了2005－01－01—2009－12－31期间的DEMETER卫星ISL探测器上的电子密度Ne数据.由于夜间电离层变化较白天更为宁静，有利于捕捉跟地震有关的扰动信息，因此本文只选取了升轨数据进行分析（升轨数据对应地方时的夜晚）.此外，由于卫星姿态调控、载荷的开关以及载荷的定标等事件会影响观测数据，我们根据DEMETER卫星科学数据中心提供的辅助数据文件剔除了在这期间记录有误的轨道数据.

2.2 地震事件

选取的地震事件为2005－01－01—2009－12－31期间全球7.0级以上地震，数据来自USGS（http：／／earthquake.usgs.gov／regional／neic／）.为了尽可能排除地磁活动的影响，去除在此期间所有磁暴日（Dst指数≤－40nT或一天内Dst指数降幅＞40nT）以及4天内的地震事件.此外，也去除了同一时期（15天内）同一地理位置的地震事件（Le et al.，2011）.根据以上条件，得到符合条件的地震事件共40个.其中还需要去除DEMETER卫星数据缺失的3个震例，最后统计分析的震例共计37个（图1）.

图1 2005年到2009年全球37个7.0级以上地震事件震中分布蓝色圆圈表示观测到异常的19次地震事件，红色圆圈表示未见明显异常的地震事件Fig.1 Epicenter distribution of the selected 37earthquakes with a magnitude above 7.0during January 2005to December 2009 Blue circles represent the events with electron density perturbations while the red circles indicate the events without the disturbance.

3 数据分析与结果

3.1 数据分析方法

研究表明，不同震级对应孕震区的范围不同，并存在经验公式R＝100.43M（R是孕震区半径，M为震级）（Dobrovolsky et al.，1979）.针对本文的37个地震事件，其孕震区半径约为：1000km（7.0级）～4500km（8.6级）.首先，需要根据震中位置来确定研究区域，即以震中为中心，参考地震的震级大小，将经度和纬度分别加减一定度数，形成一个矩形区域.此外，还需要保证研究区域内每天至少有一条轨道经过.所以，本文中我们选取的研究区域为：纬度±15°，经度±20°，并以1°×1°进行网格划分.鉴于电离层扰动信息的短临特性，设定分析时段为震前7天，震后1天，共9天的轨道数据.这较He等（2011）中的震前30天作为分析时段更为合理.考虑到电离层电子浓度具有较为显著的年变化和季节变化，将分析时段前后一个季度内数据作为背景数据（去除磁暴日数据）.同样将背景数据进行网格化，计算每个网格的中值作为背景场（Ne）.进而分析每个网格内所有轨道数据相对与背景值的变化（ΔNe／Ne）.

我们以2007年9月28日（22.013°N，142.668°E）Mw7.5级地震为例具体说明.按照以上分析原则，研究区域为：纬度（7°N—37°N），经度（123°E—163°E）；分析时段为2007年9月21—29日（9月22日和25日数据缺失），背景时段为2007年9月—10月期间去除分析时段和磁暴日的其他时段（9月6日无数据，9月20日Dst降幅超过40nT，10月25和26日Dst＜－40nT，去除）.分别将分析时段和背景时段经过研究区域的各轨道数据以1°×1°进行网格划分，以相应的时间窗按克里金（Kriging）方法进行插值，克里金插值考虑了数据的空间结构，能够较好地反映数据自身的特性，尤其在数据稀少时其优势更加明显.最后，计算背景时段每个网格的中值作为背景场，并求得分析时段相对于背景值的变化.图2a显示的分析时段Ne数据网格化后的分布情况，图2b则显示的是背景时段的中值.

图2 2007年9月28日地震前震中附近区域电离层电子密度分布（a）；背景电子浓度分布（b）（三角形表示震中位置）Fig.2 Map of Ne around epicenter before Mw7.5earthquake on September 28in 2007（a）；Map of reference background Ne around epicenter（b）.Black triangle indicates the epicenter

图3 2005年3月28日苏门答腊地震前震中附近区域电离层电子密度相对于背景值的变化（ΔNe／Ne）；三角形表示震中位置Fig.3 Map ofΔNe／Ne around epicenter before Sumatra Mw8.6earthquake on March 28in 2005.Black triangle indicates the epicenter

3.2 典型震例对比分析

本节重点选取了分别位于赤道附近、中低纬和中高纬的三次典型地震，进行对比分析.一方面可以作为电子浓度异常信息提取的具体实例详细阐述，另一方面可以分析不同条件下（纬度、震级、地磁环境等）的震前电子浓度扰动异同.

3.2.1 2005年3月28日苏门答腊Mw8.6地震

根据3.1中所述的异常提取方法，以3月22—29日为分析时段，以3月和4月地磁活动平静日为背景时段，分析震中区域电子浓度相对于背景时段的变化情况.如图3所示.可以看出，在98°E—106°E和8°N—25°N、91°E—97°E和10°N—22°N两个范围内电子浓度明显增强，最大增幅分别达到2.8×100%和2.6×100%.

进一步地，我们逐一分析了3月22—29日期间的Ne全球轨道散点图，发现3月25日和28日两天在震中附近电离层电子浓度明显偏高.为了分析震前电离层电子浓度扰动和磁暴期间电离层电子浓度扰动的异同，我们选取一次中等磁暴日3月14日（Dst指数－45nT）和25日、28日的电子浓度变化情况进行对比分析.图4显示的是2005年3月14日、25日和28日Ne全球轨道数据散点图，其中3月25日部分轨道数据缺失.可以看出，3月14日受到地磁活动的影响，DEMETER卫星可以监测到全球范围内的Ne扰动情况，Ne峰值达到7×104～1×105cm－3；3月25日和28日则是在震中附近的两条轨道观测到明显的Ne增强现象，其他轨道Ne峰值偏低.我们分别选取了3月14日3705＿1、3月25日3871＿1和3月28日3915＿1三 条 轨 道，对 比分析它们的Ne变化曲线，如图5所示.三条轨道都显示了在电离层中低纬地区电子浓度典型的单峰变化结构.其中轨道3705＿1在2°S—24°S出现了明显的扰动，扰动峰值达到1×105cm－3；轨道3871＿1（震前4天）在6°N—14°N出现扰动，峰值达到7.5×104cm－3；轨道3915＿1（震前约20min）在7°N—16°N出现扰动，峰值达到6.5×104cm－3.

综合以上分析，我们认为由于受到3月25日和28日的扰动影响，震中附近区域电离层电子浓度出现了明显的增强（图3）.考虑到3月25日地磁活动达到活跃水平，且DEMETER卫星经过震中位置时刻（15UT）的Dst指数达到－21nT，应该说地磁活动的影响对此也有一定贡献，所以在震中附近出现的电子浓度增强从范围和幅度上都较3月28日更大.

图4 2005年3月14日、25日和28日Ne全球轨道数据散点图Fig.4 Scatter diagrams of electron density in the world on March 14，25and 28，respectively

3.2.2 2007年9月28日太平洋海域Mw7.5地震

图2中已经显示了此次地震前分析时段和背景时段的Ne分布特征.我们同样得到震中区域电子浓度相对于背景时段的变化情况（图6）.可以看出，在137°E—145°E和5°S—20°N范围内电子浓度比较背景时段数据有明显增强，增强幅度（1～2）×100%.此外，电子浓度增强的范围相对震中向赤道方向有一定程度的偏移.

同样，我们将此次地震前9月21—30日共9天的轨道数据逐一分析，发现9月24日震中附近电离层电子浓度较其他区域明显偏高，其他日期电子浓度变化较为稳定.图7显示了9月24日Ne全球轨道数据散点图和震中附近轨道17245＿1的Ne变化曲线.可以看出，9月24日在震中附近的两条轨道17245＿1和17246＿1电子浓度偏高，达到3.8×104cm－3；此外全球其他轨道除17242＿1外，电子浓度峰值变化不大.而图7b中可以看出电离层电子浓度在中低纬地区同样呈现单峰变化结构，在靠近赤道的区域，纬度5°S—20°N范围内峰值达到3.8×104cm－3.

图5 2005年3月14日3705＿1轨道（a）、3月25日3871＿1轨道（b）和3月28日3915＿1轨道（c）Ne变化曲线Fig.5 Electron density curves along the orbit 3705－1on March 14（a），3871－1on March 25（b）and 3915－1on March 28（c），respectively

3.2.3 2008年7月5日Mw7.7地震

在本文中统计的37个震例中，纬度在±40°以上的地震共有6个（图1），其中震前能够观测到较为明显的电子浓度扰动的只有此次地震.在其他的几次地震中，2008年4月12日和2007年9月30日两次地震（表1）所在的高纬度研究区域中轨道数据较少，基本上很难捕捉电子浓度的变化信息；而2007－01－13、2009－07－15以 及2009－01－15三 次 地 震前则没有发现明显电子浓度扰动现象.

同样分析7月1—6日（6月28—30日轨道数据缺失）震中区域电子浓度相对于背景时段的变化可知（图8），在震中东南侧152°E—160°E和37°N—51°N范围内子浓度较背景数据有微弱的增强，增强幅度（0.2～0.45）×100%.进一步分析7月1～6日每一天的轨道数据，图9显示的是7月5日Ne全球轨道数据散点图和震中附近轨道21430＿1的Ne变化曲线.可以看出，电离层电子浓度呈现双峰变化的结构；21430＿1轨道显示的是7月5日震后约9h DEMETER卫星过境时的数据情况，北半球震中上空峰值明显较其它轨道增强，达3×104cm－3.

总结以上三次震例，可以看出，DEMETER卫星记录的数据在赤道和中低纬地区更容易观测到明显的电子浓度扰动，而中高纬地区一般不利于观测震前电子浓度变化；地震引起的电离层电子浓度异常区域一般和孕震区有关，而地磁扰动时的电离层异常一般具有全球性的特征，这与前人结论也基本一致（欧阳新艳等，2011）.此外，从图3、6和8结果来看，基本上观测到的电子浓度异常区在纬度上都偏离震中约5°～10°左右，并且在中高纬地区向赤道方向偏移.这与电磁信号在大气层、电离层中的传播路径有关.研究表明，孕震区激发的低频电磁辐射传播至低轨卫星位置有两种可能路径（Pulinets et al.，2004）.一种是电磁波由地下扩散到大气－电离层波导，沿波导传播并向上扩散到达卫星位置.另一种是电波扩散到大气－电离层波导后，沿波导传播至接收点的“磁共轭点”，然后沿地磁场磁力线方向传播，经过高电离层和磁层到达卫星位置.后一种传播方式称为“哨声模”传播（潘威炎，2004）.由于磁力线形态、卫星观测状态等影响，一方面会导致异常区偏离震中区一定范围，即在高纬和中纬地区会向赤道方向偏移；同时也在一定程度上放大了扰动的区域范围.

图6 2007年9月28日地震前震中附近区域电离层电子密度相对于背景值的变化（ΔNe／Ne）（三角形表示震中位置）Fig.6 Map ofΔNe／Ne around epicenter before Mw7.5 earthquake on September 28in 2007.Black triangle indicates the epicenter

图8 2008年7月5日地震前震中附近区域电离层电子密度相对于背景值的变化（ΔNe／Ne）（三角形表示震中位置）Fig.8 Map ofΔNe／Ne around epicenter before Mw7.7 earthquake on July 5in 2008.Black triangle indicates the epicenter

图7 （a）2007年9月24日Ne全球轨道数据散点图；（b）17245＿1轨道Ne变化曲线Fig.7 （a）Scatter diagrams of electron density in the world on September 24，2007；（b）Electron density curve along the orbit 17245－1

表1 利用DEMETER卫星数据分析的2005年1月1日到2009年12月31日全球37个Mw7.0级及以上地震电离层电子浓度异常统计表Table 1 Summary of anomalous information in electron density related to strong earthquakes during January 2005to December 2009

3.3 震例统计分析结果

分析图1中37个地震事件，将异常情况统计在表1中，并将其标识在图1中（蓝色圆圈）.表1中从左至右分别显示了地震时间（世界时）、震级（Mw）、震中位置（°E，°N）、震源深度（km）、异常时间（ΔT）、异常范围（°E，°N）、异常幅 度（包 括ΔNe／Ne和ΔNe）以及Dst指数.结果显示，19个地震前出现了较为明显的电子浓度异常扰动现象，占所有地震事件的51%；其中异常出现在地震前的事件共14个，出现在震后的有5次；电子浓度出现增强现象的事件占18个，只有汶川地震前发现了电子浓度降低的现象；震前出现两次及以上扰动现象的震例共5个.有关汶川地震前DEMETER卫星的监测结果，国内外已经有了较为全面的研究（Zhang et al.，2009；Akhoondzadeh et al.，2010；闫相相等，2012；Yan et al.，2013），都明确指出了汶川地震前DEMETER卫星监测到了电离层电子浓度降低的现象，与我们的计算结果基本一致，在此不再赘述.

结合图1与表1结果可知，除2008年7月5日Mw7.7地震外，其它异常震例都发生在纬度±40°以内，更是以±20°内居多；在所有异常地震中，有1次深源地震（＞300km），5次中源地震（70～300km），多数为浅源地震（0～70km），而震源深度对电子浓度扰动幅度的影响并不明显；绝大部分异常地震都发生在环太平洋地震带的板块边界，并且多为海域地震.进一步地，我们异常频次、空间分布以及震级大小与扰动幅度的关系等结果表示在图10中.分析可知，异常大多发生在震前0～5天，较好的体现了电离层扰动的短临特征；电子浓度在震中附近区域有显著的增强效应，增强较为明显的范围集中在纬度向±10°，经度向则更广一些，增强幅度0.4～0.8.此外，图10b表明震级大小与扰动幅度有较好的正相关，基本上震级越大扰动幅度越大.

表1中最右侧表示观测到的异常轨道过境时刻Dst指数大小，可以看出有少数地震前异常发生的当天地磁活动达到活跃水平，其它则都表现为地磁平静.3.2.1节中我们已经提到，3月25日的电子浓度扰动幅度较大，可能也受到地磁活动的影响.同样看到2005年9月26日Mw7.5级地震当天和前几天监测到了几次较为明显的电子浓度增强现象.然而，2005年9月太阳和地磁活动水平较高，虽然9月22～26日Dst指数没有达到我们限定的－40nT，但是基本维持在－20nT上下.一方面我们提取的震前几次扰动信息都存在区域性，跟地震活动有较好的空间关联，但是另一方面扰动幅度与其它处于地磁平静期的震例相比增幅较大，可以认为这些电子浓度扰动同样受到了地磁活动作用的影响.

4 讨论与结论

4.1 讨论

对比前人的相关研究结果，He等（2011）利用DEMETER卫星ISL载荷统计分析了2006—2009年间全球5级以上地震前的电离层电子浓度异常变化，发现电子浓度在震中附近出现增强，并指出异常随着震级的增大而增强；Li等（2012）和Parrot等（2012）基于DEMETER卫星IAP载荷数据对震前离子浓度（Ni）进行统计分析后发现，离子浓度扰动同样以增强为主，扰动幅度与震级大小也存在正相关，而且发现出现离子浓度扰动的震例以海域地震居多；刘静等（2013）对国内MS6.0级以上地震前的等离子体参量异常统计分析结果显示，异常时间为1～7天，异常可能出现在震中东西两侧，而且多向磁赤道偏移.以上结论与本文的研究结果较为一致.值得注意的是，He等（2011）的研究结果指出电子浓度异常区域在北半球向北偏移，在南半球向南偏移.而本文研究结果则表明观测到的电子浓度异常区在纬度上都偏离震中约5°～10°左右，并且在中高纬地区向赤道方向偏移，这与孕震区激发的低频电磁辐射在大气层、电离层中的传播路径（Pulinets et al.，2004；潘威炎，2004）是一致的.

强震孕育的过程中是如何激发电离层高度电子浓度异常扰动的呢？我们试图从以下两方面来解释强震前可能导致电离层电子浓度变化的成因.

在强震孕育的过程中，孕震区中岩石受到应力作用，晶体结构变形，可以产生电子电荷载体（positive holes）和电流.而这种p－holes因应力的积累被激活，进而传播到周围的岩体中并到达地表

（Freund et al.，2004；Takeuchi et al.，2006）.

在地表发生O2→O2＋＋e－作用，形成一个正的地面电动势，产生向上的垂直扰动电场E和电流J，并通过大气层穿透到电离层.传到电离层高度的扰动电场E对电离层主要产生两种作用，一种是E×B漂移作用（Kuo et al.，2011），另一种是激发声重波（acoustic gravity waves，AGW）而导致电离层变化（Hegai et al.，2006）.一方面，扰动电场渗透到电离层高度后，与磁场作用形成E×B漂移.东向电场时，通过E×B电子向上运动，会引起电离层抬高，峰值密度增大.西向电场时，则E×B方向向下，电离层降低，峰值密度减少.所以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.Kuo等（2011）计算得到地震断层带中岩石电流密度为0.2～10μA／m2所产生的地表电荷可以引起电离层电子浓度变化幅度达2%～25%.另一方面，扰动电场在电离层高度激发AGW（Liperovsky et al.，1992），产生大气压强的扰动，造成中性粒子运动，形成中性风扰动分量，也可以造成对电离层峰值高度和峰值密度的改变.需要注意到，DEMETER卫星轨道高度660 km，处于电离层峰值以上（topside），其原位测量的电子浓度受到电离层E×B的效应与地面台站观测结果存在一定的差异，这也造成了震前DEMETER卫星观测到的电子浓度与GPS观测的TEC的变化特征存在一定的异同.

本文研究表明，发生异常的地震大多发生在环太平洋地震带的板块边界，并且以海域地震为主（图1），考虑到如果是岩层破裂、应力积累导致的岩层介电常数改变等引起的电磁异常，有可能会被海洋屏蔽，因为当电磁波在水中传播时将快速衰减，很难穿透海水到达大气层和电离层.尽管海水可以吸收电磁波，但它可以很好的传递机械运动.强震前沿着板块边缘发生的缓慢错动可能会在海水中激发长周期机械波，从而扰动大气层，进而以声波方式传播到电离层底部（Ducic et al.，2003；Heki et al.，2006；Zhang et al.，2012），激发电离层电场及等离子体参量扰动，这类机械波在海水中的传播耦合机理已经有很多现象可以证实，如台风及地震发生时激发的海啸等.Zhang等（2012）在利用DEMETER卫星数据统计分析2005—2010年间全球69个7级以上强震的静电扰动现象时，就发现其中存在ULF和ELF波段的静电扰动现象的多为海域地震.

4.2 结论

本文基于法国DEMETER卫星ISL载荷数据，对2005—2009年全球37个7.0级以上地震前电离层电子浓度变化进行统计分析.主要结论如下：

（1）共有19个地震（51%）前观测到了较为明显的电子浓度异常扰动现象，其中电子浓度大部分表现为异常增强；异常现象大部分出现在震前1～5天内；震前出现两次及以上扰动事件的地震也较为常见，一方面表明强震前地震孕育过程中电磁信号持续时间较长，另一方面也受到了DEMETER卫星过境时间和重访周期的影响.

（2）异常震例基本都发生在纬度±40°以内（18次），更是以±20°内居多（13次），表明在赤道和中低纬地区更容易观测到明显的电子浓度扰动，而中高纬地区一般不利于观测震前电子浓度变化.

（3）震级大小则与扰动幅度基本上呈正相关，而震源深度对电子浓度扰动的影响并不明显；

（4）磁暴期间电子浓度变化和地震引起的电离层电子浓度异常有所不同，前者一般具有全球性的特征，而后者的异常区域一般和孕震区有关；震前出现的电子浓度异常有时会同时受到地磁活跃的影响，此时的扰动幅度一般都较大.

总之，地震电离层扰动现象是复杂多变的，目前仍有很多问题需要探索和解决，需要地基和空间的联合立体观测来支持；另一方面，地震电离层耦合机理的研究仍需要加强.

致谢 作者感谢DEMETER卫星数据中心提供的科学数据以及审稿专家提出的宝贵意见，感谢中国地震局地震预测研究所张学民研究员在文章结果分析中的有益讨论.

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