歐陽新艷 申旭輝

1） 中國北京100036中國地震局地震預測研究所 2） 中國北京100871北京大學地球與空間科學學院3） 中國北京100085中國地震局地殼應力研究所

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DEMETER衛(wèi)星觀測的超低頻電場擾動預處理方法及震例應用分析

1） 中國北京100036中國地震局地震預測研究所 2） 中國北京100871北京大學地球與空間科學學院3） 中國北京100085中國地震局地殼應力研究所

基于法國DEMETER衛(wèi)星觀測的超低頻（ULF）電場波形， 本文提出了更簡單易實施的ULF電場擾動預處理方法． 利用該方法， 對文獻中已報道的2010年2月27日智利MS8.8地震前的ULF電場擾動進行了更全面的分析． 結(jié)果表明： 已報道的20°S—40°S地磁緯度帶內(nèi)的ULF電場擾動并非僅出現(xiàn)在最靠近震中的半軌道， 而是出現(xiàn)在較大的經(jīng)度范圍內(nèi)． 大范圍ULF電場擾動的區(qū)域正好位于南大西洋異常區(qū)， 很可能受到該區(qū)域異常磁場的影響． 南大西洋異常中心區(qū)域的ULF電場擾動表現(xiàn)出共軛特征， 即在南北地磁緯度20°—40°范圍內(nèi)ULF電場均出現(xiàn)約5 mV/m的擾動， 北緯地區(qū)的ULF電場擾動幅度相比南緯地區(qū)更?。?而在南大西洋異常中心區(qū)域外的ULF電場擾動則僅在20°S—40°S地磁緯度帶內(nèi)出現(xiàn)， 在其共軛區(qū)并未觀測到ULF電場擾動． 這可能是由于南大西洋異常中心區(qū)域外的ULF電場擾動幅度比中心區(qū)域更小所致， 在電離層中由于碰撞效應更易被衰減， 因此ULF電場擾動無法傳播至其共軛區(qū)． 本文的方法和結(jié)果可為后續(xù)更全面地分析衛(wèi)星在電離層高度記錄的ULF電場擾動提供參考．

DEMETER衛(wèi)星 超低頻（ULF）電場擾動 南大西洋異常區(qū)

引言

早在20世紀80年代， 研究人員便從常規(guī)的地面觀測中獲得了與地震相關(guān)的電磁輻射現(xiàn)象（Gokhbergetal， 1982）． 由于地震產(chǎn)生的電磁擾動具有短臨特征， 使得這一現(xiàn)象受到極大的關(guān)注（Parrot， 1995）． 其中， 超低頻（ultra low frequency, 簡寫為ULF）（0.01—10 Hz）電磁擾動被認為是最具前景的地震前兆之一（Hayakawaetal， 2007）． 地面ULF磁場觀測已記錄到多次地震前的ULF擾動（Fraser-Smithetal， 1990; Molchanovetal， 1992; Hayakawaetal， 1996） ．

近些年來， 隨著空間技術(shù)的發(fā)展， 研究人員利用衛(wèi)星資料監(jiān)測到了越來越多與地震相關(guān)的電磁擾動現(xiàn)象（Chmyrevetal， 1989; Molchanovetal， 1993; Parrot， 1994; Němecetal， 2008）． 尤其是DEMETER衛(wèi)星發(fā)射以來， 利用該衛(wèi)星觀測資料開展地震電磁、 電離層擾動的研究報道很多（歐陽新艷等， 2008， 2011； 劉靜等， 2011； 顏蕊等， 2013）． 大多數(shù)研究集中討論了DEMETER衛(wèi)星探測的極低頻/甚低頻（ELF/VLF）頻段的擾動（Bhattacharyaetal， 2007; 何宇飛等， 2009; 曾中超等， 2009; 張學民等， 2009a， b; Akhoondzadehetal， 2010; Onishietal， 2011; Zhangetal， 2011， 2012a; 朱濤， 王蘭煒， 2011; 澤仁志瑪?shù)龋?2012）． 在利用DEMETER衛(wèi)星觀測的ULF電場數(shù)據(jù)開展該頻段的擾動研究方面， 近年來的研究報道逐漸增多． 2010年1月12日M7.0海地地震前一個月， Athanasiou等（2011）發(fā)現(xiàn)DEMETER衛(wèi)星探測的ULF頻段Ez分量的能量增加了約360%． 汶川地震前， 利用DEMETER衛(wèi)星觀測的ULF電場數(shù)據(jù)， Zhang等（2012b）發(fā)現(xiàn)ULF電場擾動幅度約為3—5 mV/m， 頻率在0.5 Hz以下． 同樣在分析汶川地震前較長時段的ULF電場數(shù)據(jù)時， Walker等（2013）發(fā)現(xiàn)DEMETER衛(wèi)星通過震中上空附近區(qū)域時記錄到的ULF波動事件增加. 頻譜分析表明ULF波動為地磁脈動事件， 可能是由于震中附近產(chǎn)生的重力波影響所致． Zhang等（2014）選擇印尼和智利兩個地震區(qū)域中27個地震事件， 利用ULF電場觀測進行統(tǒng)計研究， 發(fā)現(xiàn)ULF電場的擾動基本小于10 mV/m， 擾動位于震中上空．

綜上， 關(guān)于ULF擾動的研究均針對單個地震事件或小區(qū)域內(nèi)地震事件的研究， 對于DEMETER衛(wèi)星觀測的ULF電場擾動的全球分布及其特征缺乏全面的認識． 本文旨在提出DEMETER衛(wèi)星觀測的ULF電場擾動預處理方法， 并以2010年2月27日智利MS8.8地震為例基于該方法分析全球ULF電場擾動特征， 以便為后續(xù)空間ULF擾動研究提供參考．

1 DEMETER衛(wèi)星及ULF電場觀測數(shù)據(jù)

法國DEMETER衛(wèi)星的主要科學目標是研究由地震電磁效應引起的電離層擾動以及由人類活動（如地面電力系統(tǒng)的諧頻輻射， 地面甚低頻發(fā)射機發(fā)射的VLF波動等）引起的電離層擾動（Cussacetal， 2006; Parrotetal， 2006）． DEMETER衛(wèi)星于2004年6月發(fā)射進入太陽同步軌道， 軌道高度為710 km； 2005年12月軌道高度下降為660 km． DEMETER衛(wèi)星的探測數(shù)據(jù)以半軌道文件組織， 上行的半軌越過赤道的時間對應于夜間22:30 LT， 下行的半軌對應于白天10:30 LT．

為了研究與地震事件相關(guān)的電離層中的電磁擾動， DEMETER衛(wèi)星上裝載了電場探測儀． 電場探測儀由4個球形的傳感器組成， 安裝于4個伸桿的末端， 衛(wèi)星上電場探測數(shù)據(jù)的信號處理由BANT模塊完成（Berthelieretal， 2006）． 電場探測儀提供4個頻段的觀測數(shù)據(jù)， 分別為DC/ULF（0—15 Hz）， ELF（15 Hz—1 kHz）， VLF（15 Hz—17.4 kHz）和高頻段（10 kHz—3.175 MHz）． 根據(jù)衛(wèi)星的巡查（survey）和詳查（burst）模式， 地面接收到不同頻段的電場數(shù)據(jù)為波形或功率譜數(shù)據(jù)． DC/ULF頻段可提供巡查和詳查模式下4通道電勢的波形數(shù)據(jù)， 通過兩兩傳感器的電壓相減得到電勢差進而可得到3個方向的電場數(shù)據(jù)． DC/ULF頻段采樣率為39.0625 Hz， 以16位進行數(shù)字化， 因而電勢測量的分辨率約為0.3 mV， 對應于電場的分辨率約為40 μV/m （Berthelieretal， 2006）．

2 ULF電場波形擾動預處理方法

由于電場探測儀球形傳感器的表面功函數(shù)不一致而導致不同傳感器的表面電勢存在差異， 這是引起DC/ULF電場觀測誤差的主要原因． 對于自旋穩(wěn)定衛(wèi)星， 兩個傳感器之間的接觸電勢差異表現(xiàn)為準周期信號， 較容易消除． 而DEMETER衛(wèi)星是三軸穩(wěn)定衛(wèi)星， 很難修正兩個傳感器之間的接觸電勢差異． 由此引起大尺度準DC電場觀測的絕對誤差范圍從幾毫伏每米至十毫伏每米． 不過， 由于各個傳感器的表面電勢在時間上是相對穩(wěn)定的， 小尺度準DC電場作為疊加在大尺度電場上的擾動可以準確測量出來（Berthelieretal， 2006）． 緩慢變化的電場信號主要來源于V×B感應電場， 這是由于衛(wèi)星橫跨地球磁力線運動產(chǎn)生的．

本文提出了更為簡單實用的去除DC/ULF頻段趨勢波形的方法． 由于在空間物理和地震電磁擾動研究中， 更關(guān)心的是電場擾動而并非空間中電場的絕對數(shù)值， 因此我們直接對原始波形進行滑動平均得到沿此半軌道的趨勢波形， 利用原始波形減去趨勢波形， 即得到去除了V×B大尺度感應電場而留下小尺度擾動電場的波形． 滑動平均方法可表示為

（1）

圖1 DEMETER衛(wèi)星DC/ULF頻段Ex， Ey和Ez分量波形示例（2010年2月17日301241半軌）

Δei=ei-Ei,

（2）

式中，ei為原始波形序列，Ei為通過滑動平均后得到的趨勢波形， Δei為擾動波形序列. 對于兩端的取值， 如滑動平均窗口取為5， 則E1=e1,E2=（e1+e2+e3）/3；E3=（e1+e2+e3+e4+e5）/5；E4=（e2+e3+e4+e5+e6）/5等． 滑動平均窗口（即2n+1）的選取將直接影響數(shù)據(jù)的平滑效果， 若2n+1取值較大， 則平滑作用較大， 有利于抑制高頻變化； 若2n+1取值較小， 則不利于抑制高頻變化從而較難得到大趨勢性的波形． 實際中可根據(jù)數(shù)據(jù)的變化情況合理地選擇滑動平均窗口的大小． 本文中我們選取的滑動平均窗口為2049點， 該采樣數(shù)據(jù)長度持續(xù)時間約為52 s， 即滑動平均后得到的趨勢波形反映的是大于52 s的周期變化． 該趨勢波形相對于V×B電場仍然反映了非常短周期的變化， 因而更有利于突出電場的小擾動變化． 圖1給出了2010年2月17日一條半軌道的示例. 可以看到: 圖1a中的Ex和Ez分量在南北磁緯20°—40°之間均出現(xiàn)了擾動信號． 由于沿半軌道電場變化范圍很大， 兩個分量的擾動相比整個半軌道電場變化非常微弱， 擾動形態(tài)也不清晰； 圖1b中各分量的波形趨勢與圖1a中各分量的變化一致． 趨勢波形是否反映原始波形的細節(jié)取決于滑動平均采用的波形數(shù)據(jù)長度． 圖1c為由圖1a與圖1b對應分量相減后得到的擾動波形， 可以看到：Ex，Ey和Ez分量同步出現(xiàn)了電場擾動， 其范圍和形態(tài)可以清晰地從圖中識別， 在磁緯10°S—40°S之間出現(xiàn)了振幅約5 mV/m的電場擾動； 在其共軛區(qū)， 約20°N—40°N區(qū)域出現(xiàn)了振幅略小于5 mV/m的擾動． 由此示例結(jié)果可知， 本文采用的ULF電場波形擾動預處理方法簡單易實施， 并且不會引入新的誤差． 處理后的擾動波形更有助于開展后續(xù)ULF電場擾動分析．

3 ULF電場擾動分析

2010年2月27日6時34分（UT）在靠近智利海岸發(fā)生了MS8.8地震， 震源位置為（35.8°S， 72.7°W）， 震源深度為33 km （中國地震臺網(wǎng)中心， 2010）． 多篇文獻報道了該地震前DEMETER衛(wèi)星觀測到了ULF電場擾動 （P?aetal， 2011; Zhangetal， 2014）．

圖2 2010年2月17日（智利地震前10天）全球的上行半軌道半軌道號標示于各半軌的右側(cè)， 星形為智利地震的震中位置

圖3 2010年2月17日（智利地震前10天）夜間301271半軌DC/ULF頻段Ex， Ey和Ez分量的原始波形（a）和去除趨勢后的電場擾動波形（b）

圖4 2010年2月26日（智利地震前1天）全球的上行半軌道半軌道號標示于各半軌的右側(cè)， 星形為智利地震的震中位置

針對這次智利地震， Zhang等（2014）同樣報道了該地震前一天（2010年2月26日）上行半軌302561在20°S—40°S觀測到了ULF電場擾動． 基于未去除V×B感應電場的原始ULF電場波形， Zhang等（2014）得到Ex和Ez分量最大的相對變化幅度達到15 mV/m． 同樣， 為了檢驗這一半軌出現(xiàn)的ULF電場擾動是否與智利地震相關(guān)， 本文同樣掃描了2010年2月26日全球的上行半軌． 圖4給出了這一天所有半軌道的分布． 可以看到， 302561半軌是距震中最近的軌道． 查看全部半軌道的擾動波形后， 仍然發(fā)現(xiàn)并非只有302561半軌在20°S—40°S緯度帶內(nèi)出現(xiàn)ULF電場擾動， 302571和302581半軌在相同緯度帶亦觀測到了ULF電場擾動．

目前文獻中只報道了智利地震震前10天和震前1天出現(xiàn)的ULF電場擾動． 通過上述分析發(fā)現(xiàn)， ULF異常擾動并非只出現(xiàn)在最靠近震中的半軌道． 為了更充分地了解ULF電場擾動分布的區(qū)域和特征， 本文進一步分析了智利地震前2天至震前9天（即2010年2月18日至2月25日）全球上行半軌道觀測的ULF電場擾動情況． 通過全面分析文獻中未報道的ULF異常擾動的8天中的ULF電場擾動波形， 發(fā)現(xiàn)這8天在南大西洋異常區(qū)同樣觀測到了大范圍的ULF電場擾動． 該期間Kp指數(shù)均小于3+， 表明地磁活動平靜（World Data Center for Geomagnetism， Kyoto， 2010）． 在這8天中觀測到的ULF電場擾動的分布特征為： 擾動出現(xiàn)在20°S—40°S及其共軛緯度帶， 擾動的半軌道集中在210°E—330°E范圍內(nèi)．

4 討論與結(jié)論

結(jié)合文獻中報道的2010年智利MS8.8地震前ULF電場擾動的情況， 本文更全面地檢驗了觀測到ULF電場擾動的區(qū)域， 發(fā)現(xiàn)并非只在最靠近震中的半軌道出現(xiàn)ULF電場擾動現(xiàn)象． 20°S—40°S緯度帶內(nèi)出現(xiàn)ULF電場擾動的半軌道位于210°E—330°E范圍內(nèi)． 這很可能受到南大西洋異常區(qū)的影響． 從全球地磁場強度分布圖（見Heirtzler（2002）一文中圖1）上可以看到， 在巴西南部海岸附近存在地磁場強度的極小值， 這一弱磁場區(qū)域被稱為南大西洋異常區(qū)（Heirtzler， 2002）． 該區(qū)域分布較廣， 緯度范圍為60°S—0°N， 經(jīng)度范圍為120°W—30°E． 而地磁場強度極小值集中在約20°S—40°S、 40°W—60°W（300°E —320°E）的中心區(qū)域內(nèi)． 這與上述智利地震文獻中報道的觀測到ULF電場擾動的區(qū)域一致． 本文的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)ULF電場擾動出現(xiàn)在比震中經(jīng)度更廣的范圍內(nèi)． 例如， 2010年2月17日ULF電場擾動的范圍為210°E—330°E， 且都出現(xiàn)在20°S—40°S緯度帶內(nèi)． 這正好位于南大西洋異常區(qū)． 因此， 大范圍觀測到的ULF電場擾動很可能受南大西洋異常區(qū)的影響． 智利地震剛好發(fā)生在南大西洋異常的中心區(qū)域， 很難判斷在此區(qū)域觀測到的ULF電場擾動是否受該地震影響． 同時， 本文針對智利地震震前2—9天（該期間未見文獻報道ULF異常擾動）， 利用本文提出的ULF波形預處理方法得到全球上行半軌道的ULF電場擾動波形， 發(fā)現(xiàn)這8天中同樣觀測到了大范圍的ULF電場擾動． 該擾動出現(xiàn)在20°S—40°S及其共軛緯度帶內(nèi)， 擾動的半軌道集中在210°E—330°E的經(jīng)度范圍內(nèi)． 這一結(jié)果與P?a等（2011）震前10天和Zhang等（2014）震前1天的結(jié)果相同， 即位于南大西洋異常區(qū)內(nèi)的半軌道均觀測到了ULF電場擾動． 連續(xù)多天全球半軌道觀測的ULF電場擾動分析表明， ULF電場擾動在時間上連續(xù)出現(xiàn)， 擾動的空間范圍位于20°S—40°S、 210°E—330°E． 這一擾動特征表明觀測到的ULF電場擾動在20°S—40°S、 210°E—330°E的區(qū)域內(nèi)具有穩(wěn)定的擾動來源． 該擾動空間分布范圍與南大西洋異常區(qū)重合， 結(jié)合目前對南大西洋異常區(qū)的認識， 該擾動的來源應該是南大西洋異常區(qū)長期存在的地磁場強度極小值．

此外， 本文發(fā)現(xiàn)了另一個有趣的現(xiàn)象． 在2010年2月17日觀測到ULF電場擾動的半軌中， 301231， 301241和301251在20°S—40°S出現(xiàn)了ULF電場擾動， 在其共軛區(qū)（約20°N—40°N）出現(xiàn)了稍弱的ULF電場擾動． 其具體變化形態(tài)可參見圖1c， 圖中給出了301241半軌Ex，Ey和Ez分量的擾動波形． 而301261和301271則沒有這種共軛擾動現(xiàn)象， 其ULF電場擾動只出現(xiàn)在20°S—40°S的區(qū)域． 同樣， 在分析2010年2月26日全球半軌的擾動中， 發(fā)現(xiàn)302561和302571半軌出現(xiàn)了共軛擾動現(xiàn)象， 302581半軌只在20°S—40°S區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)ULF電場擾動現(xiàn)象． 2010年2月17日和2010年2月26日擾動半軌道的共同特點為： 位于南大西洋異常區(qū)的半軌道均在20°S—40°S緯度帶內(nèi)觀測到ULF電場擾動； 位于南大西洋異常中心區(qū)域（地磁場強度極小的小區(qū)域）的半軌道觀測到了ULF共軛擾動， 南大西洋異常中心區(qū)域外未見共軛擾動現(xiàn)象． 這種特點可能是由于在南大西洋異常中心區(qū)域ULF電場擾動幅度較大， 可以沿磁力線傳播至其共軛區(qū)； 而在南大西洋異常中心區(qū)域外， 由于ULF電場擾動幅度較小， 在電離層中由于碰撞效應使得波動更易被衰減， 因此無法傳播至共軛區(qū)．

綜上所述， 本文得到如下結(jié)論：

1） 本文提出了ULF電場擾動的預處理方法， 與P?a等（2011）提出的方法相比， 更簡單易行． 通過預處理后， 可以高效地查看沿半軌道的ULF電場擾動情況．

2） ULF電場擾動并非只在最靠近智利地震震中的半軌觀測到， 在較大經(jīng)度范圍內(nèi)多條半軌均出現(xiàn)了ULF電場擾動． 通過進一步分析， 發(fā)現(xiàn)這一較大范圍的ULF電場擾動很可能受到南大西洋異常的影響． 同時， 南大西洋異常中心區(qū)域表現(xiàn)為ULF共軛擾動， 中心區(qū)域外ULF電場擾動僅出現(xiàn)在20°S—40°S緯度帶內(nèi)．

本文研究表明， 空間中的ULF電場擾動可能受到多種因素的影響， 并非在地磁平靜期震中上空或附近區(qū)域出現(xiàn)ULF電場擾動即認為可能與地震相關(guān)， 還需要對ULF電場擾動的全球分布特征有更全面的認識． 本文結(jié)果可為后續(xù)開展衛(wèi)星觀測的震前ULF電場擾動研究提供參考．

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A method for pre-processing ULF electric field disturbances observed by DEMETER and its case application analysis

1）InstituteofEarthquakeScience，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100036，China

2）SchoolofEarthandSpaceSciences，PekingUniversity，Beijing100871，China

3）InstituteofCrustalDynamics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100085，China

This paper presents a method for pre-processing ULF electric field disturbances based on ULF waveforms observed by French DEMETER satellite. This method is simpler and easier to carry out. We analyze comprehensively ULF disturbances before the ChileMS8.8 earthquake on 27 February 2010， which have been reported in the literature， by using our method. The results show that reported ULF disturbances in 20°S—40°S geomagnetic latitude bands do not just appear on the half-orbit that is the closest to the epicenter， but ULF disturbances are observed in a wider longitude range. The large range with ULF disturbances is located in the region of South Atlantic anomaly （SAA）， and ULF disturbances may be affected by the geomagnetic field anomaly in this region. ULF disturbances in the center of SAA region show a conjugate distribution，i.e.， electric field fluctuates with the amplitude of 5 mV/m at 20°—40° north and south geomagnetic latitudes. The amplitude of ULF disturbances at northern latitudes is weaker than those at southern latitudes. However， ULF disturbances outside the center of SAA region are only observed at 20°S—40°S geomagnetic latitudes， and there are no ULF fluctuations in the conjugate region. As ULF fluctuations outside the center of SAA region with the weaker amplitude are easier to be attenuated because of collision effects in the ionosphere， ULF disturbance cannot propagate to the conjugate region. The method and results in this paper can provide references for subsequently thorough analyses on ULF fluctuations recorded by satellites in the ionosphere.

DEMETER satellite; ULF electric field disturbance; South Atlantic anomaly （SAA） region

10.11939/jass.2015.05.010.

中國地震局地震預測研究所基本科研業(yè)務費專項（2015IES0405， 2014IES010203, 2012IES0401）和國家自然科學基金（41404126）共同資助.

2015-04-14收到初稿， 2015-07-02決定采用修改稿.

e-mail: oyxy@cea-ies.ac.cn

10.11939/jass.2015.05.010

P319.3+2

A

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