錢(qián) 庚 澤仁志瑪 張學(xué)民 申旭輝

1) 中國(guó)北京100036中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所2) 中國(guó)北京100085中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所

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強(qiáng)震前后空間電磁場(chǎng)時(shí)空演化特征

錢(qián) 庚1)，澤仁志瑪1)張學(xué)民1)申旭輝2)

1) 中國(guó)北京100036中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所2) 中國(guó)北京100085中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所

本文利用DEMETER衛(wèi)星觀測(cè)到的電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)， 統(tǒng)計(jì)分析了2005—2009年全球MS≥7.0強(qiáng)震前后空間電磁場(chǎng)的時(shí)空演化特征． 在震中上空±10°范圍內(nèi)， 使用震前90天至震后30天的5年同期觀測(cè)到的電磁場(chǎng)極低頻/甚低頻(370—897 Hz)功率譜密度數(shù)據(jù)構(gòu)建了穩(wěn)定的背景場(chǎng)觀測(cè)模型， 提取了震中上空的空間電磁場(chǎng)相對(duì)于背景場(chǎng)的擾度幅度， 并統(tǒng)計(jì)分析了強(qiáng)震前后空間電磁場(chǎng)的時(shí)空演化特征． 統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示： 45次MS≥7.0強(qiáng)震中， 35次強(qiáng)震在地震發(fā)生前后磁場(chǎng)最大擾動(dòng)幅度超過(guò)2.2倍標(biāo)準(zhǔn)差， 39次強(qiáng)震的電場(chǎng)最大擾動(dòng)幅度超過(guò)2倍標(biāo)準(zhǔn)差； 最大的電磁擾動(dòng)主要出現(xiàn)在震中±4°—±10°范圍內(nèi)． 另外， 震中上空的電磁場(chǎng)擾動(dòng)幅度時(shí)序變化表現(xiàn)為3種不同類型的擾動(dòng)特征， 且震前出現(xiàn)電磁異常的強(qiáng)震震中位置的分布特征與緯度存在一定關(guān)系； 而隨機(jī)選擇的非震區(qū)上空空間電磁場(chǎng)的擾動(dòng)幅度則比較小， 未呈現(xiàn)出明顯的特征．

強(qiáng)震 電磁場(chǎng) 背景場(chǎng)模型 時(shí)空演化 統(tǒng)計(jì)分析

引言

全球每年發(fā)生多次M≥7強(qiáng)震， 給人類帶來(lái)了巨大的災(zāi)難和損失， 如2008年5月12日汶川MS8.0地震， 2010年玉樹(shù)MS7.1地震， 2011年日本MS9.0大地震． 但是地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)作為當(dāng)今世界科學(xué)難題， 目前還不能達(dá)到準(zhǔn)確預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)地震的水準(zhǔn)． 所幸近年來(lái)隨著電磁觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展， 非力學(xué)的電磁學(xué)方法為實(shí)現(xiàn)地震短臨預(yù)報(bào)帶來(lái)了希望． 大量的地基電磁觀測(cè)(錢(qián)家棟， 1993; 丁鑒海等， 2008)和模擬實(shí)驗(yàn)研究(Huang， Ikeya， 1998)結(jié)果均已表明， 在地震孕育發(fā)生過(guò)程中， 地震電磁前兆信號(hào)會(huì)出現(xiàn)在較寬頻段上(黃清華， 2005)， 尤其在極低頻/甚低頻上更容易出現(xiàn)明顯的地震電磁短臨變化．

自2004年6月29日法國(guó)發(fā)射世界上第一顆專門(mén)用于地震監(jiān)測(cè)的電磁衛(wèi)星以來(lái)， 地震空間電磁研究得到了飛速發(fā)展， 已發(fā)現(xiàn)了大量的地震電磁短臨異?，F(xiàn)象． Molchanov等(2006)利用DEMETER觀測(cè)到的電場(chǎng)數(shù)據(jù)， 采用信噪比方法分析了2004年12月26日蘇門(mén)答臘MS9.0地震， 結(jié)果顯示震中2500 km范圍內(nèi)人工源甚低頻電場(chǎng)信號(hào)在震前55—11天內(nèi)明顯減弱； 張學(xué)民等(2009)對(duì)汶川地震前甚低頻電場(chǎng)頻譜值變化特征進(jìn)行了研究， 其結(jié)果表明， 在空間天氣平靜的5月6—10日， 震中緯度上的電場(chǎng)能量多處可達(dá)或超過(guò)其背景場(chǎng)能量的3倍均方差．

為更準(zhǔn)確客觀地了解地震所引起的空間電磁異?，F(xiàn)象， 研究人員對(duì)大量地震進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析. 例如： Němec等(2009)通過(guò)對(duì)2004—2008年5500次M≥5.0地震的電場(chǎng)垂直分量(Ez)進(jìn)行分析的結(jié)果顯示， 在震中±3°區(qū)域內(nèi)， 甚低頻(1.7 kHz±200 Hz)電場(chǎng)強(qiáng)度在震前0—4小時(shí)內(nèi)降低至3倍標(biāo)準(zhǔn)差， 且該異常位于震中以西2°； 澤仁志瑪?shù)?2012)利用背景場(chǎng)觀測(cè)模型方法提取了2005—2009年北半球26次MS≥7.0地震的空間磁場(chǎng)擾動(dòng)特征， 結(jié)果顯示77%的地震在震前30天內(nèi)變化磁場(chǎng)相對(duì)于背景場(chǎng)的擾動(dòng)幅度超過(guò)3倍標(biāo)準(zhǔn)差．

澤仁志瑪?shù)?2012)僅研究了北半球地震前后的磁場(chǎng)擾動(dòng)特征， 本文擬在其基礎(chǔ)上， 將研究區(qū)域擴(kuò)大至全球范圍， 并補(bǔ)充電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)， 采用澤仁志瑪?shù)?2012)所用方法， 對(duì)研究時(shí)段選取劃分及數(shù)值計(jì)算作一定調(diào)整， 統(tǒng)計(jì)研究2005—2009年MS≥7.0強(qiáng)震的空間電磁擾動(dòng)情況， 以揭示磁場(chǎng)、 電場(chǎng)以及電磁場(chǎng)在地震前后的演化特征． 此外， 還將進(jìn)一步獲取強(qiáng)震前后電磁場(chǎng)的變化規(guī)律， 使本文研究結(jié)果更加充分可靠．

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)選取

DEMETER為太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星， 于2004年6月29日—2010年12月9日在軌運(yùn)行， 其軌道高度為710 km(后降為660 km)， 軌道傾角為98.3°(Cussacetal， 2006)． DEMETER衛(wèi)星攜帶了多個(gè)探測(cè)載荷， 其中電場(chǎng)探測(cè)儀(instrument champ electrique， 簡(jiǎn)寫(xiě)為ICE)用于測(cè)量直流至3.175 MHz的電場(chǎng)(Berthelieretal， 2006)， 感應(yīng)式磁力儀 (instrument of magnetic search coil， 簡(jiǎn)寫(xiě)為IMSC)用于觀測(cè)19.5 Hz—20 kHz頻段的變化磁場(chǎng)(Parrotetal， 2006)．

1.1 研究區(qū)域選取

根據(jù)Dobrovolsky等(1979)提出的巖石圈孕震區(qū)范圍經(jīng)驗(yàn)公式

(1)

可以估算出巖石圈孕震區(qū)的大?。?式中M表示地震震級(jí)，ρ表示孕震區(qū)長(zhǎng)度， 單位為km． 由于本文研究的地震均為MS≥7， 根據(jù)式(1)計(jì)算得到孕震區(qū)長(zhǎng)度為1023 km以上， 相當(dāng)于震中±5°的范圍． 根據(jù)Pulinets和Boyarchuk(2004)對(duì)地震引發(fā)的電磁波向電離層傳播機(jī)制的研究可知， 巖石圈激發(fā)的電磁波從地表沿磁力線傳播至電離層進(jìn)而引起電離層的擾動(dòng)， 并且地震電磁擾動(dòng)信號(hào)傳播至電離層可能發(fā)生偏移， 最大偏移量可超過(guò)10°， 故本文將研究區(qū)域的范圍擴(kuò)大至震中±10°的范圍．

1.2 數(shù)據(jù)

衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間載荷工作時(shí)會(huì)因微弱電流的產(chǎn)生而產(chǎn)生變化磁場(chǎng)， 從而引起低頻電磁擾動(dòng)， 這使得物理觀測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)含有一定的背景噪聲． 曹晉濱等(2009)和Zeren等(2012)對(duì)電磁衛(wèi)星噪聲水平的分析研究顯示， 200 Hz以下的電磁信號(hào)受衛(wèi)星本體影響較大， 且有較強(qiáng)的背景噪聲． Zeren等(2012)針對(duì)DEMETER衛(wèi)星噪聲水平的測(cè)試結(jié)果表明， 變化磁場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)在極低頻/甚低頻(370—897 Hz)頻段的背景噪聲較弱， 較有利于提取地震前兆信號(hào)， 故本文選取DEMETER衛(wèi)星的電磁場(chǎng)極低頻/甚低頻(370—897 Hz)觀測(cè)數(shù)據(jù)用于地震異常研究．

首先根據(jù)DEMETER衛(wèi)星的輔助數(shù)據(jù)文件， 剔除衛(wèi)星記錄有誤的軌道以及在衛(wèi)星姿態(tài)控制、 載荷開(kāi)關(guān)等事件期間的數(shù)據(jù)， 以期最大限度地消除人工干擾． 其次， 由于太陽(yáng)的作用， 電離層在白天呈現(xiàn)非常復(fù)雜的變化， 會(huì)對(duì)地震信息的提取造成影響. 為了盡量減少地磁場(chǎng)活動(dòng)帶來(lái)的擾動(dòng)， 本文僅考慮DEMETER衛(wèi)星2005—2009年在空間天氣平靜時(shí)期IMSC和ICE在夜間的觀測(cè)數(shù)據(jù)． 選取數(shù)據(jù)時(shí)， 設(shè)定地磁指數(shù)Dst≤-30 nT，KP≥3，AE≥200 nT的數(shù)據(jù)不參與計(jì)算．

2 研究方法

2.1 背景場(chǎng)與擾動(dòng)幅度建立

在澤仁志瑪?shù)?2012)對(duì)2005—2009年北半球MS≥7.0地震前后的磁場(chǎng)擾動(dòng)特征統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上， 本文對(duì)研究時(shí)段選取劃分及數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了一定調(diào)整， 將進(jìn)一步對(duì)全球發(fā)生的地震進(jìn)行研究， 并補(bǔ)充電場(chǎng)的研究結(jié)果． 此處以南半球2006年2月22日發(fā)生的莫桑比克MS7.6地震為例， 說(shuō)明本文的研究過(guò)程．

構(gòu)建震中上空背景場(chǎng)觀測(cè)模型的步驟如下. 選取震中(20.87°S， 33.1°E)經(jīng)緯度±10°的區(qū)域(10.87°S—30.87°S， 23.1°E—43.1°E)， 以2°為步長(zhǎng)， 構(gòu)建10°×10°網(wǎng)格， 并以震前90天至震后30天(2005年11月24日—2006年3月24日)的時(shí)段為例介紹計(jì)算過(guò)程． 首先根據(jù)2005—2009年DEMETER衛(wèi)星5年同時(shí)段的磁場(chǎng)極低頻/甚低頻(370—897 Hz)的功率譜密度(power spectral density， 簡(jiǎn)寫(xiě)為PSD)數(shù)據(jù)， 計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格的中值和標(biāo)準(zhǔn)方差， 從而得到背景中值矩陣β (如圖1a)和背景標(biāo)準(zhǔn)方差矩陣σ(如圖1b)； 其次， 利用地震當(dāng)年震前90—60天(2005年11月24日—12月24日)的磁場(chǎng)功率譜密度數(shù)據(jù)， 計(jì)算出該時(shí)段的中值矩陣α(如圖1c)； 最后， 根據(jù)擾動(dòng)幅度提取公式計(jì)算出相對(duì)于背景場(chǎng)的擾動(dòng)幅度θ(圖1d)． 式(2)表示在某個(gè)特定時(shí)段內(nèi)的空間變化磁場(chǎng)相對(duì)于其觀測(cè)背景場(chǎng)偏離標(biāo)準(zhǔn)方差的倍數(shù)， 即相對(duì)于背景場(chǎng)的擾動(dòng)幅度． 由于計(jì)算所得的矩陣θ是在背景場(chǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了歸一化處理， 因此可信度更高．

(2)

圖1 莫桑比克MS7.6地震震中±10°范圍內(nèi)磁場(chǎng)擾動(dòng)幅度矩陣θ的構(gòu)建過(guò)程(a) 利用5年(2005—2009年)同期(11月24日—3月24日)震前90天至震后30天的變化磁場(chǎng)功率譜密度數(shù)據(jù)構(gòu)建的背景場(chǎng)中值矩陣β； (b) 由5年(2005—2009年)同期震前90天至震后30天的變化磁場(chǎng)功率譜密度數(shù)據(jù)構(gòu)建的背景場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)方差矩陣σ； (c) 由2005年11月24日—12月24日的磁場(chǎng)功率譜密度數(shù)據(jù)構(gòu)建的中值矩陣α； (d) 根據(jù)式(2)計(jì)算所得的矩陣θ

從圖1中背景場(chǎng)觀測(cè)模型的構(gòu)建及擾動(dòng)幅度的提取過(guò)程可以看出： 背景場(chǎng)強(qiáng)度相對(duì)平靜(圖1a)， 其變化范圍為10-8.1—10-7.8nT2/Hz； 背景場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)方差值穩(wěn)定在100.43—100.58nT2/Hz(圖1b)； 地震時(shí)段的矩陣α則表現(xiàn)出一定的變化(圖1c)， 為10-8.3—10-7.5nT2/Hz； 磁場(chǎng)相對(duì)于背景場(chǎng)的擾動(dòng)幅度顯示出相對(duì)平靜的狀態(tài)(圖1d)， 矩陣θ中的參數(shù)值保持在0.8—1， 因此在背景場(chǎng)擾動(dòng)幅度基礎(chǔ)上所獲得的研究結(jié)果將更加客觀．

2.2 時(shí)間序列分析

為了更深入地研究震前90天至震后30天的電磁場(chǎng)擾動(dòng)時(shí)序變化特征， 本文將研究時(shí)段每隔15天計(jì)算一次擾動(dòng)幅度矩陣θ值， 然后利用定量分析方法， 計(jì)算出每個(gè)時(shí)段的最大擾動(dòng)幅度|θ|max和平均擾動(dòng)幅度|θ|avg， 進(jìn)而得到電磁場(chǎng)擾動(dòng)的時(shí)間序列變化特征．

3 震例分析

利用上述方法， 本文對(duì)2006年2月22日莫桑比克MS7.6地震前后空間電磁場(chǎng)的時(shí)空演化特征進(jìn)行了分析． 選取震前90天至震后30天(2005年11月24日—2006年3月24日)為研究時(shí)段， 將其劃分為6個(gè)時(shí)段， 即震前90—60天、 震前60—30天、 震前30—15天、 震前15天—地震當(dāng)天、 地震當(dāng)天—震后15天、 震后15—30天， 分別計(jì)算出各時(shí)段震中上空±10°的電磁場(chǎng)背景觀測(cè)模型矩陣β和σ， 及其相應(yīng)的α矩陣， 并利用式(2)求取相應(yīng)的θ矩陣， 結(jié)果分別如圖2和圖3所示．

圖2 2006年莫桑比克MS7.6地震前后極低頻/甚低頻(370—897Hz)磁場(chǎng)(θ矩陣)時(shí)空演化特征

圖2給出了2005年11月24日—2006年3月24日莫桑比克地震震中上空的變化磁場(chǎng)在極低頻/甚低頻(370—897Hz)相對(duì)于背景觀測(cè)模型的時(shí)空演化特征． 可以看出： 該地震前90—30天的磁場(chǎng)擾動(dòng)幅度較為平靜， θ矩陣中的所有元素值保持在0.8—1.3， 未發(fā)現(xiàn)較大幅度的擾動(dòng)(圖2a， b)； 震前30—15天內(nèi)， 磁場(chǎng)擾動(dòng)幅度略有增強(qiáng)， 可達(dá)1.8， 表現(xiàn)為震中及其西側(cè)的輕微擾動(dòng)(圖2c)； 震前15天至地震當(dāng)天， 震中以北地區(qū)的磁場(chǎng)擾動(dòng)幅度逐漸加強(qiáng)， 并在研究區(qū)東北角出現(xiàn)一處變化磁場(chǎng)的強(qiáng)烈擾動(dòng)， 其幅度可達(dá)3.9σ(圖2d)； 震后15天內(nèi)， 磁場(chǎng)擾動(dòng)幅度開(kāi)始回落， θ矩陣的所有元素值最大值為1.9(圖2e)， 震后15—30天內(nèi)， 磁場(chǎng)強(qiáng)度繼續(xù)下降至1.6σ(圖2f)．

圖3給出了莫桑比克地震前后的空間電場(chǎng)時(shí)空演化特征． 與圖2所示的地震期間變化磁場(chǎng)的演化特征相比較， 電場(chǎng)的變化則相對(duì)穩(wěn)定， 僅震前15天至地震當(dāng)天(圖3d)和震后15天內(nèi)(圖3e)的θ值分別可達(dá)2.5和-2.3， 超過(guò)2σ， 其余時(shí)段的θ值均為0.9—1.5， 未超過(guò)2σ．

為更清晰地提取莫桑比克地震的電磁場(chǎng)異常擾動(dòng)， 本文利用定量方法進(jìn)行時(shí)間序列分析． 具體做法如下： 對(duì)于研究時(shí)段2005年11月24日—2006年3月24日內(nèi)的磁場(chǎng)與電場(chǎng)數(shù)據(jù)， 每隔15天計(jì)算得到1個(gè)θ矩陣并取其所有元素的絕對(duì)值|θ|， 以此計(jì)算出各個(gè)時(shí)段電磁場(chǎng)的最大擾動(dòng)值|θ|max和平均擾動(dòng)值|θ|avg． 由于|θ|進(jìn)行了歸一化處理， 因此可以將磁場(chǎng)與電場(chǎng)的|θ|max值和|θ|avg值分別求取二者的平均值， 進(jìn)而得到地震前后電磁場(chǎng)偏離背景場(chǎng)的方差倍數(shù)， 即電磁場(chǎng)擾動(dòng)．

圖3 2006年莫桑比克地震前后空間電場(chǎng)(θ矩陣)的時(shí)空演化特征

圖4分別給出了磁場(chǎng)、 電場(chǎng)的|θ|max值及|θ|avg值以及電磁場(chǎng)的擾動(dòng)幅度在地震期間的時(shí)序變化特征． 從圖4a可以看出， 震前90—15天內(nèi)磁場(chǎng)擾動(dòng)幅度較弱， 均低于2σ， 而在震前15天內(nèi)磁場(chǎng)擾動(dòng)幅度突然增強(qiáng)至2.2σ以上， 可達(dá)3.9， 并在此過(guò)程中發(fā)震， 震后磁場(chǎng)擾動(dòng)幅度則回落至較弱狀態(tài)． 從圖4b可以看出： 震前90—15天內(nèi)電場(chǎng)變化平穩(wěn)， 均低于2σ， 至震前15天內(nèi)擾動(dòng)幅度高于2σ， 增強(qiáng)至2.5， 地震在此期間發(fā)生， 震后電場(chǎng)擾動(dòng)幅度持續(xù)下降． 由圖4c可以看出， 電磁場(chǎng)擾動(dòng)曲線變化形態(tài)整體上與磁場(chǎng)極為相似， 表現(xiàn)為震前15天內(nèi)的明顯異常擾動(dòng)， |θ|max達(dá)到3.2σ， 其它時(shí)段擾動(dòng)則相對(duì)平靜．

圖4 2005年11月24日—2006年3月24日最大擾動(dòng)幅度|θ|max與平均擾動(dòng)幅度|θ|avg的時(shí)序變化特征. (a) 磁場(chǎng)擾動(dòng)； (b) 電場(chǎng)擾動(dòng)； (c) 電磁場(chǎng)擾動(dòng)

4 統(tǒng)計(jì)研究

由于單次地震的異常現(xiàn)象具有較大的隨機(jī)性， 不足以證明地震異常的客觀規(guī)律， 因此本文對(duì)2005—2009年全球發(fā)生的MS≥7.0強(qiáng)震進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析， 以期獲取規(guī)律性認(rèn)識(shí)． 利用DEMETER衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間積累的數(shù)據(jù)資料， 結(jié)合上述方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究． 采用國(guó)家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心(2015)提供的地震目錄， 選取MS≥7.0且震源深度小于40 km的強(qiáng)震， 共得到50條地震信息， 但由于某些研究時(shí)段內(nèi)沒(méi)有觀測(cè)數(shù)據(jù)， 最終選取45次(北半球27次， 南半球18次)地震用于統(tǒng)計(jì)分析．

4.1 強(qiáng)震前后空間電磁場(chǎng)的時(shí)空演化特征

對(duì)所選定的45次地震， 將每次地震的研究時(shí)段劃分為以下6個(gè)時(shí)段進(jìn)行時(shí)空演化特征研究： 震前90—60天、 震前60—30天、 震前30—15天、 震前15天至地震當(dāng)天、 地震當(dāng)天至震后15天、 震后15—30天． 首先分別計(jì)算出每次地震的背景場(chǎng)中值矩陣β和標(biāo)準(zhǔn)方差矩陣σ， 并計(jì)算出上述6個(gè)時(shí)段內(nèi)的α矩陣， 然后利用式(2)計(jì)算出每個(gè)時(shí)段的θ值． 其次采用圖2和圖3的方法， 繪制出每次地震在上述6個(gè)時(shí)段內(nèi)的θ值分布圖， 逐一分析每次地震的θ值分布圖． 結(jié)果顯示， 45次地震在震前90—30天的磁場(chǎng)變化相對(duì)平靜， 有35次地震的最大磁場(chǎng)擾動(dòng)幅度在某一時(shí)段超過(guò)2.2σ， 其中12次地震的磁場(chǎng)最大擾動(dòng)幅度出現(xiàn)在震前15天至地震當(dāng)天的時(shí)段內(nèi)， 5次地震的最大擾動(dòng)幅度出現(xiàn)在震前30—15天， 18次地震的最大磁場(chǎng)擾動(dòng)幅度則出現(xiàn)在震后． 從θ值的空間分布情況可以看出， 超過(guò)2.2σ的擾動(dòng)往往出現(xiàn)在距離震中一定范圍的區(qū)域內(nèi)， 其中僅有9次地震的最大磁場(chǎng)擾動(dòng)幅度出現(xiàn)在震中±4°內(nèi)， 而其余26次地震的最大磁場(chǎng)擾動(dòng)幅度則出現(xiàn)在震中±4°—±10°范圍內(nèi)．

利用上述磁場(chǎng)的時(shí)空演化特征分析方法， 本文進(jìn)一步分析了電場(chǎng)的時(shí)空演化． 結(jié)果表明， 45次地震中， 有39次地震的最大電場(chǎng)擾動(dòng)幅度在某一時(shí)段超過(guò)2σ， 其中16次地震的最大擾動(dòng)幅度出現(xiàn)在震前15天至地震當(dāng)天的時(shí)段內(nèi)， 4次地震的最大擾動(dòng)幅度發(fā)生在震前30—15天， 19次地震的最大擾動(dòng)幅度出現(xiàn)在震后． 此外， 電場(chǎng)擾動(dòng)的空間分布顯示， 僅有4次地震的最大電場(chǎng)擾動(dòng)幅度出現(xiàn)在震中±4°內(nèi)， 其余35次地震的最大電場(chǎng)擾動(dòng)幅度均出現(xiàn)在震中±4°—±10°范圍內(nèi)．

4.2 強(qiáng)震前后電磁場(chǎng)的時(shí)序特征

對(duì)于上述45次地震， 采用與莫桑比克地震相同的時(shí)間序列分析方法， 將每次地震震前90天至震后30天每隔15天歸為一個(gè)時(shí)段， 分別計(jì)算出該地震不同時(shí)段的α矩陣和θ值， 然后繪制|θ|max及|θ|avg的時(shí)序變化曲線．

圖5給出了變化磁場(chǎng)在強(qiáng)震前后相對(duì)于背景場(chǎng)的擾動(dòng)幅度時(shí)序變化． 我們定義變化磁場(chǎng)擾動(dòng)幅度的閾值為2.2σ， 結(jié)果表明， 對(duì)于78%(35/45)的地震而言， 在研究時(shí)段內(nèi)其變化磁場(chǎng)擾動(dòng)幅度出現(xiàn)超過(guò)閾值的現(xiàn)象， 表現(xiàn)出異常特征， 而10次地震期間的磁場(chǎng)擾動(dòng)平靜， 未超過(guò)2.2σ． 對(duì)這35次地震進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)， 發(fā)現(xiàn)其擾動(dòng)特征可歸納為3類： 第一類與莫桑比克地震類似， 表現(xiàn)為震前90—15天磁場(chǎng)擾動(dòng)幅度平靜且低于2.2σ， 而在震前15天至地震當(dāng)天最大擾動(dòng)幅度突然增大并顯著大于2.2σ， 震后則持續(xù)降低， 該類型地震有12次， 其磁場(chǎng)擾動(dòng)平均值變化如圖5a所示； 第二類表現(xiàn)為震前30—15天內(nèi)擾動(dòng)幅度超過(guò)2.2σ， 達(dá)到最大值， 并在擾動(dòng)下降過(guò)程中發(fā)震， 該類型地震僅有5次， 其磁場(chǎng)擾動(dòng)平均值如圖5b所示； 第三類則表現(xiàn)為震后異常， 即震前磁場(chǎng)擾動(dòng)幅度低于2.2σ， 而在震后其擾動(dòng)幅度增大并超過(guò)2.2σ， 該類型地震有18次， 其磁場(chǎng)擾動(dòng)平均值變化如圖5c所示．

圖5 強(qiáng)震前后變化磁場(chǎng)相對(duì)于背景場(chǎng)的最大擾動(dòng)幅度|θ|max和平均擾動(dòng)幅度|θ|avg的時(shí)序變化類型

圖6給出了強(qiáng)震前后電場(chǎng)的時(shí)序變化． 由于電場(chǎng)的擾動(dòng)幅度相比磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)弱一些， 因此本文將閾值設(shè)為2σ． 結(jié)果顯示， 87%(39/45)的地震表現(xiàn)出了異常形態(tài)， 也表現(xiàn)為與磁場(chǎng)擾動(dòng)相似的3種擾動(dòng)類型， 如圖6所示． 16次地震表現(xiàn)出第一類擾動(dòng)類型(圖6a)， 僅4次地震表現(xiàn)為第二類擾動(dòng)特征(圖6b)， 而其余19次地震則顯示出第三類擾動(dòng)形態(tài)的震后異常(圖6c)．

圖6 強(qiáng)震前后電場(chǎng)相對(duì)于背景場(chǎng)的最大擾動(dòng)幅度|θ|max和平均擾動(dòng)幅度|θ|avg的時(shí)序變化類型

由于磁場(chǎng)與電場(chǎng)的擾動(dòng)幅度|θ|max及|θ|avg為歸一化結(jié)果， 因此對(duì)磁場(chǎng)與電場(chǎng)的擾動(dòng)幅度求平均值， 即可得到地震前后電磁場(chǎng)的時(shí)序變化特征． 將具有相同擾動(dòng)形態(tài)的地震磁場(chǎng)與電場(chǎng)進(jìn)行疊加并分類繪制平均擾動(dòng)幅度， 定義閾值為2.1σ， 其結(jié)果與磁場(chǎng)的時(shí)間序列特征極其相似， 基中有27次地震存在磁場(chǎng)與電場(chǎng)同步異常反應(yīng)， 同樣劃分為3種擾動(dòng)形態(tài)如圖7所示， 分別有10次、 3次和14次地震表現(xiàn)為第一類(圖7a)、 第二類(圖7b)和第三類(圖7c)擾動(dòng)時(shí)序變化．

4.3 非震情況對(duì)比

隨機(jī)選取35個(gè)非震隨機(jī)事件(發(fā)生前90天至發(fā)生后30天在隨機(jī)點(diǎn)±10°范圍內(nèi)無(wú)M≥7地震發(fā)生)， 使用相同的方法計(jì)算背景場(chǎng)及擾動(dòng)幅度， 對(duì)比研究強(qiáng)震震中上空與非震區(qū)上空的電磁場(chǎng)擾動(dòng)變化特征． 如圖8所示， 35個(gè)非震區(qū)上空電磁場(chǎng)擾動(dòng)幅度時(shí)序變化結(jié)果顯示： 71%(25/35)的非震區(qū)變化磁場(chǎng)擾動(dòng)幅度變化平緩， 均未超過(guò)2.2σ； 83%(29/35)的非震區(qū)電場(chǎng)擾動(dòng)幅度變化平緩， |θ|max未超過(guò)2σ．

圖7 強(qiáng)震前后空間電磁場(chǎng)相對(duì)于背景場(chǎng)的最大擾動(dòng)幅度|θ|max和平均擾動(dòng)幅度|θ|avg的時(shí)序變化

圖8 隨機(jī)非震區(qū)上空電磁場(chǎng)相對(duì)于背景場(chǎng)的擾動(dòng)幅度時(shí)序變化

5 討論與結(jié)論

對(duì)于地震發(fā)生前后空間電磁場(chǎng)的時(shí)空演化特征， 前人已基于DEMETER衛(wèi)星的磁場(chǎng)或電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)， 采用不同方法對(duì)地震電磁異常進(jìn)行了相關(guān)統(tǒng)計(jì)研究(Němecetal， 2008， 2009; 澤仁志瑪?shù)龋?2012; Pí?aetal， 2013)． 本文在澤仁志瑪?shù)?2012)研究的基礎(chǔ)上， 綜合利用磁場(chǎng)和電場(chǎng)數(shù)據(jù)， 并采用了長(zhǎng)達(dá)5年的長(zhǎng)期觀測(cè)資料構(gòu)建了穩(wěn)定的背景場(chǎng)， 在此基礎(chǔ)上提取了相對(duì)于背景場(chǎng)的擾動(dòng)特征， 對(duì)比分析了地震期間磁場(chǎng)與電場(chǎng)在強(qiáng)震前后的演化特征， 進(jìn)一步得到電磁場(chǎng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律， 一定程度上彌補(bǔ)了前人單一場(chǎng)統(tǒng)計(jì)研究的不足． 本文的主要結(jié)論如下：

1) 2005—2009年全球發(fā)生的45次地震的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明， 地震前后電磁場(chǎng)的異常擾動(dòng)主要出現(xiàn)在震前30天至震后30天內(nèi)， 并且最大幅度的磁場(chǎng)與電場(chǎng)擾動(dòng)主要集中于震中±4°—±10°范圍內(nèi)．

2) 強(qiáng)震前后震中上空的電磁場(chǎng)相對(duì)其背景場(chǎng)的時(shí)序變化特征表現(xiàn)出了3種不同的擾動(dòng)形態(tài)， 并且其最大異常擾動(dòng)幅度分別出現(xiàn)在震前15天內(nèi)、 震前30—15天以及震后15—30天．

3) 不同擾動(dòng)特征的地震震中分布情況顯示： 變化磁場(chǎng)相對(duì)于背景場(chǎng)的第一種擾動(dòng)類型的地震主要集中在北緯30°、 赤道地區(qū)以及南緯20°附近； 第二種擾動(dòng)類型地震主要發(fā)生在北半球地區(qū)； 震后異常擾動(dòng)類型的震中則無(wú)明顯的分布特征. 電場(chǎng)的3種不同擾動(dòng)類型的地震震中分布規(guī)律與磁場(chǎng)極其相似．

4) 非震隨機(jī)地區(qū)上空的電磁場(chǎng)時(shí)序變化特征研究結(jié)果表明, 71%的隨機(jī)地區(qū)在研究時(shí)段內(nèi)變化磁場(chǎng)最大擾動(dòng)幅度從未超過(guò)2.2σ， 而83%的隨機(jī)區(qū)電場(chǎng)最大擾動(dòng)幅度均低于2σ， 表現(xiàn)為平靜的擾動(dòng)特征．

關(guān)于地震電磁擾動(dòng)機(jī)理的研究目前還處于探索階段， Hayakawa(1999)提出的巖石圈-大氣層-電離層耦合模型在一定程度上解釋了空間存在地震電磁異常的可能性． 地震孕育過(guò)程中所釋放的化學(xué)氣體(氡氣)可以改變大氣成分和電導(dǎo)率的大小， 從而為電磁波動(dòng)的產(chǎn)生提供擾動(dòng)源； 另外， 地震波動(dòng)也可以引發(fā)大氣低頻振動(dòng)從而引起電離層擾動(dòng)， 巖石圈電磁輻射也可沿磁力線向空間傳播到達(dá)電離層， 甚至到達(dá)磁層(Hayakawa， 1999; Pulinets， Boyarchuk， 2004)． 因此地震前兆信號(hào)可以直接或間接地傳播至空間， 但其具體傳播機(jī)理或電磁耦合機(jī)理目前尚不確定．

本文統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明地震期間會(huì)產(chǎn)生不同類型的電磁擾動(dòng)特征， 一定程度上反映了地震電離層耦合機(jī)理的復(fù)雜性． 在地震孕育機(jī)理尚不明確的情況下， 通過(guò)研究不同類型的地震震中分布， 我們嘗試研究其是否與孕育地震的巖石圈環(huán)境有關(guān)． 圖9給出了磁場(chǎng)與電場(chǎng)不同擾動(dòng)類型的地震震中分布情況． 從圖9a可以看出， 第一種擾動(dòng)類型的地震主要發(fā)生在北緯30°、 赤道地區(qū)以及南緯20°附近， 第二種擾動(dòng)類型的地震主要分布在北半球， 第三種擾動(dòng)類型的震后異常地震則未呈現(xiàn)清晰的區(qū)域性特征． 圖9b給出了地震期間電場(chǎng)的3種擾動(dòng)類型的震中分布. 可以看出： 第一種擾動(dòng)類型的地震震中分布特征與磁場(chǎng)類似， 第二種擾動(dòng)類型的地震亦分布在北半球， 而第三種異常擾動(dòng)類型的地震震中分布則較為隨機(jī)． 進(jìn)一步觀察可以看出， 兩者的震中分布情況較為相似， 均表現(xiàn)出與緯度變化存在一定關(guān)系． 因此， 我們推測(cè)強(qiáng)震前后空間電磁場(chǎng)不同類型的擾動(dòng)特征似乎與地震發(fā)生在巖石圈的不同部位有一定關(guān)聯(lián)． 但是孕震區(qū)位置、 孕震機(jī)理以及地震空間電磁異常機(jī)理等均需更深入的探索， 這也是我們即將要開(kāi)展的研究．

圖9 磁場(chǎng)觀測(cè)(a)和電場(chǎng)觀測(cè)(b)所獲得的具有不同擾動(dòng)類型的地震震中分布

未來(lái)遵循天地一體化觀測(cè)體系(申旭輝等， 2011)的思路， 綜合地基與空基觀測(cè)數(shù)據(jù)， 在大量震例分析的基礎(chǔ)上， 客觀認(rèn)識(shí)地震電磁異常的存在性， 加強(qiáng)對(duì)地震電磁波傳播機(jī)制的研究顯得尤為重要．

衷心感謝法國(guó)DEMETER衛(wèi)星科學(xué)中心給予數(shù)據(jù)下載權(quán)限.

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Spatio-temporal evolution of electromagnetic field pre- and post-earthquakes

Qian Geng1)，Zeren Zhima1)Zhang Xuemin1)Shen Xuhui2)

1)InstituteofEarthquakeScience，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100036，China2)InstituteofCrustalDynamics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100085，China

Utilizing the electromagnetic field observations of DEMETER satellite， we statistically analyze the spatio-temporal evolution of electromagnetic field during the strong earthquakes with magnitude over than 7.0 occurred from 2005 to 2009. For each earthquake， using the power spectral density data of electromagnetic field in the ELF/VLF frequency band (370—897 Hz) from 90 days before the earthquake to 30 days after the earthquake， in the area within ±10° in latitude and in longitude from the epicenter， the background model is built up with the same period. A formula is applied to extract the perturbation amplitude of the electromagnetic field relative to the background field observation model during the earthquake time， and the perturbation amplitude is used to statistically study the spatio-temporal variations of electro-magnetic field for the 45 earthquakes， which had been chosen in this paper. Statistical analyses on the perturbation amplitude of magnetic field shows that 35 earthquakes exhibit anomaly that the maximum of perturbation amplitude exceeds 2.2 times standard deviation， while the result of the electric field shows that 39 strong earthquakes exhibit anomalies with the maximum perturbation higher than twice standard deviation， and the maximum electromagnetic perturbations mainly appear in the places within ±4° to ±10° in latitude and in longitude from the epicenter. The temporal variation of the perturbation amplitude shows there are three types of variation patterns. The abnormal electromagnetic perturbation that occurs before earthquakes displays that the distribution of epicenters is related to latitude. However， the perturbation amplitude of electromagnetic field over the random non-earthquake region is weak， without displaying prominent characteristic of anomalous variation.

strong earthquake; electromagnetic field; background field model; spatio-temporal evolution; statistical analysis

錢(qián)庚， 澤仁志瑪， 張學(xué)民， 申旭輝. 2016. 強(qiáng)震前后空間電磁場(chǎng)時(shí)空演化特征. 地震學(xué)報(bào), 38(2): 259--271. doi:10.11939/jass.2016.02.010.

Qian G, Zeren Z M, Zhang X M, Shen X H. 2016. Spatio-temporal evolution of electromagnetic field pre- and post-earthquakes.ActaSeismologicaSinica, 38(2): 259--271. doi:10.11939/jass.2016.02.010.

國(guó)家國(guó)際科技合作項(xiàng)目(SQS2014RR113)和地震基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)(2014IES0102)聯(lián)合資助.

2015-11-10收到初稿， 2016-01-25決定采用修改稿.

e-mail: qiangeng121@163.com

10.11939/jass.2016.02.010

P318.5

A