2012年苏门答腊Ms8.6和墨西哥Ms7.0大地震前TEC异常扰动对比研究

李 旺，郭金运1,2*，于学敏1，于红娟1

（1.山东科技大学测绘科学与工程学院，青岛266590；2. 海岛（礁）测绘技术国家测绘地理信息局重点实验室，青岛266590）

摘要：为了研究地震与电离层的耦合关系，利用CODE根据IGS观测站的GPS资料解算的全球电离层TEC资料，分析了2012年4月11日苏门答腊8.6级地震和2012年4月11日墨西哥7.0级地震，通过插值提取震中区域的电离层TEC时间序列，以27天为背景值用滑动四分位距法分析电离层异常，在排除太阳及地磁活动的因素下，发现印尼地震震中区域电离层在震前11天和震前3天分别存在正异常和负异常，而墨西哥地震震中地区则分别呈现负异常和正异常。通过对全球异常分布图研究表明，震前3天电离层异常幅度明显大于震前11天的异常幅度，表明电离层的扰动强度可能与临震时间有关，苏门答腊地震震中附近异常明显大于墨西哥地震，表明电离层的扰动强度也可能与地震强度和震源深度有关，另外苏门答腊地震电离层异常主要出现在当地时间下午，而墨西哥地震异常主要出现在当地时间上午。除此之外，两次地震前电离层异常区域峰值点均不在震中正上方，而是位于震中靠近赤道的方向，同时磁赤道共轭区也有异常现象，这可以为以后的电离层监测提供一定的参考。

关键词：电离层；苏门答腊地震；墨西哥地震；TEC；异常

  The ionospheric anomaly before earthquake detected by GPS: Taking Sumatran earthquake and Mexico earthquake in 2012 as example

LI Wang1，GUO Jin-yun1, 2，YU Xue-min1, YU Hong-juan1

(1. College of Geodesy and Geomatics, Shandong University of Science and Technology,

Qingdao 266590,China；2. Key Laboratory of Surveying and Mapping Technology on Island and Reef of NASMG, Qingdao 266590, China)

Abstract: To investigate the coupling relationship between earthquake and ionosphere perturbation, we process the global TEC data estimated from GPS data of IGS stations by CODE and analyze TEC anomalies before Mw 8.6 Sumatra earthquake on April 11, 2012 and Mw 7.0 Mexico earthquake on April 11, 2012. The sliding interquartile method with the sliding window of 27 days is used to process data of SSN, F10.7 solar flux, Dst and Kp to eliminate the effects of solar activity and the geomagnetic activity. The results show that there are positive and negative TEC anomalies over epicenter on the 11th day and the 3rdday prior to the Sumatran earthquake respectively. But the decrement and increment of TEC anomalies over epicenter occurred on the 11th day and the 3rd day prior to the Mexico earthquake. The global TEC anomalies are analyzed on the 11th day and the 3rd day before these two earthquakes, respectively. The magnitudes of TEC anomaly occurred on the 3rd day before earthquakes are larger than that occurred on the 11th day before earthquakes. This indicates the magnitude of anomaly may be related to the number of days prior to earthquake. The magnitude o`f TEC anomaly near Sumatran is larger than that near Mexico and the TEC disturbance may be related to earthquake magnitude and the hypocenter depth. The TEC anomaly of Sumatran earthquake mainly occurs in the afternoon local time, but the TEC anomaly of Mexico earthquake mainly occurs in the morning local time. The TEC anomaly peak regions before two earthquakes appeared on the south of epicenters instead of the vertical projection of the epicenter. Corresponding ionospheric anomalies are also observed in the magnetically conjugated regions. These can be guidance for the ionosphere monitoring.

Keywords: Ionosphere, Sumatran earthquake; Mexico earthquake; TEC, anomaly

1 引言

地震是最常见的自然灾害，每年地球上都会发生数十次大地震，其产生的威力及引起的次生灾害对人类的生命财产造成了严重的损失。自Barnes于1964年研究阿拉斯加大地震发现地震前电离层有扰动现象发生以来[1]，地震与电离层的耦合问题一直是地震前兆的研究热点，也取得了一系列成果。Pulinets等对50个M5.0+的地震研究表明，震前f0F2确有明显下降现象，同时发现电离层异常区域与地震中心区域是对应的，但异常峰值点并不在震中正上方[2-3]，Liu等对1994-1999年间台湾地区的地震进行了分析，发现在震前1-6天内，当地时间12:00-17:00间的电离层f0F2与前15天的中值相比有明显的下降，并将此作为地震的前兆之一进行地震预报[4]，Le等对2002-2010年间736次M6.0+地震前的TEC变化做了统计分析，结果表明电离层异常值取决于地震强度、震源深度和震前天数，并且尤其是在震级较强的浅源地震发生之前，电离层发生异常的频率明显比地震之后高[5]。Liperovsky等对1985-1990年的地震研究发现，太阳活动强烈的年份ES层扰动次数明显比其他年份少，并且震前三天ES层扰动次数明显增加，震级大于5.5的地震前有扰动现象的机率大于95%[6],Yao等对2010年全球7次M7.0+地震研究发现，7次地震中有5次发生了显著的电离层异常，并且震前电离层正负异常均有可能发生，对应的磁共轭区也有异常出现，但是概率和幅值均低于震中附近区域[7]。

2012年4月11日当地时间15时38分印尼苏门答腊以西海域发生里氏8.6级地震，震中位于印度尼西亚亚齐特别行政区首府班达亚齐西南约435公里的海域(93.1°E, 2.3°N)，震源深度22.9公里，是自1900年以来的第11大地震, 这是人类至今所记录到的震级最大的走滑型地震。2012年4月11日墨西哥当地时间16时55分米却肯州发生里氏7.0级地震(-102.7°W,18.4°N)，震中深度60公里，首都墨西哥城有强烈震感。本文在以往研究的基础上，利用CODE提供的TEC数据，分析了同一天发生的印尼苏门答腊M8.6大地震与墨西哥M7.0地震震前的TEC变化情况，并根据电离层的周期性变化规律，合理的选取背景值，在排除其它可能造成TEC扰动的因素外，比较了低纬度地区的两个地震震前TEC异常扰动现象的异同之处。

2 数据及异常信息探测方法

2.1 数据情况

     为了准确的提取出TEC异常信息，本文选取了TEC，太阳黑子、F10.7太阳射电通量及Dst、Kp地磁指数来剔除太阳及地磁活动对电离层的影响。TEC数据由欧洲定轨中心（CODE）提供（ftp://ftp.unibe.ch/aiub）。自1998年4月1日开始，CODE利用分布全球跟踪站的双频GPS接收机的码和相位观测资料，先通过载波相位的观测值求出包含有整周模糊度的相对TEC，再通过一段时间的伪距观测值求解出整周模糊度，解算得到TEC[8]，目前CODE提供的全球电离层TEC地图数据空间分辨率为2.5°(纬度)×5°(经度)，时间分辨率为2小时。太阳及地磁活动数据采用中科院空间中心提供的F10.7太阳射电通量，Dst指数和Kp指数(数据网址：http://159.226.22.201:9010/Portal/) 和太阳辐射中心(SIDC)提供的太阳黑子数(SSN).

2.2 异常信息探测方法

    在异常判断之前，选取合适的背景值是非常重要的环节，太阳活动产生的紫外线、X射线及太阳风作用于地球大气层，使得地球电离层具有和太阳活动相同的周期性。由于太阳旋转，使得太阳辐射具有27天的周期性，因此电离层也具有27天的周期性[9]对其研究时要加以考虑。在本文研究中，采用震前27天的的滑动TEC中值作为背景值，来消除电离层27天周期性的影响，利用滑动四分位距法进行震前TEC异常信息探测，具体滑动四分位距法的思想可参考其他学者的著作[10-11].

3 TEC异常分析

由于造成电离层异常扰动的因素很多，最常见的就是太阳及地磁活动的影响，因此在提取异常信息之前，需要剔除太阳及地磁活动的因素造成的异常扰动。以往的研究中判断太阳、地磁活动的异常，多采用直接观察法，直接观察太阳、地磁活动指数的时间序列，对于异常时段没有统一的标准，具有不确定性[12-13]，本文利用滑动四分位距法，采用各时段的前27天同时刻的观测值作其背景值，以1.5倍标准偏差为误差限值，提取太阳和地磁活动的异常时段，同时利用CODE提供的GIM数据，插值得到震中区域上空的TEC时间序列，利用滑动四分位距法，提取震前TEC扰动信息，探测时间为震前一个月和震后3天，结果如图1、图2所示。

 

 

图1 2012年3月12日-4月13日(UTC)期间太阳活动、地磁活动的信息

(a)太阳黑子数(SSN)日变化 (b)太阳黑子数日变化异常值 (c) F10.7太阳射电通量日变化

(d) F10.7太阳射电通量日变化异常值 (e) 地磁Dst指数日变化 (f) 地磁Dst指数日变化异常值

(g) 地磁Kp指数日变化 (h) 地磁Kp指数日变化异常值

(红线表示印尼苏门答腊地震发生的时刻，绿线表示墨西哥地震发生的时刻)

图1(a)和1(c)分别给出了太阳黑子和F10.7射电通量的时间序列，显然太阳黑子比F10.7更能准确表示出太阳的活动强度，1(a)显示震前10天内太阳黑子数明显减少，而F10.7射电通量比较平稳，经过滑动探测后，1(b)显示太阳活动在震前3天有异常现象，1(d)显示F10.7射电通量在震前5天内异常减少，表明在震前5天内太阳活动有明显减弱现象，异常幅度最大值出现在震前第三天，从太阳黑子和F10.7射电通量的探测结果来看，太阳活动主要异常时段出现在震前3-4天内。图1(e)和1(g)分别给出了地磁活动指数Dst和Kp的时间序列，可以看出震前一个月内，地磁活动并不是平静的，地磁多个时段出现明显异常，比如震前29天，Dst指数约为-50nT，Kp超过6，很可能发生了中等磁暴，用滑动四分位距法探测结果表明该天的地磁活动有异常现象，震前26天，Dst指数达到了-80nT, Kp指数约为6，可以确定该天有磁暴发生，滑动法也准确的探测出了该天的地磁异常，在其它地磁活动并不十分明显时段上，滑动四分位距法也准确的探测出地磁异常，如震前19-15天，可见用滑动四分位距法进行震前太阳活动和地磁活动的异常探测，有较好的效果。从1(f)和1(h)可以看出，震前地磁异常活动时段主要出现在震前29天、26-24天、19-13天、5天和震后两天，这在TEC异常信息提取时需要注意。

 

图2 2012年3月12日-4月13日(UTC)期间震中电离层的信息

(a)苏门答腊地震震中区域TEC变化曲线 (b)苏门答腊地震震中区域TEC震前后的异常值

(c)墨西哥地震震中区域TEC变化曲线 (d)墨西哥地震震中区域TEC震前后的异常值

(红线表示印尼苏门答腊地震发生的时刻，绿线表示墨西哥地震发生的时刻)

    图2(a)和2(c)分别给出了印尼地震和墨西哥地震震中区域的TEC时间序列及异常判定的上下边界，可以看出在大部分时段内，观测值都在上边界和下边界范围内，表明TEC没有异常变化，图2(b)和2(d)表示两次地震震前的TEC异常扰动幅度，可以看出，震前一个月，多个时段内TEC有明显的异常扰动，异常幅度有正有负，主要异常时段出现在震前30-24天、19-14天、12-8天、3-1天和震后两天，结合图1中太阳和地磁活动异常分析，可以发现，大部分TEC异常的时段，太阳或地磁活动都有着或多或少的异常，如震前26天，Dst指数达到-80nT, Kp超过6，很可能发生了大磁暴，对应的震前26天，两个地震震中TEC都出现了明显异常，图2(b)和图2(d)给出异常的平均值(绿线)及其判定上下边界(±STD)，可以发现震前11天和震前3天的异常明显超出边界，因此我们选取了震前11天和震前3天作为分析时段，分析震前是否有TEC异常现象发生，以及两次地震的TEC异常的异同点。震前3天，太阳活动强度明显减弱，对应的两次地震震中TEC也有异常现象发生，但该次异常是否是由太阳活动的变化引起的，还需要进一步分析判断。

4 TEC异常全球分布分析

    为了进一步分析震前电离层异常产生的原因，本文给出了3月31日(震前11天)和4月8日(震前3天)电离层的异常在全球范围内的分布情况，分别如图(3)和图(4)所示。

 

 

             

  图3 2012年3月31日电离层TEC扰动量的全球分布图

((a) UTC 08:00 ; (b) UTC 10:00; (c) UTC 12:00; (d) UTC 14:00; (e) UTC 16:00; (f) UTC 18:00; (g) UTC 20:00; (h) UTC 22:00， 红色五角星分别为震中位置 )

    图3给出了2012年3月31日08:00至22:00UTC间全球电离层的扰动情况。UTC08:00，太平洋地区出现异常增强区域，幅度约为5TECU，此后异常开始增大，并缓慢向西移动。UTC10:00，异常主要出现在苏门答腊地震震中的东北和东南方向。UTC12:00, 异常的范围和幅度继续增大，至UTC14:00，TEC异常的范围和幅度达到了最大值，异常范围主要分布在60º-110ºE，5ºE-20ºS，长度比约为3:1, 异常幅度达到10TECU，峰值点位于85ºE，15ºS，同时磁共轭区的异常也明显增大，除此之外，在两个TEC异常区域中间的赤道地区存在着一个负异常，范围处于65º-110ºE，5ºN-5ºS，幅度约为-6TECU，此后异常区域继续向西移动。UTC16:00时，苏门答腊附近的异常开始减弱，同时，墨西哥地震的震中东南地区出现一个明显的电离层扰动，异常区域位于90ºW-50ºW，10ºN-10ºS，幅度约为-7TECU，对应的磁共轭区也有异常产生。UTC18:00，苏门答腊地区的异常持续减弱，南美地区的异常范围达到最大值，幅度达到-9TECU，TEC异常主要出现委内瑞拉的北部地区及其西部海域，同时对应的磁共轭区的异常范围也明显增加，这主要分布在南美洲中部地区。UTC20:00，处于苏门答腊附近的TEC异常逐渐消失，墨西哥地震附近的异常开始减弱并缓慢向西移动，最大幅度约为-8TECU，磁共轭区的异常也轻微减弱，至UTC22:00, 苏门答腊和墨西哥地震附近的TEC异常全部消失，除了太平洋和大西洋上空少量的TEC异常外，全球其它地区没有明显TEC扰动出现。

此次异常现象，印尼地震震中地区持续了12个小时，墨西哥地震震中地区持续了8个小时，异常幅度上印尼地震达到了10TECU，墨西哥地震约为-9TECU，从异常时间上来说，印尼地震异常现象主要发生在当地时间的15:00~20:00, 墨西哥地震异常现象主要发生在当地时间的09:00~13:00，两次地震相比，印尼地震的TEC异常区域明显大于墨西哥地震，这可能与震级强度有关。太阳和地磁活动的探测结果表明，该天太阳活动处于合理水平，但三天前有磁暴发生，该天的地磁水平相对平静，研究表明，磁暴对电离层的影响有3-4天的滞后性，所以该天的TEC异常是否是地磁活动引起的呢？从全球TEC异常分布图来看，该天全球范围内除了这两个地区的异常扰动外，只有非洲中南部及大西洋局部区域有轻微短时扰动，其他地区基本上很平静，如果是地磁活动引起的TEC异常，全球电离层应该有大范围的TEC减小，但是TEC异常减小区域只存在于南美洲地区，所以该天的TEC异常并不是地磁活动导致的，可以确定此次电离层TEC异常与地球内部构造变化导致的，可能是地震的前兆。

 

 

图4 2012年4月8日电离层TEC扰动量的全球分布图

((a)UTC 08:00; (b)UTC 10:00; (c)UTC 12:00; (d) UTC 14:00; (e) UTC16:00; (f) UTC18:00; (g) UTC 20:00; UTC 22:00, 红色五角星分别为地震震中位置)

图4给出了2012年4月8日的全球TEC异常分布情况。UTC08:00, 全球大范围地区存在轻微负异常，幅度约为-3TECU，但是震中地区并没有异常出现。UTC10:00，澳大利亚东北部海域有明显负异常出现。UTC12:00, TEC异常区域和幅度开始增强，并向苏门答腊地震震中地区移动，异常幅度达到-9TECU。UTC14:00，异常区域到达震中南部海域，对应磁共轭区也有负异常出现，主要分布在日本西南部海域，同时苏门答腊附近的TEC异常范围达到最大值，主要异常区分布在90ºE-140ºE，2ºN-15ºS,幅度达到-12TECU，异常峰值点位于95ºE，12ºS，对应磁共轭区的异常和范围都略小。同时，委内瑞拉东北部的加勒比海有明显TEC正扰动出现，幅度约为7TECU，其对应的磁共轭区同样有电离层异常出现。UTC16:00，苏门答腊附近的TEC异常逐渐消失，南美洲附近的异常区域(90ºW-50ºW, 25ºN-5ºN)达到最大值，异常幅度达到10TECU，主要异常分布在委内瑞拉和加勒比海域，对应磁共轭区的电离层扰动范围和幅度相对较小，UTC18:00, 墨西哥地震附近的异常开始减弱并逐渐西移，但是磁共轭区的异常略有增强，幅度约为8TECU，主要分布在智利中部及其西部海域。UTC20:00，震中附近的TEC异常基本消失，至UTC22:00，两次地震附近区域的异常全部消失。

在这两次地震之前，震中附近的TEC异常持续时间都超过了6小时，苏门答腊附近的异常幅度达到12TECU，墨西哥地震震中附近的异常幅度约为10TECU，苏门答腊附近的异常主要发生在当地时间的17:00-21:00，而墨西哥附近的异常则主要发生在当地时间的07:00-11:00。除此之外，苏门答腊附近的异常范围明显大于墨西哥附近的异常，这也许与震级和震源深度有关。从图4中可以看出，除了苏门答腊附近的异常外，全球其它地方也存在着大量的负异常，这也许是和该天的太阳活动骤然减弱有关(如图1)。 然而，苏门答腊附近异常的幅度大约是其它地区的3倍以上，太阳或地磁活动造成的电离层异常通常呈现着大范围的同幅度扰动，所以两次地震附近的电离层异常并不仅仅是日地环境的变化引起的，这也许是两次地震的前兆之一。

5 分析与总结

    本文采用CODE提供的GIM数据，通过插值得到震中区域震前后一个多月的TEC时间序列，利用滑动四分位距法分析了2012年4月11日发生的印尼苏门答腊地震和墨西哥地震震前的电离层TEC变化情况，分析结果表明，电离层TEC的变化受多种因素的影响，在地震前的一个月内，震中区域的电离层都不平静，其中包括太阳及地磁活动的影响，因此，提取TEC异常信息的时候需要排除太阳及地磁的因素。

在3月31日的全球异常分析中，印尼地震震中附近区域依然呈现着增强现象，墨西哥地震震中东南区域TEC明显减小，且磁共轭区也有明显异常，在4月8日的全球异常分析中，全球大部分地区电离层相对平静，两个地震震中附近都有明显异常，且对应的磁共轭区也有异常现象，这和其他地震的震前电离层异常前兆一致[14-15]。

通过对两个相邻地震的分析，可以发现它们的共同点。首先，电离层异常的时间较为一致。两个地震震中附近区域都在震前11天和震前3天有明显的TEC异常现象，2008年汶川地震和2011年东日本地震震中附近区域的电离层在震前3天也出现过异常扰动，震前3天震中区域的电离层会出现异常是否具有普遍性，还需要以后继续研究[16, 7]；其次，两次地震前TEC异常区域中心都不是位于震中正上空，而是从震中的东南方向西移动，最后消失在震中的西南方，总的来说，异常区峰值点位于震中附近靠近赤道的方向，同时震中对应的磁赤道共轭区都出现了异常现象。最后，地震之前震中附近区域的电离层并不是仅仅的异常增加或者减少，两次地震之前电离层TEC均有异常减小和增大的现象。

除了共同点，两者还有一些差异，例如，3月31日，印尼地震震中附近TEC扰动幅度约10TECU，墨西哥地震震中附近TEC扰动约-9TECU，而4月8日，印尼地震震中附近TEC扰动达-12TECU，墨西哥地震震中附近TEC扰动约10TECU, 这可能与临震时间有关系，距离地震时间越短，地球内部变化越剧烈，电离层受到的扰动越大，从两次地震扰动的范围和幅度上来说，印尼地震周围电离层的异常局域和幅度明显大于墨西哥地震的扰动区域，这表明电离层受扰动的幅度与地震强度和震源深度有一定正比关系。另外，从电离层TEC异常的时间上来说，东半球的印尼地震震中附近电离层异常扰动持续了12个小时，峰值出现在当地时间的15:00~21:00, 西半球的墨西哥地震震中附近电离层异常扰动持续了8个小时，且异常峰值出现在08:00~13:00，这可以为以后的电离层监测提供一定的指导。

对于地震造成可以电离层扰动，目前一种观点认为，地震前电离层扰动是由地壳引起的震荡通过内重力波或电磁辐射传播到电离层改变了等离子的运动及分布状态，从而导致电离层异常[17-18]；另外一种观点认为，地壳形变引起大气电场的改变导致电子浓度的改变[19-20]。实际上，电离层的变化机制是一个相当复杂的过程，太阳活动、地磁场的变化及一些人类活动都会导致电离层的异常变化，如何准确的将地震前兆信息从多种因素引起的扰动中提取出来是应用这一技术的核心问题，这还有很长的一段路要走，因此，如果能在此基础上，加入其它的观测手段，相信会大大提高地震预报的准确性。

致 谢: 感谢欧洲定轨中心（CODE）提供的GIM，感谢中科院空间中心提供的地磁和太阳辐射数据。

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