地震電離層VLF電磁場頻譜特征研究*

張建國 姚 麗 劉曉燦 馬新欣 焦立果

（1)中國科學技術大學地球和空間科學學院，合肥 230026 2)河北省地震局邯鄲中心臺，邯鄲 056001 3)中國地震局地球物理研究所，北京100081）

地震電離層VLF電磁場頻譜特征研究*

張建國1，2)姚 麗3)劉曉燦3)馬新欣3)焦立果3)

（1)中國科學技術大學地球和空間科學學院，合肥 230026 2)河北省地震局邯鄲中心臺，邯鄲 056001 3)中國地震局地球物理研究所，北京100081）

對2006年3月—2009年2月DEMETER衛星VLF電磁場頻譜數據的分析發現，全球地震電離層電磁場頻譜有以下特征:50～300 Hz為地震電離層效應的優勢頻段;距離地震空間位置越近，地震異常越顯著;不同半球的地震，異常方向和方位不同;對地磁夏季北半球地震的研究表明，海洋地震主要為正異常，陸地地震為負異常;地磁夏季，不同半球地震的磁場頻譜異常顯著不同，北半球的正異常偏南，而負異常偏北，南半球的負異常偏東北，而正異常偏西南。

DEMETER衛星觀測;電離層;VLF電磁場頻譜;全球異常特征;地磁夏季

1 引言

與地震活動有關的空間電磁擾動頻段主要集中在甚低頻/超低頻(VLF/ELF)［1-5］，但相對于來自空間的擾動，諸如磁暴，磁層亞暴，太陽風擾動等引起的電離層電磁擾動來說，地震電離層異常信號是較弱的［6］。2004年6月DEMENTER衛星成功發射以來，地震電離層電磁異常研究進展也得到了很大的發展［7-9］。

姚麗等［10］對衛星高度電離層背景研究表明，不同地磁季節間電場頻譜的強度有較大差異，而不同年相同地磁季節的背景特征和強度則非常相似，因此相同地磁季節的地震可采用相同的背景進行統計研究，對不同月份的電場頻譜進行研究發現，地磁夏季和冬季的月份間背景差異較小，而地磁分點季節月份間差異較大。所以，本文只對地磁夏季和冬季的地震進行統計研究。

利用DEMETER衛星2006年3月—2009年2月地磁春、冬季夜側軌道頻譜數據，篩選全球229個孤立地震，采用統計研究方法［11］，并限制地磁活動性來抑制非震擾動，得到了磁靜條件下地震電離層電磁場異常特征的全球觀測模型。

2 資料選取與計算方法

DEMETER衛星采用準太陽同步圓形軌道，軌道傾角98.3°，高度710 km(2005年12月中旬開始降為660 km)。其軌道分為升軌和降軌，對應的磁地方時分別為MLT≈22.3和10.3。因白天軌道受太陽活動影響較大，所以我們只用夜側軌道。本文所采用的數據均來自DEMETER衛星數據網站(http://demeter.cnrs-orleans.fr/)，分別為:VLF頻段電場單分量頻譜數據、VLF頻段磁場單分量的頻譜數據。其中電磁場頻譜數據的頻率的分辨率為19.5 Hz，頻率范圍為(19.5，20k)Hz，時間分辨率為2 s (巡查模式)或0.5 s(加密模式)。

1)地震選取。對于某一次地震，如果震前30天，或經度10度以內，或緯度10度以內沒有地震發生，則定義為孤立地震。由此，從2006年3月至2009年2月共選出299次孤立地震。

2)背景設置。要求kp=［0，2］;網格為4°× 2°;季節:按勞埃德季節劃分方法，把2006年3月—2009年2月分為3個地磁季節，即3、4、9、10月為春秋季;5、6、7、8月為夏季;11、12、1、2月為冬季。在此僅選取2006，2007和2008年夏季和2006，2007和2008年冬季分別做一個觀測背景，對所有同一季節的地震進行統計時，采用該季節的背景;頻段:分［20，1k］，［20，10k］兩個頻段，前一頻段頻率的分辨率為50Hz，后一頻段的為500 Hz。

3)研究20～10k Hz電場頻譜在時間-頻率(t-f)域的變化特征，比較相同背景下地震和隨機統計結果，找出地震電離層異常的優勢頻段。

4)研究地震優勢頻段電場頻譜的時間-空間變化特征，找出優勢時間和優勢震中距。

5)不同季節、不同半球、不同類型(海洋、陸地)地震的空間-空間變化特征研究。

3 地震電離層VLF電場頻譜特征

3.1 電離層VLF電場頻譜時間-頻率變化特征

圖1 地磁夏季20-1kHz VLF電場頻譜在時間-頻率域的變化特征Fig.1 Time-frequency variation characteristics of electric field spectrum from 20-1kHz band of VLF in geomagnetic summer

圖1(a)為2006年3月—2009年2月地磁夏季76個孤立地震在時-空域的統計結果，其中橫坐標為距離地震發生時間的天數，震前為負值，震后為正值。縱坐標為頻率，范圍為［20，1k］Hz。顏色代表sigma值，即地震時參量值和背景值的殘差除以背景標準方差。圖1(b)為相同地磁季節約相同數目的隨機時段的統計結果，比較發現，50～300Hz頻帶(圖中黑色橢圓區域所示)，地震統計結果顯著低于隨機統計結果。圖2為地磁冬季68個孤立地震的統計結果(其意義同圖1)，該圖同樣顯示地震時50～300Hz頻帶的電場頻譜明顯低于常態水平。圖3和圖4分別在［20，10k］Hz頻段內的統計結果顯示，地磁夏季，1.5k～2k Hz及4k～8k Hz頻段的電場頻譜值高于相應頻段常態值，而地磁冬季的規律則和地磁夏季相反。因此可以將50～300 Hz頻帶看做地震優勢頻段，下面的研究針對該頻段開展。

3.2 電離層VLF電場頻譜時間-空間變化特征

圖5為50～300 Hz VLF電場頻譜在時間-空間域的變化特征，(a)、(b)分別代表地磁夏季與冬季。從圖5可以看出，距離地震位置越近，電離層擾動越顯著，這可能是由地震引起的電離層效應，但異常的幅度比較小，在異常幅度值(sigma)1.5以下。分析發現，這是由時間、空間分辨率較小引起的。圖6給出了較高分辨率的地震統計結果，橫坐標為距離地震發生時間的小時值，縱坐標為震中距。其時間、空間分辨率分別為1小時，50km。該圖顯示，地震前后72小時內，正負地震電離層異常均可發生，異常幅度值(sigma)超過3。

圖2 地磁冬季20～1kHz VLF電場頻譜在時間-頻率域的變化特征Fig.2 Time-frequency variation characteristics of electric field spectrum from 20-1kHz band of VLF in geomagnetic winter

圖3 地磁夏季20～10kHz VLF電場頻譜在時間-頻率域的變化特征Fig.3 Time-frequency variation characteristics of electric field spectrum from 20-10kHz frequency band of VLF in geomagnetic summer

圖4 地磁冬季20～10kHz VLF電場頻譜在時間-頻率域的變化特征Fig.4 Time-frequency variation characteristics of electric field spectrum from 20-10kHz frequency band of VLF in geomagnetic winter

3.3 電離層VLF電場頻譜的空間-空間變化特征

3.3.1 不同半球的比較

圖7為空間-空間域的地震統計結果，(a)、(b)、(c)分別為地磁夏季、北半球地磁夏季、南半球地磁夏季，(d)、(e)、(f)分別為地磁冬季、北半球地磁冬季及南半球地磁冬季。可以看出，對同一地磁季節，不同半球地震異常的方位和方向均不相同，若不分半球，則異常間相互疊加，導致異常幅度減弱。

3.2.2 海洋與陸地比較

圖5 50-300 Hz VLF電場頻譜在時間-空間域的變化特征Fig.5 Time-space variation characteristics of electric field spectrum from 50-300 Hz frequency band of VLF

圖6 地磁夏季50～300 Hz VLF地震電場頻譜在時間-頻率域變化特征Fig.6 Time-frequency variation characteristics of electric field spectrum from 50-300 Hz band of VLF in geomagnetic summer

圖7 50～300 Hz不同半球地震的VLF電場頻譜在空間-空間域變化特征Fig.7 Space-space variation characteristics of electric field spectrum from 50-300 Hz band of VLF in different hemisphere

圖8為地震數目較多的地磁夏季北半球的52次地震分為海洋和陸地地震后的統計結果，兩類地震的數目均為26次。(a)、(b)、(c)分別為北半球地磁夏季地震、北半球地磁夏季的海洋地震及陸地地震。該圖顯示，在震中附近，海洋地震以正異常為主，陸地地震以負異常為主。

4 地震電離層VLF磁場頻譜特征

由于電離層地磁活動除了受有顯著的季節效應外還有著很強的半球效應［12，13］，所以在統計中將不同半球分開進行研究。由圖9可以看出，冬季和分點季節，南北半球VLF磁場能譜的震中空間-空間分布復雜;夏季南北半球震例出現趨勢分布，北半球夏季異常幅度值(sigma值)南北對稱，北半球震中正北800 km出現顯著的極大值，另有震中西南方向(600 km，800 km)出現極大值。南半球夏季異常幅度值(sigma值)東西方向對稱分布，西部600～1 000 km范圍的南北各440千米處出現極大值;東部以負值為主，極大值出現在震中東北(200 km，500 km)處。

圖8 50～300 Hz海洋和陸地地震的VLF電場頻譜在空間-空間域變化特征Fig.8 Space-space variation characteristics of electric field spectrum from 50-300 Hz band of VLF in land and ocean

圖9 不同地磁季節的磁場頻譜分布特征Fig.9 Distribution characteristics of geomagneticl field spectrum in different seasona

5 結論

對299例孤立地震的研究發現，50～300Hz為地震電離層效應的優勢頻段;距離地震空間位置越近，地震異常越顯著;不同半球的地震，異常方向和方位不同;地磁夏季北半球地震研究表明，海洋地震主要為正異常，陸地地震主要為負異常;地磁夏季，不同半球地震的磁場頻譜異常顯著不同，北半球的正異常偏南，而負異常偏北，南半球的負異常偏東北，而正異常偏西南。

致謝 感謝法國DEMETER衛星數據中心提供數據!

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RESEARCH ON FREQUENCY SPECTRUM CHARACTERISTICS OF VLF ELECTROMAGNETIC FIELD IN EARTHQUAKE IONOSPHERE

Zhang Jianguo1，2)，Yao Li3)，Liu Xiaocan3)，Ma Xinxin3)and Jiao Liguo3)

(1)School of Earth Space Sciences，University of Science and Technology of China，Heifei 230026 2)Central Seismostation of Handan，Handan 056001 3)Institute of Geophysics，CEA，Beijing100081)

By analyzing the electromagnetic spectrum data observed by DEMETER satellite during the time interval between March 2006 and February 2009，it is found that the characteristics of electric field power spectrum of global ionosphere in DEMETER altitude are as follows:the 50-300 Hz frequency band about earthquake ionospheric effect are the dominant frequency the closer，the distance to seismic spatial position，the more significant seismic anomaly;indifferent hemispheres of the earthquake，abnormal azimuthal direction is different.The studies on the events in northern hemisphere in geomagnetic summer show that the anomaly corresponding marine quakes occured in geomagnetic summer the frequency spectrum anomaly of geomagnetic field basically were positive and these land negative and corresponding the quakes in different hemisphere were significantly different:these in the northern hemisphere were positive and meridional，and negative anomaly of north but negative anomaly opposite in the southern hemisphere，the negative anomaly were northeast and positive ones southwest.

observations of DEMETER satellite;ionosphere;VLF electric field frequency spectrum;global abnormal characterstics;geomagnetic summer

1671-5942(2012)03-0110-06

2012-03-15

河北省地震局重點項目“河北地區電磁場動態演化特征研究”;中央級公益性科研院所基本科研業務專項(059217);國家科技支撐項目(2008BAC35B01)

張建國，男，1974年生，高級工程師，碩士研究生，主要從事地震監測與電磁學研究等工作.E-mail:zhangjg_909@163.com

P315.72+1

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