地震前總電子含量異常分析
——以2010年4月4日墨西哥地震為例

齊曙光， 張海軍， 郭廣猛

(南陽師范學院， 河南 南陽 473061)

0 引 言

地震作為人類面臨的最嚴重的自然災害之一，其預報一直是世界難題。近幾年，有學者發(fā)現(xiàn)地震能導致電離層等離子體電子重新分布，進而改變其中的電子密度，從而產(chǎn)生電離層異常[1-3]。全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)(GNSS)可獲取衛(wèi)星到接收機傳播路徑上的總電子含量(Total Electron Content,TEC)數(shù)據(jù)，進而可實現(xiàn)大范圍連續(xù)監(jiān)測電離層的變化。近年來，部分學者通過觀測電離層異常來研究地震前兆。如，通過分析1999～2002年間臺灣M6.0地震前TEC的變化，Liu等[4]發(fā)現(xiàn)震前1～5 d TEC明顯減少。基于對亞洲3次大地震震前TEC變化的統(tǒng)計研究，吳云等[5]發(fā)現(xiàn)震前10 d內(nèi)孕震區(qū)上空的TEC均出現(xiàn)明顯的異常擾動。對海地、日本和印尼等多次地震的研究也發(fā)現(xiàn)震前出現(xiàn)電離層擾動現(xiàn)象[6-12]。

協(xié)調(diào)世界時2010年4月4日22時40分墨西哥發(fā)生Mw 7.2級地震，震中位置為32.3°N，115.28°W，震源深度為4 km(USGS)。這是周邊區(qū)域自1992年來發(fā)生的規(guī)模最大的地震，姚宜斌等通過滑動均值±1.5倍標準差的時間分析等方式分析過該地震，但未發(fā)現(xiàn)出明顯異常[13]。本文采用NOAA和AIUB提供的數(shù)據(jù)進行時空和空間分析，發(fā)現(xiàn)在震前有異常出現(xiàn)。

1 數(shù) 據(jù)

瑞士伯爾尼大學天文學院(Astronomical Institute，University of Bern)的TEC數(shù)據(jù)其空間覆蓋為87.5°S到87.5°N，180°W到180°E，其時間分辨率為2 h，空間分辨率為緯度2.5°×經(jīng)度5°。美國國家海洋大氣管理局(NOAA)國家地球物理數(shù)據(jù)中心(NGDC)的TEC數(shù)據(jù)其空間覆蓋為10～60°N,50～150°W，其時間分辨率為15 min，空間分辨率為緯度1°×經(jīng)度1°。對10～60°N，50～150°W的區(qū)域，AIUB每天記錄5 292個數(shù)據(jù)，NOAA每天則記錄397 536個數(shù)據(jù)，后者是前者數(shù)據(jù)量的75倍多。相比而言，NOAA的數(shù)據(jù)精度更高，AIUB則可基本覆蓋全球分布。鑒于墨西哥的地理范圍，上述兩種數(shù)據(jù)均可用于2010年4月4日的震前TEC分析。

2 方 法

2.1 時間尺度上利用NOAA數(shù)據(jù)進行分析

杜品仁等通過研究認為，如果空間環(huán)境無較大變化，TEC變化一般比較平穩(wěn)，不會發(fā)生較大異常。在進行異常分析時，假設(shè)震中i時刻的TEC值為TECi，先求得前1～10 di時刻的平均值A(chǔ)VGi和標準差STDEVi，以AVGi和STDEVi為背景值，假設(shè)TECi服從均值為AVGi，標準差為STDEVi的正態(tài)分布，采用滑動窗口法利用TECi、AVGi+2STDEVi、AVGi-2STDEVi作圖。如果TECi落在區(qū)間[(AVGi-2STDEVi)，(AVGi+2STDEVi)]之外，則認為該時刻電離層出現(xiàn)異常[14-16]。

我們利用此方法對3月6日～4月9日共35 d(含地震當天的震前30 d和震后5 d)的數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)果見圖1。可看出，震前的3月25日出現(xiàn)了高于上邊界的情況，4月2日TEC曲線都和下邊界重合甚至低于下邊界，在4月3日和4月4日的部分時間段有高于上邊界。

注：因3/6～3/15的數(shù)據(jù)無背景值，故圖1的時間區(qū)間僅為3/16～4/9圖1 3月16日～4月9日TEC值和上、下邊界變化曲線

2.2 震前峰值區(qū)間和低值區(qū)間的TEC總量分析

對震中位置的TEC數(shù)據(jù)進行分析可發(fā)現(xiàn)：9：00～12：45為每天的低值區(qū)間，18：30～22：15為每天的峰值區(qū)間。以圖2分析震前(4月4日前)可看出，峰值區(qū)間的TEC總量，3月25日和4月2日分別出現(xiàn)震前最高值和震前最低值；低值區(qū)間的TEC總量，4月3日(地震前1 d)出現(xiàn)震前最高值。峰值區(qū)間和低值區(qū)間的TEC總量之差，4月2日(地震前2 d)和4月4日(地震當天)出現(xiàn)震前最低值。

圖2 震中的TEC總量變化曲線(低值區(qū)間、峰值區(qū)間和峰值與低值之差)

2.3 震前DST變化分析

3月16日～4月9日DST變化曲線見圖3。可看出，震前DST>20和DST<-20分別出現(xiàn)在3月25日和3月28日，其他時間未顯異常。

圖3 3月16日～4月9日DST變化曲線

結(jié)合圖1～3可知，震前的3月25日出現(xiàn)TEC和DST異常，4月2日和4月3日出現(xiàn)TEC異常但DST無明顯異常。據(jù)此可基本推斷4月2日和4月3日的TEC異常應該和4月4日的地震有關(guān)。

2.4 空間尺度上利用NOAA和AIUB數(shù)據(jù)進行分析

2.4.1利用NOAA數(shù)據(jù)進行空間分析

對4月2日～4月4日進行平面分析。發(fā)現(xiàn)3 d的低值區(qū)間的9:00、9：15、9：30震中TEC出現(xiàn)異常增大，特別是在4月3日和4月4日，異常更為明顯的出現(xiàn)在震中附近(見圖4)。

4月3日和4月4日峰值區(qū)間的19:00、19：15、19：30的TEC分布如圖5所示。從圖5可知，異常不如在低值區(qū)間明顯，甚至無法發(fā)現(xiàn)異常。

2.4.2利用AIUB數(shù)據(jù)進行空間分析

為全面考查全球的TEC分布情況，可利用AIUB提供的數(shù)據(jù)進行分析。由于AIUB數(shù)據(jù)的時間分辨率為2 h，因此，我們選用低值區(qū)的10：00和峰值區(qū)的20：00進行分析。4月3日和4月4日全球TEC分布如圖6所示。從圖6可看出，低值區(qū)間的10 h地震周邊出現(xiàn)較為模糊的TEC異常，而峰值區(qū)間的20 h則異常不明顯或無異常。

3 結(jié) 語

利用NOAA數(shù)據(jù)進行時空分析和AIUB數(shù)據(jù)進行空間分析，本研究發(fā)現(xiàn)2010年4月4日的墨西哥地震前出現(xiàn)明顯的TEC異常。具體表現(xiàn)為：① “滑動均值-標準差”法和TEC總量分析法檢測出3月25日、4月2日和4月3日表現(xiàn)異常，3月25日和3月28日DST分析表現(xiàn)異常。② 4月3日和4月4日的9：00、9：15、9：30震中周邊的TEC值明顯高于其它地區(qū)。③ 本次地震震中TEC峰值和低值在4月2日～4月4日出現(xiàn)異常，異常表現(xiàn)為峰值下降而低值升高。④ TEC值異常在某些時段表現(xiàn)更為明顯，本次地震中的TEC異常在低值區(qū)間表現(xiàn)更為明顯。通過本研究可基本推測4月2日～4月4日的TEC異常應該和本次地震有關(guān)。基于數(shù)據(jù)精度原因，高精度的NOAA數(shù)據(jù)比低精度的AIUB數(shù)據(jù)更適合查找震前TEC異常。另外，震后DST和TEC異常較大，我們推斷TEC變化應該由DST異常引起，如何建立DST和TEC異常關(guān)聯(lián)有待進一步研究。

9：009：00

9：159：15

9：30(a)4月3日9：30(b)4月4日

注：橙黃色方塊為震中位置
圖4 TEC分布圖

19：0019：00

19：1519：15

19：30(a)4月3日19：30(b)4月4日

注：橙黃色方塊為震中位置圖5 TEC分布情況

20：00(a)4月3日20：00(b)4月4日

圖6 10：00和20：00全球TEC分布

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