基于GNSS的日本熊本地震前電離層異常研究

周長志,張珂,張海平,高士民,陳鈺

(山東省國土測繪院,濟南 250102)

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基于GNSS的日本熊本地震前電離層異常研究

周長志,張珂,張海平,高士民,陳鈺

(山東省國土測繪院,濟南 250102)

2016年4月16日日本熊本發生Mw7.0地震,為了研究地震前孕震區的電離層異常。采用歐洲定軌中心提供的全球電離層圖(GIM)與gmsd、smst測站的觀測數據分析了孕震區的電離層變化情況。在排除了太陽與地磁活動造成的干擾之后,結果發現,在熊本地震前1天,孕震區內電離層電子含量顯著下降,幅度達-8 TECU;同時全球TEC異常分布圖顯示,該天地震影響范圍內有明顯TEC負異常出現,異常主要出現在震中的北部和東南部區域,持續約12 h,這可能是熊本地震的電離層前兆之一。

熊本地震;電離層異常;GNSS;日地環境

0 引 言

傳統的地震預報手段主要有變形監測、重力監測、地下水位及稀有氣體監測等。在20世紀60年代阿拉斯加大地震的研究中,科學家發現在大地震前孕震區內的電離層電子含量有顯著性變化,這可能為地震預報提供一個新的方法[1-2]。目前地震-電離層異常領域已有50年的研究歷史,近二十年來隨著全球導航定位系統(GNSS)技術的快速發展,利用遍布全球的GNSS觀測站數據解算全球電離層的電子含量用于地震前的電離層異常探測已成為主流趨勢,也取得了大量的研究成果[3-7]。在2008年5月12日汶川大地震研究中,許多科學家利用GPS及DEMETER等資料分析發現地震前3天,震中地區電離層的電子含量顯著增高,同時在南半球對應的磁共軛區也能觀測到電子含量異常現象[8-9]。這種地震-電離層異常現象同時也出現在2011年3月11日東日本大地震之前,在3月8日孕震區內的電子含量明顯增高,同時foF2參數也增幅達40%[10-11]。Guo等利用歐洲定軌中心的電離層數據分析了蘇門答臘、墨西哥與智利等大地震,發現在大地震的前15天內,孕震區的電離層異常頻率明顯增加,且大部分的異常出現在地震前7天內[12-14]。大量的統計數據表明M5.0+地震前孕震區有70%的概率觀測到電離層異常現象,且電離層異常的幅度與地震等級呈正比關系,與震源深度和震源距離呈反比關系,這可能為以后的地震預報提供一定的參考[15]。

2016年4月14日日本熊本縣熊本地區發生Mw6.2(矩震級)逆斷層地震,震源深度11 km,兩天后,4月16日熊本地區再次發生Mw7.0地震,這是日本九州地方觀測史上出現的最高級別地震,造成了44人遇難,給當地造成了嚴重人員財產損失。本文采用歐洲定軌中心提供的電離層數據分析熊本地震震前電離層的變化狀態,并分析電離層異常的空間分布特征,為以后該地區的地震預報工作提供一定的參考。

1 數據與分析方法

本文從美國地質勘探局的數據庫中下載了熊本地震(4月16日)的參數(http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/search/),熊本地震及其附近的IGS觀測站如圖1所示。總電子含量(TEC)是表征電離層活動的最重要參數,因此采用TEC數據來分析電離層的變化狀態。目前全球分布了200多個IGS觀測站,這些觀測站提供了大量的觀測數據,利用雙頻信號可以解算出接收機至衛星傳播路徑上的電子含量STEC,然后根據接收機的天頂角可以轉換出接收機天頂方向上的垂直電子含量VTEC.電離層數據采用歐洲定軌中心(CODE)提供的GIM數據, 其空間分辨率是5°(經度)×2.5°(緯度),范圍是180°W～180°E,87.5°S～87.5°N,所以每組GIM中共有5 183個格網點(ftp://ftp.unibe.ch/aiub/CODE/)。2015年以前,時間分辨率是2 h,即每個觀測文件共有12張GIM地圖。2015年開始,GIM時間分辨率更改為1 h.因為電離層活動容易受到太陽和地磁活動的干擾,因此在分析電離層異常變化之前,必須排除太陽或地磁活動的干擾。太陽數據主要采用10.7厘米波段太陽輻射數據,分辨率為1天,數據來源太陽輻射中心(http://services.swpc.noaa.gov/)。 另外, 從京都地磁中心下載了赤道地區地磁活動指數(Dst)和全球地磁活動指數(Ap)。其中Dst時間分辨率為1 h,Ap指數時間分辨率為3 h(http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dstdir/index.html)。如果Dst或Ap指數有較大的波動,則表明該天發生了較強的地磁擾動,可能影響了電離層的變化狀態。

圖1 熊本地震及IGS站分布圖,地震機制(球表示熊本地震位置,三角形表示IGS觀測站)

選取震前15天和地震后3天的電離層數據,提取出TEC時間序列。計算出前15天內TEC的均值m,并計算出時間序列的中誤差σ.近一步可以得到該時間序列的上邊界UB(UB=m+1.5σ)和下邊界LB(LB=m-1.5σ)。在排除太陽地磁活動的干擾后,如果TEC超出了上下邊界,則表明該天的電離層有異常變化,這可能與之后的地震活動有一定的聯系。

2 震前TEC異常擾動分析

2.1 日地環境分析

圖2給出了熊本地震前20天內太陽和地磁活動的變化趨勢。由圖2(a)可以發現,在震前20天內太陽輻射強度有逐漸增強的趨勢。在震前20～10天內,F10.7參數保持相對穩定,大約是85 SFU。從震前第10天起,10.7逐漸增大,至震前第5天達到最強,達到120 SFU。在震前5天內太陽活動保持穩定。因此在震前5天內的電離層異常要特別分析。圖2(b)表示了Dst參數的變化趨勢,可以發現在震前20天內,Dst指數有較大波動,主要波動出現在震前第12天,5～7天內,幅度達到-60 nT,表明在這些時間段內全球發生了中等強度的地磁暴。圖2(c)表明Ap指數與Dst指數有相同的變化趨勢,其主要異常值出現在震前第12天、第7天和第2天,幅度約為50～70 nT,其中最大值出現在震前第7天,最大值達到75 nT.結合圖2(b)和圖2(c),可以得出地磁活動在震前第12天和第7天附近有磁暴發生,這在以后的分析中需要特別注意。

圖2 熊本地震前太陽及地磁活動

2.2 震中TEC異常分析

采用CODE提供的GIM地圖,提取出了熊本地震震中(Kumamoto)的TEC時間序列。另外根據GIM數據插值出震中附近兩個IGS站的時間序列,分別是gmsd (131.0156°E, 30.5564°N)和smst(135.937°E, 33.5779°N), 其地理分布如圖1所示。

對TEC時間序列進行處理,計算出平均值m和中誤差σ,進一步可以得到TEC時間序列的上下邊界。如圖3所示,在絕大部分時間段內,TEC序列都處在上下邊界之內,在局部時間段內TEC超出上邊界或低于下邊界。如圖3(a)～圖3(b)所示,震前震中地區的TEC保持相對穩定,絕大部分時間內無明顯異常變化。主要異常時段出現在震前的第11天和第1天,在震前第11天,TEC異常幅度約為2 TECU,相對較小,而在震前第1天,異常幅度達-7 ～-8 TECU.對比gmsd和smst觀測站的TEC資料,如圖3(c)～圖3(f)所示,可以發現這兩個觀測站TEC的變化趨勢與Kumamoto站的TEC變化狀態非常相似。gmsd觀測站的TEC序列異常時段主要出現在震前第11天、第9天、第1天和震后第1天,除了震前第1天的TEC異常幅度較大(達-8 ～-9 TECU)外,其他時刻TEC異常幅度很小,約為2～3 TECU.smst觀測站TEC時間序列的主要異常時段也出現在震前第11天、第10天和第1天,但第1天的異常幅度明顯大于其他時刻。綜上所述,可以發現在熊本地震之前,孕震區內的電離層電子含量確有異常變化,其中主要的異常時刻出現在震前的第1天,這也和研究結果(大部分的TEC異常時刻出現震前5天內)相一致。圖2表明了震前5天內的太陽活動有明顯增強現象,此次孕震區內的電子含量異常是否與太陽活動有關,需要進一步分析。

3 局部區域TEC異常分析

從圖3中發現在震前第1天內,孕震區的電子含量有明顯異常減弱現象。因此解算出了在震前1天(4月15日)內,全球大部分地區的TEC異常分布圖,如圖4所示。

圖3 熊本地震震中及附近IGS站TEC時間序列變化

圖4 4月15日部分區域TEC異常分布圖(地震機制球表示熊本地震震中位置)(a) UTC00:00; (b) UTC02:00; (c) UTC04:00; (d) UTC06:00; (e) UTC08:00; (f)UTC10:00; (g) UTC12:00; (h) UTC14:00; (i) UTC16:00

圖4中黑色圓圈表示Kumamoto地震的影響范圍,根據Dobrovolsky公式,可以計算出Kumamoto地震的影響半徑達到1 023 km.UTC00:00時(當地時間09:00),亞洲及太平洋地區無明顯TEC異常出現。UTC02:00時,日本東北部區域出現輕微TEC負異常擾動,幅度約為-2～-3 TECU,此后TEC異常逐漸向西移動并有擴大趨勢。UTC04:00時,TEC異常出現在震中北部地區,覆蓋中國東北及日本北部地區,且異常區域在熊本地震影響范圍內。此外,日本東南部地區也有TEC負異常出現,幅度約為-2～-4 TECU.UTC06:00(當地時間15:00)時,TEC異常移動到震中的正北部地區,同時震中東南方的TEC負異常范圍明顯增大,異常幅度達到-8 TECU.此后TEC異常區域保持相對穩定,至UTC14:00時(當地時間23:00),TEC異常開始逐漸減弱。UTC16:00, 熊本地震影響區域內TEC異常完全消失。

此次TEC異常持續約12小時,異常幅度達到-8 TECU,異常時刻發生在當地時間的下午和晚上,最大異常區并不與震中中心相對應,而是分布在震中北部和東南部區域。汶川、日本等大地震震前電離層異常也不與震中垂直對應,而是出現在震中靠近赤道的一側,本次的電離層異常形態與其他研究成果相一致[16-18]。另外,從圖2中得到該天的太陽活動增強現象,如若是太陽活動引起的TEC擾動,應該呈現的全球大范圍內的正異常,而本次出現的是TEC負異常,所以本次的TEC異常并不與日地環境有關,這可能是熊本地震的前兆之一。對于大多數地震前電離層出現正異常,而熊本地震前孕震區出現負異常,主要原因是大地震前孕震區地殼中的巖石孔破裂,氡氣溢出地表傳播至大氣層的過程中,受到溫度,濕度,光照等多種因素的影響,最終形成不同的電離層異常狀態。

4 結束語

本文采用歐洲定軌中心提供GIM地圖數據分析了熊本地震前震中地區的電離層變化情況,同時也采用了IGS觀測站gmsd和smst測站的電離層數據分析了孕震區的電子含量變化。在考慮了日地環境對電離層影響的情況下,發現在熊本地震前1天,孕震區電離層的電子含量有明顯減弱現象,持續約12小時,幅度達到-8 TECU.TEC負異常并不與熊本地震震中相重合,而是分布在震中附近區域,但在地震影響范圍內,這也與其他研究成果相一致,這表明本次TEC負異常可能是熊本地震的電離層前兆之一。

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Ionospheric Anomalies Preceding Kumamoto Earthquake Detected by GNSS

ZHOU Changzhi,ZHANG Ke,ZHANG Haiping,GAO Shimin,CHEN Yu

(ShandongProvincialInstituteofLandSurveyingandMapping,Jinan250102,China)

On April 16, 2016, the Mw7.0 Kumamoto earthquake abruptly shocked in Japan. In order to analyze the ionospheric variations in earthquake preparation area before the great earthquake, the GIM (global ionosphere map) supplied by the Center for Orbit Determination in Europe and the observation data of gmsd and smst stations were utilized. Considering the ionospheric disturbances caused by solar-terrestrial environment, the results indicated the total electron content decreased sharply in the 1stday before Kumamoto earthquake, the amplitude was about-8 TECU. In addition, the distribution of global TEC anomalies showed obvious negative TEC anomalies appeared in the seismogenic zone, and most of TEC anomalies were distributed in the northern and southeast regions of Kumamoto earthquake, the duration of TEC anomalies was approximately 12 hours, which may be the ionospheric precursors of Kumamoto earthquake.

Kumamoto earthquake; ionospheric anomalies; GNSS; solar-terrestrial environment

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.05.004

2016-04-25

P228

A

1008-9268(2016)05-0018-06

周長志 (1971-),男,山東鄆城人,工程師,主要從事大地測量研究。

張珂 (1990-),男,山東濟南人,助理工程師,主要從事大地測量與工程監測研究。

張海平 (1977-),男,山東五蓮人,高級工程師,主要從事大地測量研究。

高士民 (1984-),男,山東濟南人,工程師,主要從事工程測量研究。

陳鈺 (1975-),女,山東日照人,高級工程師,主要從事大地測量研究。

聯系人： 張珂 E-mail: zhangk90@126.com