基于阿爾法導(dǎo)航系統(tǒng)記錄分析2010年玉樹MS 7.1地震異常

錢 庚 楊牧萍

1）中國武漢 430071 中國地震局地震研究所

2）中國武漢 430071 湖北省地震局

3）中國沈陽 110034 遼寧省地震局

0 引言

中國地震活動(dòng)劇烈，由此造成的地質(zhì)災(zāi)害尤為嚴(yán)重。為降低地震災(zāi)害造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，中國長期致力于地震監(jiān)測預(yù)報(bào)研究，但由于地震發(fā)生的隨機(jī)性和不確定性，地震預(yù)報(bào)困難重重且至今尚處于探索階段。研究人員基于多測項(xiàng)數(shù)據(jù)，使用不同方法嘗試從中提取與地震有關(guān)的信息（錢家棟等，1985；徐文耀，1985）。在長期發(fā)展中，地震科學(xué)領(lǐng)域逐漸形成集測震、形變、電磁、流體等學(xué)科為一體的綜合性地震預(yù)報(bào)方法，電磁學(xué)即為其中的一種有效的預(yù)報(bào)手段（丁鑒海等，1988；Hayakawa et al，1994，1999，2002；Hattori，2004），并取得了大量研究成果（Parrot and Mogilevsky，1989；Molchanov，2006；Zhang，2010）。2018 年2 月中國首顆電磁監(jiān)測試驗(yàn)衛(wèi)星“張衡一號(hào)”發(fā)射成功，全球空間電磁觀測數(shù)據(jù)的獲取，正式開啟了全球7 級(jí)以上、中國6 級(jí)以上地震空間電磁異常現(xiàn)象的探索工作，標(biāo)志著我國地震立體觀測體系的發(fā)展步入新階段（Shen et al，2020）。

阿爾法導(dǎo)航系統(tǒng)是由蘇聯(lián)研制的地基導(dǎo)航系統(tǒng)，由5 座超長波發(fā)射臺(tái)組成，以多個(gè)頻段發(fā)射大功率人工源超低頻（Very Low Frequency，VLF）電波信號(hào)（王永林，2000），發(fā)射信號(hào)可覆蓋全球。目前，世界上許多國家建立了用于導(dǎo)航的VLF 發(fā)射站，這些VLF 電波在地球表面與電離層的波導(dǎo)中傳播，若電離層的高度發(fā)生沉降，那么VLF 電波的傳播路徑就會(huì)發(fā)生改變，接收數(shù)據(jù)將隨之出現(xiàn)異常擾動(dòng)（Pulinets and Boyarchuk，2004）。該系統(tǒng)發(fā)射臺(tái)和接收臺(tái)組合可傳輸數(shù)字信息，基于空間傳播路徑上獲取的VLF 電波異常信號(hào)，可進(jìn)行大范圍地震監(jiān)測工作。

基于上述原理，Gokhberg 等（1989）、Gufeld 等（1992）利用VLF 電波信號(hào)研究高加索地區(qū)地震電離層信號(hào)異常，發(fā)現(xiàn)在斯皮塔克地震發(fā)生前幾天，從留尼汪到莫斯科和鄂木斯克的2 條VLF 電波路徑上出現(xiàn)明顯的VLF 電波傳播異常；Pulinets 等（2019）對(duì)2010 年智利8.8 級(jí)地震的研究中發(fā)現(xiàn)，地震信號(hào)導(dǎo)致電離層F2層臨界頻率（f0F2）觀測數(shù)據(jù)超過背景值2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差；Zhao 等（2020）對(duì)VLF 信號(hào)進(jìn)行全波模擬，發(fā)現(xiàn)我國西部地區(qū)2 次7 級(jí)以上地震前異常擾動(dòng)可能由電離層高度變化所致。根據(jù)前人研究結(jié)果（Hayakawa et al，1996，2010；Hayakawa，2007；Kasahara et al，2008），阿爾法導(dǎo)航系統(tǒng)記錄普遍在震前10天內(nèi)出現(xiàn)異常，表明該系統(tǒng)記錄具有較好的地震短臨預(yù)報(bào)效能。本文利用阿爾法導(dǎo)航系統(tǒng)2010 年4 月6日—13 日產(chǎn)出的場強(qiáng)和相位數(shù)據(jù)，使用滑動(dòng)四分位方法，基于3 個(gè)發(fā)射臺(tái)和3 個(gè)接收臺(tái)組合而成9 條鏈路上的VLF 電波異常信號(hào)，分析2010 年玉樹MS7.1 地震前異常特征，并結(jié)合地磁“低點(diǎn)位移”現(xiàn)象，研究地震預(yù)報(bào)效能。

1 阿爾法地震監(jiān)測網(wǎng)工作原理

2010 年4 月13 日23 時(shí)49 分（世界時(shí)）玉樹MS7.1 地震（33.1°N，96.6°E）發(fā)生后，諸多研究涌現(xiàn)，如：Zeren 等（2012）構(gòu)建了全球空間磁場背景場，并在玉樹地震前2 周內(nèi)提取到超過5 倍標(biāo)準(zhǔn)差的磁場異常擾動(dòng)；張學(xué)民等（2014）分析了玉樹地震前地基電離層探測臨界頻率、電子濃度總含量和衛(wèi)星探測原位等離子體參量的擾動(dòng)變化信息，發(fā)現(xiàn)在地震前一天多個(gè)電離層參量出現(xiàn)同步擾動(dòng)異常；張學(xué)民等（2018）綜合地震學(xué)、重力場、地球化學(xué)、紅外、電離層等多參量研究，結(jié)果表明多種地球物理參量各自在玉樹地震孕育的不同階段呈現(xiàn)了不同的異常優(yōu)勢(shì)特征。文中利用阿爾法導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理，結(jié)合地磁“低點(diǎn)位移”現(xiàn)象，分析此次地震前異常特征，研究阿爾法導(dǎo)航系統(tǒng)的地震預(yù)報(bào)效能。

選取阿爾法導(dǎo)航系統(tǒng)新西伯利亞發(fā)射臺(tái)（下文簡稱主臺(tái)）、克拉斯諾達(dá)爾發(fā)射臺(tái)（下文簡稱西副臺(tái)）和哈巴羅夫斯克發(fā)射臺(tái)（下文簡稱東副臺(tái)）3 個(gè)發(fā)射臺(tái)（圖1），基于f1=11.9 kHz、f2=12.6 kHz、f3=14.9 kHz 三個(gè)頻段的電波信號(hào)，利用我國北京、雅安和通海3 個(gè)接收臺(tái)接收信號(hào)數(shù)據(jù)（包含場強(qiáng)和相位，采用世界時(shí)格式記錄數(shù)據(jù)，采樣率為1 組數(shù)據(jù)/3 min）。

每個(gè)發(fā)射臺(tái)和接收臺(tái)間的連線均為一條鏈路，以單條鏈路為長軸，以R為短軸的一個(gè)類似于管道、無障礙物阻擋的區(qū)域稱為菲涅爾區(qū)（Fresnel Zone），即為可探測區(qū)域，菲涅爾區(qū)是一個(gè)橢球體，其橢球第n半徑計(jì)算公式為

其中，R為第n菲涅爾半徑，d為鏈路長度，λ為發(fā)射電波波長，因此菲涅爾區(qū)的大小關(guān)系到信號(hào)接收效果，頻率越低橢球短軸越大，探測范圍也越大。根據(jù)發(fā)射臺(tái)與接收臺(tái)的位置關(guān)系，布設(shè)阿爾法導(dǎo)航系統(tǒng)地震監(jiān)測網(wǎng)，共有9 條VLF 電波傳輸路徑，可用于監(jiān)測（15°—55°N，40°—135°E）范圍內(nèi)的地震信號(hào)（圖1）。

圖1 阿爾法導(dǎo)航系統(tǒng)地震監(jiān)測網(wǎng)及地磁低點(diǎn)位移時(shí)間站點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of seismic monitoring network of Alpha Navigation System and geomagnetic low-point displacement stations

2 數(shù)據(jù)選取及預(yù)處理

根據(jù)前人研究結(jié)果（Hayakawa et al，1996），VLF 電波信號(hào)臨震異常尤為明顯，因此選用2010 年玉樹MS7.1 地震發(fā)生前7 天至地震當(dāng)天，即2010 年4 月6 日—13 日阿爾法地震監(jiān)測網(wǎng)9 條鏈路上f1、f2、f3三個(gè)頻段的VLF 場強(qiáng)和相位數(shù)據(jù)，編寫程序進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，為增強(qiáng)數(shù)據(jù)可信度，剔除尖峰、突跳和錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，采用滑動(dòng)四分位法（賈俊平等，2009）進(jìn)行分析。因阿爾法導(dǎo)航系統(tǒng)和地磁儀器產(chǎn)出數(shù)據(jù)均以世界時(shí)格式記錄，故地震信息采用世界時(shí)格式。

所選數(shù)據(jù)整體窗長為8 天（可調(diào)節(jié)），設(shè)步長為3 天，以前3 天的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)計(jì)算各時(shí)刻的數(shù)據(jù)中值（Mid）及四分位距（IQR），并以Mid ± IQR 為上下閾值，判斷第4 天觀測數(shù)據(jù)是否存在超過閾值的異常現(xiàn)象。窗口每次向后滑動(dòng)1 天，依次進(jìn)行滑動(dòng)四分位分析，直至地震發(fā)生當(dāng)天。在窗口持續(xù)滑動(dòng)過程中，逐天判讀數(shù)據(jù)是否異常。在地震電磁異常提取過程中，為避免地磁環(huán)境造成的數(shù)據(jù)干擾，在Dst≤-30 nT 或Kp≥3 時(shí)，數(shù)據(jù)擾動(dòng)不計(jì)為地震異常。

3 玉樹MS 7.1 地震異常

玉樹MS7.1 地震（33.1°N，96.6°E）于2010 年4 月13 日23 時(shí)49 分（世界時(shí)）發(fā)生，選取震前7 天內(nèi)阿爾法導(dǎo)航系統(tǒng)記錄的VLF 場強(qiáng)和相位數(shù)據(jù)，采用滑動(dòng)四分位方法進(jìn)行分析，結(jié)果表明，相位數(shù)據(jù)變化穩(wěn)定，未觀測到異常現(xiàn)象；在主臺(tái)—通海臺(tái)、西副臺(tái)—雅安臺(tái)鏈路上，f1、f2、f3三個(gè)頻段的場強(qiáng)數(shù)據(jù)超閾值異常變化明顯，見圖1 中2 條紫色虛線，而其他鏈路均無超閾值現(xiàn)象。主臺(tái)—通海臺(tái)和西副臺(tái)—雅安臺(tái)2010 年4 月6 日—13 日?qǐng)鰪?qiáng)數(shù)據(jù)四分位分析結(jié)果，見圖2、圖3。

圖2 2010 年4 月6 日—13 日主臺(tái)—通海臺(tái)場強(qiáng)數(shù)據(jù)四分位分析Fig.2 Quartile analysis of field strength at Novosibirsk-Tonghai from April 6 to 13,2010

由圖2 可見：①f1頻段：在7 日、8 日、10 日、12 日和13 日，主臺(tái)—通海臺(tái)鏈路上場強(qiáng)異常現(xiàn)象明顯，連續(xù)數(shù)小時(shí)超閾值上、下限，最大超過閾值13.6 μV/m，持續(xù)約6小時(shí)后恢復(fù)至正常閾值區(qū)間，具體表現(xiàn)為多段向低值突跳和轉(zhuǎn)折等畸變特征；②f2頻段：由于發(fā)射信號(hào)頻率增大，菲涅爾區(qū)覆蓋區(qū)域相對(duì)減小，記錄的異常擾動(dòng)幅度較小；③f3頻段：數(shù)據(jù)曲線未記錄到異常變化。

由圖3 可見，7 日、8 日、12 日異常明顯，但由于異常時(shí)段地磁環(huán)境不平靜，無法認(rèn)定其與地震有關(guān)；10 日，f2、f3頻段出現(xiàn)持續(xù)4 小時(shí)超閾值上限現(xiàn)象，異常擾動(dòng)明顯。

圖3 2010 年4 月6 日—13 日西副臺(tái)—雅安臺(tái)場強(qiáng)數(shù)據(jù)四分位分析Fig.3 Quartile analysis of field strength at Krasnodar-Ya’an from April 6 to 13,2010

由2010 年4 月1 日—15 日地磁指數(shù)Dst與Kp的變化（圖4）可知，7 日、8 日和12 日VLF 場強(qiáng)異常期間，Dst＜-30 nT，表明VLF 場強(qiáng)異常可能由地磁環(huán)境造成，無法認(rèn)定為地震孕育期間產(chǎn)生的異常信號(hào)；10 日（震前3 天）和13 日（震前23 小時(shí)）數(shù)據(jù)異常期間地磁指數(shù)變化平靜，VLF 場強(qiáng)異常可能由地震孕育期間產(chǎn)生的異常信號(hào)導(dǎo)致，且隨著頻率的增大，該異常擾動(dòng)逐漸消失，與電波通過菲涅爾區(qū)的理論吻合。

圖4 2010 年4 月1 日—15 日Dst 與Kp 指數(shù)Fig.4 Indexes of Dst and Kp from April 1 to 15,2010

據(jù)上述分析可知，在阿爾法地震監(jiān)測網(wǎng)的9 條鏈路上，僅主臺(tái)—通海臺(tái)和西副臺(tái)—雅安臺(tái)鏈路上出現(xiàn)場強(qiáng)數(shù)據(jù)異常。由圖1 可知，2 條鏈路與此次玉樹地震震中距離較近，易接收到地震信號(hào)。為進(jìn)一步驗(yàn)證該震前異常現(xiàn)象，結(jié)合地磁“低點(diǎn)位移”異常現(xiàn)象進(jìn)行分析。

地磁“低點(diǎn)位移”（丁鑒海等，1988）是指，一個(gè)大區(qū)域的臺(tái)站地磁垂直分量日變化極小值出現(xiàn)時(shí)間（即低點(diǎn)時(shí)間）明顯與另一個(gè)大區(qū)域的臺(tái)站不同，即形成兩側(cè)低點(diǎn)時(shí)間相差2小時(shí)以上的突變分界線，而發(fā)震地區(qū)在突變分界線附近，發(fā)震時(shí)間在“低點(diǎn)位移”出現(xiàn)2 個(gè)月內(nèi)。為此，選取2010 年2 月12 日至4 月12 日國家地磁臺(tái)網(wǎng)中心76 個(gè)地磁臺(tái)觀測的地磁垂直分量分鐘值，分析玉樹地震前60 天地磁“低點(diǎn)位移”現(xiàn)象，統(tǒng)計(jì)每日極小值出現(xiàn)時(shí)間（圖1）。研究發(fā)現(xiàn)，在2010 年2 月25 日，即玉樹地震前47 天，地磁垂直分量出現(xiàn)一條明顯的“低點(diǎn)位移”線，見圖1 中紅色實(shí)線。由圖1 可見，此次玉樹地震震中位置處于該“低點(diǎn)位移”分界線與2 條異常鏈路（圖1 中紫色虛線所示）的交叉處附近。

綜上可知，“低點(diǎn)位移”的出現(xiàn)具有震前2 個(gè)月左右的預(yù)報(bào)效能，且預(yù)報(bào)的震中位置范圍較大，無法給出準(zhǔn)確的短臨預(yù)報(bào)信息。在“低點(diǎn)位移”預(yù)報(bào)方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合阿爾法地震監(jiān)測網(wǎng)的異常鏈路，可進(jìn)一步提高發(fā)震時(shí)刻和震中位置的預(yù)測精度。

4 結(jié)論與討論

基于阿爾法導(dǎo)航系統(tǒng)工作原理及布設(shè)的地震監(jiān)測網(wǎng)，分析2010 年玉樹MS7.1 地震前出現(xiàn)的異常現(xiàn)象。結(jié)合VLF 電波空間傳播理論及其異常產(chǎn)生機(jī)理，對(duì)此次地震前7 天至地震當(dāng)天9 條鏈路上的場強(qiáng)和相位數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)四分位分析，結(jié)合“低點(diǎn)位移”現(xiàn)象，得到如下結(jié)論：

（1）玉樹地震前3 天和震前23 小時(shí)地磁環(huán)境平靜時(shí)段，在主臺(tái)—通海臺(tái)鏈路上，在f1頻段，場強(qiáng)數(shù)據(jù)異常擾動(dòng)明顯，表現(xiàn)為超閾值低值異常，最大擾動(dòng)幅度超閾值13.6 μV/m，持續(xù)時(shí)間1—6 小時(shí)不等，而在f2頻段，數(shù)據(jù)異常特征不明顯；同時(shí)，在震前3 天，在f2、f3頻段，西副臺(tái)—雅安臺(tái)鏈路上場強(qiáng)數(shù)據(jù)異常表現(xiàn)為持續(xù)4 小時(shí)超閾值上限擾動(dòng)；其他鏈路場強(qiáng)數(shù)據(jù)均未出現(xiàn)明顯異常。

（2）異常擾動(dòng)探測范圍與VLF 電波信號(hào)的發(fā)射頻率有關(guān)。頻率大的信號(hào)傳播中的菲涅爾區(qū)域小，使得有效探測范圍減小，進(jìn)而導(dǎo)致部分異常信號(hào)無法被記錄到。

（3）玉樹MS7.1 地震前47 天出現(xiàn)一條明顯的地磁“低點(diǎn)位移”分界線，結(jié)合地磁“低點(diǎn)位移”現(xiàn)象與出現(xiàn)的位置和時(shí)間，玉樹MS7.1 地震震中恰位于“低點(diǎn)位移”分界線與異常鏈路的交點(diǎn)附近，且在場強(qiáng)數(shù)據(jù)異常數(shù)天后發(fā)震，說明異常鏈路結(jié)合地磁“低點(diǎn)位移”現(xiàn)象的方法，對(duì)于地震的發(fā)生時(shí)刻與震中位置具有較好的預(yù)報(bào)效能。

在2010 年4 月13 日玉樹MS7.1 地震震前數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)，利用阿爾法導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)出的VLF 電波場強(qiáng)數(shù)據(jù)異常和地磁“低點(diǎn)位移”現(xiàn)象相結(jié)合的方法，可提取震前異常，并進(jìn)一步提高了預(yù)報(bào)精度。由于在1 次地震中的應(yīng)用無法有效說明所用方法的可靠性，尚需積累更多震例和數(shù)據(jù)來證實(shí)研究方法的可靠性。在后續(xù)工作中，將采用定量分析方法，分析傳播路徑上記錄的VLF 電波異常信號(hào)特征與地震三要素的定量關(guān)系，探索異常信號(hào)的產(chǎn)生及傳播機(jī)理。