中国大陆14次强震前电离层异常统计分析

徐 彤 胡艳莉 吴 健 李春斌吴振森 索玉成 冯 健

（1.中国电波传播研究所 电波环境特性及模化技术重点实验室，山东 青岛266107；2.西安电子科技大学，陕西 西安710071）

引 言

2008年5月12日汶川发生的8.0级大地震给人类的生命和财产造成了重大损失，观测事实表明：汶川地震前电离层发生了异常明显的扰动，很多学者利用不同类型的电离层测量数据对汶川地震前电离层异常进行了报道［1－5］。

实际上地震电离层异常的研究始于20世纪60年代中期，Barnes等［6］在1964年阿拉斯加大地震时，发现电离层出现异常扰动现象，而此次的分析似乎是第一次发现电离层的异常扰动与地震两者之间存在着某种关联。之后全球大量的研究者开始对地震电离层扰动进行统计研究，试图找出震前电离层扰动的规律。Furumoto等［7］发现1969年的Kurile岛地震前电离层也出现类似的异常扰动现象。台湾中央大学以刘正彦教授为首的研究团队［8－10］所做的地震电离层扰动统计工作最具代表性。他们对台湾地震面波震级Ms≥5.0级上百次地震进行了统计分析，得出了许多重要的统计规律。Dabas等［11］对低纬地区数次大地震进行了电离层扰动分析。Singh等人［12］对2006年9月到2007年11月印度43次5.0级以上地震进行了电离层变化统计分析。然而这些结论不尽一致。由于样本贫乏，地震电离层扰动的统计规律仍然没有定论。

目前俄罗斯、印度、日本、美国、墨西哥、保加利亚、法国、中国台湾等多个国家和地区开展了地震电离层异常扰动研究［13－16］。法国和俄罗斯分别于2004年、2006年发射了DEMETER和COMPASS－2地震卫星，进行地震电离层异常扰动监测。

2005年，中国以国家863项目为标志，正式开始地震电磁卫星的研究工作，并制订了相应发展计划，目前该工作正在进行中，地震电离层扰动研究越来越受到重视。

我国从20世纪40年代开始建立电离层垂测站，目前中国电波传播研究所已经建立了遍及我国中低纬地区13个电离层垂测站（各站分布如图1所示），积累了数个太阳周的电离层观测数据。

我们对汶川地震前电离层垂测参数进行了详细分析，发现电离层F2层临界频率foF2震前响应最为明显［17－19］。本文利用我国电离层观测数据，对1960年以来，中国大陆地区14次Ms≥7.0级大地震前电离层foF2进行了统计分析，希望借此形成7级以上大地震电离层扰动的一般规律，并初步得到了一些有意义的结论。

图1 我国电离层垂测站分布

1.震例及分析方法

本文选择了我国大陆地区发生的部分7级以上地震，共14次。表1列出了这些地震的发生时间、地域、震级等信息。

表1 60年代至今发生在中国的Ms≥7.0级地震

分析方法为四分位数法［10，17，20］，即 利用震 中附近电离层观测站foF2数据，确定震前15天以及地震当天电离层foF2的上下边界，然后将观测值与其进行比较以确定是否发生电离层异常扰动。由于电离层foF2的变化很复杂，与很多因素有关，在此，我们考虑了太阳和地磁活动的影响，滤除了地磁指数Dst＜－15nT对应的foF2数据。

2.结果与分析

2.1 震前电离层时间变化

地震电离层前兆研究，必须统计震前电离层的时间变化。Liu等［10］采用中位数的统计方法对1994－1999年间发生在台湾的5级以上的地震震前的电离层数据进行研究，发现在震前5天内foF2会有显著的变化。Dabas［11］对2003－2005年发生在低纬地区的11次6级以上地震分析发现，地震电离层扰动发生在震前2～25天之间，时间尺度较大。震前电离层的时间变化目前没有定论。我们对选用的14次地震电离层扰动时间进行了分析。由于地震事件较少，不能用统计学上的方法来确定地震扰动时间。设X为foF2异常矩阵，且满足

式中：i为震前天数，i∈［－15，0］；j为地震事例，j∈［1，14］（与表1中地震序号对应）。i＝0为地震当天。矩阵X生成的图像如图2所示。

电离层异常距离地震当日的时间尺度较小，比较集中在震前几天，只有昆仑山地震在前14天发生了异常。其中有6次在震前第3天发生了异常，3次在震前第7天和第1天发生了异常。初步可以看出，时间尺度大概在数天时间内，71.4%的异常发生在震前7天内。Liu等［10］统计发现地震电离层扰动大多发生在前5天内，和我们统计的结果较为接近。超过10天时间尺度的，只有一例，与Dabas［11］的分析结果存在较大差异，还需进一步证实。

此外，我们分析了地震电离层发生扰动的地方时间分布。设y为各个扰动序列，有

式中：i为地方时；j为地震事例。

图3给出了地震电离层扰动地方时分布。可以清晰地看出，00∶00LT～23∶00LT整个时间段内，都有扰动发生，但是扰动时间大部分集中在11∶00LT～17∶00LT.其中16∶00LT和17∶00 LT发生的次数最多。汶川地震也是这个时间段内发生了异常明显的扰动［3－4］。Liu［10］等分析得出地震电离层扰动大部分发生在12∶00LT～17∶00LT之间的结论，和我们的分析结果较为一致。

2.2 foF2异常扰动与地震震级的关系

既然地震的规模（震级）代表能量的大小，而电离层foF2异常扰动的偏移量可能与外力影响的强度有关。因此，可探讨电离层foF2扰动偏移量与地震震级之间的关联性。

利用两种方法来考察电离层foF2扰动与地震震级之间的关系。一是利用发生扰动时间内相对最大百分比%Dev来分析，二是利用最大绝对扰动量ΔfoF2来分析。对于一次地震，有多个电离层观测站发生异常情况，我们选取离震中相对较近的站进行分析。

图4给出了电离层foF2绝对扰动量ΔfoF2、相对扰动量%Dev与地震震级之间的关系。对昆仑山8.1级地震的分析采用了距震中约1 000km处的乌鲁木齐站的数据，距离较远可能是造成扰动幅度偏小的主要原因，因此，分别拟合。其中二次拟合的红色曲线和线性拟合的蓝色直线为不包括昆仑山8.1级地震数据的结果。可以看出，随着地震震级的增加，电离层的扰动量开始增加，呈现明显的正相关关系。其中汶川地震扰动最为明显，ΔfoF2达到4.5MHz.然而昆仑山地震，震级虽达到8.1级，绝对扰动ΔfoF2却不是特别明显，为2.15MHz.由于电离层的扰动量除了可能和地震的震级有关外，可能还与震源的深度、观测站距震中的距离有关，这些因素可能共同决定着电离层扰动。从图4（b）也大体能够看出地震震级增大，电离层扰动越发增强，但是这种关系没有图4（a）明显，数据比较散乱。虽然电离层绝对扰动很大，但是由于上边界的参考值随观测站位置，特别是当地时间有显著的变化，可能造成了百分比扰动%Dev与绝对扰动ΔfoF2存在很大的差异。这里似乎说明在讨论电离层foF2扰动量时，分析绝对偏差ΔfoF2较相对偏差%Dev更合理，这还需大量的统计事例分析证实。

2.3 foF2异常扰动与震中距离的关系

由于地震震级对电离层的扰动幅度有着重要的影响，所以分析电离层响应与震中距离关系时，应该剔除地震震级的影响。另外，震源深度可能也是电离层响应的一个重要因素。这里仅以汶川地震这一次地震事例，初步说明震中距离与电离层扰动之间的关系。

地震孕育期间，电离层扰动局限在一定的空间尺度内［1，3，20］。在对汶川地震分析时，发现距离震中较远的拉萨站电离层没有异常扰动发生，而距震中最近的重庆站电离层扰动最为明显。

图5为我们利用全国13个站生成的电离层扰动二维分布图。可见离震中较远的区域，电离层没有扰动。卓裕荣［20］对台湾地区地震事件进行统计分析发现，电离层扰动幅度与震中距离成反比。图6给出了汶川地震发生前2008年5月9日重庆、兰州、昆明和拉萨站电离层foF2最大扰动量与震中距离之间的关系。从图6可以看出，随着与震中距离的增加，电离层foF2扰动幅度显著减小，呈现出非线性的关系。

2.4 foF2异常扰动与震源深度的关系

对同一震级的地震，震源深度不同，释放到地球表面的能量会有所不同，可能对电离层产生不同程度的影响。卓裕荣［20］通过对台湾地区184个5级以上地震统计分析发现，深度80km以上的地震，其foF2异常扰动量随着深度的增加有减小的趋势。由于地震事件样本有限，这14次地震大多是浅表地震，所以很难进行统计分析。但是我们发现在吉林珲春7.0级地震前，离震中仅有400km的长春站电离层没有出现异常扰动，而吉林珲春地震的震源深度为578km，震源深度太深，可能是这次地震电离层没有异常扰动现象的一个重要原因。这似乎说明震源深度可能与电离层foF2异常扰动幅度之间存在着某种复杂的负相关关系。

3.总结与讨论

地震电离层异常扰动现象报道众多，我们对我国14次大地震的分析进一步证实了地震电离层前兆的存在，然而地震电离层前兆规律目前仍然没有定论。

就这14次大地震而言，有85.7%的震例出现了电离层扰动现象，而且基本为正相扰动；电离层扰动集中发生在震前7天以内的11∶00LT～17∶00LT；电离层foF2最大绝对扰动量基本大于1.0MHz，与即将发生的地震震级存在明显正相关关系，与震中距离、震源深度呈现负相关关系。

众所周知，电离层受太阳、地磁、气象等多种因素的影响，变化复杂［21］。在磁宁静无震条件下，电离层亦有明显的逐日变化。Mikhailov等［22］对磁静日电离层正负相扰动特征进行了深入的研究，发现中低纬地区电离层磁静日正相扰动主要发生在夜间，扰动空间尺度大。这与我们统计的震前电离层扰动特征（白天，局部性）有明显不同。同时，局部扰动特征也是震前电离层扰动与磁暴期间电离层扰动的一个重要区别。

然而，地震激发电离层异常扰动的机制目前尚不明确。主要有两种假说：一是地震前地壳运动产生的重力波（AGW）影响；二是地震孕育区上方的异常电场透入电离层产生电离层扰动。前者存在着诸多局限［23］。Pulinets等［23］指出，声重波向上传输过程中受到中性风、热传导及其他扩散过程的影响，很难传到电离层高度。由于地震孕育区上方出现异常电场己经多次被观测到［24－25］，异常电场的假说逐渐被越来越多的研究者接受。但是目前电动力学模型得到的电离层高度穿透电场强度偏小，不足以解释震前电离层异常明显的扰动，异常电场假说仍需研究。

地震电离层异常的研究对形成地震预测预报方法有重要的意义。但是由于地震和电离层耦合的复杂性和电离层异常状态的多样性，若将电离层异常作为地震前兆用于实际的地震预报中，在机制和前兆信息识别和提取方面有许多工作要做。本文所选的地震样本较少，统计规律还有待进一步完善。地震电离层前兆规律没有定论，还需要进行大量的统计，另外识别地震电离层前兆的方法也需深入研究。应用空间技术开展大区域范围的电离层的实时监测，如GPS台网、地震电离层卫星，并与电离层垂测、斜测仪观测相结合，建立天—地基一体化的地震电离层前兆监测系统，无疑会加速这项研究工作的进程。

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