地震电离层VLF电磁场频谱特征研究*

张建国 姚 丽 刘晓灿 马新欣 焦立果

（1)中国科学技术大学地球和空间科学学院，合肥 230026 2)河北省地震局邯郸中心台，邯郸 056001 3)中国地震局地球物理研究所，北京100081）

地震电离层VLF电磁场频谱特征研究*

张建国1，2)姚 丽3)刘晓灿3)马新欣3)焦立果3)

（1)中国科学技术大学地球和空间科学学院，合肥 230026 2)河北省地震局邯郸中心台，邯郸 056001 3)中国地震局地球物理研究所，北京100081）

对2006年3月—2009年2月DEMETER卫星VLF电磁场频谱数据的分析发现，全球地震电离层电磁场频谱有以下特征:50～300 Hz为地震电离层效应的优势频段;距离地震空间位置越近，地震异常越显著;不同半球的地震，异常方向和方位不同;对地磁夏季北半球地震的研究表明，海洋地震主要为正异常，陆地地震为负异常;地磁夏季，不同半球地震的磁场频谱异常显著不同，北半球的正异常偏南，而负异常偏北，南半球的负异常偏东北，而正异常偏西南。

DEMETER卫星观测;电离层;VLF电磁场频谱;全球异常特征;地磁夏季

1 引言

与地震活动有关的空间电磁扰动频段主要集中在甚低频/超低频(VLF/ELF)［1-5］，但相对于来自空间的扰动，诸如磁暴，磁层亚暴，太阳风扰动等引起的电离层电磁扰动来说，地震电离层异常信号是较弱的［6］。2004年6月DEMENTER卫星成功发射以来，地震电离层电磁异常研究进展也得到了很大的发展［7-9］。

姚丽等［10］对卫星高度电离层背景研究表明，不同地磁季节间电场频谱的强度有较大差异，而不同年相同地磁季节的背景特征和强度则非常相似，因此相同地磁季节的地震可采用相同的背景进行统计研究，对不同月份的电场频谱进行研究发现，地磁夏季和冬季的月份间背景差异较小，而地磁分点季节月份间差异较大。所以，本文只对地磁夏季和冬季的地震进行统计研究。

利用DEMETER卫星2006年3月—2009年2月地磁春、冬季夜侧轨道频谱数据，筛选全球229个孤立地震，采用统计研究方法［11］，并限制地磁活动性来抑制非震扰动，得到了磁静条件下地震电离层电磁场异常特征的全球观测模型。

2 资料选取与计算方法

DEMETER卫星采用准太阳同步圆形轨道，轨道倾角98.3°，高度710 km(2005年12月中旬开始降为660 km)。其轨道分为升轨和降轨，对应的磁地方时分别为MLT≈22.3和10.3。因白天轨道受太阳活动影响较大，所以我们只用夜侧轨道。本文所采用的数据均来自DEMETER卫星数据网站(http://demeter.cnrs-orleans.fr/)，分别为:VLF频段电场单分量频谱数据、VLF频段磁场单分量的频谱数据。其中电磁场频谱数据的频率的分辨率为19.5 Hz，频率范围为(19.5，20k)Hz，时间分辨率为2 s (巡查模式)或0.5 s(加密模式)。

1)地震选取。对于某一次地震，如果震前30天，或经度10度以内，或纬度10度以内没有地震发生，则定义为孤立地震。由此，从2006年3月至2009年2月共选出299次孤立地震。

2)背景设置。要求kp=［0，2］;网格为4°× 2°;季节:按劳埃德季节划分方法，把2006年3月—2009年2月分为3个地磁季节，即3、4、9、10月为春秋季;5、6、7、8月为夏季;11、12、1、2月为冬季。在此仅选取2006，2007和2008年夏季和2006，2007和2008年冬季分别做一个观测背景，对所有同一季节的地震进行统计时，采用该季节的背景;频段:分［20，1k］，［20，10k］两个频段，前一频段频率的分辨率为50Hz，后一频段的为500 Hz。

3)研究20～10k Hz电场频谱在时间-频率(t-f)域的变化特征，比较相同背景下地震和随机统计结果，找出地震电离层异常的优势频段。

4)研究地震优势频段电场频谱的时间-空间变化特征，找出优势时间和优势震中距。

5)不同季节、不同半球、不同类型(海洋、陆地)地震的空间-空间变化特征研究。

3 地震电离层VLF电场频谱特征

3.1 电离层VLF电场频谱时间-频率变化特征

图1 地磁夏季20-1kHz VLF电场频谱在时间-频率域的变化特征Fig.1 Time-frequency variation characteristics of electric field spectrum from 20-1kHz band of VLF in geomagnetic summer

图1(a)为2006年3月—2009年2月地磁夏季76个孤立地震在时-空域的统计结果，其中横坐标为距离地震发生时间的天数，震前为负值，震后为正值。纵坐标为频率，范围为［20，1k］Hz。颜色代表sigma值，即地震时参量值和背景值的残差除以背景标准方差。图1(b)为相同地磁季节约相同数目的随机时段的统计结果，比较发现，50～300Hz频带(图中黑色椭圆区域所示)，地震统计结果显著低于随机统计结果。图2为地磁冬季68个孤立地震的统计结果(其意义同图1)，该图同样显示地震时50～300Hz频带的电场频谱明显低于常态水平。图3和图4分别在［20，10k］Hz频段内的统计结果显示，地磁夏季，1.5k～2k Hz及4k～8k Hz频段的电场频谱值高于相应频段常态值，而地磁冬季的规律则和地磁夏季相反。因此可以将50～300 Hz频带看做地震优势频段，下面的研究针对该频段开展。

3.2 电离层VLF电场频谱时间-空间变化特征

图5为50～300 Hz VLF电场频谱在时间-空间域的变化特征，(a)、(b)分别代表地磁夏季与冬季。从图5可以看出，距离地震位置越近，电离层扰动越显著，这可能是由地震引起的电离层效应，但异常的幅度比较小，在异常幅度值(sigma)1.5以下。分析发现，这是由时间、空间分辨率较小引起的。图6给出了较高分辨率的地震统计结果，横坐标为距离地震发生时间的小时值，纵坐标为震中距。其时间、空间分辨率分别为1小时，50km。该图显示，地震前后72小时内，正负地震电离层异常均可发生，异常幅度值(sigma)超过3。

图2 地磁冬季20～1kHz VLF电场频谱在时间-频率域的变化特征Fig.2 Time-frequency variation characteristics of electric field spectrum from 20-1kHz band of VLF in geomagnetic winter

图3 地磁夏季20～10kHz VLF电场频谱在时间-频率域的变化特征Fig.3 Time-frequency variation characteristics of electric field spectrum from 20-10kHz frequency band of VLF in geomagnetic summer

图4 地磁冬季20～10kHz VLF电场频谱在时间-频率域的变化特征Fig.4 Time-frequency variation characteristics of electric field spectrum from 20-10kHz frequency band of VLF in geomagnetic winter

3.3 电离层VLF电场频谱的空间-空间变化特征

3.3.1 不同半球的比较

图7为空间-空间域的地震统计结果，(a)、(b)、(c)分别为地磁夏季、北半球地磁夏季、南半球地磁夏季，(d)、(e)、(f)分别为地磁冬季、北半球地磁冬季及南半球地磁冬季。可以看出，对同一地磁季节，不同半球地震异常的方位和方向均不相同，若不分半球，则异常间相互叠加，导致异常幅度减弱。

3.2.2 海洋与陆地比较

图5 50-300 Hz VLF电场频谱在时间-空间域的变化特征Fig.5 Time-space variation characteristics of electric field spectrum from 50-300 Hz frequency band of VLF

图6 地磁夏季50～300 Hz VLF地震电场频谱在时间-频率域变化特征Fig.6 Time-frequency variation characteristics of electric field spectrum from 50-300 Hz band of VLF in geomagnetic summer

图7 50～300 Hz不同半球地震的VLF电场频谱在空间-空间域变化特征Fig.7 Space-space variation characteristics of electric field spectrum from 50-300 Hz band of VLF in different hemisphere

图8为地震数目较多的地磁夏季北半球的52次地震分为海洋和陆地地震后的统计结果，两类地震的数目均为26次。(a)、(b)、(c)分别为北半球地磁夏季地震、北半球地磁夏季的海洋地震及陆地地震。该图显示，在震中附近，海洋地震以正异常为主，陆地地震以负异常为主。

4 地震电离层VLF磁场频谱特征

由于电离层地磁活动除了受有显著的季节效应外还有着很强的半球效应［12，13］，所以在统计中将不同半球分开进行研究。由图9可以看出，冬季和分点季节，南北半球VLF磁场能谱的震中空间-空间分布复杂;夏季南北半球震例出现趋势分布，北半球夏季异常幅度值(sigma值)南北对称，北半球震中正北800 km出现显著的极大值，另有震中西南方向(600 km，800 km)出现极大值。南半球夏季异常幅度值(sigma值)东西方向对称分布，西部600～1 000 km范围的南北各440千米处出现极大值;东部以负值为主，极大值出现在震中东北(200 km，500 km)处。

图8 50～300 Hz海洋和陆地地震的VLF电场频谱在空间-空间域变化特征Fig.8 Space-space variation characteristics of electric field spectrum from 50-300 Hz band of VLF in land and ocean

图9 不同地磁季节的磁场频谱分布特征Fig.9 Distribution characteristics of geomagneticl field spectrum in different seasona

5 结论

对299例孤立地震的研究发现，50～300Hz为地震电离层效应的优势频段;距离地震空间位置越近，地震异常越显著;不同半球的地震，异常方向和方位不同;地磁夏季北半球地震研究表明，海洋地震主要为正异常，陆地地震主要为负异常;地磁夏季，不同半球地震的磁场频谱异常显著不同，北半球的正异常偏南，而负异常偏北，南半球的负异常偏东北，而正异常偏西南。

致谢 感谢法国DEMETER卫星数据中心提供数据!

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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

河北省地震局重点项目“河北地区电磁场动态演化特征研究”;中央级公益性科研院所基本科研业务专项(059217);国家科技支撑项目(2008BAC35B01)

张建国，男，1974年生，高级工程师，硕士研究生，主要从事地震监测与电磁学研究等工作.E-mail:zhangjg_909@163.com

P315.72+1

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