地震前总电子含量异常分析——以2010年4月4日墨西哥地震为例

齐曙光， 张海军， 郭广猛

(南阳师范学院， 河南 南阳 473061)

0 引 言

地震作为人类面临的最严重的自然灾害之一，其预报一直是世界难题。近几年，有学者发现地震能导致电离层等离子体电子重新分布，进而改变其中的电子密度，从而产生电离层异常[1-3]。全球卫星导航定位系统(GNSS)可获取卫星到接收机传播路径上的总电子含量(Total Electron Content,TEC)数据，进而可实现大范围连续监测电离层的变化。近年来，部分学者通过观测电离层异常来研究地震前兆。如，通过分析1999～2002年间台湾M6.0地震前TEC的变化，Liu等[4]发现震前1～5 d TEC明显减少。基于对亚洲3次大地震震前TEC变化的统计研究，吴云等[5]发现震前10 d内孕震区上空的TEC均出现明显的异常扰动。对海地、日本和印尼等多次地震的研究也发现震前出现电离层扰动现象[6-12]。

协调世界时2010年4月4日22时40分墨西哥发生Mw 7.2级地震，震中位置为32.3°N，115.28°W，震源深度为4 km(USGS)。这是周边区域自1992年来发生的规模最大的地震，姚宜斌等通过滑动均值±1.5倍标准差的时间分析等方式分析过该地震，但未发现出明显异常[13]。本文采用NOAA和AIUB提供的数据进行时空和空间分析，发现在震前有异常出现。

1 数 据

瑞士伯尔尼大学天文学院(Astronomical Institute，University of Bern)的TEC数据其空间覆盖为87.5°S到87.5°N，180°W到180°E，其时间分辨率为2 h，空间分辨率为纬度2.5°×经度5°。美国国家海洋大气管理局(NOAA)国家地球物理数据中心(NGDC)的TEC数据其空间覆盖为10～60°N,50～150°W，其时间分辨率为15 min，空间分辨率为纬度1°×经度1°。对10～60°N，50～150°W的区域，AIUB每天记录5 292个数据，NOAA每天则记录397 536个数据，后者是前者数据量的75倍多。相比而言，NOAA的数据精度更高，AIUB则可基本覆盖全球分布。鉴于墨西哥的地理范围，上述两种数据均可用于2010年4月4日的震前TEC分析。

2 方 法

2.1 时间尺度上利用NOAA数据进行分析

杜品仁等通过研究认为，如果空间环境无较大变化，TEC变化一般比较平稳，不会发生较大异常。在进行异常分析时，假设震中i时刻的TEC值为TECi，先求得前1～10 di时刻的平均值AVGi和标准差STDEVi，以AVGi和STDEVi为背景值，假设TECi服从均值为AVGi，标准差为STDEVi的正态分布，采用滑动窗口法利用TECi、AVGi+2STDEVi、AVGi-2STDEVi作图。如果TECi落在区间[(AVGi-2STDEVi)，(AVGi+2STDEVi)]之外，则认为该时刻电离层出现异常[14-16]。

我们利用此方法对3月6日～4月9日共35 d(含地震当天的震前30 d和震后5 d)的数据进行分析，结果见图1。可看出，震前的3月25日出现了高于上边界的情况，4月2日TEC曲线都和下边界重合甚至低于下边界，在4月3日和4月4日的部分时间段有高于上边界。

注：因3/6～3/15的数据无背景值，故图1的时间区间仅为3/16～4/9图1 3月16日～4月9日TEC值和上、下边界变化曲线

2.2 震前峰值区间和低值区间的TEC总量分析

对震中位置的TEC数据进行分析可发现：9：00～12：45为每天的低值区间，18：30～22：15为每天的峰值区间。以图2分析震前(4月4日前)可看出，峰值区间的TEC总量，3月25日和4月2日分别出现震前最高值和震前最低值；低值区间的TEC总量，4月3日(地震前1 d)出现震前最高值。峰值区间和低值区间的TEC总量之差，4月2日(地震前2 d)和4月4日(地震当天)出现震前最低值。

图2 震中的TEC总量变化曲线(低值区间、峰值区间和峰值与低值之差)

2.3 震前DST变化分析

3月16日～4月9日DST变化曲线见图3。可看出，震前DST>20和DST<-20分别出现在3月25日和3月28日，其他时间未显异常。

图3 3月16日～4月9日DST变化曲线

结合图1～3可知，震前的3月25日出现TEC和DST异常，4月2日和4月3日出现TEC异常但DST无明显异常。据此可基本推断4月2日和4月3日的TEC异常应该和4月4日的地震有关。

2.4 空间尺度上利用NOAA和AIUB数据进行分析

2.4.1利用NOAA数据进行空间分析

对4月2日～4月4日进行平面分析。发现3 d的低值区间的9:00、9：15、9：30震中TEC出现异常增大，特别是在4月3日和4月4日，异常更为明显的出现在震中附近(见图4)。

4月3日和4月4日峰值区间的19:00、19：15、19：30的TEC分布如图5所示。从图5可知，异常不如在低值区间明显，甚至无法发现异常。

2.4.2利用AIUB数据进行空间分析

为全面考查全球的TEC分布情况，可利用AIUB提供的数据进行分析。由于AIUB数据的时间分辨率为2 h，因此，我们选用低值区的10：00和峰值区的20：00进行分析。4月3日和4月4日全球TEC分布如图6所示。从图6可看出，低值区间的10 h地震周边出现较为模糊的TEC异常，而峰值区间的20 h则异常不明显或无异常。

3 结 语

利用NOAA数据进行时空分析和AIUB数据进行空间分析，本研究发现2010年4月4日的墨西哥地震前出现明显的TEC异常。具体表现为：① “滑动均值-标准差”法和TEC总量分析法检测出3月25日、4月2日和4月3日表现异常，3月25日和3月28日DST分析表现异常。② 4月3日和4月4日的9：00、9：15、9：30震中周边的TEC值明显高于其它地区。③ 本次地震震中TEC峰值和低值在4月2日～4月4日出现异常，异常表现为峰值下降而低值升高。④ TEC值异常在某些时段表现更为明显，本次地震中的TEC异常在低值区间表现更为明显。通过本研究可基本推测4月2日～4月4日的TEC异常应该和本次地震有关。基于数据精度原因，高精度的NOAA数据比低精度的AIUB数据更适合查找震前TEC异常。另外，震后DST和TEC异常较大，我们推断TEC变化应该由DST异常引起，如何建立DST和TEC异常关联有待进一步研究。

9：009：00

9：159：15

9：30(a)4月3日9：30(b)4月4日

注：橙黄色方块为震中位置
图4 TEC分布图

19：0019：00

19：1519：15

19：30(a)4月3日19：30(b)4月4日

注：橙黄色方块为震中位置图5 TEC分布情况

20：00(a)4月3日20：00(b)4月4日

图6 10：00和20：00全球TEC分布

[1] Pulinets S A, Boyarchuk K A, Hegai V V,etal. Quasielectrostatic model of atmosphere thermosphere ionosphere coupling[J]. Advance Space Research, 2000, 26(8): 1209-1218.

[2] Eftaxias K, Kapiris P, Polvniannakis J,etal. Experience of short term earthquake precursors with VLF-VHF electron magnetic emissions[J]. Natural Hazards and Earth System Sciences, 2003(3):217-228.

[3] Afraimovich E L. Perevalova N P, Plotnikov A V,etal. The shock acoustic waves generated by earthquake[J]. Annales Geophvsicae, 2001, 19:395-409.

[4] Liu J Y, Chen Y I, Pulinets S A,etal. Seismo-ionospheric signatures prior to M6.0 Taiwan earthquakes[J]. Geophys Res Lett, 2000, 27:3113-3116.

[5] 吴 云, 乔学军, 周义炎. 利用地基GPS探测震前电离层TEC异常[J]. 大地测量与地球动力学, 2005,25(2):36-40.

Wu Yun,Qiao Xue-jun , Zhou Yi-yan, Preseismic ionospheric TEC anomaly detected by ground-based GPS[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2005,25(2):36:40.

[6] Calais E, Minster J B. GPS detection of ionospheric TEC perturbations following the January 17, 1994,North irdge earthquake[J].Geophys Res Lett, 1995, 22: 1045-1048.

[7] Molchanov O A, Hayakaw a M. On the generation mechanism of ULF seism ogenic electrom agnetic emissions [J].Physics of the Earth and Planetary Interiors, 1998, 105: 201-210.

[8] Ondoh T. Seismic-ionosphere effects [C]//Atmospheric and ionospheric electromagnetic phenomena associated with earthquakes. Tokyo: Terra Scientific Publishing Company, 1999: 789-803.

[9] Leonard R S, Barnes R A. Observation of ionospheric disturbances following the Alaska earthquake[J]. Journal of Geophysical Research, 1965, 70(5): 1 250-1 253.

[10] Pulinets S A. Strong earthquakes prediction possibility with the help of topside sounding from satellites[J].Advances in Space Research, 1998, 21(3): 455-458.

[11] Zaslavski Y, ParrotM and Blance E. Analysis of VTEC measurements above active seismic regions[J]. Phys Earth Planet. Int, 1998, 105: 219-228.

[12] 齐曙光,杨 杰,郭广猛.海地地震前电离层电子含量数据异常分析[J].武汉大学学报(理学版),2012,58(5):406-410.

Qi Shu-guang，Yang Jie，Guo Guang-meng，etal. The variation of ionospheric total electron content befor haiti earthquake[J]. J Wuhan Univ(Nat Sci Ed.), 2012,58(5):406-410.

[13] Yao Y B, Chen P, Zhang S,etal. Analysis of pre-earthquake ionospheric anomalies before the global M = 7.0+ earthquakes in 2010[J]. Natural Hazards and Earth System Sciences,2012,12:575-585.

[14] Liu J Y, Chuo Y J, Shan S J,etal. Pre-earthquake ionospheric anomalies registered by continuous GPS TEC measurements[J]. Annal Geo-phys, 2004, 22: 1585-1593.

[15] Oyama K I, Kakinami Y, Liu J Y,etal. Reduction of electron temperature in low latitude ionosphere at 600 km before and after large earthquakes[J]. J Geophys Res, 2008, 113: A11317.

[16] Kim V P, Hegai V V. A possible presage of strong earthquakes in the night-time mid-latitude region ionosphere, atmospheric and ionospheric electromagnetic phenomena associated with earthquake[M]. Tokyo: Terra Scientific Publishing Company, 1999: 619-627.