DEMETER卫星观测的超低频电场扰动预处理方法及震例应用分析

欧阳新艳 申旭辉

1） 中国北京100036中国地震局地震预测研究所 2） 中国北京100871北京大学地球与空间科学学院3） 中国北京100085中国地震局地壳应力研究所



DEMETER卫星观测的超低频电场扰动预处理方法及震例应用分析

1） 中国北京100036中国地震局地震预测研究所 2） 中国北京100871北京大学地球与空间科学学院3） 中国北京100085中国地震局地壳应力研究所

基于法国DEMETER卫星观测的超低频（ULF）电场波形， 本文提出了更简单易实施的ULF电场扰动预处理方法． 利用该方法， 对文献中已报道的2010年2月27日智利MS8.8地震前的ULF电场扰动进行了更全面的分析． 结果表明： 已报道的20°S—40°S地磁纬度带内的ULF电场扰动并非仅出现在最靠近震中的半轨道， 而是出现在较大的经度范围内． 大范围ULF电场扰动的区域正好位于南大西洋异常区， 很可能受到该区域异常磁场的影响． 南大西洋异常中心区域的ULF电场扰动表现出共轭特征， 即在南北地磁纬度20°—40°范围内ULF电场均出现约5 mV/m的扰动， 北纬地区的ULF电场扰动幅度相比南纬地区更小． 而在南大西洋异常中心区域外的ULF电场扰动则仅在20°S—40°S地磁纬度带内出现， 在其共轭区并未观测到ULF电场扰动． 这可能是由于南大西洋异常中心区域外的ULF电场扰动幅度比中心区域更小所致， 在电离层中由于碰撞效应更易被衰减， 因此ULF电场扰动无法传播至其共轭区． 本文的方法和结果可为后续更全面地分析卫星在电离层高度记录的ULF电场扰动提供参考．

DEMETER卫星 超低频（ULF）电场扰动 南大西洋异常区

引言

早在20世纪80年代， 研究人员便从常规的地面观测中获得了与地震相关的电磁辐射现象（Gokhbergetal， 1982）． 由于地震产生的电磁扰动具有短临特征， 使得这一现象受到极大的关注（Parrot， 1995）． 其中， 超低频（ultra low frequency, 简写为ULF）（0.01—10 Hz）电磁扰动被认为是最具前景的地震前兆之一（Hayakawaetal， 2007）． 地面ULF磁场观测已记录到多次地震前的ULF扰动（Fraser-Smithetal， 1990; Molchanovetal， 1992; Hayakawaetal， 1996） ．

近些年来， 随着空间技术的发展， 研究人员利用卫星资料监测到了越来越多与地震相关的电磁扰动现象（Chmyrevetal， 1989; Molchanovetal， 1993; Parrot， 1994; Němecetal， 2008）． 尤其是DEMETER卫星发射以来， 利用该卫星观测资料开展地震电磁、 电离层扰动的研究报道很多（欧阳新艳等， 2008， 2011； 刘静等， 2011； 颜蕊等， 2013）． 大多数研究集中讨论了DEMETER卫星探测的极低频/甚低频（ELF/VLF）频段的扰动（Bhattacharyaetal， 2007; 何宇飞等， 2009; 曾中超等， 2009; 张学民等， 2009a， b; Akhoondzadehetal， 2010; Onishietal， 2011; Zhangetal， 2011， 2012a; 朱涛， 王兰炜， 2011; 泽仁志玛等， 2012）． 在利用DEMETER卫星观测的ULF电场数据开展该频段的扰动研究方面， 近年来的研究报道逐渐增多． 2010年1月12日M7.0海地地震前一个月， Athanasiou等（2011）发现DEMETER卫星探测的ULF频段Ez分量的能量增加了约360%． 汶川地震前， 利用DEMETER卫星观测的ULF电场数据， Zhang等（2012b）发现ULF电场扰动幅度约为3—5 mV/m， 频率在0.5 Hz以下． 同样在分析汶川地震前较长时段的ULF电场数据时， Walker等（2013）发现DEMETER卫星通过震中上空附近区域时记录到的ULF波动事件增加. 频谱分析表明ULF波动为地磁脉动事件， 可能是由于震中附近产生的重力波影响所致． Zhang等（2014）选择印尼和智利两个地震区域中27个地震事件， 利用ULF电场观测进行统计研究， 发现ULF电场的扰动基本小于10 mV/m， 扰动位于震中上空．

综上， 关于ULF扰动的研究均针对单个地震事件或小区域内地震事件的研究， 对于DEMETER卫星观测的ULF电场扰动的全球分布及其特征缺乏全面的认识． 本文旨在提出DEMETER卫星观测的ULF电场扰动预处理方法， 并以2010年2月27日智利MS8.8地震为例基于该方法分析全球ULF电场扰动特征， 以便为后续空间ULF扰动研究提供参考．

1 DEMETER卫星及ULF电场观测数据

法国DEMETER卫星的主要科学目标是研究由地震电磁效应引起的电离层扰动以及由人类活动（如地面电力系统的谐频辐射， 地面甚低频发射机发射的VLF波动等）引起的电离层扰动（Cussacetal， 2006; Parrotetal， 2006）． DEMETER卫星于2004年6月发射进入太阳同步轨道， 轨道高度为710 km； 2005年12月轨道高度下降为660 km． DEMETER卫星的探测数据以半轨道文件组织， 上行的半轨越过赤道的时间对应于夜间22:30 LT， 下行的半轨对应于白天10:30 LT．

为了研究与地震事件相关的电离层中的电磁扰动， DEMETER卫星上装载了电场探测仪． 电场探测仪由4个球形的传感器组成， 安装于4个伸杆的末端， 卫星上电场探测数据的信号处理由BANT模块完成（Berthelieretal， 2006）． 电场探测仪提供4个频段的观测数据， 分别为DC/ULF（0—15 Hz）， ELF（15 Hz—1 kHz）， VLF（15 Hz—17.4 kHz）和高频段（10 kHz—3.175 MHz）． 根据卫星的巡查（survey）和详查（burst）模式， 地面接收到不同频段的电场数据为波形或功率谱数据． DC/ULF频段可提供巡查和详查模式下4通道电势的波形数据， 通过两两传感器的电压相减得到电势差进而可得到3个方向的电场数据． DC/ULF频段采样率为39.0625 Hz， 以16位进行数字化， 因而电势测量的分辨率约为0.3 mV， 对应于电场的分辨率约为40 μV/m （Berthelieretal， 2006）．

2 ULF电场波形扰动预处理方法

由于电场探测仪球形传感器的表面功函数不一致而导致不同传感器的表面电势存在差异， 这是引起DC/ULF电场观测误差的主要原因． 对于自旋稳定卫星， 两个传感器之间的接触电势差异表现为准周期信号， 较容易消除． 而DEMETER卫星是三轴稳定卫星， 很难修正两个传感器之间的接触电势差异． 由此引起大尺度准DC电场观测的绝对误差范围从几毫伏每米至十毫伏每米． 不过， 由于各个传感器的表面电势在时间上是相对稳定的， 小尺度准DC电场作为叠加在大尺度电场上的扰动可以准确测量出来（Berthelieretal， 2006）． 缓慢变化的电场信号主要来源于V×B感应电场， 这是由于卫星横跨地球磁力线运动产生的．

本文提出了更为简单实用的去除DC/ULF频段趋势波形的方法． 由于在空间物理和地震电磁扰动研究中， 更关心的是电场扰动而并非空间中电场的绝对数值， 因此我们直接对原始波形进行滑动平均得到沿此半轨道的趋势波形， 利用原始波形减去趋势波形， 即得到去除了V×B大尺度感应电场而留下小尺度扰动电场的波形． 滑动平均方法可表示为

（1）

图1 DEMETER卫星DC/ULF频段Ex， Ey和Ez分量波形示例（2010年2月17日301241半轨）

Δei=ei-Ei,

（2）

式中，ei为原始波形序列，Ei为通过滑动平均后得到的趋势波形， Δei为扰动波形序列. 对于两端的取值， 如滑动平均窗口取为5， 则E1=e1,E2=（e1+e2+e3）/3；E3=（e1+e2+e3+e4+e5）/5；E4=（e2+e3+e4+e5+e6）/5等． 滑动平均窗口（即2n+1）的选取将直接影响数据的平滑效果， 若2n+1取值较大， 则平滑作用较大， 有利于抑制高频变化； 若2n+1取值较小， 则不利于抑制高频变化从而较难得到大趋势性的波形． 实际中可根据数据的变化情况合理地选择滑动平均窗口的大小． 本文中我们选取的滑动平均窗口为2049点， 该采样数据长度持续时间约为52 s， 即滑动平均后得到的趋势波形反映的是大于52 s的周期变化． 该趋势波形相对于V×B电场仍然反映了非常短周期的变化， 因而更有利于突出电场的小扰动变化． 图1给出了2010年2月17日一条半轨道的示例. 可以看到: 图1a中的Ex和Ez分量在南北磁纬20°—40°之间均出现了扰动信号． 由于沿半轨道电场变化范围很大， 两个分量的扰动相比整个半轨道电场变化非常微弱， 扰动形态也不清晰； 图1b中各分量的波形趋势与图1a中各分量的变化一致． 趋势波形是否反映原始波形的细节取决于滑动平均采用的波形数据长度． 图1c为由图1a与图1b对应分量相减后得到的扰动波形， 可以看到：Ex，Ey和Ez分量同步出现了电场扰动， 其范围和形态可以清晰地从图中识别， 在磁纬10°S—40°S之间出现了振幅约5 mV/m的电场扰动； 在其共轭区， 约20°N—40°N区域出现了振幅略小于5 mV/m的扰动． 由此示例结果可知， 本文采用的ULF电场波形扰动预处理方法简单易实施， 并且不会引入新的误差． 处理后的扰动波形更有助于开展后续ULF电场扰动分析．

3 ULF电场扰动分析

2010年2月27日6时34分（UT）在靠近智利海岸发生了MS8.8地震， 震源位置为（35.8°S， 72.7°W）， 震源深度为33 km （中国地震台网中心， 2010）． 多篇文献报道了该地震前DEMETER卫星观测到了ULF电场扰动 （Pšaetal， 2011; Zhangetal， 2014）．

图2 2010年2月17日（智利地震前10天）全球的上行半轨道半轨道号标示于各半轨的右侧， 星形为智利地震的震中位置

图3 2010年2月17日（智利地震前10天）夜间301271半轨DC/ULF频段Ex， Ey和Ez分量的原始波形（a）和去除趋势后的电场扰动波形（b）

图4 2010年2月26日（智利地震前1天）全球的上行半轨道半轨道号标示于各半轨的右侧， 星形为智利地震的震中位置

针对这次智利地震， Zhang等（2014）同样报道了该地震前一天（2010年2月26日）上行半轨302561在20°S—40°S观测到了ULF电场扰动． 基于未去除V×B感应电场的原始ULF电场波形， Zhang等（2014）得到Ex和Ez分量最大的相对变化幅度达到15 mV/m． 同样， 为了检验这一半轨出现的ULF电场扰动是否与智利地震相关， 本文同样扫描了2010年2月26日全球的上行半轨． 图4给出了这一天所有半轨道的分布． 可以看到， 302561半轨是距震中最近的轨道． 查看全部半轨道的扰动波形后， 仍然发现并非只有302561半轨在20°S—40°S纬度带内出现ULF电场扰动， 302571和302581半轨在相同纬度带亦观测到了ULF电场扰动．

目前文献中只报道了智利地震震前10天和震前1天出现的ULF电场扰动． 通过上述分析发现， ULF异常扰动并非只出现在最靠近震中的半轨道． 为了更充分地了解ULF电场扰动分布的区域和特征， 本文进一步分析了智利地震前2天至震前9天（即2010年2月18日至2月25日）全球上行半轨道观测的ULF电场扰动情况． 通过全面分析文献中未报道的ULF异常扰动的8天中的ULF电场扰动波形， 发现这8天在南大西洋异常区同样观测到了大范围的ULF电场扰动． 该期间Kp指数均小于3+， 表明地磁活动平静（World Data Center for Geomagnetism， Kyoto， 2010）． 在这8天中观测到的ULF电场扰动的分布特征为： 扰动出现在20°S—40°S及其共轭纬度带， 扰动的半轨道集中在210°E—330°E范围内．

4 讨论与结论

结合文献中报道的2010年智利MS8.8地震前ULF电场扰动的情况， 本文更全面地检验了观测到ULF电场扰动的区域， 发现并非只在最靠近震中的半轨道出现ULF电场扰动现象． 20°S—40°S纬度带内出现ULF电场扰动的半轨道位于210°E—330°E范围内． 这很可能受到南大西洋异常区的影响． 从全球地磁场强度分布图（见Heirtzler（2002）一文中图1）上可以看到， 在巴西南部海岸附近存在地磁场强度的极小值， 这一弱磁场区域被称为南大西洋异常区（Heirtzler， 2002）． 该区域分布较广， 纬度范围为60°S—0°N， 经度范围为120°W—30°E． 而地磁场强度极小值集中在约20°S—40°S、 40°W—60°W（300°E —320°E）的中心区域内． 这与上述智利地震文献中报道的观测到ULF电场扰动的区域一致． 本文的研究结果发现ULF电场扰动出现在比震中经度更广的范围内． 例如， 2010年2月17日ULF电场扰动的范围为210°E—330°E， 且都出现在20°S—40°S纬度带内． 这正好位于南大西洋异常区． 因此， 大范围观测到的ULF电场扰动很可能受南大西洋异常区的影响． 智利地震刚好发生在南大西洋异常的中心区域， 很难判断在此区域观测到的ULF电场扰动是否受该地震影响． 同时， 本文针对智利地震震前2—9天（该期间未见文献报道ULF异常扰动）， 利用本文提出的ULF波形预处理方法得到全球上行半轨道的ULF电场扰动波形， 发现这8天中同样观测到了大范围的ULF电场扰动． 该扰动出现在20°S—40°S及其共轭纬度带内， 扰动的半轨道集中在210°E—330°E的经度范围内． 这一结果与Pša等（2011）震前10天和Zhang等（2014）震前1天的结果相同， 即位于南大西洋异常区内的半轨道均观测到了ULF电场扰动． 连续多天全球半轨道观测的ULF电场扰动分析表明， ULF电场扰动在时间上连续出现， 扰动的空间范围位于20°S—40°S、 210°E—330°E． 这一扰动特征表明观测到的ULF电场扰动在20°S—40°S、 210°E—330°E的区域内具有稳定的扰动来源． 该扰动空间分布范围与南大西洋异常区重合， 结合目前对南大西洋异常区的认识， 该扰动的来源应该是南大西洋异常区长期存在的地磁场强度极小值．

此外， 本文发现了另一个有趣的现象． 在2010年2月17日观测到ULF电场扰动的半轨中， 301231， 301241和301251在20°S—40°S出现了ULF电场扰动， 在其共轭区（约20°N—40°N）出现了稍弱的ULF电场扰动． 其具体变化形态可参见图1c， 图中给出了301241半轨Ex，Ey和Ez分量的扰动波形． 而301261和301271则没有这种共轭扰动现象， 其ULF电场扰动只出现在20°S—40°S的区域． 同样， 在分析2010年2月26日全球半轨的扰动中， 发现302561和302571半轨出现了共轭扰动现象， 302581半轨只在20°S—40°S区域内出现ULF电场扰动现象． 2010年2月17日和2010年2月26日扰动半轨道的共同特点为： 位于南大西洋异常区的半轨道均在20°S—40°S纬度带内观测到ULF电场扰动； 位于南大西洋异常中心区域（地磁场强度极小的小区域）的半轨道观测到了ULF共轭扰动， 南大西洋异常中心区域外未见共轭扰动现象． 这种特点可能是由于在南大西洋异常中心区域ULF电场扰动幅度较大， 可以沿磁力线传播至其共轭区； 而在南大西洋异常中心区域外， 由于ULF电场扰动幅度较小， 在电离层中由于碰撞效应使得波动更易被衰减， 因此无法传播至共轭区．

综上所述， 本文得到如下结论：

1） 本文提出了ULF电场扰动的预处理方法， 与Pša等（2011）提出的方法相比， 更简单易行． 通过预处理后， 可以高效地查看沿半轨道的ULF电场扰动情况．

2） ULF电场扰动并非只在最靠近智利地震震中的半轨观测到， 在较大经度范围内多条半轨均出现了ULF电场扰动． 通过进一步分析， 发现这一较大范围的ULF电场扰动很可能受到南大西洋异常的影响． 同时， 南大西洋异常中心区域表现为ULF共轭扰动， 中心区域外ULF电场扰动仅出现在20°S—40°S纬度带内．

本文研究表明， 空间中的ULF电场扰动可能受到多种因素的影响， 并非在地磁平静期震中上空或附近区域出现ULF电场扰动即认为可能与地震相关， 还需要对ULF电场扰动的全球分布特征有更全面的认识． 本文结果可为后续开展卫星观测的震前ULF电场扰动研究提供参考．

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A method for pre-processing ULF electric field disturbances observed by DEMETER and its case application analysis

1）InstituteofEarthquakeScience，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100036，China

2）SchoolofEarthandSpaceSciences，PekingUniversity，Beijing100871，China

3）InstituteofCrustalDynamics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100085，China

This paper presents a method for pre-processing ULF electric field disturbances based on ULF waveforms observed by French DEMETER satellite. This method is simpler and easier to carry out. We analyze comprehensively ULF disturbances before the ChileMS8.8 earthquake on 27 February 2010， which have been reported in the literature， by using our method. The results show that reported ULF disturbances in 20°S—40°S geomagnetic latitude bands do not just appear on the half-orbit that is the closest to the epicenter， but ULF disturbances are observed in a wider longitude range. The large range with ULF disturbances is located in the region of South Atlantic anomaly （SAA）， and ULF disturbances may be affected by the geomagnetic field anomaly in this region. ULF disturbances in the center of SAA region show a conjugate distribution，i.e.， electric field fluctuates with the amplitude of 5 mV/m at 20°—40° north and south geomagnetic latitudes. The amplitude of ULF disturbances at northern latitudes is weaker than those at southern latitudes. However， ULF disturbances outside the center of SAA region are only observed at 20°S—40°S geomagnetic latitudes， and there are no ULF fluctuations in the conjugate region. As ULF fluctuations outside the center of SAA region with the weaker amplitude are easier to be attenuated because of collision effects in the ionosphere， ULF disturbance cannot propagate to the conjugate region. The method and results in this paper can provide references for subsequently thorough analyses on ULF fluctuations recorded by satellites in the ionosphere.

DEMETER satellite; ULF electric field disturbance; South Atlantic anomaly （SAA） region

10.11939/jass.2015.05.010.

中国地震局地震预测研究所基本科研业务费专项（2015IES0405， 2014IES010203, 2012IES0401）和国家自然科学基金（41404126）共同资助.

2015-04-14收到初稿， 2015-07-02决定采用修改稿.

e-mail: oyxy@cea-ies.ac.cn

10.11939/jass.2015.05.010

P319.3+2

A

欧阳新艳, 申旭辉. 2015. DEMETER卫星观测的超低频电场扰动预处理方法及震例应用分析. 地震学报, 37（5）: 820--829.

Ouyang X Y, Shen X H. 2015. A method for pre-processing ULF electric field disturbances observed by DEMETER and its case application analysis.ActaSeismologicaSinica, 37（5）: 820--829. doi:10.11939/jass.2015.05.010.