2010年墨西哥M7.2地震前电离层VTEC异常响应初探

童杨津，闻德保，舒 敏

2010年墨西哥M7.2地震前电离层VTEC异常响应初探

童杨津1，2，闻德保1，2，舒 敏1，2

(1.长沙理工大学 交通运输工程学院，长沙 410114；2.现代公路交通基础先进建养技术湖南省协同创新中心，长沙 410114)

针对震前震区上空电离层扰动是否受到地震活动影响这一难点，提出了一种组合式电离层扰动时空分析法。基于该方法，在震中附近设置了一个监测点A(32.5°N，115°W)及相近地磁纬度的两个参考点B(32.5°N，100°W)和C(32.5°N，55°E)，运用滑动四分位距法的双重检测标准分别检测了上述三点垂直总电子含量(VTEC)的时序变化。结合空间天气情况分析出最有可能与地震活动相关的异常时段，并提取出了上述异常时段的VTEC空间异常分布，结果显示在该异常时段地震孕育区及其附近上空电离层出现了持续的正异常扰动现象。最终研究表明：4月4号出现的VTEC异常与本次地震孕育活动有关，且异常峰值主要集中于震中东、南侧。

Mexico地震；垂直总电子含量(VTEC)；滑动四分位距法；电离层扰动

0 引言

地震是一种重大的自然灾害，由于其复杂性使地震预报成为全球性的难题。自1964年美国阿拉斯加大地震发生时发现电离层扰动后[1]，地震电离层扰动前兆研究逐渐成为研究热点，但目前仍处于初级阶段，需作进一步探究。此前国内外学者对此进行了大量研究：文献[2]通过一些案例证实了异常电场对电离层的影响；文献[3]提出了一种新的区域性变化指数，利用该方法发现震前5～10 d的电离层总电子含量(total electron content，TEC)有所提高，震后回到正常状态；文献[4]调查了1993～2002年期间印尼M≥5.9的震例，发现震前2～7天电离层TEC有显著下降；文献[5]结合空间天气指数，利用最大电离层电子浓度NmF2及TEC等参数分析2008年汶川地震电离层扰动情况，得出5月3号与9号的电离层异常为地震电离层响应信号；文献[6]利用全球电离层图(global ionosphere map，GIM)的垂直总电子含量(vertical total electron content，VTEC)格网数据统计分析了1998～2012中国区域56个M≥6.0的地震震前电离层扰动情况，结果显示震前2～9 d每日下午TEC均有显著下降。然由于地震电离层响应机理尚不明晰，电离层变化特性及影响因素有待进一步研究，其他学者对地震电离层扰动持有保留意见及不同看法。文献[7]研究了2008年太阳活动低潮期日本M>6.8的5个震例，认为很难找出电离层异常与地震的相关联系。文献[8]分析了1999年加利福尼亚州Hector Mine地震，结果显示TEC异常与本次地震无关。文献[9]对2010年全球发生的M7.0+的7个地震进行了时空分析，研究表明有5个震例出现了明显异常且与地震相关，而其中的2月27号的智利(Chile)M8.8地震与4月4号的墨西哥(Mexico) M7.2地震需进一步分析。

针对上述状况，对地震电离层扰动存在分歧尤其是震前空间天气相对平静、大震级的震例进行深入研究显得尤为重要。因此，本文选定2010-04-04发生于Mexico的M7.2地震(发震时刻为22：40UT，震中为32.297°N，115.278°W)作为本次研究的震例。为辨别电离层扰动因素，在排除震前15 d M≥5的其他地震影响的情况下，选取了震中附近的一个监测点和与其相近地磁纬度的两个参考点，运用滑动四分位距法的双重检测标准对上述三点的VTEC时间序列进行了异常检测；结合空间天气及Dst异常检测情况分析出最有可能与地震孕育活动相关的异常时段，并针对所得异常时段作了进一步的VTEC空间扰动分析。研究结果表明地震当天出现的VTEC异常与本次地震孕育活动相关，但异常主要集中于震中东、南两侧。

1 数据及数据分析

1.1 数据选取

为研究震前电离层响应机制，本文选取了欧洲定轨中心(the Center for Orbit Determination in Europe，CODE)提供的GIM VTEC格网数据。考虑到上述格网数据时间间隔及空间分辨率较大等问题，同时引入了美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA)和SWPC联合提供的美国地区的总电子含量(United States total electron content，USTEC)格网数据(空间分辨率1°(经度)×1°(纬度)，时间间隔15 min)作补充分析。在空间天气方面，利用F10.7、Dst、Kp等指数反映震前30 d太阳活动及地磁状况。

1.2 数据分析

本文以15 d同一时刻的待检观测数据作为滑动背景值，利用滑动四分位距法[10]作为地震电离层异常检测方法，具体形式如为

IQR=Q3-Q1

(1)

UB=Q2+k·IQR

(2)

LB=Q2-k·IQR

(3)

式(1)～式(3)中，Q1、Q2、Q3 分别为某一待检时刻数据及其前15d同一时刻数据(共16d)排序后获取的第一、第二和第三四分位数，UB与LB分别为上下边界，k为倍常数，其大小决定筛选异常信号门槛的高低(k取1时，假设检测的数据服从正态分布，UB、LB利用均值(mean)μ和标准差σ可约表示为μ±1.34σ；k取1.5时则可约表示为μ±2σ)。当观测值超过上下边界，即认定该时刻出现异常。

图1给出了震前1～29日及地震当日共30 d的F10.7、Dst及Kp等指数变化情况，总体状况表明该30 d的空间天气相对平静。为排除地磁活动相对平静条件下地磁活动差异引起的电离层异常对检测结果产生干扰，利用滑动四分位距法对3月21号至4月4号的Dst进行了相应检测[11](倍常数k取1.5)，结果显示25号出现了正异常，28号、1～3号出现了负异常。同时，为区分小磁暴、太阳辐射等因素是否对地震区域上空电离层异常检测产生干扰，顾及震前1～15日全球M≥5的其他地震影响，选取了震中附近的一个格网点A(32.5°N，115°W)作为监测点，同时选取与其相近地磁纬度的点B(32.5°N，100°W)和点C(32.5°N，55°E)作为参考点，如图2所示，其中B点处于地震孕育区之外，估计的孕育区范围由公式R=100.43M[12](R为孕育区半径，M为矩震级)获取。

图1 空间天气指数，黑色/灰色阴影为Dst上/下界异常

图2 地震相关信息分布图

图3(a)及图3(b)分别展示了利用传统上下界(倍常数k取1)及增加置信水平后(倍常数k取1.5)的A、B、C三点的VTEC时序检测结果，其中图3(a)的A点检测结果显示25～26号、2～3号及4号均出现连续的异常，而B点在上述相同时间段也有异常情况出现，C点的连续异常主要集中于29号与3～4号等两个时段。提高检测方法的可信度后，如图3(b)所示，A、B、C在上述异常时间段仍有异常出现，证实了上述异常时段确实存在扰动。结合Dst异常时刻，初步判定25～26号、2～3号的A点VTEC异常与地磁活动相关，而4号A点的VTEC异常与地震是否相关需作进一步分析。

为此，图4给出了4号期间A点VTEC异常时刻及其相邻时刻的5幅全球VTEC异常图。图中显示世界时(universaltime,UT)2∶00时地震孕育区未出现异常情况，至UT4∶00，地震孕育区内及其外东侧均出现了正异常且异常一直持续至UT8∶00，而在其他区域未出现类似持续异常的情况。从图3(a)中B点的VTEC时序检测结果可以看出，异常时间增至UT10∶00。由于持续的异常时段在当地处于夜晚，所以该异常未受太阳辐射影响。同时，在相近磁纬虽有VTEC异常区的出现，但均以一定速度向西运动，未持续停留在某一区域，可以断定持续的异常与太阳、磁暴无关。

(a)倍常数k取1；(b) 倍常数k取1.5图3 A、B、C三点VTEC异常时序检测，黑色/灰色阴影为VTEC上/下界异常

考虑到GIMVTEC格网数据的空间分辨率及时间间隔较大等问题，利用NOAA/NCEI提供的USTEC格网数据作进一步补充。图5给出了4月4号UT4∶00前后时间间隔1h的震区VTEC异常

图4 全球VTEC异常图

图5 震区VTEC异常图

情况。由图5可知，震区的VTEC异常出现在UT3∶30～UT3∶45，异常范围超过地震孕育区，且集中于震中南侧。至UT3∶45～UT4∶00，VTEC异常区向震中靠拢，异常峰值增大。到了UT4∶00～UT4∶15，该异常区一分为二，出现于震中南北向，异常峰值集中于南侧且南侧VTEC异常部分与前一时段相比出现了南移的趋势，之后几个时段VTEC异常主要集中震中东南侧，异常峰值均处于地震孕育区范围之外。

由于文献[12]提供的地震孕育区范围公式主要基于震区的构造应力、地表变形以及周围的内含物等，而中性风、压力梯度、洛仑磁力和重力等因素极易运输电离层电浆(主要有正离子、电子、原子和分子等物质组成)，在其作用下高速移动下的电浆与地震孕育区产生的电磁场相互反应可使异常扩大[13]，因而该地震孕育区范围公式并不完全适用于地震电离层扰动的范围[14]。图4～5展示的该地震孕育区东侧未发现漂移的VTEC异常区的靠近，因而判断地震孕育区东南两侧的异常只是局部区域的VTEC异常变化。综合前述一系列分析，认定4月4号出现的VTEC正异常与地震孕育活动相关。文献[9]的研究结果显示本次地震未发现明显VTEC异常，主要由于其根据震中点的VTEC异常持续时间判定异常的有无，再考虑是否进一步作空间分析，而本文研究表明持续的异常主要集中于震中东、南侧，未处于震中。

2 结束语

本文利用GIMVTEC格网数据及USTEC格网数据，采用滑动四分位距法作为异常检测法。为排除地磁活动相对平静条件下由地磁活动差异引起的电离层扰动，对地震当天及震前1～14d的Dst进行了相应检测，在排除震前15dM≥5的其他地震影响的情况下选取了两个相近磁纬的参考点与震中附近的监测点作对比，对震前电离层进行了时空分析。结果表明4月4号震中东、南侧持续出现的VTEC正异常扰动与本次地震孕育活动相关。

致谢：作者衷心感谢USGS(UnitedStatesGeologicalSurvey) 、CODE(TheEuropeanCenterforOrbitDetermination) 及WDC(WorldDataCenter)分别提供的地震信息、GIMVTEC格网数据和空间天气数据，同时特别感谢NOAA/NCEI的RobRedmon博士提供的USTEC格网数据以及湖南省研究生科研创新项目的资助。

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The Discussion on Anomalous Response of Ionospheric VTEC before 2010 M7.2 Mexico Earthquake

TONGYang-Jin1，2，WENDe-Bao1，2，SUMin1，2

(1.School of Traffic and Transportion Engineering，Changsha University of Science & Technology， Changsha 410114，China； 2.Co-Innovation Center for advanced construction and maintenance technology of modern transpotation infrastructural facility，Changsha 410114，China)

A combined spatial-temporal analysis for ionospheric anomalies is proposed due to the difficulty whether pre-earthquake ionospheric anomalies over the earthquake zone are caused by the seismicity or not.Based on the approach above，the sliding interquartile range method with double checking standard was employed to detect vertical total electron content(VTEC) time series of monitoring point A(32.5°N，115°W) near the epicenter and reference point B(32.5°N，100°W) and C(32.5°N，55°E) which are similar to point A in geomagnetic latitude.Combined with space weather conditions，the most likely abnormal period related to seismic activity has been achieved，and then spatial VTEC anomalies have also been sucessful extracted in the period of abnormal time above and the results show that the positive anomalies appear continually over the earthquake preparation zone and its nearby.Final research shows that positive anomalies over the earthquake preparation zone and its nearby on April 4 are related to the seismic activity and the VTEC anomalous peaks mainly concentrate in the east and south of the epicenter.

Mexico earthquake；vertical total electron content(VTEC)；sliding interquartile range method；ionospheric anomalies

童杨津，闻德保，舒敏.2010年墨西哥M7.2地震前电离层VTEC异常响应初探[J].导航定位学报,2015,3(3):117-121+131.(TONG Yang-Jin,WEN De-Bao,SU Min.The Discussion on Anomalous Response of Ionospheric VTEC before 2010 M7.2 Mexico Earthquake[J].Journal of Navigation and Positioning,2015,3(3):117-121+131.)

10.16547/j.cnki.10-1096.20150323.

2015-05-18

国家自然科学基金(41174001)，湖南省杰出青年基金(14JJ1021)，教育部科学技术类项目(213028A)，湖南省教育厅重点项目(12A002)，湖南省研究生科研创新项目(CX2015B350)。

童杨津(1990—)，男，江西玉山人，硕士生，主要从事基于GNSS的电离层研究。

闻德保(1974—)，男，河南光山人，教授，主要从事电离层层析成像、GNSS气象学和无线电掩星技术等方面的研究。

P228

A

2095-4999(2015)-03-0117-05