基于GNSS的日本熊本地震前电离层异常研究

周长志,张珂,张海平,高士民,陈钰

(山东省国土测绘院,济南 250102)



基于GNSS的日本熊本地震前电离层异常研究

周长志,张珂,张海平,高士民,陈钰

(山东省国土测绘院,济南 250102)

2016年4月16日日本熊本发生Mw7.0地震,为了研究地震前孕震区的电离层异常。采用欧洲定轨中心提供的全球电离层图(GIM)与gmsd、smst测站的观测数据分析了孕震区的电离层变化情况。在排除了太阳与地磁活动造成的干扰之后,结果发现,在熊本地震前1天,孕震区内电离层电子含量显著下降,幅度达-8 TECU;同时全球TEC异常分布图显示,该天地震影响范围内有明显TEC负异常出现,异常主要出现在震中的北部和东南部区域,持续约12 h,这可能是熊本地震的电离层前兆之一。

熊本地震;电离层异常;GNSS;日地环境

0 引 言

传统的地震预报手段主要有变形监测、重力监测、地下水位及稀有气体监测等。在20世纪60年代阿拉斯加大地震的研究中,科学家发现在大地震前孕震区内的电离层电子含量有显著性变化,这可能为地震预报提供一个新的方法[1-2]。目前地震-电离层异常领域已有50年的研究历史,近二十年来随着全球导航定位系统(GNSS)技术的快速发展,利用遍布全球的GNSS观测站数据解算全球电离层的电子含量用于地震前的电离层异常探测已成为主流趋势,也取得了大量的研究成果[3-7]。在2008年5月12日汶川大地震研究中,许多科学家利用GPS及DEMETER等资料分析发现地震前3天,震中地区电离层的电子含量显著增高,同时在南半球对应的磁共轭区也能观测到电子含量异常现象[8-9]。这种地震-电离层异常现象同时也出现在2011年3月11日东日本大地震之前,在3月8日孕震区内的电子含量明显增高,同时foF2参数也增幅达40%[10-11]。Guo等利用欧洲定轨中心的电离层数据分析了苏门答腊、墨西哥与智利等大地震,发现在大地震的前15天内,孕震区的电离层异常频率明显增加,且大部分的异常出现在地震前7天内[12-14]。大量的统计数据表明M5.0+地震前孕震区有70%的概率观测到电离层异常现象,且电离层异常的幅度与地震等级呈正比关系,与震源深度和震源距离呈反比关系,这可能为以后的地震预报提供一定的参考[15]。

2016年4月14日日本熊本县熊本地区发生Mw6.2(矩震级)逆断层地震,震源深度11 km,两天后,4月16日熊本地区再次发生Mw7.0地震,这是日本九州地方观测史上出现的最高级别地震,造成了44人遇难,给当地造成了严重人员财产损失。本文采用欧洲定轨中心提供的电离层数据分析熊本地震震前电离层的变化状态,并分析电离层异常的空间分布特征,为以后该地区的地震预报工作提供一定的参考。

1 数据与分析方法

本文从美国地质勘探局的数据库中下载了熊本地震(4月16日)的参数(http://earthquake.usgs.gov/earthquakes/search/),熊本地震及其附近的IGS观测站如图1所示。总电子含量(TEC)是表征电离层活动的最重要参数,因此采用TEC数据来分析电离层的变化状态。目前全球分布了200多个IGS观测站,这些观测站提供了大量的观测数据,利用双频信号可以解算出接收机至卫星传播路径上的电子含量STEC,然后根据接收机的天顶角可以转换出接收机天顶方向上的垂直电子含量VTEC.电离层数据采用欧洲定轨中心(CODE)提供的GIM数据, 其空间分辨率是5°(经度)×2.5°(纬度),范围是180°W～180°E,87.5°S～87.5°N,所以每组GIM中共有5 183个格网点(ftp://ftp.unibe.ch/aiub/CODE/)。2015年以前,时间分辨率是2 h,即每个观测文件共有12张GIM地图。2015年开始,GIM时间分辨率更改为1 h.因为电离层活动容易受到太阳和地磁活动的干扰,因此在分析电离层异常变化之前,必须排除太阳或地磁活动的干扰。太阳数据主要采用10.7厘米波段太阳辐射数据,分辨率为1天,数据来源太阳辐射中心(http://services.swpc.noaa.gov/)。 另外, 从京都地磁中心下载了赤道地区地磁活动指数(Dst)和全球地磁活动指数(Ap)。其中Dst时间分辨率为1 h,Ap指数时间分辨率为3 h(http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dstdir/index.html)。如果Dst或Ap指数有较大的波动,则表明该天发生了较强的地磁扰动,可能影响了电离层的变化状态。

图1 熊本地震及IGS站分布图,地震机制(球表示熊本地震位置,三角形表示IGS观测站)

选取震前15天和地震后3天的电离层数据,提取出TEC时间序列。计算出前15天内TEC的均值m,并计算出时间序列的中误差σ.近一步可以得到该时间序列的上边界UB(UB=m+1.5σ)和下边界LB(LB=m-1.5σ)。在排除太阳地磁活动的干扰后,如果TEC超出了上下边界,则表明该天的电离层有异常变化,这可能与之后的地震活动有一定的联系。

2 震前TEC异常扰动分析

2.1 日地环境分析

图2给出了熊本地震前20天内太阳和地磁活动的变化趋势。由图2(a)可以发现,在震前20天内太阳辐射强度有逐渐增强的趋势。在震前20～10天内,F10.7参数保持相对稳定,大约是85 SFU。从震前第10天起,10.7逐渐增大,至震前第5天达到最强,达到120 SFU。在震前5天内太阳活动保持稳定。因此在震前5天内的电离层异常要特别分析。图2(b)表示了Dst参数的变化趋势,可以发现在震前20天内,Dst指数有较大波动,主要波动出现在震前第12天,5～7天内,幅度达到-60 nT,表明在这些时间段内全球发生了中等强度的地磁暴。图2(c)表明Ap指数与Dst指数有相同的变化趋势,其主要异常值出现在震前第12天、第7天和第2天,幅度约为50～70 nT,其中最大值出现在震前第7天,最大值达到75 nT.结合图2(b)和图2(c),可以得出地磁活动在震前第12天和第7天附近有磁暴发生,这在以后的分析中需要特别注意。

图2 熊本地震前太阳及地磁活动

2.2 震中TEC异常分析

采用CODE提供的GIM地图,提取出了熊本地震震中(Kumamoto)的TEC时间序列。另外根据GIM数据插值出震中附近两个IGS站的时间序列,分别是gmsd (131.0156°E, 30.5564°N)和smst(135.937°E, 33.5779°N), 其地理分布如图1所示。

对TEC时间序列进行处理,计算出平均值m和中误差σ,进一步可以得到TEC时间序列的上下边界。如图3所示,在绝大部分时间段内,TEC序列都处在上下边界之内,在局部时间段内TEC超出上边界或低于下边界。如图3(a)～图3(b)所示,震前震中地区的TEC保持相对稳定,绝大部分时间内无明显异常变化。主要异常时段出现在震前的第11天和第1天,在震前第11天,TEC异常幅度约为2 TECU,相对较小,而在震前第1天,异常幅度达-7 ～-8 TECU.对比gmsd和smst观测站的TEC资料,如图3(c)～图3(f)所示,可以发现这两个观测站TEC的变化趋势与Kumamoto站的TEC变化状态非常相似。gmsd观测站的TEC序列异常时段主要出现在震前第11天、第9天、第1天和震后第1天,除了震前第1天的TEC异常幅度较大(达-8 ～-9 TECU)外,其他时刻TEC异常幅度很小,约为2～3 TECU.smst观测站TEC时间序列的主要异常时段也出现在震前第11天、第10天和第1天,但第1天的异常幅度明显大于其他时刻。综上所述,可以发现在熊本地震之前,孕震区内的电离层电子含量确有异常变化,其中主要的异常时刻出现在震前的第1天,这也和研究结果(大部分的TEC异常时刻出现震前5天内)相一致。图2表明了震前5天内的太阳活动有明显增强现象,此次孕震区内的电子含量异常是否与太阳活动有关,需要进一步分析。

3 局部区域TEC异常分析

从图3中发现在震前第1天内,孕震区的电子含量有明显异常减弱现象。因此解算出了在震前1天(4月15日)内,全球大部分地区的TEC异常分布图,如图4所示。

图3 熊本地震震中及附近IGS站TEC时间序列变化

图4 4月15日部分区域TEC异常分布图(地震机制球表示熊本地震震中位置)(a) UTC00:00; (b) UTC02:00; (c) UTC04:00; (d) UTC06:00; (e) UTC08:00; (f)UTC10:00; (g) UTC12:00; (h) UTC14:00; (i) UTC16:00

图4中黑色圆圈表示Kumamoto地震的影响范围,根据Dobrovolsky公式,可以计算出Kumamoto地震的影响半径达到1 023 km.UTC00:00时(当地时间09:00),亚洲及太平洋地区无明显TEC异常出现。UTC02:00时,日本东北部区域出现轻微TEC负异常扰动,幅度约为-2～-3 TECU,此后TEC异常逐渐向西移动并有扩大趋势。UTC04:00时,TEC异常出现在震中北部地区,覆盖中国东北及日本北部地区,且异常区域在熊本地震影响范围内。此外,日本东南部地区也有TEC负异常出现,幅度约为-2～-4 TECU.UTC06:00(当地时间15:00)时,TEC异常移动到震中的正北部地区,同时震中东南方的TEC负异常范围明显增大,异常幅度达到-8 TECU.此后TEC异常区域保持相对稳定,至UTC14:00时(当地时间23:00),TEC异常开始逐渐减弱。UTC16:00, 熊本地震影响区域内TEC异常完全消失。

此次TEC异常持续约12小时,异常幅度达到-8 TECU,异常时刻发生在当地时间的下午和晚上,最大异常区并不与震中中心相对应,而是分布在震中北部和东南部区域。汶川、日本等大地震震前电离层异常也不与震中垂直对应,而是出现在震中靠近赤道的一侧,本次的电离层异常形态与其他研究成果相一致[16-18]。另外,从图2中得到该天的太阳活动增强现象,如若是太阳活动引起的TEC扰动,应该呈现的全球大范围内的正异常,而本次出现的是TEC负异常,所以本次的TEC异常并不与日地环境有关,这可能是熊本地震的前兆之一。对于大多数地震前电离层出现正异常,而熊本地震前孕震区出现负异常,主要原因是大地震前孕震区地壳中的岩石孔破裂,氡气溢出地表传播至大气层的过程中,受到温度,湿度,光照等多种因素的影响,最终形成不同的电离层异常状态。

4 结束语

本文采用欧洲定轨中心提供GIM地图数据分析了熊本地震前震中地区的电离层变化情况,同时也采用了IGS观测站gmsd和smst测站的电离层数据分析了孕震区的电子含量变化。在考虑了日地环境对电离层影响的情况下,发现在熊本地震前1天,孕震区电离层的电子含量有明显减弱现象,持续约12小时,幅度达到-8 TECU.TEC负异常并不与熊本地震震中相重合,而是分布在震中附近区域,但在地震影响范围内,这也与其他研究成果相一致,这表明本次TEC负异常可能是熊本地震的电离层前兆之一。

[1] DAVIES K, BAKER D M. Ionospheric effects observed around the time of the Alaskan earthquake of March 28, 1964[J]. Journal of Geophysical Research, 1965, 70(9): 2251-2253.

[2] LEONARD R S, BARNES R A. Observation of ionospheric disturbances following the Alaska earthquake[J]. Journal of Geophysical Research, 1965, 70(5): 1250-1253.

[3] PULINETS S. Ionospheric precursors of earthquakes; recent advances in theory and practical applications[J]. Terrestrial Atmospheric and Oceanic Sciences, 2004, 15(3): 413-436.

[4] LI Wang, GUO Jinyun, YU Xuemin,etal. Analysis of ionospheric anomaly preceding the Mw7. 3 Yutian earthquake[J]. Geodesy and Geodynamics, 2014, 5(2): 54-60.

[5] Li W, Guo J Y, Yue J P,etal. Contrastive research of ionospheric precursor anomalies between Calbuco volcanic eruption on April 23 and Nepal earthquake on April 25, 2015[J]. Advances in Space Research, 2016(57):2141-2153.

[6] ZAKHARENKOVA I E, SHAGIMURATOV I I, Tepenitzina N Y,etal. Anomalous modification of the ionospheric total electron content prior to the 26 September 2005 Peru earthquake[J]. Journal of Atmospheric and Solar-terrestrial Physics, 2008, 70(15): 1919-1928.

[7] KAKINAM Y, LIU J Y, TSAI L C,etal. Ionospheric electron content anomalies detected by a FORMOSAT-3/COSMIC empirical model before and after the Wenchuan earthquake[J]. International Journal of Remote Sensing, 2010, 31(13): 3571-3578.

[8] ZHOU Y Y, WU Y, QIAOi X J,etal. Ionospheric anomalies detected by ground-based GPS before the Mw7. 9 Wenchuan earthquake of May 12, 2008, China[J]. Journal of Atmospheric and Solar-terrestrial Physics, 2009, 71(8): 959-966.

[9] 李旺,郭金运,于学敏,等. 由 GPS 探测的大地震前 TEC 异常扰动[J]. 全球定位系统, 2014, 39(2): 18-25.

[10] HEKI K. Ionospheric electron enhancement preceding the 2011 Tohoku-Oki earthquake[J]. Geophysical Research Letters, 2011, 38(17):312.doi:10.1029/2011GL047908.

[11] LE H, LIU L B, LIU J Y,etal. The ionospheric anomalies prior to the M9. 0 Tohoku-Oki earthquake[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2013(62): 476-484.

[12] GUO J Y, LI W, YU H J,etal. Impending ionospheric anomaly preceding the Iquique Mw8. 2 earthquake in Chile on 2014 April 1[J]. Geophysical Journal International, 2015, 203(3): 1461-1470.

[13] GUO J Y, LI W, LIU X,etal. On TEC anomalies as precursor before Mw 8.6 Sumatra earthquake and MW6.7 Mexico earthquake on April 11, 2012[J]. Geosciences Journal, 2015, 19(4): 721-730.

[14] GUO J Y, LI W, LIU X,etal. Temporal-spatial variation of global GPS-derived total electron content, 1999-2013[J]. PloS one, 2015, 10(7): e0133378.doi:10.137/journal.pone,0133378.

[15] LE H, LIU J Y & LIU L.A statistical analysis of ionospheric anomalies before 736 M6.0+earthquakes during 2002-2010[J]. Journal of Geophysical Research, 2011,116(A2).doi:10.1029/2010JA015781.

[16] 李旺,郭金运,于学敏,等. 玉树 Mw7. 1 地震前电离层异常扰动初步分析[J]. 山东理工大学学报: 自然科学版, 2014, 28(4): 11-16.

[17] ZAKHARENKOVA I E, SHAGIMURATOV I I, TEPENITZINA N Y,etal. Anomalous modification of the ionospheric total electron content prior to the 26 September 2005 Peru earthquake[J]. Journal of Atmospheric and Solar-terrestrial Physics, 2008, 70(15): 1919-1928.

[18] FUJIWARA H, KAMOGAWA M, IKEDA M,etal. Atmospheric anomalies observed during earthquake occurrences[J]. Geophysical Research Letters, 2004,Vol 31, L17110. doi: 10.1029/2004GL019865.

Ionospheric Anomalies Preceding Kumamoto Earthquake Detected by GNSS

ZHOU Changzhi,ZHANG Ke,ZHANG Haiping,GAO Shimin,CHEN Yu

(ShandongProvincialInstituteofLandSurveyingandMapping,Jinan250102,China)

On April 16, 2016, the Mw7.0 Kumamoto earthquake abruptly shocked in Japan. In order to analyze the ionospheric variations in earthquake preparation area before the great earthquake, the GIM (global ionosphere map) supplied by the Center for Orbit Determination in Europe and the observation data of gmsd and smst stations were utilized. Considering the ionospheric disturbances caused by solar-terrestrial environment, the results indicated the total electron content decreased sharply in the 1stday before Kumamoto earthquake, the amplitude was about-8 TECU. In addition, the distribution of global TEC anomalies showed obvious negative TEC anomalies appeared in the seismogenic zone, and most of TEC anomalies were distributed in the northern and southeast regions of Kumamoto earthquake, the duration of TEC anomalies was approximately 12 hours, which may be the ionospheric precursors of Kumamoto earthquake.

Kumamoto earthquake; ionospheric anomalies; GNSS; solar-terrestrial environment

10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.05.004

2016-04-25

P228

A

1008-9268(2016)05-0018-06

周长志 (1971-),男,山东郓城人,工程师,主要从事大地测量研究。

张珂 (1990-),男,山东济南人,助理工程师,主要从事大地测量与工程监测研究。

张海平 (1977-),男,山东五莲人,高级工程师,主要从事大地测量研究。

高士民 (1984-),男,山东济南人,工程师,主要从事工程测量研究。

陈钰 (1975-),女,山东日照人,高级工程师,主要从事大地测量研究。

联系人： 张珂 E-mail: zhangk90@126.com