2019 年印度尼西亚Mw7.1 地震震前电离层扰动分析

李 帅，李仲勤，寇瑞雄，李 伟,2

（1.兰州交通大学 测绘与地理信息学院/地理国情监测技术应用国家地方联合工程研究中心/甘肃省地理国情监测工程实验室，兰州 730070；2.兰州交通大学 土木工程学院，兰州 730070）

0 引言

地震作为经常发生的恶性自然灾害，破坏性大且难以预测。地震孕育过程非常复杂，与地球表面质量、内部运动和微观过程有关。目前地震预报手段主要从地质和统计角度出发，但受当前技术和方法的限制，无法从地球内部直接观测地震孕震过程，导致地震预测十分困难，因此研究地震前兆信息变得尤为关键。1964 年阿拉斯加地震后，文献[1]首次捕捉到地震与电离层扰动之间存在关联，为地震前兆信息的探索提供了新思路。电离层是指距离地表60～1 000 km 左右，处于部分电离或完全电离状态的大气层。全球卫星导航系统（global navigation satellite system, GNSS）双频接收机可以精确测量出信号路径上电离层的总电子含量（total electric content, TEC），一般用总电子含量单位(total electron content units, TECU)来度量TEC 的多少，1 个TECU 等于1016个电子/平方米。TEC 变化代表电离层总体的活动水平。文献[2]通过全球定位系统（global positioning system, GPS）数据解算，得到孕震地区的TEC 值并探测样例地震，结果显示，TEC 在震前发生显著下降，且异常区域呈现共轭结构。文献[3]统计分析了全球736 个、震级在6.0 以上的地震，讨论了震前电离层异常与地震的相关性，且异常发生的概率同震级和震源深度有关。文献[4]采用时间序列模型，以预测值为标准来界定异常，得到了异常发生频率与临震时间呈负相关的结论。文献[5]分析了2001—2014年全球震幅7.0 级以上的浅源地震，结果表明，一场地震中，TEC 异常呈现正负2 种形式，震前TEC异常中，正异常出现的比例要大于负异常，并且可能出现在同一天。

本文以世界协调时（coordinated universal time,UTC）2019 年7 月14 日9:10:51 发生在印度尼西亚（0.59°S,128.03°E）的7.1 级地震为例，结合空间环境数据，分析震前电离层TEC 扰动异常及时空分布特征。此次地震位于环太平洋及亚欧地震带交界处，震源深度19 km，属走滑断层（strikeslip fault, SSF）机制的浅源地震（震源深度不大于100 km），根据文献[3]，浅源地震更易于触发TEC的异常扰动。一般地震是由断层滑动引起，就地震表面变化而言，其特征包括水平和垂直位移。通常认为，垂直地壳位移会产生声波引起电离层扰动[6]，这导致许多学者忽略了水平位移较多的SSF 地震引起电离层扰动的可能性。如文献[7]关注到了电离层对不同震源机制响应的差异性，却并未将SSF类型纳入其中。文献[8-9]中探测了多个SSF 地震对电离层的同震效应且均探测到较强的扰动，但对震前电离层扰动方面未做讨论。因此选择该样例对特定浅源SSF 地震震前电离层扰动现象进一步分析。

1 数据来源

采用国际GNSS 服务组织（International GNSS Services, IGS）发布的全球电离层图（global ionosphere map, GIM）。该组织自1998 年开始，发布时间间隔为2 h、空间分辨率为5°（经线）×2.5°（纬线）的全球垂直总电子含量（vertical total electron content, VTEC）格网数据。强震孕震区范围经验公式[10]为

式中：R 为孕震区半径；N 为震级。

7 级以上地震的孕震区范围约为1 000 km（经度跨度10°），远大于GIM 数据分辨率，因此GIM数据拥有足够的精度进行异常探测。采用插值法可得到震中及周围格网点TEC 的时间序列。TEC变化主要受地磁和太阳辐射影响，为此引用京都世界地磁数据中心发布的磁暴环电流指数Dst 及行星性等效日幅度Ap 指数作为地磁影响参考[11]。磁赤道上每隔1 段经度跨度设置1 个地磁台，地磁台每小时的水平强度变化均值即为Dst 指数。Ap 值是指3 h 磁情指数Kp 线性化后的日均值。太阳辐射以美国国家海洋和大气管理局发布的辐射通量F10.7 作为参考依据[12]。

2 异常数据提取

为排除空间天气的干扰，确定TEC 异常不是由高太阳辐射或地磁风暴所引起。需使用太阳辐射流量F10.7、地磁指数Dst 及Ap 等日地空间环境参数，对太阳和地磁活动进行描述。

表1 为各环境指数所对应的活动水平，分为低中高3 个区间，以此依据判断当日日地环境活动水平。

表1 各区间日地空间环境指数对应的活动水平

表1 中：sfu（solar flux unit）为太阳通量单位，1 个sfu=1×10－22W·m－2·Hz－1

根据经验，如果当日F10.7＞150 个sfu，则从分析中删除这一天[13]。在任何时候|Dst|＞ 40 nT 当天和以下 3 d 也排除[5]，根据文献[14]，KP＞2+（Ap＞9）时定义当日发生中等磁扰，故AP＞9 时也排除当天的异常。

图1 为2019-06-30—2019-07-14 的环境指数。

图1 2019-06-30—2019-07-14 的环境指数

由图1 可知：除2019 年7 月9 日和7 月10 日之外，DST 指数活动区间为-40 nT≤DST≤40 nT；Ap 指数活动区间为Ap＜9 nT；F10.7 指数活动区间为60 个sfu≤F10.7≤70 个sfu 之间，电离层平静，可排除地磁及太阳活动引起的电离层异常情况。7 月9 日和7 月10 日Ap＞9 nT，认为当日发生中等地磁扰动，因此这2 d 的异常可能由地磁扰动所引起。国内外研究成果表明，震前TEC 异常主要发生于震前2 个星期以内[15]，本文选取震前29 d的TEC 作为数据源，其中前15 d 作为背景值，后14 d 作为研究对象，使用滑动4 分位法判断异常。该方法为传统4 分位法和滑动时窗法的结合，弥补了4 分位法本身上下界没有时序性的不足。4 分位法即将不同日期同一时刻的观测序列按从大到小的顺序依次排列，将其4 等分提取数列的中位数M、上分位U 及下分位L，并依此来进行上界UB和下界 LB的确定，即：

式中： UB为观测序列上界，若观测值高于UB则判定其为正异常； LB为观测序列下界，观测值低于LB判断其为负异常；K 值为系数，它用来控模型的敏感度，根据经验一般K 取1.5，K 值越大模型对异常值的敏感度越低。

滑动时窗法需先选取滑动窗口的长度T，而后得出窗口内观测值的平均值X 及标准差σ ，X 即为参考背景值，再以2 倍标准差作为误差判定的上下界[16]。这种以平均值作为参考值的方法实质是高通滤波器，可过滤掉周期小于窗口长度的误差[17]。但窗口长度过长会导致带宽增加，从而受到季节性限制。

滑动4 分位法即取震前太阳地磁活动平静的15 d 作为初始滑动窗口，滑动中值为背景值，为阈值进行判定。得到后一天的TEC上下边界，再依次向后滑动时间窗口，直至地震当日，即可得到震前14 d 的TEC 上下边界。

分析图2 可知：在2019 年7 月1 日4:00 UTC、7 月2 日的6:00 UTC 及7 月7 日的4:00 UTC时，TEC 发生明显正异常，峰值达4.34 个TECU；在2019 年7 月11 日4:00 UTC 时，TEC 发生负异常而后转为正异常，时长达6 h；2019 年7 月13 日4:00 UTC 时，TEC 发生明显负异常，正异常峰值达4.34 个TECU，异常幅度27.27%，负异常峰值达-4.61 个TECU，异常幅度25.69%；2019 年7 月9 日和7 月10 日各发生不同程度的正异常。

图2 震前14 d TEC 相对于上下界的偏离值（竖线代表地震发生时刻）

综上所述，震中上空在震前第3 天（7 月11 日）前，异常属性主要以正异常为主，2019 年7 月11 日发生正负异常交替现象，之后异常属性转为负异常。异常集中发生在2:00—10:00 UTC 之间。

3 空间异常分布

仅仅使用滑动4 分位法，虽可检测震中TEC异常，却无法直观反映由地震引起的空间TEC 异常分布情况。考虑到地震发生地点位于赤道的特殊性，及易受赤道异常影响等因素，因此当震中TEC 发生显著异常时，对震中及附近区域进行TEC异常判定，可得出当日区域TEC 异常分布图。当一点 TEC 值相对其背景值的变化率(ΔTEC/TEC ×100% )超过25%时，判定该点TEC 异常。为避免局部强异常混在全球性弱异常之中被排除，另选取37.5%、50%作为阈值对局部强异常进行筛选，综合分析异常的空间分布。为排除与地震无关的异常，定义以下异常判定标准：

1）若连通的异常区域包含研究区域边界网格，则剔除该异常；

2）连通的异常区域质心坐标与震中或震中磁共轭点距离纬度超15°，经度超60°则剔除该异常；

3）剔除连通区域经纬度跨度过小（经度跨度小于10°，纬度跨度小于7.5°）或过大（经度跨度大于60°，纬度跨度大于30°）的异常。选择经度范围（70°E～170°E）、纬度范围（30°S～50°N）为研究区域。提取出震中显著异常日即2019 年7 月1 日、7 月2 日、7 月7 日、7 月9 日、7 月10 日、7 月11 日及7 月13 日这7 d 的区域网格异常数据，按2 h 时间间隔作异常分布图。另外虽经滑动4 分位法提取到7 月2 日和7 月10 日震中TEC 出现显著异常，但经上述方法判别后此2 d 图中全天无与地震有关异常发生，其中：7 月2 日是由赤道异常或天气原因引起的TEC 异常，根据7 月10 日地磁指数，当日震中异常是由地磁扰动所引起。以上2 d的TEC 异常与地震无关，因此下文对剩余5 d 的TEC 异常进行分析。图3 为利用15 个地磁平静日各网格测量得到的TEC 中值（即背景值）所作的电离层图，黑色五角星代表震中位置，圆形代表震中对应磁共轭点，为后续TEC 变化提供参考。

如图4 所示为2019 年 7 月1 日TEC 异常情况， 只 是 在 2:00 UTC 时， 20°N～47.5°N 和130°E～150°E 出现正异常，TEC 变化率峰值达32%；在 4:00 UTC 时，异常区域随时间向西偏移至15°N～32.5°N 和110°E～150°E，TEC 变化率最大值增加到47.6%；在6:00 UTC 时，分别在20°N～42.5°N和90°E～130°E，7.5°S～20°S 和95°E～125°E 出现2 处正异常分布，且在空间上呈共轭结构，TEC 变化率最大值为53.8%，随后至8:00 UTC 时，异常消失。

图3 地磁平静日区域电离层图

图4 基于滑动差分法获取的2019 年7 月1 日异常日孕震区电离层图

分析图5 为2019 年 7 月7 日TEC 异常情况。在 4:00 UTC 时，震中及磁共轭点上空分别在0°S～15°S 和 135°E～145°E，及 20°N～27.5°N 和120°E～160°E 出现正异常，TEC 变化率峰值达47.5%。随后异常区域向西迁移，强度减弱至8:00UTC 消失。在10:00 UTC 时，孕震区西部再次出现共轭结构的强正异常，异常分布于 2.5°S～17.5°S 和75°E～110°E，以及20°N～35°N 和80°E～110°E，TEC 最大变化率为76.7%。在14:00 UTC时，15°N～22.5°N 和80°E～125°E 出现局部正异常。异常范围呈现先增大后减小趋势，持续至 20:00 UTC 消失，TEC 最大变化率达39.1%。

图5 基于滑动差分法获取的7 月7 日异常日孕震区电离层图

图6 所示为2019 年7 月9 日TEC 异常情况。在6:00 UTC 时，20°N～30°N 和120°E～130°E 出现局部正异常，TEC 变化率最大值为30.6%。在8:00 UTC 时，异常范围增大至北纬（22.5°N～35°N 和100°E～135°E，TEC 变化率最大值为36.9%；同时在其共轭区出现小范围正异常分布。

分析图7 为2019 年7 月11 日TEC 异常情况。在6:00 UTC 时，5°S～15°S 和75°E～105°E 以及17.5°N～30°N 和75°E～125°E 有局部负异常出现，TEC 变化率最大值达42.6%。在8:00 UTC时，2 处异常分别移至2.5°S～12.5°S 和75°E～90°E以及20°N～35°N 和75°E～105°E 处，TEC 变化率最大值为42.6%；随后至10:00 UTC 时，异常消失。

图6 基于滑动差分法获取的7 月9 日异常日孕震区电离层图

图7 基于滑动差分法获取的7 月11 日异常日孕震区电离层图

由图8 可得： 2019 年7 月13 日，在6:00 UTC时， 震 中 及 磁 共 轭 点 西 侧-12.5°S～5°S 和90°E～120°E 以及20°N～30°N 和95°E～115°E 出现局部负异常，TEC 变化率峰值为43.9%；在8:00 UTC 时，2 处异常分别向西移至-17.5°S～2.5°N 和80°E～115°E，以及20°N～30°N 和85°E～110°E 处，TEC 变化率最大值增加至48.2%；在10:00 UTC 时，2 处异常移至-12.5°S～0°N 和 75°E～105°E 以及20°N～27.5°N 和75°E～95°E 处，TEC 变化率最大值减小至40.6%；随后在12:00 UTC 时，异常消失。

图8 基于滑动差分法获取的7 月13 日异常日孕震区电离层图

根据文献[18-19]，震前孕震区会释放氡气等气体使地表大气层发生电离，并被水分子阻止了离子重组，随着大量气体的释放，地表离子浓度增强并形成异常电场。电场进入F 层后，离子受电场和重力波等因素的影响，电子浓度产生异常，并沿磁力线传播，因此导致TEC 扰动现象发生。不过单一的电场机制目前无法解释全部的电离层扰动现象，还需要在未来的研究中对其进行补充，不断完善。

4 结束语

本文以印度尼西亚（0.59°S,128.03°E）矩震级（moment magnitude scale, MW） 7.1 级地震为例，使用震前14 d 的TEC 观测数据，通过设置上下界判定震中位置的TEC 异常，再对震中区域上空电离层扰动时空分布特征分析，得出以下结论：

1）震中在2 个星期时间内，共出现7 次明显异常，分别在2019 年7 月1 日、7 月2 日、7 月7 日、7 月9 日、7 月10 日、7 月11 日和7 月13 日。其中5 次为正异常，1 次为负正交替及1 次为负异常。另外震前第12 天（7 月12 日）和第4 天（7 月10 日）异常由天气和地磁扰动引起。因此地震引发的电离层异常发生于震前2 个星期内，呈现出正异常转负异常的特性：正异常峰值达4.34 个TECU，异常幅度27.27%；负异常峰值达4.61 个TECU，异常幅度为25.69%。

2）在震中区域上空电离层扰动时空分布分析中，多日有局部异常发生。震前第5 天（7 月9 日）之前以正异常为主，震前第3 天（7 月11 日）后转为负异常，与震中格网点异常分析所得结果一致。从时序方面，异常主要发生时间段在2:00—10:00 UTC 之间。异常区域运动轨迹自东向西，在增强过程中转化为共轭结构。

本次研究所得结论部分与前人一致，不同的是发现了异常属性由正转负的特点且有自东向西偏移的趋势。对于扰动最明显区域的位置分析并未得出明确原因，有学者认为孕震区产生附加电场引起磁赤道方向的电子扰动[20]，本文震中所在位置接近磁赤道，故偏移并不明显，这也是下一步要做的工作。目前，地震-大气层-电离层耦合关系并没有统一的解释说明，针对特定断层机制引发的地震前电离层扰动信息的探测可帮助人们更好地理解并佐证这一学说，也为后面的工作例如推测电离层扰动源等做了铺垫。同时提取出的异常特征也可作为地震前兆信息与其他地质、生物等手段相结合而共同应用于地震预报工作当中。

致谢：感谢IGS 中心提供的电离层TEC 数据、美国国家海洋与大气管理局提供的F10.7 数据及日本京都地磁中心提供的Dst 和Ap 指数。