2020年3月西藏改则M S≥5.0地震震前电离层异常特征

刘 江，黄雪影，杨 力，何福秀，姚贤良

（四川省地震局，四川 成都 610041）

震前电离层异常扰动是近年来地震监测预报的研究热点。大量研究结果表明，由地震引起的电离层异常变化确实存在，强震（MS≥5.0）发生前数天到数小时内可能会发生电离层异常扰动，其异常变化具有明显的短临特性（Liuetal，2000；Pulinets，2009）。由于地震短临预报的困难性，地震－电离层预报模式逐渐成为地震监测预报新的研究方向。国内外研究人员对此进行了深入的研究，地震－电离层效应基础理论及电离层异常观测手段等方面均取得了重大进展。在地震－电离层耦合机理方面，目前还处于定性分析阶段，其理论解释主要分为声重波机制和异常电场机制。其中，声重波机制主要以同震和震后效应为主，异常电场机制主要以震前效应为主。后者能较好地解释震前电离层异常扰动现象，认为地震孕育过程中，由地表岩石破裂引起的一系列复杂的物理化学反应，产生大气电场异常，进而叠加作用于电离层，引起电离层电子浓度、电子温度等参量的显著变化（Pulinetsetal，2000；Sorokinetal，2001；Kuoetal，2011）。在电离层异常观测手段方面，地基电离层探测技术已被广泛应用于地震前兆研究。电离层垂直电子浓度总含量（VTEC）和电离层F2层临界频率（foF2）作为电离层特性的重要参量得到研究人员的广泛关注（何宇飞等，2020）。其中，VTEC可通过GNSS台站观测数据反演获取，foF2可通过电离层测高站观测获取。随着科技水平的提高，地基电离层探测技术为地震－电离层异常扰动观测提供了大量可靠的、高精度的观测证据。研究结果表明，强震（MS≥5.0）发生前，上述参量可能会出现不同程度的异常变化（张学民等，2014；刘静等，2014），多参量同步分析可为地震－电离层异常扰动判识提供佐证，对于强震频发地区的震情判定具有重要意义。

青藏高原地区地形复杂，新生代以来（～50 Ma）区域构造活动剧烈，强震活动频繁，一直以来都是研究人员关注的焦点。2020年3月西藏改则县连续发生了2次MS5.0及以上地震（见表1），时间间隔两天，震中位置相距约5 km，构成震群型序列，余震活动丰富（王月等，2020）。本文从时间和空间尺度对两次地震发生前后电离层多个参量的演化特征进行分析，验证电离层异常变化与地震孕育发生的相关性，以期为震前电离层异常效应、地震－电离层监测预报提供震例参考。

表1 2020年3月西藏改则M S≥5.0地震目录（北京时间LT）

1 数据处理及异常检验

1.1 数据处理

本文选取中国地壳运动观测网络（简称“中国陆态网络”）GNSS观测数据、四川乐山垂测站foF2观测数据，分析2020年3月10日、12日西藏改则MS5.0、MS5.1地震震前电离层异常扰动特征。

（1）采用中国陆态网络70个均匀分布的GNSS基准站2020年2月5日至3月20日西藏改则地震前后观测数据，选择球谐函数作为电离层VTEC的拟合模型，建立大规模高精度格网电离层模型（林剑等，2009；蔡华等，2014），利用Bernese软件解算处理（Dachetal，2015），获取中国区域电离层VTEC格网数据（经纬度分辨率1°×1°，时间分辨率2 h），分析地震前后震中及附近区域电离层VTEC变化。

（2）采用震中附近区域GNSS基准站（图1）相同时间段观测数据，通过单站点VTEC解算（王泽民等，2016；熊波，2012）获取地震前后站点上空VTEC数据（时间分辨率15 min），分析地震前后震中附近区域站点上空VTEC时间序列变化。

图1 震中区域GNSS站点分布

（3）选取四川乐山垂测站foF2相同时间段观测数据（时间分辨率15 min），分析地震前后四川乐山垂测站上空foF2时间序列变化（刘江等，2020）。

1.2 异常检验

选用滑动四分位距法提取电离层VTEC、foF2异常信息，选取前15天相同时刻的观测值求取相应四分位距（IQR）及中位数（M），确定异常检验倍数（N），建立上／下边界阈值M±N×IQR，观测值超出上或下边界即视为异常，高于上边界为正异常，低于下边界为负异常。

此外，从二维空间分布上获取西藏改则地震前后区域电离层VTEC异常分布，计算方法如下：

其中ΔTEC为VTEC异常扰动变化量，L1和L2分别为VTEC背景上、下边界阈值，K为待分析时刻VTEC数据。站点VTEC、foF2时间序列变化计算方法同上。

2 资料分析

2.1 空间活动性分析

电离层变化受太阳活动、地磁等空间环境影响，表现出显著的季节性和周日性变化规律。因此，剔除空间环境变化对电离层的影响对于分析震前电离层异常与地震发生的相关性显得尤为重要。其中，赤道环电流地磁指数（Dst）、全球地磁活动指数（KP）和极光带电急流强度指数（AE）用于反映地磁变化，太阳射电通量（F10.7）用于反映太阳活动。本文选取2020年2月20日至3月20日西藏改则地震前后共30天内Dst、KP、AE、F10.7指数变化（图2），其中红色直线为指数阈值（F10.7＝120 sfu、KP＝4、Dst＝－30 nT、AE＝500 nT）。从图2可以看出，F10.7指数在整个时段内稳定在70～80 sfu之间，表明太阳活动对电离层影响相对较小；Dst、KP和AE指数3月19日异常较为明显，可能伴随磁暴及亚暴事件发生，其余时段地磁活动对电离层影响相对较小。

2.2 VTEC数值分析

根据中国区域VTEC格网数据（经纬度分辨率1°×1°），选用滑动四分位距法提取电离层VTEC异常信息，异常检验倍数N＝3，获取西藏改则地震前后区域ΔTEC数值空间分布（图3、图4）。结果发现2020年3月9日和3月11日西藏改则震中附近区域ΔTEC数值空间分布均出现显著正异常。从图3和图4中可以看出，3月9日和3月11日震中上空附近区域电离层ΔTEC显著增强，其变化趋势基本一致，06∶00 UT（14∶00 LT）达到最大，震中均位于异常区域的上边缘，异常持续时间约为4 h。结合空间活动指数变化（图2）发现，3月9日空间活动指数F10.7为71 sfu，KP最大值为2，Dst最小值为－7 nT，AE最大值为195 nT；3月11日空间活动指数F10.7为71sfu，KP最大值为1.7，Dst最小值为4 nT，AE最大值为78 nT。所有指数结果均正常，未超过阈值，因此空间环境变化对这两天的电离层数值影响均不明显。

图2 2020年2月20日至3月20日空间参数时序曲线变化

图3 2020年3月9日02∶00～08∶00 UT区域ΔTEC值分布

图4 2020年3月11日02∶00～08∶00 UT区域ΔTEC值分布

由于太阳活动和地磁变化引起的电离层扰动具有行星特征，而地震引起的电离层异常具有局部性特征，且扰动幅度较小。因此，结合区域ΔTEC值空间分布，3月9日和3月11日出现的电离层异常扰动可能与地震有关。

2.3 站点VTEC时间序列分析

VTEC异常分布可以反映区域电离层异常变化趋势，但其异常分布范围较大，时间分辨率较低，无法准确展示震中区域电离层异常扰动变化。为了获取高时间分辨率VTEC数据，并从时间尺度分析电离层异常扰动与西藏改则地震发生的相关性，本文通过单站点GNSS数据解算获取震中附近区域站点VTEC数据（时间分辨率为15 min），选用滑动四分位距法提取电离层VTEC异常信息，异常检验倍数为N＝3，连续异常检验时长为2 h，分析西藏改则地震前后震中附近区域站点VTEC时间序列变化。图5～6分别给出了2020年2月20日至3月20日西藏区域、川滇区域GNSS站点VTEC时间序列变化。从图5可以看出，西藏昂仁（xzar）、亚东（xzyd）和察隅（xzcy）3个站3月9日和3月11日VTEC正异常显著。其中，3月9日05∶45UT（13∶45 LT）西藏亚东VTEC扰动幅度最大，ΔTEC最大值为11.3 TECU，超出四分位上阈值的58%，3月11日06∶15UT（14∶15LT）西藏察隅VTEC扰动幅度最大，ΔTEC最大值为14.4TECU，超出四分位上阈值的65%，其余时段均未出现明显异常。从图6可以看出，四川甘孜（scgz）、理塘（sclt），云南丽江（ynlj）、姚安（ynya）4个站3月11日VTEC正异常显著。其中，3月11日06∶45UT（14∶45 LT）四川理塘VTEC扰动幅度最大，ΔTEC最大值为17.0 TECU，超出四分位上阈值103%，其余时段均未出现明显异常。结合震中区域GNSS站点分布（图1），西藏昂仁、亚东站点距离震中位置最近，3月9日站点VTEC异常扰动显著，其余站点由于距离较远，异常扰动相对不明显。3月9日和3月11日异常扰动出现后，随即分别发生了西藏改则MS5.0、MS5.1地震，其短临特征明显。

图5 2020年2月20日至3月20日西藏区域站点VTEC时间序列

图6 2020年2月20日至3月20日川滇区域站点VTEC时间序列

2.4 站点fo F2时间序列分析

为验证震前电离层异常与西藏改则地震发生的相关性，并与VTEC异常分布和站点VTEC时间序列进行对比。本文选取四川乐山垂测站点foF2观测数据，选用滑动四分位距法提取电离层foF2异常信息，异常检验倍数N＝1.5，连续异常检验时长为2 h，获取四川乐山站点foF2时间序列，其中黑色垂线表示西藏改则地震发生时刻。从图7可以看出，地震发生前3月9～11日乐山站点foF2时间序列均有异常扰动发生。其中，3月9日14∶00LT foF2扰动幅度最大，ΔfoF2最大值为1.9 MHz，超出四分位上阈值的29%，3月11日15∶00LT foF2扰动幅度最大，ΔfoF2最大值为2.4 MHz，超出四分位上阈值的33%，其它时段异常变化均不明显。该分析结果与VTEC异常分布和站点VTEC时间序列基本吻合。

图7 2020年2月20日至3月20日四川乐山站点f0F2时间序列

综合以上分析，2020年3月9日和3月11日电离层VTEC异常分布、站点VTEC时间序列及站点foF2时间序列均出现显著的正异常，且异常具有明显的独立性、局地性特征，满足地震－电离层异常判定标准。然而，通过查看震例信息发现，2020年3月20日09∶33 LT西藏日喀则市定日县发生了MS5.9地震（震中28.63°N，87.42E°），与西藏改则震中距离约500 km。从发震时间上看，电离层异常扰动出现在西藏定日地震前9～11 d，根据前人的震例统计结果，震前电离层异常显著出现在震前一周；从发震地点上看，西藏定日与西藏改则震中位置相距较远，且西藏定日地震为孤立型地震（张小涛等，2020），与西藏改则地震无明显相关性。因此，本文认为3月9日和3月11日电离层异常扰动与西藏改则MS5.0、MS5.1地震的孕育相关性较大，与西藏定日MS5.9地震无直接相关性。

3 讨论与结论

西藏改则震区位于青藏高原西部地区，羌塘地块南缘，震中附近地球物理观测台站分布稀疏，地球物理监测能力及观测资料有限。本文通过对2020年3月10日西藏改则MS5.0、3月12日MS5.1地震发生前后电离层VTEC异常分布、站点VTEC时间序列变化和站点foF2时间序列变化对比分析，得到以下结论：

（1）电离层VTEC异常分布显示3月9日和3月11日04∶00～08∶00 UT（12∶00～16∶00 LT）震中附近区域均出现显著的正异常，异常持续时间约4 h，异常变化趋势基本一致，震中均位于异常区域的上边缘，临震电离层异常扰动向磁赤道方向偏移，异常特征与地震－电离层耦合特征一致。站点VTEC时间序列和站点foF2时间序列观测到了同步异常，与VTEC异常分布结果基本吻合。鉴于该异常扰动变化在时间及空间上与2020年3月10日、3月12日西藏改则MS5.0、MS5.1地震关系密切，本文认为其与西藏改则地震具有一定的相关性，可能是地震前兆异常，同时进一步佐证了地震－电离层耦合局部性、集中性和显著性特征。

（2）西藏日喀则、阿里地区处于印度板块常年向欧亚板块俯冲的交界处，2020年3月西藏改则MS5.0、MS5.1、西藏定日MS5.9地震作为中强地震，并未超出该区域常态化背景水平。然而，3月10日、3月12日西藏改则MS5.0、MS5.1地震构成震群型序列，其余震活动丰富，并于5月22日、23日在余震区再次发生MS4.8、MS4.7地震，震前电离层异常扰动可能与西藏改则孕震过程中地震破裂带的物理、化学反应有关。3月20日西藏定日MS5.9地震作为孤立型地震，余震活动水平不高，最大余震强度为MS3.4，震前电离层异常扰动并不明显。震前电离层异常扰动是否与地震序列类型有关，是否与地震能量释放过程有关，目前仍然缺乏直接的证据。地震发生过程非常复杂，地震孕育期、临震前、主震及余震中的电离层异常扰动机理还需要深入研究。

（3）震前电离层多参量同步分析可为地震－电离层异常扰动判识提供更多证据，排除单一性、局地性异常，对于区域震情评估具有重要意义。然而，不同参量的观测模式、反演精度、时空差异的对比分析也对地震科研人员提出了新的挑战。未来，随着电离层观测技术水平的不断提高，基于地基和空基电离层探测技术，开展天地一体化联合观测，分析地震前后电离层多参量异常变化，建立多参量时空关联，完善多参量时空演化特征，深入研究地震－电离层耦合机理。

致谢：感谢中国地震局台网中心、中国地震局地震预测研究所为本文提供GNSS台站和电离层垂测站观测数据。