基于阿尔法导航系统记录分析2010年玉树MS 7.1地震异常

钱 庚 杨牧萍

1）中国武汉 430071 中国地震局地震研究所

2）中国武汉 430071 湖北省地震局

3）中国沈阳 110034 辽宁省地震局

0 引言

中国地震活动剧烈，由此造成的地质灾害尤为严重。为降低地震灾害造成的人员伤亡和经济损失，中国长期致力于地震监测预报研究，但由于地震发生的随机性和不确定性，地震预报困难重重且至今尚处于探索阶段。研究人员基于多测项数据，使用不同方法尝试从中提取与地震有关的信息（钱家栋等，1985；徐文耀，1985）。在长期发展中，地震科学领域逐渐形成集测震、形变、电磁、流体等学科为一体的综合性地震预报方法，电磁学即为其中的一种有效的预报手段（丁鉴海等，1988；Hayakawa et al，1994，1999，2002；Hattori，2004），并取得了大量研究成果（Parrot and Mogilevsky，1989；Molchanov，2006；Zhang，2010）。2018 年2 月中国首颗电磁监测试验卫星“张衡一号”发射成功，全球空间电磁观测数据的获取，正式开启了全球7 级以上、中国6 级以上地震空间电磁异常现象的探索工作，标志着我国地震立体观测体系的发展步入新阶段（Shen et al，2020）。

阿尔法导航系统是由苏联研制的地基导航系统，由5 座超长波发射台组成，以多个频段发射大功率人工源超低频（Very Low Frequency，VLF）电波信号（王永林，2000），发射信号可覆盖全球。目前，世界上许多国家建立了用于导航的VLF 发射站，这些VLF 电波在地球表面与电离层的波导中传播，若电离层的高度发生沉降，那么VLF 电波的传播路径就会发生改变，接收数据将随之出现异常扰动（Pulinets and Boyarchuk，2004）。该系统发射台和接收台组合可传输数字信息，基于空间传播路径上获取的VLF 电波异常信号，可进行大范围地震监测工作。

基于上述原理，Gokhberg 等（1989）、Gufeld 等（1992）利用VLF 电波信号研究高加索地区地震电离层信号异常，发现在斯皮塔克地震发生前几天，从留尼汪到莫斯科和鄂木斯克的2 条VLF 电波路径上出现明显的VLF 电波传播异常；Pulinets 等（2019）对2010 年智利8.8 级地震的研究中发现，地震信号导致电离层F2层临界频率（f0F2）观测数据超过背景值2个标准差；Zhao 等（2020）对VLF 信号进行全波模拟，发现我国西部地区2 次7 级以上地震前异常扰动可能由电离层高度变化所致。根据前人研究结果（Hayakawa et al，1996，2010；Hayakawa，2007；Kasahara et al，2008），阿尔法导航系统记录普遍在震前10天内出现异常，表明该系统记录具有较好的地震短临预报效能。本文利用阿尔法导航系统2010 年4 月6日—13 日产出的场强和相位数据，使用滑动四分位方法，基于3 个发射台和3 个接收台组合而成9 条链路上的VLF 电波异常信号，分析2010 年玉树MS7.1 地震前异常特征，并结合地磁“低点位移”现象，研究地震预报效能。

1 阿尔法地震监测网工作原理

2010 年4 月13 日23 时49 分（世界时）玉树MS7.1 地震（33.1°N，96.6°E）发生后，诸多研究涌现，如：Zeren 等（2012）构建了全球空间磁场背景场，并在玉树地震前2 周内提取到超过5 倍标准差的磁场异常扰动；张学民等（2014）分析了玉树地震前地基电离层探测临界频率、电子浓度总含量和卫星探测原位等离子体参量的扰动变化信息，发现在地震前一天多个电离层参量出现同步扰动异常；张学民等（2018）综合地震学、重力场、地球化学、红外、电离层等多参量研究，结果表明多种地球物理参量各自在玉树地震孕育的不同阶段呈现了不同的异常优势特征。文中利用阿尔法导航系统工作原理，结合地磁“低点位移”现象，分析此次地震前异常特征，研究阿尔法导航系统的地震预报效能。

选取阿尔法导航系统新西伯利亚发射台（下文简称主台）、克拉斯诺达尔发射台（下文简称西副台）和哈巴罗夫斯克发射台（下文简称东副台）3 个发射台（图1），基于f1=11.9 kHz、f2=12.6 kHz、f3=14.9 kHz 三个频段的电波信号，利用我国北京、雅安和通海3 个接收台接收信号数据（包含场强和相位，采用世界时格式记录数据，采样率为1 组数据/3 min）。

每个发射台和接收台间的连线均为一条链路，以单条链路为长轴，以R为短轴的一个类似于管道、无障碍物阻挡的区域称为菲涅尔区（Fresnel Zone），即为可探测区域，菲涅尔区是一个椭球体，其椭球第n半径计算公式为

其中，R为第n菲涅尔半径，d为链路长度，λ为发射电波波长，因此菲涅尔区的大小关系到信号接收效果，频率越低椭球短轴越大，探测范围也越大。根据发射台与接收台的位置关系，布设阿尔法导航系统地震监测网，共有9 条VLF 电波传输路径，可用于监测（15°—55°N，40°—135°E）范围内的地震信号（图1）。

图1 阿尔法导航系统地震监测网及地磁低点位移时间站点分布Fig.1 Distribution of seismic monitoring network of Alpha Navigation System and geomagnetic low-point displacement stations

2 数据选取及预处理

根据前人研究结果（Hayakawa et al，1996），VLF 电波信号临震异常尤为明显，因此选用2010 年玉树MS7.1 地震发生前7 天至地震当天，即2010 年4 月6 日—13 日阿尔法地震监测网9 条链路上f1、f2、f3三个频段的VLF 场强和相位数据，编写程序进行格式转换，为增强数据可信度，剔除尖峰、突跳和错误数据，采用滑动四分位法（贾俊平等，2009）进行分析。因阿尔法导航系统和地磁仪器产出数据均以世界时格式记录，故地震信息采用世界时格式。

所选数据整体窗长为8 天（可调节），设步长为3 天，以前3 天的数据为基础计算各时刻的数据中值（Mid）及四分位距（IQR），并以Mid ± IQR 为上下阈值，判断第4 天观测数据是否存在超过阈值的异常现象。窗口每次向后滑动1 天，依次进行滑动四分位分析，直至地震发生当天。在窗口持续滑动过程中，逐天判读数据是否异常。在地震电磁异常提取过程中，为避免地磁环境造成的数据干扰，在Dst≤-30 nT 或Kp≥3 时，数据扰动不计为地震异常。

3 玉树MS 7.1 地震异常

玉树MS7.1 地震（33.1°N，96.6°E）于2010 年4 月13 日23 时49 分（世界时）发生，选取震前7 天内阿尔法导航系统记录的VLF 场强和相位数据，采用滑动四分位方法进行分析，结果表明，相位数据变化稳定，未观测到异常现象；在主台—通海台、西副台—雅安台链路上，f1、f2、f3三个频段的场强数据超阈值异常变化明显，见图1 中2 条紫色虚线，而其他链路均无超阈值现象。主台—通海台和西副台—雅安台2010 年4 月6 日—13 日场强数据四分位分析结果，见图2、图3。

图2 2010 年4 月6 日—13 日主台—通海台场强数据四分位分析Fig.2 Quartile analysis of field strength at Novosibirsk-Tonghai from April 6 to 13,2010

由图2 可见：①f1频段：在7 日、8 日、10 日、12 日和13 日，主台—通海台链路上场强异常现象明显，连续数小时超阈值上、下限，最大超过阈值13.6 μV/m，持续约6小时后恢复至正常阈值区间，具体表现为多段向低值突跳和转折等畸变特征；②f2频段：由于发射信号频率增大，菲涅尔区覆盖区域相对减小，记录的异常扰动幅度较小；③f3频段：数据曲线未记录到异常变化。

由图3 可见，7 日、8 日、12 日异常明显，但由于异常时段地磁环境不平静，无法认定其与地震有关；10 日，f2、f3频段出现持续4 小时超阈值上限现象，异常扰动明显。

图3 2010 年4 月6 日—13 日西副台—雅安台场强数据四分位分析Fig.3 Quartile analysis of field strength at Krasnodar-Ya’an from April 6 to 13,2010

由2010 年4 月1 日—15 日地磁指数Dst与Kp的变化（图4）可知，7 日、8 日和12 日VLF 场强异常期间，Dst＜-30 nT，表明VLF 场强异常可能由地磁环境造成，无法认定为地震孕育期间产生的异常信号；10 日（震前3 天）和13 日（震前23 小时）数据异常期间地磁指数变化平静，VLF 场强异常可能由地震孕育期间产生的异常信号导致，且随着频率的增大，该异常扰动逐渐消失，与电波通过菲涅尔区的理论吻合。

图4 2010 年4 月1 日—15 日Dst 与Kp 指数Fig.4 Indexes of Dst and Kp from April 1 to 15,2010

据上述分析可知，在阿尔法地震监测网的9 条链路上，仅主台—通海台和西副台—雅安台链路上出现场强数据异常。由图1 可知，2 条链路与此次玉树地震震中距离较近，易接收到地震信号。为进一步验证该震前异常现象，结合地磁“低点位移”异常现象进行分析。

地磁“低点位移”（丁鉴海等，1988）是指，一个大区域的台站地磁垂直分量日变化极小值出现时间（即低点时间）明显与另一个大区域的台站不同，即形成两侧低点时间相差2小时以上的突变分界线，而发震地区在突变分界线附近，发震时间在“低点位移”出现2 个月内。为此，选取2010 年2 月12 日至4 月12 日国家地磁台网中心76 个地磁台观测的地磁垂直分量分钟值，分析玉树地震前60 天地磁“低点位移”现象，统计每日极小值出现时间（图1）。研究发现，在2010 年2 月25 日，即玉树地震前47 天，地磁垂直分量出现一条明显的“低点位移”线，见图1 中红色实线。由图1 可见，此次玉树地震震中位置处于该“低点位移”分界线与2 条异常链路（图1 中紫色虚线所示）的交叉处附近。

综上可知，“低点位移”的出现具有震前2 个月左右的预报效能，且预报的震中位置范围较大，无法给出准确的短临预报信息。在“低点位移”预报方法的基础上，结合阿尔法地震监测网的异常链路，可进一步提高发震时刻和震中位置的预测精度。

4 结论与讨论

基于阿尔法导航系统工作原理及布设的地震监测网，分析2010 年玉树MS7.1 地震前出现的异常现象。结合VLF 电波空间传播理论及其异常产生机理，对此次地震前7 天至地震当天9 条链路上的场强和相位数据进行滑动四分位分析，结合“低点位移”现象，得到如下结论：

（1）玉树地震前3 天和震前23 小时地磁环境平静时段，在主台—通海台链路上，在f1频段，场强数据异常扰动明显，表现为超阈值低值异常，最大扰动幅度超阈值13.6 μV/m，持续时间1—6 小时不等，而在f2频段，数据异常特征不明显；同时，在震前3 天，在f2、f3频段，西副台—雅安台链路上场强数据异常表现为持续4 小时超阈值上限扰动；其他链路场强数据均未出现明显异常。

（2）异常扰动探测范围与VLF 电波信号的发射频率有关。频率大的信号传播中的菲涅尔区域小，使得有效探测范围减小，进而导致部分异常信号无法被记录到。

（3）玉树MS7.1 地震前47 天出现一条明显的地磁“低点位移”分界线，结合地磁“低点位移”现象与出现的位置和时间，玉树MS7.1 地震震中恰位于“低点位移”分界线与异常链路的交点附近，且在场强数据异常数天后发震，说明异常链路结合地磁“低点位移”现象的方法，对于地震的发生时刻与震中位置具有较好的预报效能。

在2010 年4 月13 日玉树MS7.1 地震震前数据分析中发现，利用阿尔法导航系统产出的VLF 电波场强数据异常和地磁“低点位移”现象相结合的方法，可提取震前异常，并进一步提高了预报精度。由于在1 次地震中的应用无法有效说明所用方法的可靠性，尚需积累更多震例和数据来证实研究方法的可靠性。在后续工作中，将采用定量分析方法，分析传播路径上记录的VLF 电波异常信号特征与地震三要素的定量关系，探索异常信号的产生及传播机理。