閆相相，單新建，曹晉濱，湯吉

1地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029

2中國石油大學(xué)（華東）地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，青島 266580

3北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院，北京 100191

1 引言

近年來，隨著空間對地觀測技術(shù)的發(fā)展，有關(guān)地震電磁電離層擾動(dòng)的研究成為熱點(diǎn).主要集中在低頻電磁輻射（VLF／ELF／ULF）和等離子體（電子濃度、離子濃度、電子溫度、離子溫度等）參量的觀測與研究.在大量震例研究的基礎(chǔ)上，關(guān)于地震電離層耦合機(jī)制的研究也有一定進(jìn)展，主要概括為三種途徑：電磁途徑、化學(xué)途徑、聲學(xué)途徑（Hayakawa et al.，2004）.當(dāng)然，圍繞著地震電離層擾動(dòng)的研究目前仍存在一些爭議.一方面，目前對強(qiáng)震電離層異常震例資料的積累仍不夠充分，尤其是天基資料；另一方面，由于巖石圈－大氣層－電離層耦合過程的復(fù)雜性，加之電離層本身有著復(fù)雜的周日變化，如何確定不同形態(tài)的電離層擾動(dòng)是否與地震有關(guān)等.

從第一個(gè)衛(wèi)星觀測實(shí)例，即Alouette－1衛(wèi)星觀測到1964年Alaska大地震震前電離層臨界頻率顯著增高（Davis et al.，1965）開始，有關(guān)衛(wèi)星上觀測到與地震相關(guān)的電離層異常信息的報(bào)道陸續(xù)發(fā)表.Larkina等（1989）利用Intercosos－19衛(wèi)星數(shù)據(jù)對39個(gè)M＞5.5級、深度＜60km的地震進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析時(shí)發(fā)現(xiàn)震前存在低頻（0.1～16kHz）電磁波輻射增強(qiáng)現(xiàn)象；Hayakawa等（2000）在利用Intercosmos－24衛(wèi)星的3000多個(gè)軌道數(shù)據(jù)對等離子體密度與地震活動(dòng)的相關(guān)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究時(shí)發(fā)現(xiàn)明顯的相關(guān)性只發(fā)生在LT10～16h，高度在500～700km的磁平靜條件下；Molchanov等（2002）基于IK－24衛(wèi)星數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析了位于赤道附近的50個(gè)M≥6級的地震時(shí)發(fā)現(xiàn)，在500～800km高度地震引起的電離層赤道異常駝峰附近的等離子體密度發(fā)生異常變化.

法國DEMETER衛(wèi)星于2004年6月29日發(fā)射，2010年12月9日停止科學(xué)數(shù)據(jù)的接收.其主要科學(xué)目標(biāo)是研究與地震有關(guān)的電離層擾動(dòng)信息以及探測全球尺度的電磁環(huán)境.衛(wèi)星采用準(zhǔn)太陽同步圓形軌道，軌道高度710km（2005年12月調(diào)整為660km）.衛(wèi)星有效載荷包括：電場探測儀（ICE，Instrument Champ Electrique）（Berthelier et al.，2006a）、感應(yīng)式 磁 力 儀（IMSC，Instrument Magnetic Search Coil）（Parrot et al.，2006a）、等離子體分析儀（IAP，Instrument d′Analyse du Plasma）（Berthelier et al.，2006b）、Langmuir探 針（ISL，Instrument Sonde de Langmuir）（Lebreton et al.，2006）和 高 能 粒 子 探 測儀（IDP，Instrument for the Detection of Particle）（Sauvaud et al.，2006）.其中ISL載荷用來觀測電離層等離子體的電子濃度（Ne）（102～5×106cm－3）和電子溫度（Te）（600～10000K）.

國內(nèi)外已經(jīng)逐漸有大量學(xué)者利用DEMETER衛(wèi)星各載荷數(shù)據(jù)開展地震電離層效應(yīng)研究（曾中超等，2009；李新喬等，2010；張學(xué)民等，2010；朱濤等，2011；劉靜等，2011；張振霞等，2012；澤仁志瑪?shù)龋?012；萬劍華等，2012；Parrot et al.，2006a；Sarkar et al.，2007；Zhang et al.，2012）.Parrot等（2006）探討了幾次地震活動(dòng)前DEMETER衛(wèi)星記錄的電磁波和電離層等離子體的擾動(dòng)特征；Sarkar等（2007）利用ISL和IAP載荷數(shù)據(jù)分析比較了三次地震前的電離層不規(guī)則特性和中緯度區(qū)域異常特征；Zhang等（2012）則利用ICE載荷數(shù)據(jù)對2005—2010年間全球69個(gè)7級以上強(qiáng)震進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)其中32個(gè)地震前震中2000km范圍內(nèi)存在ULF和ELF波段的靜電擾動(dòng)現(xiàn)象.劉靜等（2011）對2010年2月27日智利8.8級地震研究時(shí)發(fā)現(xiàn)震前多天DEMETER衛(wèi)星都觀測到了不同程度的電子濃度擾動(dòng)現(xiàn)象.此外，He等（2011）利用ISL載荷統(tǒng)計(jì)分析了2006—2009年間全球5級以上地震前的電子濃度異常變化特征，總結(jié)了Ne變化與震中地理位置（南北半球）、地震類型（陸地和海域）和震源深度的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，取得了一定的結(jié)論.然而值得注意的是，Heki（2011）和Cahyadi等（2013）的近期研究結(jié)果表明7級以上地震前的電離層電子濃度變化較為明顯，因此本文將著重探討7級以上強(qiáng)震前電離層電子濃度的異常變化特征.

2 數(shù)據(jù)情況

2.1 DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)

由于DEMETER衛(wèi)星在發(fā)射伊始的半年和最后停止接收科學(xué)數(shù)據(jù)前的半年存在軌道不全和數(shù)據(jù)接收不穩(wěn)定等因素，本文著重收集了2005－01－01—2009－12－31期間的DEMETER衛(wèi)星ISL探測器上的電子密度Ne數(shù)據(jù).由于夜間電離層變化較白天更為寧靜，有利于捕捉跟地震有關(guān)的擾動(dòng)信息，因此本文只選取了升軌數(shù)據(jù)進(jìn)行分析（升軌數(shù)據(jù)對應(yīng)地方時(shí)的夜晚）.此外，由于衛(wèi)星姿態(tài)調(diào)控、載荷的開關(guān)以及載荷的定標(biāo)等事件會(huì)影響觀測數(shù)據(jù)，我們根據(jù)DEMETER衛(wèi)星科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的輔助數(shù)據(jù)文件剔除了在這期間記錄有誤的軌道數(shù)據(jù).

2.2 地震事件

選取的地震事件為2005－01－01—2009－12－31期間全球7.0級以上地震，數(shù)據(jù)來自USGS（http：／／earthquake.usgs.gov／regional／neic／）.為了盡可能排除地磁活動(dòng)的影響，去除在此期間所有磁暴日（Dst指數(shù)≤－40nT或一天內(nèi)Dst指數(shù)降幅＞40nT）以及4天內(nèi)的地震事件.此外，也去除了同一時(shí)期（15天內(nèi)）同一地理位置的地震事件（Le et al.，2011）.根據(jù)以上條件，得到符合條件的地震事件共40個(gè).其中還需要去除DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)缺失的3個(gè)震例，最后統(tǒng)計(jì)分析的震例共計(jì)37個(gè)（圖1）.

圖1 2005年到2009年全球37個(gè)7.0級以上地震事件震中分布藍(lán)色圓圈表示觀測到異常的19次地震事件，紅色圓圈表示未見明顯異常的地震事件Fig.1 Epicenter distribution of the selected 37earthquakes with a magnitude above 7.0during January 2005to December 2009 Blue circles represent the events with electron density perturbations while the red circles indicate the events without the disturbance.

3 數(shù)據(jù)分析與結(jié)果

3.1 數(shù)據(jù)分析方法

研究表明，不同震級對應(yīng)孕震區(qū)的范圍不同，并存在經(jīng)驗(yàn)公式R＝100.43M（R是孕震區(qū)半徑，M為震級）（Dobrovolsky et al.，1979）.針對本文的37個(gè)地震事件，其孕震區(qū)半徑約為：1000km（7.0級）～4500km（8.6級）.首先，需要根據(jù)震中位置來確定研究區(qū)域，即以震中為中心，參考地震的震級大小，將經(jīng)度和緯度分別加減一定度數(shù)，形成一個(gè)矩形區(qū)域.此外，還需要保證研究區(qū)域內(nèi)每天至少有一條軌道經(jīng)過.所以，本文中我們選取的研究區(qū)域?yàn)椋壕暥取?5°，經(jīng)度±20°，并以1°×1°進(jìn)行網(wǎng)格劃分.鑒于電離層擾動(dòng)信息的短臨特性，設(shè)定分析時(shí)段為震前7天，震后1天，共9天的軌道數(shù)據(jù).這較He等（2011）中的震前30天作為分析時(shí)段更為合理.考慮到電離層電子濃度具有較為顯著的年變化和季節(jié)變化，將分析時(shí)段前后一個(gè)季度內(nèi)數(shù)據(jù)作為背景數(shù)據(jù)（去除磁暴日數(shù)據(jù)）.同樣將背景數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化，計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格的中值作為背景場（Ne）.進(jìn)而分析每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)所有軌道數(shù)據(jù)相對與背景值的變化（ΔNe／Ne）.

我們以2007年9月28日（22.013°N，142.668°E）Mw7.5級地震為例具體說明.按照以上分析原則，研究區(qū)域?yàn)椋壕暥龋?°N—37°N），經(jīng)度（123°E—163°E）；分析時(shí)段為2007年9月21—29日（9月22日和25日數(shù)據(jù)缺失），背景時(shí)段為2007年9月—10月期間去除分析時(shí)段和磁暴日的其他時(shí)段（9月6日無數(shù)據(jù)，9月20日Dst降幅超過40nT，10月25和26日Dst＜－40nT，去除）.分別將分析時(shí)段和背景時(shí)段經(jīng)過研究區(qū)域的各軌道數(shù)據(jù)以1°×1°進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以相應(yīng)的時(shí)間窗按克里金（Kriging）方法進(jìn)行插值，克里金插值考慮了數(shù)據(jù)的空間結(jié)構(gòu)，能夠較好地反映數(shù)據(jù)自身的特性，尤其在數(shù)據(jù)稀少時(shí)其優(yōu)勢更加明顯.最后，計(jì)算背景時(shí)段每個(gè)網(wǎng)格的中值作為背景場，并求得分析時(shí)段相對于背景值的變化.圖2a顯示的分析時(shí)段Ne數(shù)據(jù)網(wǎng)格化后的分布情況，圖2b則顯示的是背景時(shí)段的中值.

圖2 2007年9月28日地震前震中附近區(qū)域電離層電子密度分布（a）；背景電子濃度分布（b）（三角形表示震中位置）Fig.2 Map of Ne around epicenter before Mw7.5earthquake on September 28in 2007（a）；Map of reference background Ne around epicenter（b）.Black triangle indicates the epicenter

圖3 2005年3月28日蘇門答臘地震前震中附近區(qū)域電離層電子密度相對于背景值的變化（ΔNe／Ne）；三角形表示震中位置Fig.3 Map ofΔNe／Ne around epicenter before Sumatra Mw8.6earthquake on March 28in 2005.Black triangle indicates the epicenter

3.2 典型震例對比分析

本節(jié)重點(diǎn)選取了分別位于赤道附近、中低緯和中高緯的三次典型地震，進(jìn)行對比分析.一方面可以作為電子濃度異常信息提取的具體實(shí)例詳細(xì)闡述，另一方面可以分析不同條件下（緯度、震級、地磁環(huán)境等）的震前電子濃度擾動(dòng)異同.

3.2.1 2005年3月28日蘇門答臘Mw8.6地震

根據(jù)3.1中所述的異常提取方法，以3月22—29日為分析時(shí)段，以3月和4月地磁活動(dòng)平靜日為背景時(shí)段，分析震中區(qū)域電子濃度相對于背景時(shí)段的變化情況.如圖3所示.可以看出，在98°E—106°E和8°N—25°N、91°E—97°E和10°N—22°N兩個(gè)范圍內(nèi)電子濃度明顯增強(qiáng)，最大增幅分別達(dá)到2.8×100%和2.6×100%.

進(jìn)一步地，我們逐一分析了3月22—29日期間的Ne全球軌道散點(diǎn)圖，發(fā)現(xiàn)3月25日和28日兩天在震中附近電離層電子濃度明顯偏高.為了分析震前電離層電子濃度擾動(dòng)和磁暴期間電離層電子濃度擾動(dòng)的異同，我們選取一次中等磁暴日3月14日（Dst指數(shù)－45nT）和25日、28日的電子濃度變化情況進(jìn)行對比分析.圖4顯示的是2005年3月14日、25日和28日Ne全球軌道數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖，其中3月25日部分軌道數(shù)據(jù)缺失.可以看出，3月14日受到地磁活動(dòng)的影響，DEMETER衛(wèi)星可以監(jiān)測到全球范圍內(nèi)的Ne擾動(dòng)情況，Ne峰值達(dá)到7×104～1×105cm－3；3月25日和28日則是在震中附近的兩條軌道觀測到明顯的Ne增強(qiáng)現(xiàn)象，其他軌道Ne峰值偏低.我們分別選取了3月14日3705＿1、3月25日3871＿1和3月28日3915＿1三 條 軌 道，對 比分析它們的Ne變化曲線，如圖5所示.三條軌道都顯示了在電離層中低緯地區(qū)電子濃度典型的單峰變化結(jié)構(gòu).其中軌道3705＿1在2°S—24°S出現(xiàn)了明顯的擾動(dòng)，擾動(dòng)峰值達(dá)到1×105cm－3；軌道3871＿1（震前4天）在6°N—14°N出現(xiàn)擾動(dòng)，峰值達(dá)到7.5×104cm－3；軌道3915＿1（震前約20min）在7°N—16°N出現(xiàn)擾動(dòng)，峰值達(dá)到6.5×104cm－3.

綜合以上分析，我們認(rèn)為由于受到3月25日和28日的擾動(dòng)影響，震中附近區(qū)域電離層電子濃度出現(xiàn)了明顯的增強(qiáng)（圖3）.考慮到3月25日地磁活動(dòng)達(dá)到活躍水平，且DEMETER衛(wèi)星經(jīng)過震中位置時(shí)刻（15UT）的Dst指數(shù)達(dá)到－21nT，應(yīng)該說地磁活動(dòng)的影響對此也有一定貢獻(xiàn)，所以在震中附近出現(xiàn)的電子濃度增強(qiáng)從范圍和幅度上都較3月28日更大.

圖4 2005年3月14日、25日和28日Ne全球軌道數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter diagrams of electron density in the world on March 14，25and 28，respectively

3.2.2 2007年9月28日太平洋海域Mw7.5地震

圖2中已經(jīng)顯示了此次地震前分析時(shí)段和背景時(shí)段的Ne分布特征.我們同樣得到震中區(qū)域電子濃度相對于背景時(shí)段的變化情況（圖6）.可以看出，在137°E—145°E和5°S—20°N范圍內(nèi)電子濃度比較背景時(shí)段數(shù)據(jù)有明顯增強(qiáng)，增強(qiáng)幅度（1～2）×100%.此外，電子濃度增強(qiáng)的范圍相對震中向赤道方向有一定程度的偏移.

同樣，我們將此次地震前9月21—30日共9天的軌道數(shù)據(jù)逐一分析，發(fā)現(xiàn)9月24日震中附近電離層電子濃度較其他區(qū)域明顯偏高，其他日期電子濃度變化較為穩(wěn)定.圖7顯示了9月24日Ne全球軌道數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖和震中附近軌道17245＿1的Ne變化曲線.可以看出，9月24日在震中附近的兩條軌道17245＿1和17246＿1電子濃度偏高，達(dá)到3.8×104cm－3；此外全球其他軌道除17242＿1外，電子濃度峰值變化不大.而圖7b中可以看出電離層電子濃度在中低緯地區(qū)同樣呈現(xiàn)單峰變化結(jié)構(gòu)，在靠近赤道的區(qū)域，緯度5°S—20°N范圍內(nèi)峰值達(dá)到3.8×104cm－3.

圖5 2005年3月14日3705＿1軌道（a）、3月25日3871＿1軌道（b）和3月28日3915＿1軌道（c）Ne變化曲線Fig.5 Electron density curves along the orbit 3705－1on March 14（a），3871－1on March 25（b）and 3915－1on March 28（c），respectively

3.2.3 2008年7月5日Mw7.7地震

在本文中統(tǒng)計(jì)的37個(gè)震例中，緯度在±40°以上的地震共有6個(gè)（圖1），其中震前能夠觀測到較為明顯的電子濃度擾動(dòng)的只有此次地震.在其他的幾次地震中，2008年4月12日和2007年9月30日兩次地震（表1）所在的高緯度研究區(qū)域中軌道數(shù)據(jù)較少，基本上很難捕捉電子濃度的變化信息；而2007－01－13、2009－07－15以 及2009－01－15三 次 地 震前則沒有發(fā)現(xiàn)明顯電子濃度擾動(dòng)現(xiàn)象.

同樣分析7月1—6日（6月28—30日軌道數(shù)據(jù)缺失）震中區(qū)域電子濃度相對于背景時(shí)段的變化可知（圖8），在震中東南側(cè)152°E—160°E和37°N—51°N范圍內(nèi)子濃度較背景數(shù)據(jù)有微弱的增強(qiáng)，增強(qiáng)幅度（0.2～0.45）×100%.進(jìn)一步分析7月1～6日每一天的軌道數(shù)據(jù)，圖9顯示的是7月5日Ne全球軌道數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖和震中附近軌道21430＿1的Ne變化曲線.可以看出，電離層電子濃度呈現(xiàn)雙峰變化的結(jié)構(gòu)；21430＿1軌道顯示的是7月5日震后約9h DEMETER衛(wèi)星過境時(shí)的數(shù)據(jù)情況，北半球震中上空峰值明顯較其它軌道增強(qiáng)，達(dá)3×104cm－3.

總結(jié)以上三次震例，可以看出，DEMETER衛(wèi)星記錄的數(shù)據(jù)在赤道和中低緯地區(qū)更容易觀測到明顯的電子濃度擾動(dòng)，而中高緯地區(qū)一般不利于觀測震前電子濃度變化；地震引起的電離層電子濃度異常區(qū)域一般和孕震區(qū)有關(guān)，而地磁擾動(dòng)時(shí)的電離層異常一般具有全球性的特征，這與前人結(jié)論也基本一致（歐陽新艷等，2011）.此外，從圖3、6和8結(jié)果來看，基本上觀測到的電子濃度異常區(qū)在緯度上都偏離震中約5°～10°左右，并且在中高緯地區(qū)向赤道方向偏移.這與電磁信號在大氣層、電離層中的傳播路徑有關(guān).研究表明，孕震區(qū)激發(fā)的低頻電磁輻射傳播至低軌衛(wèi)星位置有兩種可能路徑（Pulinets et al.，2004）.一種是電磁波由地下擴(kuò)散到大氣－電離層波導(dǎo)，沿波導(dǎo)傳播并向上擴(kuò)散到達(dá)衛(wèi)星位置.另一種是電波擴(kuò)散到大氣－電離層波導(dǎo)后，沿波導(dǎo)傳播至接收點(diǎn)的“磁共軛點(diǎn)”，然后沿地磁場磁力線方向傳播，經(jīng)過高電離層和磁層到達(dá)衛(wèi)星位置.后一種傳播方式稱為“哨聲?！眰鞑ィㄅ送祝?004）.由于磁力線形態(tài)、衛(wèi)星觀測狀態(tài)等影響，一方面會(huì)導(dǎo)致異常區(qū)偏離震中區(qū)一定范圍，即在高緯和中緯地區(qū)會(huì)向赤道方向偏移；同時(shí)也在一定程度上放大了擾動(dòng)的區(qū)域范圍.

圖6 2007年9月28日地震前震中附近區(qū)域電離層電子密度相對于背景值的變化（ΔNe／Ne）（三角形表示震中位置）Fig.6 Map ofΔNe／Ne around epicenter before Mw7.5 earthquake on September 28in 2007.Black triangle indicates the epicenter

圖8 2008年7月5日地震前震中附近區(qū)域電離層電子密度相對于背景值的變化（ΔNe／Ne）（三角形表示震中位置）Fig.8 Map ofΔNe／Ne around epicenter before Mw7.7 earthquake on July 5in 2008.Black triangle indicates the epicenter

圖7 （a）2007年9月24日Ne全球軌道數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖；（b）17245＿1軌道Ne變化曲線Fig.7 （a）Scatter diagrams of electron density in the world on September 24，2007；（b）Electron density curve along the orbit 17245－1

表1 利用DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析的2005年1月1日到2009年12月31日全球37個(gè)Mw7.0級及以上地震電離層電子濃度異常統(tǒng)計(jì)表Table 1 Summary of anomalous information in electron density related to strong earthquakes during January 2005to December 2009

3.3 震例統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

分析圖1中37個(gè)地震事件，將異常情況統(tǒng)計(jì)在表1中，并將其標(biāo)識(shí)在圖1中（藍(lán)色圓圈）.表1中從左至右分別顯示了地震時(shí)間（世界時(shí)）、震級（Mw）、震中位置（°E，°N）、震源深度（km）、異常時(shí)間（ΔT）、異常范圍（°E，°N）、異常幅 度（包 括ΔNe／Ne和ΔNe）以及Dst指數(shù).結(jié)果顯示，19個(gè)地震前出現(xiàn)了較為明顯的電子濃度異常擾動(dòng)現(xiàn)象，占所有地震事件的51%；其中異常出現(xiàn)在地震前的事件共14個(gè)，出現(xiàn)在震后的有5次；電子濃度出現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)象的事件占18個(gè)，只有汶川地震前發(fā)現(xiàn)了電子濃度降低的現(xiàn)象；震前出現(xiàn)兩次及以上擾動(dòng)現(xiàn)象的震例共5個(gè).有關(guān)汶川地震前DEMETER衛(wèi)星的監(jiān)測結(jié)果，國內(nèi)外已經(jīng)有了較為全面的研究（Zhang et al.，2009；Akhoondzadeh et al.，2010；閆相相等，2012；Yan et al.，2013），都明確指出了汶川地震前DEMETER衛(wèi)星監(jiān)測到了電離層電子濃度降低的現(xiàn)象，與我們的計(jì)算結(jié)果基本一致，在此不再贅述.

結(jié)合圖1與表1結(jié)果可知，除2008年7月5日Mw7.7地震外，其它異常震例都發(fā)生在緯度±40°以內(nèi)，更是以±20°內(nèi)居多；在所有異常地震中，有1次深源地震（＞300km），5次中源地震（70～300km），多數(shù)為淺源地震（0～70km），而震源深度對電子濃度擾動(dòng)幅度的影響并不明顯；絕大部分異常地震都發(fā)生在環(huán)太平洋地震帶的板塊邊界，并且多為海域地震.進(jìn)一步地，我們異常頻次、空間分布以及震級大小與擾動(dòng)幅度的關(guān)系等結(jié)果表示在圖10中.分析可知，異常大多發(fā)生在震前0～5天，較好的體現(xiàn)了電離層擾動(dòng)的短臨特征；電子濃度在震中附近區(qū)域有顯著的增強(qiáng)效應(yīng)，增強(qiáng)較為明顯的范圍集中在緯度向±10°，經(jīng)度向則更廣一些，增強(qiáng)幅度0.4～0.8.此外，圖10b表明震級大小與擾動(dòng)幅度有較好的正相關(guān)，基本上震級越大擾動(dòng)幅度越大.

表1中最右側(cè)表示觀測到的異常軌道過境時(shí)刻Dst指數(shù)大小，可以看出有少數(shù)地震前異常發(fā)生的當(dāng)天地磁活動(dòng)達(dá)到活躍水平，其它則都表現(xiàn)為地磁平靜.3.2.1節(jié)中我們已經(jīng)提到，3月25日的電子濃度擾動(dòng)幅度較大，可能也受到地磁活動(dòng)的影響.同樣看到2005年9月26日Mw7.5級地震當(dāng)天和前幾天監(jiān)測到了幾次較為明顯的電子濃度增強(qiáng)現(xiàn)象.然而，2005年9月太陽和地磁活動(dòng)水平較高，雖然9月22～26日Dst指數(shù)沒有達(dá)到我們限定的－40nT，但是基本維持在－20nT上下.一方面我們提取的震前幾次擾動(dòng)信息都存在區(qū)域性，跟地震活動(dòng)有較好的空間關(guān)聯(lián)，但是另一方面擾動(dòng)幅度與其它處于地磁平靜期的震例相比增幅較大，可以認(rèn)為這些電子濃度擾動(dòng)同樣受到了地磁活動(dòng)作用的影響.

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

對比前人的相關(guān)研究結(jié)果，He等（2011）利用DEMETER衛(wèi)星ISL載荷統(tǒng)計(jì)分析了2006—2009年間全球5級以上地震前的電離層電子濃度異常變化，發(fā)現(xiàn)電子濃度在震中附近出現(xiàn)增強(qiáng)，并指出異常隨著震級的增大而增強(qiáng)；Li等（2012）和Parrot等（2012）基于DEMETER衛(wèi)星IAP載荷數(shù)據(jù)對震前離子濃度（Ni）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后發(fā)現(xiàn)，離子濃度擾動(dòng)同樣以增強(qiáng)為主，擾動(dòng)幅度與震級大小也存在正相關(guān)，而且發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)離子濃度擾動(dòng)的震例以海域地震居多；劉靜等（2013）對國內(nèi)MS6.0級以上地震前的等離子體參量異常統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示，異常時(shí)間為1～7天，異?？赡艹霈F(xiàn)在震中東西兩側(cè)，而且多向磁赤道偏移.以上結(jié)論與本文的研究結(jié)果較為一致.值得注意的是，He等（2011）的研究結(jié)果指出電子濃度異常區(qū)域在北半球向北偏移，在南半球向南偏移.而本文研究結(jié)果則表明觀測到的電子濃度異常區(qū)在緯度上都偏離震中約5°～10°左右，并且在中高緯地區(qū)向赤道方向偏移，這與孕震區(qū)激發(fā)的低頻電磁輻射在大氣層、電離層中的傳播路徑（Pulinets et al.，2004；潘威炎，2004）是一致的.

強(qiáng)震孕育的過程中是如何激發(fā)電離層高度電子濃度異常擾動(dòng)的呢？我們試圖從以下兩方面來解釋強(qiáng)震前可能導(dǎo)致電離層電子濃度變化的成因.

在強(qiáng)震孕育的過程中，孕震區(qū)中巖石受到應(yīng)力作用，晶體結(jié)構(gòu)變形，可以產(chǎn)生電子電荷載體（positive holes）和電流.而這種p－h(huán)oles因應(yīng)力的積累被激活，進(jìn)而傳播到周圍的巖體中并到達(dá)地表

（Freund et al.，2004；Takeuchi et al.，2006）.

在地表發(fā)生O2→O2＋＋e－作用，形成一個(gè)正的地面電動(dòng)勢，產(chǎn)生向上的垂直擾動(dòng)電場E和電流J，并通過大氣層穿透到電離層.傳到電離層高度的擾動(dòng)電場E對電離層主要產(chǎn)生兩種作用，一種是E×B漂移作用（Kuo et al.，2011），另一種是激發(fā)聲重波（acoustic gravity waves，AGW）而導(dǎo)致電離層變化（Hegai et al.，2006）.一方面，擾動(dòng)電場滲透到電離層高度后，與磁場作用形成E×B漂移.東向電場時(shí)，通過E×B電子向上運(yùn)動(dòng)，會(huì)引起電離層抬高，峰值密度增大.西向電場時(shí)，則E×B方向向下，電離層降低，峰值密度減少.所以針對不同地區(qū)的地震、同一地震的不同時(shí)刻，震前電離層電子濃度可能出現(xiàn)正異常也可能出現(xiàn)負(fù)異常.Kuo等（2011）計(jì)算得到地震斷層帶中巖石電流密度為0.2～10μA／m2所產(chǎn)生的地表電荷可以引起電離層電子濃度變化幅度達(dá)2%～25%.另一方面，擾動(dòng)電場在電離層高度激發(fā)AGW（Liperovsky et al.，1992），產(chǎn)生大氣壓強(qiáng)的擾動(dòng)，造成中性粒子運(yùn)動(dòng)，形成中性風(fēng)擾動(dòng)分量，也可以造成對電離層峰值高度和峰值密度的改變.需要注意到，DEMETER衛(wèi)星軌道高度660 km，處于電離層峰值以上（topside），其原位測量的電子濃度受到電離層E×B的效應(yīng)與地面臺(tái)站觀測結(jié)果存在一定的差異，這也造成了震前DEMETER衛(wèi)星觀測到的電子濃度與GPS觀測的TEC的變化特征存在一定的異同.

本文研究表明，發(fā)生異常的地震大多發(fā)生在環(huán)太平洋地震帶的板塊邊界，并且以海域地震為主（圖1），考慮到如果是巖層破裂、應(yīng)力積累導(dǎo)致的巖層介電常數(shù)改變等引起的電磁異常，有可能會(huì)被海洋屏蔽，因?yàn)楫?dāng)電磁波在水中傳播時(shí)將快速衰減，很難穿透海水到達(dá)大氣層和電離層.盡管海水可以吸收電磁波，但它可以很好的傳遞機(jī)械運(yùn)動(dòng).強(qiáng)震前沿著板塊邊緣發(fā)生的緩慢錯(cuò)動(dòng)可能會(huì)在海水中激發(fā)長周期機(jī)械波，從而擾動(dòng)大氣層，進(jìn)而以聲波方式傳播到電離層底部（Ducic et al.，2003；Heki et al.，2006；Zhang et al.，2012），激發(fā)電離層電場及等離子體參量擾動(dòng)，這類機(jī)械波在海水中的傳播耦合機(jī)理已經(jīng)有很多現(xiàn)象可以證實(shí)，如臺(tái)風(fēng)及地震發(fā)生時(shí)激發(fā)的海嘯等.Zhang等（2012）在利用DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析2005—2010年間全球69個(gè)7級以上強(qiáng)震的靜電擾動(dòng)現(xiàn)象時(shí)，就發(fā)現(xiàn)其中存在ULF和ELF波段的靜電擾動(dòng)現(xiàn)象的多為海域地震.

4.2 結(jié)論

本文基于法國DEMETER衛(wèi)星ISL載荷數(shù)據(jù)，對2005—2009年全球37個(gè)7.0級以上地震前電離層電子濃度變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.主要結(jié)論如下：

（1）共有19個(gè)地震（51%）前觀測到了較為明顯的電子濃度異常擾動(dòng)現(xiàn)象，其中電子濃度大部分表現(xiàn)為異常增強(qiáng)；異?，F(xiàn)象大部分出現(xiàn)在震前1～5天內(nèi)；震前出現(xiàn)兩次及以上擾動(dòng)事件的地震也較為常見，一方面表明強(qiáng)震前地震孕育過程中電磁信號持續(xù)時(shí)間較長，另一方面也受到了DEMETER衛(wèi)星過境時(shí)間和重訪周期的影響.

（2）異常震例基本都發(fā)生在緯度±40°以內(nèi)（18次），更是以±20°內(nèi)居多（13次），表明在赤道和中低緯地區(qū)更容易觀測到明顯的電子濃度擾動(dòng)，而中高緯地區(qū)一般不利于觀測震前電子濃度變化.

（3）震級大小則與擾動(dòng)幅度基本上呈正相關(guān)，而震源深度對電子濃度擾動(dòng)的影響并不明顯；

（4）磁暴期間電子濃度變化和地震引起的電離層電子濃度異常有所不同，前者一般具有全球性的特征，而后者的異常區(qū)域一般和孕震區(qū)有關(guān)；震前出現(xiàn)的電子濃度異常有時(shí)會(huì)同時(shí)受到地磁活躍的影響，此時(shí)的擾動(dòng)幅度一般都較大.

總之，地震電離層擾動(dòng)現(xiàn)象是復(fù)雜多變的，目前仍有很多問題需要探索和解決，需要地基和空間的聯(lián)合立體觀測來支持；另一方面，地震電離層耦合機(jī)理的研究仍需要加強(qiáng).

致謝 作者感謝DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心提供的科學(xué)數(shù)據(jù)以及審稿專家提出的寶貴意見，感謝中國地震局地震預(yù)測研究所張學(xué)民研究員在文章結(jié)果分析中的有益討論.

Akhoondzadeh A，Parrot M，Saradjian M R.2010.Electron and ion density variations before strong earthquakes（M＞6.0）using DEMETER and GPS data.Nat.HazardsEarthSyst.Sci.，10：7－18.

Berthelier J J，Godefroy M，Leblanc F，et al.2006a.ICE，the electric field experiment on DEMETER.PlanetaryandSpace Science，54（5）：456－471.

Berthelier J J，Godefroy M，Leblanc F，et al.2006b.IAP，the thermal plasma analyzer on DEMETER.PlanetaryandSpace Science，54（5）：487－501.

Cahyadi M N，Heki K.2013.Ionospheric disturbances of the 2007 Bengkulu and the 2005Nias earthquakes，Sumatra，observed with a regional GPS network.J.Geophys.Res.SpacePhysics，118（4）：1777－1787.

Davis K，Barker D M.1965.Ionospheric effects observed around the time of the Alaskan earthquake of March，28，1964.J.Geophys.Res.，70（9）：2552－2553.

Dobrovolsky I P，Zubkov S I，Miachkin V I.1979.Estimation of the size of earthquake preparation zones.PureAppliedGeophysics，117（5）：1025－1044.

Ducic V，Artru J，Lognonne P.2003.Ionospheric remote sensing of the Denali Earthquake Rayleigh surface waves.Geophys.Res.Lett.，30（18），doi：10.1029／2003GL017812.

Freund F T，Takeuchi A，Lau Bobby W S.2004.Stress－induced changes in the electrical conductivity of igneous rocks and the generation of ground currents.TerrestrialAtmosphericand OceanicSciences，15（3）：437－468.

Hayakawa M.2000.Plasma density variations observed on a satellite possibly related to seismicity.AdvancesinSpaceResearch，26（8）：1277－1280.

Hayakawa M，Molchanov O A.2004.Achievements of NASDA′s earthquake remote sensing frontier project.Terrestrialand AtmosphericandOceanicSciences，15（3）：311－328.

He Y，Yang D，Qian J，et al.2011.Response of the ionospheric electron density to different types of seismic events.Nat.HazardsEarthSyst.Sci.，11：2173－2180.

Hegai V V，Kim V P，Liu J Y.2006.The ionospheric effect of atmospheric gravity waves excited prior to strong earthquake.Adv.SpaceRes.，37：653－659.

Heki K.2011.Ionospheric electron enhancement preceding the 2011 Tohoku－Oki earthquake.Geophys.Res.Lett.，38，L17312，doi：10.1029／2011GL047908.

Heki K，Otsuka Y，Choosakul N，et al.2006.Detection of ruptures of Andaman fault segments in the 2004great Sumatra earthquake with coseismic ionospheric disturbances.J.Geophys.Res.，111，B09313，doi：10.1029／2005JB004202.

Kuo C L，Huba J D，Joyce G，et al.2011.Ionosphere plasma bubbles and density variations induced by pre－earthquake rock currents and associated surface charges.J.Geophys.Res.，116，A10317，doi：10.1029／2011JA016628.

Larkina V I，Migulin V V，Molchanov O A，et al.1989.Some statistical results on very low frequency radio wave emissions in the upper ionosphere over earthquake zones.Phys.Earth Planet.Int.，57（1－2）：100－109.

Le H，Liu J Y，Liu L.2011.A statistical analysis of ionospheric anomalies before 736M6.0＋earthquakes during 2002—2010.J.Geophys.Res.，116，A02303，doi：10.1029／2010JA015781.

Lebreton J P，Stverak S，Travnicek P，et al.2006.The ISL Langmuir Probe experiment and its data processing onboard DEMETER：scientific objectives，description and first results.PlanetSpaceSci.，54（5）：472－486.

Li M，Parrot M.2012.“Real time analysis”of the ion density measured by the satellite DEMETER in relation with the seismic activity.Nat.HazardsEarthSyst.Sci.，12：2957－2963.

Li X Q，Ma Y Q，Wang H Y，el al.2010.Observation of partical on space electro－magnetic satellite during Wenchuan earthquake.ChineseJ.Geophys.（in Chinese），52（10）：2337－2344.

Liperovsky V A，Pokhotelov O A，Shalimov S L.1992.Ionospheric precursor of earthquakes.Moscow：Nauka，304.

Liu J，Huang J P，Zhang X M，et al.2013.Anomaly extraction method study and earthquake case analysis based on in－situ plasma parameters of DEMETER satellite.ActaSeismologica Sinica（in Chinese），35（1）：72－83.

Liu J，Wan W X，Huang J P，et al.2011.Electron density perturbation before ChileM8.8earthquake.ChineseJ.Geophys.（in Chinese），54（11）：2717－2725.

Molchanov O A，Hayakawa M，Afonin V V，et al.2002.Possible influence of seismicity by gravity waves on ionospheric equatorial anomaly from data of IK－24satellite 1.Search for Idea of Seismo－ionosphere Coupling，Tokyo，Terrapub，275－285.

Ouyang X Y，Zhang X M，Shen X H，et al.2011.Disturbance of O＋density before major earthquake detected by DEMETER satellite.ChineseJournalofSpaceScience（in Chinese），31（5）：607－617.

Pan W Y.2004.Propagation of long wave，ultra－long wave and extremely long wave.Chengdu：Press of University of Electronic Science and Technology.

Parrot M.2012.Statistical analysis of automatically detected ion density variations recorded by DEMETER and their relation to seismic activity.AnnalsofGeophysics，55，1，doi：10.4401／5270.

Parrot M，Benoist D，Berthelier J J，et al.2006a.The magnetic field experiment IMSC and its data processing onboard DEMETER：Scientific objectives，description and first results.PlanetaryandSpaceScience，54（5）：441－455.

Parrot M，Berthelier J J，Lebreton J P，et al.2006b.Examples of unusual ionospheric observations made by the DEMETER satellite over seismic regions.Phys.Chem.Earth，31（4－9）：486－495.

Pulinets S，Gaivoronska T A，Leyva－Contreras A，et al.2004.Correlation analysis technique revealing ionospheric precursors of earthquakes.Nat.HazardsEarthSyst.Sci.，4：697－702.

Sarkar S，Gwal A K，Parrot M.2007.Ionospheric variations observed by the DEMETER satellite in the mid－latitude region during strong earthquakes.J.Atmos.SolarTerr.Phys.，69：1524－1540.

Sauvaud J A，Moreau T，Maggiolo R，et al.2006.High energy electron detection onboard DEMETER：the IDP spectrometer，description and first results on the inner belt.PlanetSpace Sci.，54（5）：502－511.

Takeuchi A，Lau B，F(xiàn)reund F.2006.Current and surface potential induced by stress－activated positive holes in igneous rocks.PhysicsandChemistryoftheEarth，31（4－9）：240－247.

Wan J H，Wang F F，Shan X J，et al.2012.Preliminary application of energetic particle on DEMETER Satellite in Wenchuan earthquake.ProgressinGeophys.（in Chinese），27（6）：2279－2288.

Yan X，Shan X J，Cao J B，et al.2012.Seismoionospheric anomalies observed before Wenchuan earthquake using GPS and DEMETER data.SeismologyandGeology（in Chinese），34（1）：160－171.

Yan X，Shan X，Zhang X，et al.2013.Multi－parameter Seismoionospheric Anomalies Observation before the 2008Wenchuan，ChinaMw7.9Earthquake.J.Appl.RemoteSens.，7（1）：073532.

Zeng Z C，Zhang B，F(xiàn)ang G Y，et al.2009.The analysis of ionospheric variations before Wenchuan earthquake with DEMETER data.ChineseJ.Geophys.（in Chinese），52（1）：l1－19.

Zeren Z M，Shen X H，Cao J B，et al.2012.Statistical analysis of ELF／VLF magnetic field disturbances before major earthquakes.ChineseJ.Geophys.（in Chinese），55（11）：3699－3708.

Zhang X M，Liu J，Shen X H，et al.2010.Ionospheric perturbations associated with the M8.6Sumatra earthquake on 28March 2005.ChineseJ.Geophys.（in Chinese），53（3）：567－575.

Zhang X，Shen X，Liu J，et al.2009.Analysis of ionospheric plasma perturbations before Wenchuan earthquake.Nat.HazardsEarthSyst.Sci.，9：1259－1266.

Zhang X，Shen X，Parrot M，et al.2012.Phenomena of electrostatic perturbations before strong earthquakes（2005—2010）observed on DEMETER.Nat.HazardsEarthSyst.Sci，12：75－83.

Zhang Z X，Li X Q，Wu S G，et al.2012.DEMETER satellite observations of energetic particle prior to Chile earthquake.ChineseJ.Geophys.（in Chinese），55（5）：1581－1590.

Zhu T，Wang L W.2011.LF electric field anomalies related to Wenchuan earthquake observed by DEMETER satellite.ChineseJ.Geophys.（in Chinese），54（3）：717－727.

附中文參考文獻(xiàn)

李新喬，馬玉蒨，王煥玉等.2010.空間電磁衛(wèi)星的粒子探測與汶川地震.地球物理學(xué)報(bào)，52（10）：2337－2344.

劉靜，黃建平，張學(xué)民，申旭輝.2013.基于DEMETER衛(wèi)星原位等離子體參量的震前異常提取方法研究及震例分析.地震學(xué)報(bào)，35（1）：72－83.

劉靜，萬衛(wèi)星，黃建平等.2011.智利8.8級地震的震前電子濃度擾動(dòng).地球物理學(xué)報(bào)，54（11）：2716－2725.

歐陽新艷，張學(xué)民，申旭輝等.2011.DEMETER衛(wèi)星探測到的強(qiáng)震前O＋濃度變化.空間科學(xué)學(xué)報(bào)，31（5）：607－617.

潘威炎.2004.長波超長波極長波傳播.成都：電子科技大學(xué)出版社.

萬劍華，王飛飛，單新建等.2012.DEMETER電磁衛(wèi)星高能粒子數(shù)據(jù)在汶川地震中的初步應(yīng)用.地球物理學(xué)進(jìn)展，27（6）：2279－2288.

閆相相，單新建，曹晉濱等.2012.利用GPS和DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析汶川地震前電離層變化.地震地質(zhì)，34（1）：160－171.

曾中超，張蓓，方廣有等.2009.利用DEMETER衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析汶川地震前的電離層異常.地球物理學(xué)報(bào)，52（1）：11－19.

澤仁志瑪，申旭輝，曹晉濱等.2012.強(qiáng)震前ELF／VLF磁場的擾動(dòng)特征統(tǒng)計(jì)研究.地球物理學(xué)報(bào)，55（11）：3699－3708.

張學(xué)民，劉靜，申旭輝等.2010.2005年3月28日蘇門答臘8.6級地震前的電離層擾動(dòng).地球物理學(xué)報(bào)，53（3）：567－575.

張振霞，李新喬，吳書貴等.2012.智利地震前DEMETER衛(wèi)星對空間高能粒子的觀測.地球物理學(xué)報(bào)，55（5）：1581－1590.

朱濤，王蘭煒.2011.DEMETER衛(wèi)星觀測到的與汶川地震有關(guān)的LF電場異常.地球物理學(xué)報(bào)，54（3）：717－727.