張學(xué)民 申旭輝 趙庶凡 劉 靜 歐陽新艷 婁文宇 澤仁志瑪 何建輝 錢 庚

1) 中國北京100036中國地震局地震預(yù)測研究所2) 中國北京100085中國地震局地殼應(yīng)力研究所

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地震電離層探測技術(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)展*

1) 中國北京100036中國地震局地震預(yù)測研究所2) 中國北京100085中國地震局地殼應(yīng)力研究所

2017年即將發(fā)射的中國電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星將填補(bǔ)地震電離層立體監(jiān)測體系中不可或缺的空白區(qū)域， 也將為天地一體化地震電磁對比校驗及圈層耦合機(jī)理認(rèn)識提供重要的科學(xué)支撐． 針對近期地震電離層立體監(jiān)測體系發(fā)展的需求， 本文主要介紹了目前國內(nèi)用于地震研究的地基及空基電離層探測技術(shù)， 包括電離層垂測/斜測、 甚低頻(VLF)電波觀測、 舒曼諧振觀測、 GPS及空間衛(wèi)星電磁等， 并總結(jié)了各種探測技術(shù)在國內(nèi)外地震應(yīng)用研究中的進(jìn)展; 最后結(jié)合不同探測手段的優(yōu)勢， 探討了地震電磁立體探測系統(tǒng)的構(gòu)建， 并就未來的多手段綜合應(yīng)用發(fā)展提出了建議．

電離層垂測/斜測 VLF電波 舒曼諧振 GPS TEC 電磁衛(wèi)星

引言

電離層作為日地空間的重要組成部分， 一直是與人類社會發(fā)展和生活息息相關(guān)的重要環(huán)境區(qū)域． 電離層探測主要針對總電子含量、 電子密度、 電子溫度、 離子組成成分、 離子密度、 離子溫度、 離子漂移運(yùn)動速度、 電場強(qiáng)度、 磁場強(qiáng)度、 不均勻結(jié)構(gòu)的尺度、 高度分布等特征參量及其變化進(jìn)行觀測， 分為直接探測和間接探測兩種． 直接探測是利用火箭、 衛(wèi)星等空間飛行器， 將探測裝置攜帶至電離層中， 通過探測電離層等離子體或環(huán)境對裝置的直接作用獲得電離層特性參量； 間接探測則是依據(jù)天然輻射或人工發(fā)射機(jī)發(fā)射的電磁波通過電離層傳播時與等離子體相互作用所產(chǎn)生的電磁效應(yīng)或傳播特征， 推算電離層特性參量． 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步， 電離層探測水平不斷提高， 特別是人造地球衛(wèi)星的應(yīng)用使得從地基觀測向天基觀測發(fā)展成為可能， 并取得了許多關(guān)于電離層結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律的研究成果(梁百先等， 1994; 肖佐， 1997), 其中大多數(shù)與太陽活動對電離層的影響相關(guān)． 近年來， 隨著地震預(yù)測的需求日益迫切， 地基電離層探測技術(shù)被廣泛應(yīng)用于地震前兆及同震效應(yīng)研究； 與此同時， 從事空間科學(xué)研究的人員也開始關(guān)注到地震電離層效應(yīng)． 值得一提的是， 2004年法國科學(xué)家在綜合世界各國衛(wèi)星觀測資料的基礎(chǔ)上， 成功發(fā)射了DEMETER (detection of electric-magnetic emissions transmitted from earthquake regions)衛(wèi)星， 專門用于地震電離層效應(yīng)的探測， 開創(chuàng)了天基地震電磁觀測的新局面． 天基觀測的空間覆蓋率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地基觀測， 基于全球觀測的優(yōu)勢使其可以獲得更多的震例積累， 該方面地基觀測則難以企及． DEMETER衛(wèi)星運(yùn)行期間發(fā)生了2004年12月印尼MS9.0， 2008年中國汶川MS8.0， 2010年海地MS7.2和智利MS8.8等多次災(zāi)難性大地震， 該衛(wèi)星獲取了大量的震例觀測資料， 受到地球科學(xué)界的廣泛關(guān)注．

我國在借鑒DEMETER衛(wèi)星科學(xué)載荷配置的基礎(chǔ)上， 提出了發(fā)射地震電磁監(jiān)測衛(wèi)星的計劃， 這將是繼法國之后世界上第二個以服務(wù)地震預(yù)測為特點(diǎn)的專項衛(wèi)星計劃， 其亮點(diǎn)在于天基觀測與地基觀測的相互結(jié)合．

本文將圍繞目前國內(nèi)主要的幾種地基電離層探測技術(shù)， 對其探測原理和應(yīng)用成果進(jìn)行總結(jié)； 然后結(jié)合衛(wèi)星探測技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展， 分析地基觀測和天基觀測各自的優(yōu)勢和缺陷； 最后闡述我國地震電磁衛(wèi)星發(fā)展計劃的新亮點(diǎn)----地震電磁效應(yīng)立體觀測體系， 并就如何綜合發(fā)揮各自效能提出相關(guān)建議．

1 地基電離層探測技術(shù)

地基電離層探測基本都屬于間接探測的范疇， 如目前常用的電離層測高、 GPS 總電子含量(total electric content, 簡寫為TEC)、 甚低頻(very low frequency， 簡寫為VLF)電波等均是利用人工發(fā)射源所發(fā)射的電磁波信號的電離層效應(yīng)來反映或反演電離層特征參量， 而舒曼諧振觀測則是利用閃電源所激發(fā)的地球電離層波導(dǎo)系統(tǒng)內(nèi)電磁波的諧振效應(yīng)來推算諧振腔的尺度變化. 下面將對上述幾種地基電離層探測技術(shù)逐一介紹．

1.1 電離層垂測/斜測

電離層垂測/斜測是利用電離層測高儀所發(fā)射的高頻無線電波在地面接收其反射回波實現(xiàn)對電離層進(jìn)行日常觀測的一種技術(shù)． 垂測是垂直向上發(fā)射頻率隨時間變化的無線電脈沖， 在同一地點(diǎn)接收這些脈沖的電離層反射信號； 斜測則是將垂直探測方法中的發(fā)射和接收設(shè)備分別置于地面上相隔一定距離的兩個點(diǎn)位， 使用高精度GPS時間標(biāo)定實現(xiàn)收、 發(fā)同步， 然后測量電離層反射回波時延隨頻率的變化. 斜測可以實現(xiàn)較大范圍內(nèi)的電離層探測和研究， 通過測量電波往返的傳遞時延， 獲得反射高度與頻率的關(guān)系曲線， 即頻高圖．

電離層測高的基本原理是發(fā)射不同頻率(1—30 MHz)的高頻信號， 對回波信號進(jìn)行分析計算以獲取電離層特征參數(shù)． 電離層E， F1， F2， Es等層的臨界頻率、 虛高等參數(shù)可以從頻高圖或電離圖(中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 2015)中直接讀出， 其中虛高h(yuǎn)′由h′=ct/2計算而得， 式中c為真空電波傳播速度，t為回波時間， 由于實際電波速度總是小于真空光速， 因此由該式計算出的h′不是反射點(diǎn)的真正高度h, 而是比h大， 通常稱h′為等效高度或虛高． 另一方面， 電離層測高也存在其局限性， 例如， 無法探測 D層的電離狀態(tài)， 難于獲得E層與F層之間的谷區(qū)(高度120—140 km)信息, 不能研究F層電子密度峰值以上的電離層， 這些問題可由其它探測手段予以解決．

由于電離層測高站費(fèi)用較高， 全球僅有百余個， 國內(nèi)十幾個測高站大多由中國電子科技集團(tuán)公司第二十二研究所建設(shè)管理． 2008年汶川地震后， 鑒于距離震中較近的重慶站和昆明站所觀測到的foF2大幅度擾動(張學(xué)民等， 2009a)， 為加強(qiáng)首都圈地震監(jiān)測工作， 中國地震局與中電集團(tuán)22所利用華北地區(qū)已有的5個測高站， 在河北、 山東、 山西、 遼寧、 江蘇、 陜西等多省市布設(shè)完成20個接收站， 形成100條鏈路的電離層斜測網(wǎng)， 使大華北地區(qū)電離層監(jiān)測的空間分辨率達(dá)到100 km， 大大提高了電離層測高站的工作效率， 改善了單站監(jiān)測空間有限的狀況． 為進(jìn)一步加強(qiáng)對南北地震帶南部川滇地震危險區(qū)的監(jiān)測， 中國地震局地震預(yù)測研究所自2013年起在樂山、 普洱和大理先后布設(shè)了3個電離層測高站， 其中樂山站和普洱站的觀測已有兩年之久， 我們計劃在未來幾年內(nèi)， 通過增設(shè)電離層斜測站進(jìn)一步提高川滇地區(qū)的空間監(jiān)測分辨率．

利用電離層測高研究地震始于20世紀(jì). Pulinets和Boyarchuk(2004)最早綜合介紹了國際上在地基電離層和衛(wèi)星電離層測高中觀測到的強(qiáng)震前電離層擾動現(xiàn)象， 并分析了特征參量foF2在強(qiáng)震前后的時空演化特征， 例如, 1964年3月27日阿拉斯加MS9.2大地震前30小時直至震后18小時， Alouette-1衛(wèi)星和地基觀測均記錄到震中上空電離層F2層臨界頻率foF2異常持續(xù)增強(qiáng)的現(xiàn)象． 蔡軍濤等(2007)總結(jié)了國外文獻(xiàn)中多次地震前E層臨界頻率增強(qiáng)及Es擴(kuò)展現(xiàn)象． 我國關(guān)于電離層測高的地震應(yīng)用研究起步較晚． 丁鑒海等(2004)最先開展了地磁觀測資料與電離層測高數(shù)據(jù)的聯(lián)合分析研究， 在2001年昆侖山口MS8.1和1997年西藏瑪尼MS7.5(余素榮等， 2004)等地震前均觀測到臨近電離層臺站上空的foF2相對背景月中值異常增強(qiáng)， 且與地磁低點(diǎn)位移異常出現(xiàn)時間有很好的對應(yīng)關(guān)系． 徐彤等 (2012) 利用電離層垂測資料分析了20世紀(jì)以來的14次中國大陸強(qiáng)震， 結(jié)果顯示85.7%的地震前出現(xiàn)foF2異常， 大多數(shù)異常出現(xiàn)在震前7天內(nèi)， 并集中在當(dāng)?shù)貢r段11:00—17:00. 由此可見， 異常擾動強(qiáng)度與震級、 震源深度及震中距均有一定的相關(guān)性．

鑒于電離層測高自身的觀測技術(shù)特點(diǎn)， 從頻高圖中直接測量得到的foF2精度較高， 可以作為天地對比觀測中校驗其它數(shù)據(jù)的參考源； 但如果換算到電子密度等參量進(jìn)行對比分析， 則需要借助相關(guān)公式進(jìn)行反演計算， 同時會導(dǎo)致精度大大降低． 另外， 電離層測高技術(shù)還可以獲得電離層D層和E層的峰值信息， 不同層位的峰區(qū)信息對于約束電離層結(jié)構(gòu)以及研究地震擾動電離層效應(yīng)耦合機(jī)理非常有意義， 即使僅有各層峰值信息， 其精度也是其它探測技術(shù)所無法達(dá)到的．

1.2 基于GPS觀測的TEC

當(dāng)GPS衛(wèi)星發(fā)射的高頻信號在電離層中傳播時， 由于受到電離層介質(zhì)的折射影響， 產(chǎn)生了附加的信號傳播時延， 使所接收信號的傳播時間產(chǎn)生誤差． 在影響GPS定位精度的各種誤差因素中， 電離層是僅次于衛(wèi)星星歷誤差的誤差源， 電離層所引起的GPS誤差主要與沿衛(wèi)星至接收機(jī)收視方向上的TEC有關(guān)． 基于電磁波傳播與TEC的相關(guān)性， 利用電離層對電磁波的折射效應(yīng)即可研究電離層本身， 即利用GPS衛(wèi)星信號獲得的偽距ρ(ρ=cΔt， 其中Δt為某顆衛(wèi)星發(fā)送信號至接收到該信號的時間差,c為真空中電波速度， 實際電波速度低于該值， 因此據(jù)此計算的距離ρ稱為偽距)和載波相位差分可計算得到信號傳播路徑上的TEC， 具體公式(夏淳亮， 2004)為

(1)

式中： Δρ為偽距差分，f1和f2為GPS衛(wèi)星工作頻率，f1=1.57542 GHz,f2=1.2276 GHz．

同樣， 利用載波的相位測量， 考慮到整周模糊度(因為載波在空間傳輸?shù)恼芷跀?shù)無法通過觀測直接獲得， 接收機(jī)只能記錄這個差值的非整周部分， 其整周部分未知， 故稱為整周模糊度)可計算相對TEC， 即

(2)

式中, Ф1和Ф2分別為對應(yīng)GPS衛(wèi)星工作頻率f1和f2的載波相位， Δn為整周模糊度． 因式(2)中含有一定的未知參量， 只能得到TEC的相對變化， 因此稱其為相對TEC， 其測量精度為1013； 而通過偽距差分得到的TEC稱為絕對TEC， 其測量精度可達(dá)1016．

GPS觀測由于具有觀測及時、 覆蓋范圍廣、 觀測精度高、 成本低、 效率高等優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用于電離層研究中. 美國噴氣動力實驗室(Jet Propulsion Laboratory， 簡寫為JPL)利用IGS(International GNSS Service)發(fā)布的全球GPS觀測站數(shù)據(jù)， 建立了TEC現(xiàn)報系統(tǒng)GIM(global ionospheric maps), 其空間分辨率為2.5°×5°， 時間分辨率為2小時， 是國際上認(rèn)可度較高的電離層現(xiàn)報系統(tǒng)． 利用JPL發(fā)布的GIM數(shù)據(jù)， 我國科研人員也開展了大量的地震電離層應(yīng)用研究， 例如: Zhao等(2008)分析了2008年汶川MS8.0地震前的TEC異常， 結(jié)果顯示震前3天(5月9日)震中東南方向出現(xiàn)局部TEC明顯增強(qiáng)現(xiàn)象， 且在南半球的磁共軛區(qū)觀測到同步擾動； Liu等(2013)研究了1998—2012年我國56次M>6地震的TEC擾動特征， 結(jié)果顯示震前2—9天TEC在下午時段呈快速下降異常， 與位于低緯度的印尼地區(qū)和我國臺灣地區(qū)的地震TEC擾動具有相似的特征．

中國地殼運(yùn)動觀測網(wǎng)絡(luò)是“九五”國家重大科學(xué)工程建設(shè)項目， 自1998年投入開工建設(shè)， 目前已形成具有260個GPS基準(zhǔn)站、 千余個不定期復(fù)測GPS站的區(qū)域觀測網(wǎng)絡(luò)(甘衛(wèi)軍等， 2007)， 這些臺站的建設(shè)為反演產(chǎn)出我國大陸地區(qū)GPS TEC數(shù)據(jù)奠定了良好的基礎(chǔ)． 利用國內(nèi)GPS網(wǎng)絡(luò)觀測數(shù)據(jù)， 張學(xué)民等(2009a)關(guān)于汶川地震前后電離層擾動異常的研究顯示， 距離震中較近的瀘州站TEC在震前3天(5月9日)與重慶站測高站觀測到的foF2均呈快速增強(qiáng)． 林劍等(2009)利用中國25個基準(zhǔn)站結(jié)合國際IGS網(wǎng)站發(fā)布的全球數(shù)據(jù)， 研究了汶川地震前后的TEC擾動空間異常， 結(jié)果顯示地震前后一周內(nèi)震區(qū)上空連續(xù)出現(xiàn)異常擾動且具備共軛特性， 并向磁赤道漂移． 李建勇(2010)利用全國GPS基準(zhǔn)站信息對2000—2009年中國大陸33次M>6地震的統(tǒng)計分析結(jié)果表明： 中強(qiáng)地震電離層TEC異常多出現(xiàn)在震前數(shù)天, 為非持續(xù)性變化, 異常持續(xù)時間多為幾個小時； TEC異常的變化形態(tài)有正有負(fù)， 相對變化幅度一般為20%—30%； 中國大陸TEC異常區(qū)多偏震中東南方向， 可能與電離層擾動傳播受地磁場控制向磁赤道偏移有關(guān)． 另一方面， TEC數(shù)據(jù)還被用于同震及震后效應(yīng)研究． 例如， Song等(2015)利用中國GPS觀測網(wǎng)提供的華南地區(qū)46個GPS接收臺站的TEC觀測數(shù)據(jù)， 對汶川地震所引起的電離層同震效應(yīng)進(jìn)行分析研究， 結(jié)果顯示震后數(shù)分鐘發(fā)生兩個擾動事件， 擾動振幅為0.5—1 TECU， 水平相速度為500—800 m/s， 周期為6—10分鐘， 且分別向南、 東兩個方向傳播， 分析認(rèn)為這是由于震后地面垂直運(yùn)動而激發(fā)的聲重力波傳播到達(dá)電離層高度所致． 隨著陸態(tài)網(wǎng)絡(luò)的完善及數(shù)據(jù)的實時發(fā)布更新(蔡華等， 2014)， 數(shù)據(jù)時空覆蓋率不斷提高， 我國區(qū)域GPS網(wǎng)的TEC必將在地震前后的局地電離層時空演化特征研究中發(fā)揮更重要的作用．

隨著全球GPS網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展， 全球及區(qū)域性TEC分布圖的時空分辨率會持續(xù)提高， 為地震前后的電離層擾動變化研究提供更有力的數(shù)據(jù)支撐． GPS臺站的密集分布不僅能為地震監(jiān)測預(yù)測提供時間信息， 也能很好地研究異常的局地特性和空間傳播特性． 就觀測技術(shù)而言， TEC需要通過一系列數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)剔除儀器本身所攜帶的以及觀測中所帶來的干擾因素， 反演計算獲得沿整個傳播路徑的積分TEC， 因此測量精度會受到一定制約， 一些微弱擾動(1—2 TECU)很容易落在正常的反演誤差內(nèi)， 導(dǎo)致與背景噪聲難以區(qū)分. 這種情況在一些地震臨震前及震后的電離層效應(yīng)研究中尤為突出， 反過來這也對TEC的反演精度和算法提出了更高的要求． 雖然， 可以通過增設(shè)臺站改善TEC數(shù)據(jù)的水平空間分辨率， 但該參量無法反映不同高度的信息， 僅是各高度電子濃度的積分綜合效應(yīng)．

1.3 甚低頻(VLF)電波

甚低頻(3—30 kHz)電磁波主要通過大地與低電離層之間形成的波導(dǎo)進(jìn)行傳播， 其傳播損耗近似于自由空間， 只存在因能量擴(kuò)散引起的傳播損耗， 距離可達(dá)數(shù)千千米乃至覆蓋全球， 而且該頻段電磁波穿透海水的能力較強(qiáng)， 適用于水下艦艇的遠(yuǎn)距離通信等． 迄今為止， 全球仍保留20—30個VLF導(dǎo)航通信臺(Wikipedia， 2015)， 服務(wù)于陸地和海上通信．

地面VLF電波接收觀測包含兩種模式， 一種是該頻段的天然信號觀測， 另一種是利用全球已有的VLF電波導(dǎo)航信號發(fā)射站配合地面接收站接收該固定站點(diǎn)的固定頻段信號， 并分析信號傳播鏈路上所發(fā)生的擾動． 對于第一種觀測模式而言， 存在于頻帶范圍內(nèi)的各類噪聲源會損害觀測數(shù)據(jù)， 只有當(dāng)觀測站距離震中非常近時才能獲得一些與地震相關(guān)的局地異常； 第二種觀測模式由于VLF發(fā)射站頻率固定、 發(fā)射功率已知， 因此可以在接收站觀測到發(fā)射—接收站傳播路徑上來自地震-大氣層和地震-電離層對電磁波傳播造成的影響， 從而使觀測區(qū)域覆蓋更大的范圍， 在地震監(jiān)測應(yīng)用中多被采用．

日本在VLF電波觀測領(lǐng)域開展的地震應(yīng)用研究較早， 目前意大利、 南美等國家和地區(qū)也陸續(xù)建立了AWESOME和SAVNET等VLF電波觀測網(wǎng)， 用于研究地震所引起的低電離層擾動與電波傳播的相關(guān)性． Hayakawa等(2010)全面總結(jié)了VLF/LF (3—300 kHz)電波觀測和異常提取算法方面的研究發(fā)展， 其對日本2001—2007年長達(dá)7年的VLF電波觀測資料的分析結(jié)果顯示， 日本境內(nèi)淺部(<40 km)M>6.0地震的低電離層VLF/LF異常波動幅度均超過背景數(shù)據(jù)的兩倍標(biāo)準(zhǔn)差．

2010年前后， 中國地震局地震預(yù)測研究所在北京、 通海和雅安建立了3個VLF電波接收站， 分別接收位于俄羅斯東部、 中部和西部3個阿爾法導(dǎo)航站發(fā)射的3個頻率(11.9， 12.6， 14.9 kHz)的VLF電波信號， 形成了9條鏈路覆蓋中國北部大部分區(qū)域的電波監(jiān)測網(wǎng)， 可通過電波幅度和相位變化提取擾動信息． 3個VLF電波接收站運(yùn)行期間， 覆蓋區(qū)域內(nèi)發(fā)生多次M>6.0地震， Zeren等(2014) 通過分析VLF電波傳播路徑上的擾動信號， 結(jié)果顯示2010年玉樹和2013年蘆山兩次M>7.0地震前在地磁和太陽活動平靜的情況下均監(jiān)測到震中鄰近傳播路徑上的低電離層擾動． 由于我國目前所使用的VLF電波接收儀僅能接收來自俄羅斯3個站點(diǎn)3個頻率的信息， 受鏈路空間所限能獲得的震例很有限. 為加強(qiáng)我國西南部地區(qū)的地震監(jiān)測， 計劃在未來1—2年內(nèi)配置寬頻VLF電波接收儀， 以獲取更多東部和南半球國家的VLF發(fā)射站信號， 拓展國內(nèi)VLF電波的空間監(jiān)測范圍．

VLF人工源電波觀測的發(fā)射站、 接收站位置固定， 發(fā)射頻率和功率穩(wěn)定， 因此在接收站較易鎖定信號， 易于獲取觀測相對穩(wěn)定的信息記錄． 但是， 電波傳播受路徑上各類電離層背景狀態(tài)及不規(guī)則體擾動影響， 其傳播距離越長， 擾動源的位置越難判定， 故需提高空間覆蓋分辨率， 通過多點(diǎn)多源對未來孕震區(qū)進(jìn)行預(yù)測．

1.4 舒曼諧振

地球和電離層可以構(gòu)成一個諧振腔體， 腔體中存在一組特殊的諧振頻率(Schumann, 1952)

(3)

式中,fn為第n階頻率，c為光速，a為地球半徑，n=1, 2, 3…． 諧振頻率主要由地球及諧振腔的尺寸決定， 并由全球的閃電放電激發(fā)， 這個現(xiàn)象被稱為舒曼(Schumann)諧振． Balser和Wagner(1960)在觀測自然噪音時， 真實記錄了位于7.8， 14.2, 19.6, 25.9和32 Hz的舒曼波譜峰， 證實了地球腔體的舒曼諧振效應(yīng)． 采用常規(guī)的超低頻段(super-low frequency, 簡寫為SLF)(30—300 Hz)電磁儀器進(jìn)行觀測， 均能在電磁頻譜分析圖上觀察到該信號． 舒曼諧振多用于全球閃電活動、 全球變暖、 低電離層屬性等方面的研究． 在地震應(yīng)用領(lǐng)域， Hayakawa等(2005)最先報道了1999年臺灣集集地震前出現(xiàn)高階舒曼諧振幅度增強(qiáng)以及諧振信號頻移等現(xiàn)象． Ohta等(2006)通過分析1999—2004年臺灣發(fā)生的33次M>5.0地震開展了舒曼諧振與地震的統(tǒng)計關(guān)系研究， 結(jié)果表明所有陸地地震前均有舒曼諧振異常發(fā)生． Hayakawa等(2008)通過改變電離層D層高度模擬地震引起的舒曼諧振異常， 并將其與全球三大閃電源(非洲中部的剛果盆地、 東南亞的島嶼地區(qū)、 南美洲的亞馬遜雨林地區(qū))疊加， 模擬震源上空電離層變化引起的高階舒曼諧振幅度增強(qiáng)現(xiàn)象， 該模擬結(jié)果與實測結(jié)果比較一致．

我國的舒曼諧振觀測試驗始于2010年. 中國地震局地震預(yù)測研究所先后在云南省架設(shè)了巧家、 永勝、 通海和芒市等4個臺站， 均采用SRG-M01舒曼諧振儀進(jìn)行觀測， 數(shù)據(jù)采樣率為100 Hz， 主要通過感應(yīng)線圈觀測磁場三分量中所攜帶的舒曼諧振信號． 苗園青等(2011)的實測結(jié)果顯示， 觀測到的前四階舒曼諧振波分布在8， 14， 20， 26 Hz頻率附近， 類似的舒曼諧振信號在中國地震局地質(zhì)研究所布設(shè)的超低頻電磁觀測網(wǎng)(頻率范圍含SLF/ELF/TLF， 0.1—300 Hz)中也被記錄到(范曄等， 2013)， 反映了舒曼諧振廣泛存在的特征． 2011年3月日本MS9.0地震后， 周洪娟等(2013)通過分析云南地區(qū)的舒曼諧振磁場觀測認(rèn)為， 日本地震前3—4天低階舒曼諧振出現(xiàn)比較明顯的幅度增強(qiáng)； Zhou等(2013)的模擬計算結(jié)果表明， 日本地震確實能引起云南地區(qū)1—3階舒曼異常， 進(jìn)一步確認(rèn)了地-電離層空腔中地震上空不均勻體與舒曼諧振異常之間的相關(guān)性． 歐陽新艷等(2015)利用永勝臺資料研究了中國大陸M>6.0地震的舒曼諧振異常特征， 結(jié)果表明震前諧振幅度增強(qiáng)， 并伴隨諧振頻率和半寬的變化． 由此可見， 舒曼諧振確實可以作為分析地震前電磁和電離層信號擾動的一種探測技術(shù)．

舒曼諧振的產(chǎn)生與地球三大閃電源密切相關(guān)， 在全球范圍內(nèi)產(chǎn)生共振效應(yīng)， 異常信號產(chǎn)生后疊加在諧振信號中， 因此相距較遠(yuǎn)的臺站也能接收到來自震源的異常信號， 也正因如此， 信號的來源往往難以確定， 目前國內(nèi)的觀測結(jié)果也顯示震前一般出現(xiàn)低階諧振信號增強(qiáng)現(xiàn)象， 但遠(yuǎn)距離強(qiáng)震與近區(qū)中小地震激發(fā)效應(yīng)比較類似． 對于震源激發(fā)信號與舒曼諧振信號的疊加調(diào)制及其在傳播過程中隨空腔結(jié)構(gòu)變化的耦合機(jī)理尚待進(jìn)一步研究． 相對VLF電波的鏈路觀測， 舒曼諧振的全球影響效應(yīng)更為顯著， 如何使之在地震監(jiān)測中發(fā)揮更有效的作用， 尚需更多資料積累和更深入的理論研究．

2 衛(wèi)星探測

衛(wèi)星的飛行高度一般在幾百千米以上， 直接位于電離層甚至磁層中． 與地基電離層間接探測模式不同， 衛(wèi)星觀測多屬于直接探測或就位探測， 其電磁場觀測技術(shù)和原位等離子體參量觀測技術(shù)使用較多． 為了獲得更多電離層精細(xì)結(jié)構(gòu)， 利用GPS及衛(wèi)星本體發(fā)射電波信號反演電離層結(jié)構(gòu)的探測技術(shù)也在快速發(fā)展， 如掩星探測、 信標(biāo)探測等． 下面將針對不同種類的衛(wèi)星探測技術(shù)作簡單介紹．

2.1 衛(wèi)星電磁場探測數(shù)據(jù)

空間電磁場觀測基于與地基觀測相同的觀測原理， 探測儀器也較接近． 一般采用磁強(qiáng)計、 磁通門磁力儀和感應(yīng)式磁力儀分別觀測地磁總場、 地磁場三分量、 變化磁場三分量， 利用一定長度的不共面電極對組合觀測電場矢量． 由于電磁波頻段不同， 其在電離層的傳播模式及電離層擾動響應(yīng)都存在較大差別， 因此在地震監(jiān)測應(yīng)用中須針對不同頻段的電磁波分別進(jìn)行分析．

對于ELF頻段(3—30 Hz)的地震電磁信號， 由于其采樣率較低， 一般直接從電磁波形記錄中判識地震異常． Chmyrev等(1989)利用位于800—900 km高度的Intercosmos-Bulgaria-1300衛(wèi)星資料， 在一次MS4.8地震前15分鐘衛(wèi)星準(zhǔn)靜電場垂直分量上出現(xiàn)3—7 mV/m的異常信號． Gousheva等(2008)基于該衛(wèi)星數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結(jié)果顯示， 在低、 中、 高緯度地震前， 電離層電場的水平分量和垂直分量均會出現(xiàn)2—15 mV/m的異常增強(qiáng)． Zhang等(2012b)通過研究汶川地震前大地電場和衛(wèi)星電場擾動， 認(rèn)為地基電場與DEMETER衛(wèi)星記錄的電場矢量在震前幾個月的異常信號呈同步增強(qiáng)． Zhang等(2014)利用DEMETER衛(wèi)星記錄分析了2010年全球M>7.0地震， 并針對赤道地區(qū)的印尼和中緯度的智利地區(qū)27次強(qiáng)震進(jìn)行了統(tǒng)計分析， 結(jié)果顯示電場擾動幅值為1.5—16 mV/m， 其中10次地震前1天有明顯的電場擾動信號出現(xiàn).

對于SLF(30—300 Hz)/ULF頻段(0.3—3 kHz)的地震電磁擾動， Gokhberg等(1983)報道1970年3月30日發(fā)生的一次地震前OGO-6衛(wèi)星在100， 216， 467 Hz均記錄到該頻段磁場強(qiáng)度增加的現(xiàn)象． 2004年法國DEMETER衛(wèi)星發(fā)射升空后， Parrot等 (2006) 利用波矢量分析技術(shù)對DEMETER衛(wèi)星記錄的電磁波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 結(jié)果顯示， 在2005年1月23日一次MS6.2地震前2.5天， 震中上空軌道記錄到130 Hz處出現(xiàn)異常電磁波信號． Němec等(2009)關(guān)于DEMETER衛(wèi)星的全球地震統(tǒng)計分析結(jié)果顯示， 震前4小時1.7 kHz附近的電磁場功率譜強(qiáng)度快速降低. Pí?a等(2013) 利用DEMETER運(yùn)行期間2004年7月—2010年11月長達(dá)6.5年的資料， 再次確認(rèn)了震前幾小時1.7 kHz附近出現(xiàn)電磁場功率譜強(qiáng)度下降異常， 并提出這類異常在3月份和8月份的高緯度地區(qū)和海域更為突出． Zhang等(2014)總結(jié)了DEMETER衛(wèi)星運(yùn)行期間(2005—2010年)全球中低緯度區(qū)總共發(fā)生的69次M>7.0地震的電磁異常， 結(jié)果顯示19.5—250 Hz頻段內(nèi)的電場功率譜在32次地震前會增加1—2個數(shù)量級以上． 于海雁等(2010)利用該衛(wèi)星資料對汶川地震前SLF/ULF頻段電磁波矢特征的分析結(jié)果顯示， 震前6天存在窄帶電磁輻射波(約380 Hz)， 該電磁輻射信號具有很強(qiáng)的平面波特性， 且為上行傳播， 與汶川地震孕育有一定的相關(guān)性． 澤仁志瑪?shù)?2012)統(tǒng)計分析了2005—2009年北半球M>7.0強(qiáng)震前后370—897 Hz頻段的磁場功率譜密度變化， 結(jié)果顯示26次強(qiáng)震中77%的地震震前磁場增強(qiáng)， 在異常最高點(diǎn)或者其轉(zhuǎn)折下降時發(fā)生地震． 因此， 空間SLF頻段電磁觀測的地震異常既有相對背景場的頻譜能量增強(qiáng)現(xiàn)象， 也有單純的具有平面波傳播特性的電磁波信號出現(xiàn)．

VLF頻段(3—30 kHz)的電磁擾動， 由于其采樣率較高， 主要以電磁頻譜特性分析為主； 而且由于一些地面導(dǎo)航站的發(fā)射信號也在十幾到幾十kHz頻段內(nèi)， 分別有針對天然源和人工源的電磁擾動信號分析． Molchanov等(2006)分析了衛(wèi)星記錄的人工源信號的信噪比變化， 結(jié)果顯示幾次強(qiáng)震前震中上空信噪比大范圍大幅度降低． 張學(xué)民等(2009b)針對汶川地震前DEMETER衛(wèi)星記錄的VLF電場異常的研究結(jié)果表明， 震前1—5天2—6 kHz電場頻譜在震中上空相對5—10天的背景信息顯著增強(qiáng). 朱濤和王蘭煒(2011)的研究則顯示汶川地震上空當(dāng)?shù)貢r間白天10—14 kHz和夜間10—18 kHz的電場在震中周圍300 km范圍內(nèi)， 2008年4—5月數(shù)據(jù)相對其它無震年份呈現(xiàn)“震前一個半月平均功率譜明顯增強(qiáng)—震前半個月減小—震時達(dá)到最小—震后恢復(fù)”的時空演化特征． 何宇飛等(2009)應(yīng)用信噪比方法得到了汶川地震前一個月震中上空也是澳大利亞?？怂姑┧筃WC (North West Cape)人工源發(fā)射站(發(fā)射頻率為19.8 kHz)的共軛區(qū)， 而且2008年4月的電場信噪比相比2006和2007年顯著降低．

目前SLF頻段的波矢分析應(yīng)用相對較多， 但更高頻段的電磁波后向追蹤技術(shù)仍處于初步發(fā)展中， 故未能有效地應(yīng)用于實測VLF電磁波數(shù)據(jù)分析中． 震例研究結(jié)果已證明TLF—VLF頻段衛(wèi)星觀測在震前的響應(yīng)事實， 但由于目前地基相對應(yīng)的高頻段電磁場觀測很少， 或運(yùn)行時段不一致， 因此未能有可相互驗證的天地同步地震電磁擾動信號被觀測到． 為了配合衛(wèi)星觀測和解釋地震電離層電磁場擾動機(jī)理， 地基系統(tǒng)需要配備同頻段觀測、 同步監(jiān)測電磁信號從巖石層、 大氣層至電離層的激發(fā)和傳播過程， 以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互校驗和圈層耦合理論的發(fā)展完善．

2.2 原位等離子體參量

原位等離子體參量主要指衛(wèi)星高度的電子、 離子成分、 高能粒子通量等多種等離子體參量， 是衛(wèi)星觀測中維度最低的一些參量， 僅與觀測時間和衛(wèi)星軌道位置有關(guān)． 其中電子密度是聯(lián)系天基觀測與地基觀測的重要參量， 是天地對比分析的橋梁， 電離層測高、 GPS反演TEC等最終均與電離層中電子含量密切相關(guān)．

Lebreton等(2006)詳細(xì)介紹了DEMETER衛(wèi)星上朗繆爾(Langmuir)探針的觀測原理， 使用朗繆爾探針獲得的伏安曲線進(jìn)行反演即可獲得衛(wèi)星原位電子密度和溫度信息； Bertherlier等(2006)介紹了等離子體分析儀觀測技術(shù)， 利用阻滯儀和離子漂移計兩套設(shè)備可分別獲得離子成分、 離子溫度和離子漂移速度等信息．

原位等離子體探測由于設(shè)備相對輕便， 很多空間探測衛(wèi)星上均搭載有此類載荷， 因此其地震應(yīng)用實例非常豐富． 基于Intercosmos-24衛(wèi)星(高度2300—2500 km)， Bo?ková等(1994) 研究了1990年6月20日一次伊朗地震前的離子成分異常， 結(jié)果顯示震中上空軌道記錄的輕離子密度明顯增加． Pulinets等(2003) 利用AE-C衛(wèi)星上搭載的質(zhì)譜儀也發(fā)現(xiàn)震中區(qū)域內(nèi)平均離子質(zhì)量下降的現(xiàn)象． 2004年DEMETER衛(wèi)星發(fā)射升空后， Parrot 等(2006)利用該衛(wèi)星數(shù)據(jù)最先開展了多次強(qiáng)震前的研究工作， 結(jié)果顯示震前電子密度和離子密度均有增大． 之后， 世界各國研究人員利用DEMETER衛(wèi)星資料開展了大量的研究， 中國也通過國際合作開始介入衛(wèi)星地震電磁數(shù)據(jù)分析研究， 并取得了一定的成果． 張學(xué)民等(2008)、 歐陽新艷等(2008)和劉靜等(2011)先后開展了關(guān)于我國西藏改則MS6.9、 云南普洱MS6.4、 智利MS8.8地震的電離層異常識別的研究， 通過對比相鄰軌道與重訪軌道數(shù)據(jù)， 獲得了離子溫度、 電子密度等多個參量的震前擾動現(xiàn)象． 除了單個震例的分析研究， 多震例統(tǒng)計近年來也得到快速發(fā)展， 統(tǒng)計結(jié)果(Li, Parrot, 2013; Zhangetal, 2013; Liuetal, 2014)反映了電離層高能粒子沉降、 離子密度及電子密度等擾動與地震在時間、 空間上的相關(guān)性．

原位等離子體參量是地震研究中異常提取最為豐富的參量， 但由于電離層本身存在的赤道電離層異常以及逐日、 季節(jié)等多種擾動特性， 衛(wèi)星觀測原位等離子體參量的異常閾值界定在不同空間區(qū)域內(nèi)會有較大波動， 也會出現(xiàn)較多的虛假異常信息， 因此一個合理的電離層背景場構(gòu)建及異常閾值的界定一直是這方面的研究重點(diǎn)．

2.3 電離層結(jié)構(gòu)探測

由于地面電離層測高一般只能獲得觀測站所在固定地理位置上電離層臨界頻率隨時間變化的信息， 難以獲得大尺度電離層的空間結(jié)構(gòu)信息， 也難以精確地探測中性分子密度大而電子密度小的電離層D層、 E層和F層峰值過后的下降區(qū)， 無法全面滿足電離層研究的需求， 因此更多的電離層結(jié)構(gòu)探測技術(shù)得以發(fā)展， 下面主要介紹掩星和三頻信標(biāo)(tri-band beacon, 簡寫為TBB)探測技術(shù)．

2.3.1 掩星探測技術(shù)與方法

衛(wèi)星掩星探測技術(shù)是指GPS衛(wèi)星發(fā)射的電波信號被地球大氣層所遮掩， 經(jīng)過地球大氣層和電離層折射后到達(dá)近地軌道衛(wèi)星， 也即對GPS衛(wèi)星的臨邊觀測． 衛(wèi)星接收的GPS信號中包含了地球大氣層和電離層的信息， 可通過相關(guān)的反演算法得到大氣層和電離層的剖面結(jié)構(gòu)．

阿貝爾(Abel)積分是目前運(yùn)用最廣泛的電離層掩星反演方法， 對于GPS載波頻率， 即使在電離層變化最劇烈的狀態(tài)下， 電離層所造成的彎曲角仍然相當(dāng)小， 因此可以把掩星事件發(fā)生時的傳播路徑近似為直線傳播， 反演公式為(Schreineretal， 1999)：

(4)

式中：Ne為電子密度；p為掩星切點(diǎn)到地心的距離， 稱為碰撞高度； STEC為斜TEC， 其實是路徑TEC， 因為不是垂直測點(diǎn)下方而被稱為斜TEC；r為剖面高度．

需要說明的是， 阿貝爾積分反演算法包含了3個假設(shè)： ① 假設(shè)信號傳播路徑為直線； ② 假設(shè)局部球?qū)ΨQ； ③ 假設(shè)低軌衛(wèi)星軌道高度以上的電子含量忽略不計． 此外， 阿貝爾積分反演算法中存在積分上下限問題． 為了消除以上因素對反演精度的影響， 電子密度的反演算法仍在不斷發(fā)展中(劉經(jīng)南等， 2010)， 如“洋蔥分層”反演算法(Leietal, 2007)等．

美國GPS/MET計劃于1995年發(fā)射MicroLab-1低軌衛(wèi)星， 首次實現(xiàn)地球大氣層和電離層的無線電GPS掩星觀測． 目前已發(fā)射的用于GNSS掩星技術(shù)研究的低軌衛(wèi)星計劃還有德國的CHAMP計劃、 阿根廷的SAC-C計劃、 丹麥的Orsted計劃、 美國和中國臺灣合作的COSMIC計劃、 澳大利亞的FedSat計劃等(王也英等， 2009)， 國內(nèi)已有氣象衛(wèi)星如風(fēng)云3號， 未來的電磁衛(wèi)星CSES上也將搭載GNSS無線電掩星設(shè)備． 在上述掩星計劃中， COSMIC計劃是迄今為止世界上最大的掩星計劃. COSMIC系統(tǒng)由6顆相同的微衛(wèi)星組成， 每顆衛(wèi)星裝載有GPS接收機(jī)、 小型電離層光度計和三頻信標(biāo)儀等科學(xué)探測儀． 這6顆衛(wèi)星分布在約800 km 軌道高度， 傾角為72°， 相鄰衛(wèi)星軌道平面夾角為30°． 掩星接收機(jī)通過接收GPS與衛(wèi)星之間的掩星事件， 計算電波在電離層傳播過程中產(chǎn)生的相位延時量， 利用相位差分反演得到電離層TEC及電子密度剖面．

COSMIC衛(wèi)星已經(jīng)在全球電離層變化特征、 天氣和氣候預(yù)報以及地震電離層異常探測中取得許多成果． Hsiao等(2010)通過FORMOSAT-3/COSMIC掩星觀測對汶川地震前后電離層擾動的詳細(xì)分析結(jié)果顯示， 地震前5天內(nèi)正午左右， 靠近震源區(qū)上空F2層峰值高度(hmF2)下降約25 km， 峰值密度(NmF2)下降2×105el/cm3， TEC在250—300 km高度間下降2 TECU． Kakinami等(2010)基于COSMIC掩星數(shù)據(jù)構(gòu)建了電離層電子含量(ionospheric electron content, 簡寫為IEC)經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?模型數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的對比結(jié)果顯示， 汶川地震前6天內(nèi)除了第3天即5月9日震中附近IEC顯著增強(qiáng)， 其余5天IEC均呈下降異常． 楊劍等(2008)利用COSMIC掩星觀測的電離層電子密度剖面研究了2006年11月15日本千島MS8.0地震和2007年2月25日青海海西MS5.3地震， 結(jié)果表明臨震前地震上空附近的電子密度存在異常變化． 耿光宇(2010)利用COSMIC掩星數(shù)據(jù)研究了2009年9月30日蘇門答臘MS7.7地震前的電離層異?，F(xiàn)象， 采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)插值技術(shù)獲得了研究區(qū)域電離層電子密度峰值的空間分布， 結(jié)果顯示震前5天在地磁和太陽活動平靜的情況下震中上空NmF2出現(xiàn)顯著下降， 可能與該地震的孕育有關(guān)． 姚璐等(2014)結(jié)合JPL發(fā)布的GPS TEC和COSMIC掩星數(shù)據(jù)研究了2010年4月13日玉樹MS7.1地震前的電離層異常變化， 結(jié)果顯示地震當(dāng)天出現(xiàn)明顯的TEC增強(qiáng)現(xiàn)象， 而掩星探測電子密度剖面在4月9—10日的異常更為突出， 兩者不能完全吻合可能與掩星探測剖面出現(xiàn)的概率較低及其時空分布太過稀疏有關(guān)．

利用GPS衛(wèi)星和近地軌道衛(wèi)星的掩星觀測具有全球覆蓋、 全天候、 高垂直分辨率和高精度等特點(diǎn)， 可提供大氣(近地面至60 km)參量和電離層電子密度剖面， 但觀測數(shù)據(jù)在空間上隨機(jī)分布， 無法保證研究區(qū)域的長時間連續(xù)覆蓋. 當(dāng)研究某一區(qū)域時， 如經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺乏的情形， 則需借助插值技術(shù)、 現(xiàn)有經(jīng)驗?zāi)Ｐ图捌渌^測數(shù)據(jù)進(jìn)行時空分布的補(bǔ)充． 受低電離層反演精度的制約， 地震應(yīng)用研究中一般選擇可信度和測量精度較高的TEC或電離層峰值高度F2層的特征參量如峰值密度、 峰值高度等進(jìn)行分析， 其它層位的貢獻(xiàn)則相對較少．

2.3.2 三頻信標(biāo)探測技術(shù)與方法

Austen 等(1988)最早將層析成像(computerized tomography, 簡寫為CT)方法應(yīng)用于電離層研究， 此后電離層層析成像(computerized ionospheric tomography, 簡寫為CIT)技術(shù)成為衛(wèi)星信標(biāo)和地面接收站配套使用的探測手段． 三頻信標(biāo)的工作機(jī)制是發(fā)射機(jī)在VHF(30—300 MHz)和UHF(300—3000 MHz )頻段上輸出頻率穩(wěn)定且相位相關(guān)的3個載頻信號， 并經(jīng)搭載在衛(wèi)星上的全向天線向預(yù)定覆蓋區(qū)域輻射， 位于地面的三頻信標(biāo)接收機(jī)跟蹤鎖定星載三頻信標(biāo)信號后， 實時輸出3個頻段的同相/正交(in-phase/quadrature)兩路信號. 對3個頻段數(shù)據(jù)分別進(jìn)行差分處理， 然后利用下式計算相對TEC：

(5)

其中,

式中,f1和f2表示3個頻率中的任意兩個頻點(diǎn)． 進(jìn)而利用不同頻率的差分相位結(jié)合素數(shù)論原理即可計算絕對TEC， 即

(6)

式中： Δφ12和Δφ13分別為兩個頻率之間的差分相位；k2為一正整數(shù)， 通常稱為三頻相位積分常數(shù)， 可利用多站數(shù)據(jù)結(jié)合雙頻計算TEC粗差擬合得出；x12和x13可由3個頻率間的倍數(shù)素數(shù)論原理獲得． 將相對和絕對TEC數(shù)據(jù)作為輸入源， 利用代數(shù)重建法、 代數(shù)迭代重建法和奇異值分解法等層析成像技術(shù)即可生成電離層電子密度圖像， 得到電子密度的二維或三維結(jié)構(gòu)分布．

2006年COSMIC衛(wèi)星發(fā)射成功， 星上搭載了TBB發(fā)射機(jī)， 發(fā)射頻率分別為150， 400， 1067 MHz的頻率穩(wěn)定且相位相關(guān)的3組載頻信號， 經(jīng)全向天線向預(yù)定覆蓋區(qū)域輻射． 我國臺灣地區(qū)據(jù)此建立了低緯電離層CT探測臺鏈， 通過接收COSMIC和OSCAR等低軌道衛(wèi)星三頻發(fā)射信號， 對低緯電離層的形態(tài)和擾動進(jìn)行研究， 以便有效監(jiān)測地震危險區(qū)的電離層結(jié)構(gòu)變化． 美國從2011年開始計劃用三頻信標(biāo)裝備24顆衛(wèi)星， 印度和我國臺灣地區(qū)也啟動采用三頻信標(biāo)裝備衛(wèi)星的計劃， 我國2017年即將發(fā)射的電磁監(jiān)測衛(wèi)星CSES上也將搭載三頻信標(biāo)發(fā)射機(jī). 這些衛(wèi)星的發(fā)射將為全面開展電離層三維結(jié)構(gòu)探測提供支撐．

三頻信標(biāo)技術(shù)研究目前集中于電離層層析成像技術(shù)的更新發(fā)展， 觀測數(shù)據(jù)被應(yīng)用于電離層數(shù)據(jù)同化等， 截至目前為止未見利用信標(biāo)觀測得到的地震震例研究結(jié)果， 其地震應(yīng)用效能尚待檢驗．

3 地震電磁立體觀測體系

隨著地基和空間電離層探測技術(shù)的快速發(fā)展， 地震前后電磁多參量對比分析研究陸續(xù)展開． 丁鑒海等(2005)分析了地磁場變化與電離層擾動在多次地震前的同步響應(yīng)關(guān)系． 安張輝等(2011)利用由希爾伯特-黃(Hilbert-Huang)變換計算得到的邊際譜對天基和地基電場觀測數(shù)據(jù)予以分析， 結(jié)果顯示DEMETER衛(wèi)星記錄電場和震中周邊地區(qū)臺站觀測電場的邊際譜在汶川地震前半個月左右增強(qiáng)了兩個數(shù)量級， 天、 地電場擾動時間有較好的一致性． 張學(xué)民等(2014)基于地基測高、 GPS TEC和DEMETER衛(wèi)星探測原位等離子體參量， 對比分析了2010年4月13日玉樹地震前后不同高度電離層特征參量的時空分布， 確認(rèn)地震前一天自低電離層到衛(wèi)星高度(670 km)出現(xiàn)多參量同步擾動現(xiàn)象． 基于汶川地震豐富的各類研究成果， 張學(xué)民等(2009a)從地磁低點(diǎn)位移、 地基GPS TEC、 電離層測高以及DEMETER衛(wèi)星觀測等離子體參量， 綜合分析了汶川地震前的電磁多參量異常演化特征， 并綜合應(yīng)力、 紅外、 高光譜等其它探測手段， 總結(jié)了各探測參量在地震孕育不同階段的敏感性， 由此可見多參量的協(xié)同監(jiān)測有助于理解地震孕育發(fā)展的全過程(Zhangetal, 2012a)． 對于同震及震后電離層異常研究， Hao等(2012)針對2011年日本Tohoku大地震的研究表明， 利用地表高頻多普勒頻移和GPS TEC均觀測到傳播至電離層的地表振蕩所激發(fā)的地震次聲波， 而電離層中電子密度與電流的相互作用同樣被地磁場觀測結(jié)果所證實．

綜上所述， 地基和空基電離層探測技術(shù)各有其優(yōu)勢和劣勢， 具體列于表1． 可以看到， 地基探測可以在固定區(qū)域連續(xù)觀測， 但一般受臺站位置所限， 震例積累相對有限； 而衛(wèi)星觀測可以覆蓋全球獲取更多震例資料， 但是單顆衛(wèi)星受軌道所限對同一區(qū)域的時間間隔往往在幾天以上， 期間可能錯失很多信息． 為了更好地發(fā)揮不同探測手段的應(yīng)用效能， 圖1給出了地震電離層立體監(jiān)測體系的基本框架． 可以看出， 綜合利用現(xiàn)有探測技術(shù)即可實現(xiàn)自地表、 電離層底界面D區(qū)、 E區(qū)、 F2區(qū)至衛(wèi)星高度的全面立體監(jiān)測， 并可通過不同探測手段獲得相同參量的觀測， 從而改善觀測參量的時空分辨率和三維成像技術(shù)， 為研究電磁擾動激發(fā)機(jī)制以及從地表到空間的傳播耦合機(jī)理提供不同層位的基礎(chǔ)觀測結(jié)果和實際約束條件．

關(guān)于地基電離層探測, 在國內(nèi)建立了測高GPS TEC, VLF電波和舒曼諧振等相關(guān)技術(shù)觀測臺站， 并開展了地震監(jiān)測應(yīng)用研究， 也取得了一定的成效， 但尚有很多問題值得我們深思．

針對電離層測高技術(shù)， 我國在華北地區(qū)建立了電離層斜測網(wǎng)， 明顯提高了該區(qū)域的電離層空間分辨率， 但電離層斜測接收的是電離層垂測站的高頻信號， 通過反射到達(dá)一定距離之外的接收站后其能量相對較弱， 導(dǎo)致頻高圖上反射信號有一定程度的損失， 對頻高圖

表1 電離層探測技術(shù)各項指標(biāo)對比

圖1 地震電離層立體監(jiān)測體系基本框架

上關(guān)鍵數(shù)據(jù)的判讀也造成較大影響， 因此斜測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性在國際上的認(rèn)可度不高． 根據(jù)目前的觀測積累， 在每年的夏季和雷雨季節(jié)， 頻高圖上信號中斷特別突出， 數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重， 因此斜測發(fā)射接收的觀測技術(shù)本身尚需改進(jìn)． 此外， 自2009年電離層斜測網(wǎng)運(yùn)行以來， 華北地區(qū)未發(fā)生M>6.0強(qiáng)震， 整個監(jiān)測網(wǎng)未有典型震例分析的經(jīng)驗積累， 只在磁暴等空間天氣事件中與GPS TEC有相關(guān)的對比分析結(jié)果， 故其在地震中的應(yīng)用效能還需更長期的數(shù)據(jù)積累．

TEC在國際上應(yīng)用非常廣泛， 我國的GPS數(shù)據(jù)預(yù)處理和TEC反演技術(shù)基本保持與國際同步發(fā)展的水平， 但目前的地震監(jiān)測應(yīng)用多以單站時間序列分析為主. JPL GIM模型僅使用了我國約40個GPS站點(diǎn)的數(shù)據(jù)， 在我國的空間分辨率很低， 而國內(nèi)目前尚無分辨率較高的區(qū)域TEC現(xiàn)報數(shù)據(jù)開放， 因此利用國內(nèi)現(xiàn)有基礎(chǔ)資源提供高精度區(qū)域TEC現(xiàn)報數(shù)據(jù)， 進(jìn)而加強(qiáng)地震電離層擾動時空分布研究是近期需要完成的主要任務(wù)之一．

VLF電波在國內(nèi)處于試驗研究階段， 目前使用設(shè)備僅能接收俄羅斯阿爾法3個導(dǎo)航站的信號， 發(fā)射與接收之間以電磁波的南北向傳播為主， 地震異常分析結(jié)果與日本震例應(yīng)用中較多使用的日出日落時間(terminator time, 簡寫為TT)異常幾乎無相似之處， 且鏈路距離比較長， 因此在觀測技術(shù)、 鏈路設(shè)計以及理論電波傳播計算模擬等方向亟需加強(qiáng)．

舒曼諧振在國際上較多應(yīng)用于閃電研究， 地震應(yīng)用只是其很小的應(yīng)用研究方向． 在國內(nèi)云南地區(qū)的地震監(jiān)測應(yīng)用中， 雖然一些地震震前顯示了各階舒曼諧振信號的增強(qiáng)， 但目前整體強(qiáng)震積累不足， 資料說服力不強(qiáng)， 加之其全球影響的特性， 單純利用諧振信號來進(jìn)行地震監(jiān)測的應(yīng)用價值并不高. 考慮到其屬于ELF頻段的磁場觀測， 未來與其它資料配合研究變化磁場或地下結(jié)構(gòu)探測等有一定價值(趙國澤等， 2015)．

伴隨空間電磁探測技術(shù)的發(fā)展和探測水平的不斷提高， 以及關(guān)于大量震前顯著電離層短臨擾動特性的深入研究， 地震電離層探測受到世界各國的廣泛關(guān)注， 尤其是中國電磁衛(wèi)星計劃的確立為構(gòu)建地震電磁三維立體監(jiān)測體系提供了一條無可替代的空間探測技術(shù)途徑， 使我國的地震立體監(jiān)測計劃進(jìn)一步向電離層頂部拓展．

張學(xué)民等(2009c)基于法國DEMETER衛(wèi)星開展的震例研究結(jié)果進(jìn)一步證實了地震電離層現(xiàn)象的存在及其顯著的短臨特性， 但不同衛(wèi)星、 不同載荷、 不同參量之間的相關(guān)性分析在國內(nèi)外的研究程度明顯不足， 其背后的理論支撐亟需加快發(fā)展． 相對DEMETER衛(wèi)星而言， 在保證多數(shù)載荷相同的基礎(chǔ)上， 中國電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星專門增加了電離層結(jié)構(gòu)探測GNSS和三頻信標(biāo)兩個載荷， 對電離層的系統(tǒng)觀測在原位探測基礎(chǔ)上， 增加了對衛(wèi)星下方電離層結(jié)構(gòu)的探測， 這樣整個觀測系統(tǒng)相對更為完善， 同時我國地基電磁、 電離層探測手段的不斷加強(qiáng)和完善也為天地一體化數(shù)據(jù)校驗及地震電離層信息立體監(jiān)測提供了更多的途徑． 法國DEMETER衛(wèi)星運(yùn)行期間， 法國國內(nèi)地面也相應(yīng)建立了一些電磁觀測站， 主要使用ULF， ELF和VLF頻段電磁場觀測， 在活動斷層和火山活動監(jiān)測中予以驗證(Zlotnickietal, 2006)． 我國不僅在電磁觀測手段方面比較完備， 同時多種地基電離層等離子體參量觀測手段也基本齊備， 因此基于中國地震電磁衛(wèi)星項目， 我國的地震電磁立體觀測體系相比其它國家更系統(tǒng)， 也更完整．

地震是發(fā)生在地下深部的構(gòu)造活動， 在其孕育過程中由于能量的大量積累激發(fā)產(chǎn)生相關(guān)的形變、 電磁輻射以及地下流體、 化學(xué)物質(zhì)的放射等， 這些信息在地表積累進(jìn)而傳播影響到電離層衛(wèi)星觀測， 結(jié)合國內(nèi)外研究人員提出的各類模型綜合分析認(rèn)為， 其傳播耦合途徑主要有3種： 電磁波傳播、 聲重力波傳播以及地球化學(xué)等因素激發(fā)的直流電場耦合． 從理論驗證的角度而言， 立體監(jiān)測將為不同的模型校驗提供更多的約束資料， 從而推動理論研究的深化． 在電磁波傳播的立體監(jiān)測體系中， 可在地面利用天然源場或者人工源場等探測地下電性結(jié)構(gòu)以及與地震可能相關(guān)的異常變化， 又可以作為波導(dǎo)傳播模型中地下介質(zhì)設(shè)定的重要參數(shù)， 直接觀測地表人工源及可能來自孕震區(qū)的天然源電磁輻射； 加上衛(wèi)星觀測電磁場可以提供在電離層高度的電磁波傳播特性， 因此寬頻電磁場觀測可以實現(xiàn)從巖石層到電離層的有效覆蓋， 并通過地面與空間相同頻率范圍的觀測結(jié)果進(jìn)行對比研究.

地基和空間觀測缺一不可， 其中人工源電波作為其中電磁波的特例可以為發(fā)展完善傳播模型提供最好的范本； 配合電離層等離子體參量觀測(測高、 TEC、 掩星、 衛(wèi)星原位觀測等)， 可以研究電磁波傳播在電離層不均勻體等結(jié)構(gòu)下的擾動， 形成一套比較完善的監(jiān)測體系. 就目前而言， 由于甚低頻段電磁波的反射、 折射能量損失主要發(fā)生在電離層底界面附近， 而目前國內(nèi)使用的地震電離層探測技術(shù)在此界面嚴(yán)重不足， 這也是監(jiān)測體系中缺失的重要環(huán)節(jié). 在該問題上， 三頻信標(biāo)和掩星觀測可以發(fā)揮更大的作用， 同時可考慮利用雷達(dá)、 空間站等彌補(bǔ)低電離層觀測的缺乏．

聲重力波傳播模型目前較多應(yīng)用于同震、 震后以及海嘯、 臺風(fēng)等大氣波動事件引起的電離層擾動， Hao等(2012)的研究顯示了地震波、 地磁場、 GPS TEC、 多普勒頻移、 次聲波等觀測技術(shù)在日本2011年3月11日大地震后的聯(lián)動效應(yīng). 聲重力波傳播偏重于大氣層的機(jī)械波傳播， 其到達(dá)電離層底界面后與電離層電子、 離子的響應(yīng)運(yùn)移機(jī)制目前尚未有較好的機(jī)理模型解釋； 國外研究人員在解釋人工源電波在震前電離層信號強(qiáng)度降低的現(xiàn)象時也認(rèn)為震前聲重力波擾動電離層引起電波強(qiáng)度改變(Molchanovetal, 2006)， 但截至目前未有同震或震后與GPS TEC等觀測同步的人工源電波擾動現(xiàn)象發(fā)布， 兩者之間的關(guān)聯(lián)尚待在立體監(jiān)測體系中進(jìn)一步驗證．

直流電場耦合模型最直接的應(yīng)用就是GPS TEC的地震擾動異常及其共軛效應(yīng)， 不同高度的等離子體參量響應(yīng)也可以對直流電場激發(fā)的電離層不均勻體特性進(jìn)行約束， 但目前該模型僅利用電磁觀測在地表和大氣層的校驗， 所以其約束性還比較弱. 為了驗證該模型， 需要地基、 大氣層、 電離層化學(xué)物質(zhì)的探測， 地表電荷的積累， 大氣電場監(jiān)測， 大氣電導(dǎo)率結(jié)構(gòu)探測等結(jié)果， 目前的探測技術(shù)中已有地表殼幔源氣體， 衛(wèi)星高光譜氣體探測， 電磁探測手段中掩星觀測可以提供大氣層中氣壓、 溫度等剖面結(jié)構(gòu)， 因此需要充分利用現(xiàn)有的地球化學(xué)探測資源， 配合大氣電場等電磁觀測， 研究地表-大氣層多參量的耦合響應(yīng)， 為直流電場模型提供更多支撐．

4 討論與展望

地震預(yù)測仍然是世界性難題， 針對地震監(jiān)測應(yīng)用的每一種探測技術(shù)除了其獨(dú)特的優(yōu)勢外， 均存在片面性和局限性. 鑒于電磁尤其是地震電離層監(jiān)測領(lǐng)域的顯著短臨擾動特性， 國內(nèi)外科研人員提出了地震立體監(jiān)測體系的發(fā)展理念(Bleier, Freund, 2005; 趙國澤等， 2007， 2015； 張學(xué)民等， 2009a)． 本文基于國內(nèi)外現(xiàn)有的電離層探測技術(shù)及其在國內(nèi)的主要應(yīng)用進(jìn)展， 分析了各類探測技術(shù)的優(yōu)勢和不足， 并與地震電離層耦合機(jī)理理論相結(jié)合， 希望通過立體監(jiān)測體系深化不同探測參量之間的關(guān)聯(lián)， 驗證完善地震電離層耦合理論模型， 以數(shù)據(jù)發(fā)展校驗?zāi)Ｐ停?以理論帶動技術(shù)的發(fā)展思路， 最終實現(xiàn)理論模型下的多參量有機(jī)串聯(lián)和組合， 在地震電離層立體監(jiān)測體系的框架下， 為地基和衛(wèi)星地震電離層立體監(jiān)測提供理論指導(dǎo)．

根據(jù)目前國內(nèi)電離層探測技術(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)展， 建議進(jìn)一步開展以下幾方面的研究：

1) 完善觀測體系， 主要包括地基現(xiàn)有電離層探測技術(shù)的改進(jìn)、 反演算法的優(yōu)化、 多頻段電磁場觀測的加強(qiáng)以及新技術(shù)的引進(jìn)等．

2) 校驗圈層耦合機(jī)理， 通過在地震前后及其它災(zāi)害事件中的天地一體化電磁場以及不同高度等離子體參量的同步響應(yīng)， 利用其時空強(qiáng)關(guān)聯(lián)特性校驗圈層耦合模型．

3) 改進(jìn)地球物理場精細(xì)建模技術(shù)， 包括電離層現(xiàn)報系統(tǒng)、 電離層層析成像以及地磁場建模等， 為地震監(jiān)測應(yīng)用分析提供精細(xì)電離層結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)背景支撐．

4) 發(fā)展地震電磁預(yù)測模型． 挖掘多源多參量數(shù)據(jù)中的相關(guān)性， 初步搭建地震電離層立體監(jiān)測體系下的地震電磁短臨預(yù)測模型， 充分發(fā)揮立體監(jiān)測效能．

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The seismo-ionospheric monitoring technologies and their application research development

1)InstituteofEarthquakeScience,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100036,China2)InstituteofCrustalDynamics,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100085,China

China Seismo-Electromagnetic Satellite (CSES) will be launched in 2017, which will fill in the gap in the stereo seismo-ionospheric monitoring system, and provide the scientific support for integrated space-ground comparison and validation in seismo-electromagnetic field, and for further understanding geosphere coupling mechanism. In order to meet the development requirements in stereo seismo-ionospheric monitoring system and fully understand each tool, this paper introduces the major ground-based and space-borne ionospheric monitoring technologies in China, including vertical/slant ionosounding, VLF (very low frequency) electromagnetic wave observation, Shumann resonance detection, GPS TEC (total electron content), and space electromagnetic satellite. Meanwhile, the application achievements in earthquake research are summarized, especially the developing status in China. Finally based on the integration of advantages for each technology, the basic framework of stereo electromagnetic monitoring system is discussed, and future comprehensive research fields are also suggested based on multi-source observation data from this system.

vertical/slant ionosounde; VLF electromagnetic wave; Shumann resonance; GPS TEC; electromagnetic satellite

綜 述

中國地震局地震預(yù)測研究所基本科研業(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)專項(2015IES0101)和亞太空間合作組織國際科技合作項目“亞太地區(qū)地基電離層監(jiān)測及地震擾動特征研究”(APSCO-SP/PM-EARTHQUAKE)共同資助.

2015-11-17收到初稿， 2016-02-23決定采用修改稿.

e-mail: zhangxm96@126.com

10.11939/jass.2016.03.004

P352.7

A

張學(xué)民， 申旭輝， 趙庶凡， 劉靜， 歐陽新艷， 婁文宇， 澤仁志瑪， 何建輝， 錢庚. 2016. 地震電離層探測技術(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)展. 地震學(xué)報, 38(3): 356--375. doi:10.11939/jass.2016.03.004.

Zhang X M, Shen X H, Zhao S F, Liu J, Ouyang X Y, Lou W Y, Zeren Z M, He J H, Qian G. 2016. The seismo-ionospheric monitoring technologies and their application research development.ActaSeismologicaSinica, 38(3): 356--375. doi:10.11939/jass.2016.03.004.