張 宇 王蘭煒， 申旭輝張興國 張世中 顏 蕊

1) 中國北京100085中國地震局地殼應力研究所 2) 中國北京100085北京市地震觀測工程技術研究中心

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中國電磁衛(wèi)星地面對比觀測系統(tǒng)方案研究*

1) 中國北京100085中國地震局地殼應力研究所 2) 中國北京100085北京市地震觀測工程技術研究中心

針對我國即將發(fā)射的電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星觀測物理量和觀測頻段， 結合我國現有地基觀測基礎和對比觀測需求， 本文提出了地面對比觀測系統(tǒng)設計方案， 包括觀測對象、 觀測頻段和觀測區(qū)域的選取以及臺網布局方式． 在此基礎上， 根據該方案在甘肅省天祝前兆臺陣區(qū)域建立了古豐、 寺灘和坪城等3個臺站的地面對比觀測原型系統(tǒng)， 并取得了電磁場的初步觀測資料． 對觀測資料的分析結果表明， 地電場和地磁場觀測數據呈典型的日變化形態(tài)， 具有較好的同步性和一致性， 能夠真實地反映小區(qū)域地電場和地磁場的變化． 該結果可為今后開展試驗性的星地聯(lián)合觀測和建立我國地震電離層立體監(jiān)測體系提供技術支撐．

電磁衛(wèi)星 觀測系統(tǒng) 對比觀測 原型系統(tǒng) 電磁場

引言

隨著空間技術的迅速發(fā)展， 多個國家已成功發(fā)射電離層電磁探測衛(wèi)星． 自Alouette-1衛(wèi)星觀測到1964年阿拉斯加MS8.5大地震震前電離層異常(Davis, Barker, 1965)后， 各國科研人員針對衛(wèi)星觀測地震前兆異常開展了大量的研究工作， 并取得了很多有意義的研究成果(Gokhbergetal， 1982； Parrot， 1994； Shalimov， Gokhberg， 1998； Hayakawa， 1999； Liuetal， 2002； Kopytenkoetal， 2004； Pulinets， 2004； 張學民等， 2009； 安張輝等， 2011； 朱濤， 王蘭煒， 2011)． 其中， Parrot(1994)， Pulinets(2004)和Liu等(2002)利用衛(wèi)星數據開展了震前空間電磁場和電離層總電子含量(total electron content, 簡寫為TEC)異常擾動的研究； 張學民等(2009)及朱濤和王蘭煒(2011)利用法國DEMETER衛(wèi)星探測數據分析了智利MS7.0和汶川MS8.0大震前后的電磁擾動異?，F象； 安張輝等(2011)利用邊際譜方法對汶川地震前天基和地基電場變化進行了聯(lián)合分析， 研究結果顯示地基和空間電場的邊際譜均出現了增強現象， 且二者的一致性較好, 這些研究成果均為空間地震前兆觀測研究積累了經驗．

我國即將發(fā)射專門應用于地震監(jiān)測研究的電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星(以下簡稱電磁衛(wèi)星)， 將在我國地基電磁監(jiān)測臺網的基礎上， 建立天地一體化立體地震電磁觀測體系， 極大提高我國地震監(jiān)測預測能力． 電磁衛(wèi)星的科學載荷包括電場探測儀、 感應式磁力儀、 高精度磁強計、 全球導航衛(wèi)星系統(tǒng) (Global Navigation Satellite System， 簡寫為GNSS)掩星接收機、 三頻信標機、 朗繆爾探針、 等離子體分析儀和高能粒子探測器共8種， 可對空間電磁場、 等離子體、 高能粒子能譜等參量的背景變化和擾動進行探測， 從而識別地球內部巖石圈所激發(fā)的信息．

電磁衛(wèi)星通過空間探測的方式對地震前兆現象進行監(jiān)測， 已成為地面前兆觀測手段的有益補充． 衛(wèi)星觀測為覆蓋全球的重訪軌道觀測， 其觀測點位置隨時間而改變， 而地基觀測為固定點連續(xù)觀測， 即二者觀測的物理量類似， 但觀測方法不同． 如何將衛(wèi)星觀測與地面觀測相結合， 基于我國多年積累的地面前兆觀測數據與即將發(fā)射的電磁衛(wèi)星獲取的電磁場和電離層等離子體探測數據進行對比觀測研究， 是我國未來立體監(jiān)測體系研究的關鍵． 法國和美國的科研人員曾就此進行相關的試驗研究． 法國DEMETER衛(wèi)星旨在探測與火山、 地震相關的電離層擾動現象， 其研究團隊在留尼汪(Réunion)島富爾奈斯(La Fournaise)火山和希臘地震多發(fā)區(qū)科林斯(Corinth)海灣建立了地面對比觀測站． 觀測結果顯示， 2003年5月富爾奈斯火山噴發(fā)前記錄到了電磁異常信號， 其電場幅值變化高達幾百mV/km， 持續(xù)時間長達幾個小時， 信號頻率為幾十赫茲， 但是并未記錄到地震前兆信息(Zlotnickietal， 2006)． 為了與QuakeSat微納衛(wèi)星進行聯(lián)合觀測研究， 美國科研人員沿加州地區(qū)主要斷裂帶布設地面電磁臺站， 構建成加利福尼亞磁觀測網絡(The California Magnetometer Network， 簡寫為CalMagNet)(Cutleretal, 2008)． QuakeSat衛(wèi)星在軌運行期間， 捕捉到2004年12月22日加州圣西蒙MS6.4地震的電磁異常信息， 但是地面觀測仍未記錄到相關的異常信息(Bleier， Dunson， 2005)．

雖然國際上在星地同步對比觀測方法方面的研究尚不夠深入， 但其試驗方法和布設方案為我國星地對比觀測系統(tǒng)設計提供了經驗與借鑒． 目前， 我國已建成大規(guī)模、 規(guī)范化的地面業(yè)務型監(jiān)測臺網， 相當多的臺站連續(xù)觀測長達30年之久， 積累了大量的觀測數據和豐富的震例資料． 本文擬針對我國即將發(fā)射的電磁衛(wèi)星和立體觀測的需求， 提出我國地面對比觀測系統(tǒng)的設計方案， 并通過建設地面對比觀測原型系統(tǒng)驗證該方案的合理性和科學性， 為我國天地立體監(jiān)測體系的設計和建設提供技術支撐．

1 電磁衛(wèi)星地面對比觀測系統(tǒng)設計

電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星地面對比觀測系統(tǒng)旨在開展電磁場和電離層等離子體的地面與空間聯(lián)合觀測， 探索地面和衛(wèi)星高度電磁信號的變化特征和相關性及其對磁暴、 地震等特定事件的響應特征． 該對比觀測系統(tǒng)方案設計主要包括觀測物理量、 觀測頻段和觀測區(qū)域的選取以及臺網布局方式的確定．

1.1 觀測物理量與頻段選取

電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星觀測的物理量包括空間電磁場、 等離子體參數和高能粒子能譜等3類共11種物理量， 詳細列于表1． 其中， 感應式磁力儀和電場探測儀用于測量電離層的電磁輻射變化信息， 高精度磁強計用于測量基本磁場變化， 等離子體分析儀和朗繆爾探針用于測量原位的等離子體參數， GNSS掩星接收機和三頻信標發(fā)射機用于測量電離層的電子密度剖面和TEC， 高能粒子探測器用于測量電離層的高能粒子通量和能譜．

表1 中國電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星的載荷配置和探測物理量

地面對比觀測需要包含衛(wèi)星觀測頻段和相應的物理量， 目前地面可開展的對比觀測手段包括地電場、 地磁場、 電磁擾動等地基電磁觀測與空間電磁場觀測數據對比， 電離層測高和GPS/北斗觀測等地基電離層觀測與衛(wèi)星GNSS掩星接收機和三頻信標發(fā)射機的反演結果比對分析， 地面對比觀測系統(tǒng)的儀器配置和所觀測的物理量列于表2．

表2 地面對比觀測系統(tǒng)的觀測儀器配置和觀測物理量

1.2 觀測區(qū)域的選取及臺網布局方式的確定

為便于對地震事件觀測結果進行對比， 應選取地震危險區(qū)、 活動斷裂帶和衛(wèi)星在軌運行5年內可獲得較多地震事件的地區(qū)作為對比觀測區(qū)域． 考慮到衛(wèi)星重訪周期為5天， 重訪軌道間距為530 km， 衛(wèi)星運行1分鐘跨越距離約為450 km， 本研究選取500 km×500 km的范圍作為地基同步對比觀測區(qū)域．

進行星地對比觀測的前提是必須保證地面觀測設備正常運行且觀測數據真實有效． 這就要求地面觀測臺站的數據能夠進行相互驗證， 在小區(qū)域范圍內具有同步性和一致性， 能夠反映相同的背景特征和事件響應規(guī)律． 為了獲得小區(qū)域內電、 磁場分布情況， 并能有效獲取地震信息， 參考QuakeSat衛(wèi)星的地面對比觀測經驗， 臺站距離地震斷裂帶或潛在震源位置應不超過30 km， 再加上建設經費、 場地、 通信等諸多因素的影響， 本研究設定我國電磁衛(wèi)星地面對比觀測臺站的間距以50 km左右為宜． 此外， 為了從空間上實現地面與衛(wèi)星的同步對比， 站點應盡量沿衛(wèi)星運行軌道并位于衛(wèi)星星下點．

2 電磁衛(wèi)星地面對比觀測原型系統(tǒng)

按照上節(jié)所述的區(qū)域選取要求， 結合我國主要斷裂帶分布和現有地基觀測基礎， 本研究在甘肅省天祝地震前兆科學臺陣區(qū)域建設了配合衛(wèi)星對比觀測的地面系統(tǒng)， 以驗證地面對比觀測系統(tǒng)設計方案的合理性與可行性．

2.1 地面對比觀測原型系統(tǒng)建設

甘肅省天祝地震前兆科學臺陣位于我國南北地震帶北端甘青交界的天祝地區(qū)， 觀測場地開闊， 具有較好的電磁觀測環(huán)境. 圖1給出了天祝前兆臺陣的臺站分布， 可以看到該區(qū)域內斷裂分布較多， 其中金強河斷裂、 毛毛山斷裂和老虎山斷裂是昌馬—祁連—海原斷裂帶的分支． 昌馬—祁連—海原斷裂帶是青藏高原北部邊緣地區(qū)最重要的巨型弧形斷裂帶， 其強震活動非?；钴S， 1920年海原MS8.5， 1927年古浪MS8.0， 1932年昌馬MS7.6， 1984年門源MS6.5， 1990年景泰MS6.2， 1999年景泰MS5.9， 1995年永登MS5.8， 1996年天祝MS5.4和2016年門源MS6.4等地震均發(fā)生在該斷裂上． 在天祝建設地面對比觀測系統(tǒng)， 有利于地震事件的觀測和對比， 宜于開展地面對比觀測試驗．

通過臺站實地勘選和場地測試， 選擇古豐、 寺灘和坪城等3個臺站建設地面對比觀測系統(tǒng)， 包括地磁場、 地電場和電磁擾動觀測． 這3個臺站相距不超過100 km， 可滿足小區(qū)域觀測要求． 通過在典型構造背景條件下建設相應觀測點或臺陣， 結合同期在軌的衛(wèi)星觀

圖1 天祝前兆臺陣臺站分布圖

測量分量地磁場三分量(Bx,By,Bz)測量范圍(-65knT,65knT)頻帶/HzDC—15采樣率/Hz60分辨率/nT0.1噪聲水平/nT≤0.1(RMS)

測數據， 對電磁場變化趨勢進行綜合分析研究．

2.1.1 地磁場觀測系統(tǒng)

電磁衛(wèi)星地磁場觀測頻段為DC—15 Hz， 地基觀測采用磁通門磁力儀， 其技術指標如表3所示． 該設備是星載高精度磁強計針對地面觀測的適應性改型， 其探測原理和探測頻段與電磁衛(wèi)星高精度磁強計設備完全一致，

圖2 垂直地電場觀測系統(tǒng)建設示意圖Fig.2 Schematic diagram of vertical geo-electric field observation system

能夠實現地磁場矢量的同頻段同物理量對比． 將磁通門磁力儀探頭埋設在地下3 m深處， 固定于無磁觀測墩上， 以避免人文環(huán)境和自然環(huán)境的影響； 傳感器引線采用地埋方式進入觀測室．

2.1.2 地電場觀測系統(tǒng)建設

星載電場儀觀測DC—3.5 MHz頻段內的三分量電場， 由于地面高頻干擾較復雜， 地面電磁觀測集中于低頻段， 觀測頻段為DC—0.01 Hz． 本研究在我國已廣泛開展的地表水平地電場觀測基礎上， 補充垂直地電場觀測手段， 可滿足三分量電場觀測． 水平方向的觀測極距約為50—100 m， 電極埋深為2 m； 垂直方向井深約100 m， 為了充分發(fā)揮深井利用效能， 將100 m深井劃分為地表、 50 m和100 m共3層， 裝置系統(tǒng)建設示意圖如圖2所示． 由于井下電極在出現故障時無法更換， 采取同一深度埋設多個電極的方式(3個Pb-PbCl2固體不極化

表4 電場儀技術指標

電極和1個鉛板電極)， 以保證觀測系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性． 通過對比不同電極的測量結果， 來驗證觀測系統(tǒng)的可靠性．

地電場觀測采用多通道GEF-Ⅰ地電場儀， 同時滿足三分量多電極的觀測需求， 其主要性能指標如表4所示．

2.1.3 電磁擾動觀測系統(tǒng)建設

通常電磁擾動觀測對象為電場強度E和磁場強度H(或磁感應強度B)的水平分量. 為了與星載感應式磁力儀三分量磁場探測進行對比， 本研究增加了垂直方向的觀測試驗， 并設觀測頻段為DC—20 Hz, 水平方向感應式磁傳感器的埋深為2 m， 垂直方向埋深為3 m． 為了避免相互干擾， 磁傳感器之間的距離須大于5 m， 并與磁通門磁力儀探頭相隔5 m．

電磁擾動觀測采用專門為對比觀測研制的DCRD-2A電磁擾動觀測儀， 其主要技術指標列于表5．

表5 電磁擾動觀測儀技術指標

2.2 觀測數據及初步分析結果

古豐、 寺灘和坪城這3個臺站的地面對比觀測系統(tǒng)于2015年7月開始運行． 圖3給出了2015年7月13日3個臺站同一測向磁通門磁力儀測量的地磁場相對變化曲線， 可以看出， 3個臺站在小區(qū)域內的觀測數據形態(tài)具有較好的一致性．

為了確保地電場測量數據的準確性和可靠性， 在不同測向布設兩種不同極距進行對比觀測， 此處以古豐臺為例. 古豐臺地電場觀測系統(tǒng)東西測向長、 短極距分別為240 m和200 m， 南北測向長、 短極距分別為274 m和240 m， 垂直測向長、 短極距分別為100 m和50 m． 圖4給出了2015年7月12日古豐臺地電場東西、 南北和垂直3個分量的相對日變化曲線． 可以看出， 同一測向不同極距觀測數據曲線形態(tài)一致， 呈雙峰雙谷形態(tài)． 經計算得到南北、 東西和垂直方向長、 短極距測道電場強度觀測值的相關系數分別為0.9883， 0.9969和0.9435， 可見其觀測曲線形態(tài)一致且相關性好． 由此看來， 該觀測區(qū)域滿足地電場觀測條件， 具有典型地電場日變化特征．

圖5給出了3個臺站南北測向的地電場相對日變化曲線． 由于坪城臺每日凌晨3：00—4：00對場地供直流電進行多極距地電阻率觀測， 干擾較大， 因此將該時段干擾數據剔除．

我提前結束行程，匆匆趕回家。到了自家小區(qū)時，剛巧碰上媽媽在干活。媽媽在小區(qū)里找了份保潔的工作，每天負責掃十棟樓的樓梯。她見到我，覺得驚訝，一邊拖地一邊問：“你怎么回來得這么早，不是周末才回來嗎？錢不夠了？”

圖3 2015年7月13日寺灘、 坪城和古豐3個臺站的地磁場(B)三分量相對變化曲線

圖4 2015年7月12日古豐臺地電場相對變化曲線

可以看出， 小區(qū)域范圍內地電場日變化曲線呈較好的同步性和互相關性， 說明該區(qū)域地電場具有同步變化特性．

古豐、 寺灘和坪城這3個臺站電磁場觀測資料的對比分析表明， 本研究所建設的地面對比觀測系統(tǒng)工作正常， 地電場與地磁場觀測數據的同步性和一致性較好， 能夠真實地反映小區(qū)域的電磁場強度及其變化．

圖5 2015年7月12日地電場南北測向相對變化曲線

3 討論與結論

本文提出建設覆蓋電磁衛(wèi)星物理量和頻段的地面對比觀測系統(tǒng)， 并結合我國現有地基觀測基礎和對比觀測需求， 來研究地面對比觀測系統(tǒng)的設計方案．

地面對比觀測原型系統(tǒng)的建設和運行， 驗證了地面對比觀測系統(tǒng)設計方案的合理性， 表明該區(qū)域地面觀測數據的一致性較好， 觀測數據正常， 能夠真實反映小區(qū)域電、 磁場強度及其變化． 后續(xù)研究擬將該區(qū)域的觀測數據與已在軌運行的歐空局Swarm衛(wèi)星磁場探測數據相結合， 試驗性地開展星地同步對比觀測， 分析衛(wèi)星與地面觀測同類探測物理量的時空變化規(guī)律， 總結地面和衛(wèi)星高度電磁信號變化特征和相關性， 以及對磁暴、 地震等特定事件的響應特征， 為我國電磁衛(wèi)星在軌運行后星地觀測數據的綜合應用以及立體地震電磁監(jiān)測體系的建立提供技術基礎和觀測經驗．

對甘肅省地震局監(jiān)測中心對本項目的大力支持表示衷心的感謝．

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Ground-based comparative observation system in China Seismo-Electromagnetic Satellite mission

1)InstituteofCrustalDynamics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100085，China2)BeijingEngineeringResearchCenterofEarthquakeObservation，Beijing100085，China

Considering satellite observation physical quantities and frequency-bands of China Seismo-Electromagnetic Satellite (CSES) as well as present situation of ground-based observation and comparative observation requirements in China， this paper proposed a design scheme for ground-based comparative observation system in CSES mission. According to the design scheme， three ground-based comparative observation systems Gufeng， Sitan and Pingcheng were established in Tianzhu area of Gansu Province， and preliminary observation data of electric field and magnetic field were obtained. The data analysis results show that the curves of electric field and magnetic field exhibit typical diurnal variation waveform with good synchronization and consistency， which can really reflect the intensities of electric and magnetic fields as well as their changes in a small region. Therefore， the result provides technical basis for satellite-ground joint observation and develop of stereo seismo-ionospheric monitoring system.

CSES; observation system; comparative observation; prototype system; electromagnetic field

國家自然科學基金(41374127)和民用航天科研項目“電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星數據地面驗證技術研發(fā)”聯(lián)合資助.

2015-11-23收到初稿， 2016-02-20決定采用修改稿.

e-mail: wanglw829@126.com

10.11939/jass.2016.03.013

P315.73

A

張宇， 王蘭煒， 申旭輝， 張興國， 張世中， 顏蕊. 2016. 中國電磁衛(wèi)星地面對比觀測系統(tǒng)方案研究. 地震學報, 38(3): 458--466. doi:10.11939/jass.2016.03.013.

Zhang Y, Wang L W, Shen X H, Zhang X G, Zhang S Z, Yan R. 2016. Ground-based comparative observation system in China Seismo-Electromagnetic Satellite mission.ActaSeismologicaSinica, 38(3): 458--466. doi:10.11939/jass.2016.03.013.