汶川地震前羊八井中子-μ子望远镜计数率异常

张吉龙 丁鉴海 申旭辉 李 纲 余素荣 王 辉 卢 红 谭有恒

(1.中国科学院高能物理研究所粒子天体物理中心,北京100049;2.中国地震局地震预测所,北京 100036;3.中国地震台网中心,北京 100045)

1.引 言

俄罗斯率先通过空间卫星观测发现在6级以上地震前几小时高能粒子爆(BURSTS)异常现象[1],2004年发射的法国DEMETER卫星的高能粒子探测器IDP,正是用于监测1MeV高能电子在震前的沉降现象[2]。利用羊八井中子监测器,发现2001年昆仑山8.1级地震前4天左右中子记数率异常扰动[3-4],时间与新疆宽频带数字地震台网记录的异常低频地脉动前驱波十分吻合[5]。这是首次报导地震前中子监测器计数异常扰动现象。羊八井中子-μ子望远镜在2007年底开始运行,次年就观测到5.12汶川地震期间宇宙线计数率异常扰动。这是继羊八井中子监测器观测到震前宇宙线异常现象后,利用另一种宇宙线观测手段观测到的震前宇宙线异常现象。由于μ子望远镜具有方向信息,所以相对中子监测器获得了更多的观测信息,并初步显示了中子-μ子望远镜作为一种新的地震监测仪器的可能性。

2.西藏羊八井宇宙线高能粒子观测

2.1 西藏羊八井宇宙线观测站

西藏羊八井观测站,地处E 90°53′经度,N 30°13′纬度,海拔 4300米,为北半球海拔高度最高的宇宙线观测站,现有多种宇宙线观测设备正在运行。其中,与东京大学和名古屋大学合作建造的9 m2中子望远镜,能测量来自81个方向、最小能量为240 MeV的中子,数据记录为1次/10秒。属于覆盖全球的用中子望远镜观测太阳中子的观测网。在第23次太阳活动峰年期间,提供了大量有价值的观测结果[6-7]。另外,与日本理化所合作建造的 28支NM-64型中子监测器,探测500 MeV～20 GeV能量范围的宇宙线粒子,同时采集 1、2、3、4、5、6、7 及8以上多重数数据,数据记录为1次/1秒,总计数率达到107/小时[8]。在全球所有正在运行的大约60个中子监测器中,是总计数率最高的中子监测器,是世界公认的最重要的中子监测器之一。于2007年11月在羊八井开始运行的中子-μ子望远镜,由中方独立建成,是目前世界海拔最高的μ子望远镜[9]。中子-μ子望远镜将结合羊八井现有的中子监测器和中子望远镜,开展对空间环境(高能粒子事件、地磁暴等)的监测预警。羊八井观测站经由中国科学院网络中心的8M光纤专线到高能所的数据传输已联通,羊八井中子-μ子复合望远镜、中子监测器及中子望远镜的全部数据,已实时传输到北京中科院高能物理研究所,并经实时处理、实时入库后实时通过网上发布。数据实施了每小时的更新,现可提供最近1小时内实时的经处理后的数据,并可通过浏览器提供实时的快视图[10]。

2.2 羊八井中子-μ子望远镜

图1 羊八井中子-μ子望远镜结构图

羊八井中子-μ子望远镜系统由两部分组成(见图1)。一是由上下各24个塑料闪烁探测器构成的望远镜系统,上下两层闪烁探测器相距130 cm。穿透性极强的μ子可穿过上下两层探测器,并将能量沉积在探测器中产生闪烁光,经光电倍增管放大后输出电脉冲信号。通过上下探测器脉冲信号的符合,可测定来自77(7×11)个方向、能量350 MeV以上的宇宙线计数。在这两层闪烁探测器之间,由8支3He中子计数管构成的中子监测器,组成一个独立的中子监测器用于记录宇宙线强度变化,其中用于中子增殖的铅块还同时作为μ子探测器的一部分过滤其它宇宙线成分。数据采集系统运行在Linux系统下,所有数据都通过串口(R232)向计算机传输。为了保证系统的时间准确性,采用GPS对计算机时钟每10分钟作一次校正。

羊八井μ子-中子复合望远镜的数据传输、处理及发布系统也在Linux操作系统下工作,每天的数据分别形成μ子望远镜、中子监测器及闪烁探测器计数器等3个数据文件,数据经过8M专用光纤从羊八井实时传输到北京中国科学院高能物理研究所后存储在服务器中,再实时对原始数据进行处理后写入数据库,用户通过网络浏览器就可浏览最新的快视图,并可下载相关的数据。传送周期由后台定时激活程序设定。后台定时激活程序用Linux系统的crond守护程序设置,目前羊八井宇宙线监测设备的数据每小时向北京传输1次,根据今后的需要(如空间天气预报及地震前兆研究等),可实行每5分钟甚至每分钟1次的实时传输。

3 汶川地震前羊八井中子-μ子望远镜宇宙线异常现象

3.1 中子监测器

在2008年5月12日汶川地震发生前3天左右,羊八井中子-μ子望远镜其中的中子监测器计数率在5月9日出现明显异常,记数率发生显著降低,图2所示为1小时计数率的异常情况,其中一条曲线是未经过气压修正曲线,另一条是经过气压修正曲线[11],用于分析的数据必须经过气压修正。图中经过气压修正后的结果出现异常,9日当天5时的计数率峰值,相对前一天(8日)及后一天(10日)5时的计数率所取平均值,计数率降低达到约5.3σ(相当于超过无震时均方误差的5.3倍)。

图2 汶川5.12地震期间羊八井“中子-μ子望远镜”中子监测器每小时记数率(UT时)

3.2 μ子望远镜

在汶川地震前,羊八井中子-μ子望远镜其中的μ子望远镜计数率从5月7～9日打破正常日变形态,出现日变畸变异常。日变化异常出现在各个方向 ,如垂直(vertical)、偏东天顶角 20°(E20°)及偏西天顶角 20°(W20°)等,直到12 日,震前 10、11 日增高。图3为6日到13日期间,μ子望远镜垂直方向(vertical)1小时计数率变化情况,标注观测量粗线为实验观测计数率,标注背景细线为实验背景计数率。背景计数率取自出现异常(7日)前一天(6日)的计数率,再考虑到μ子望远镜计数率在1～20日这一期间计数率平均,经计算约每天的计数率下降1817个计数。

图3 汶川5.12地震期间羊八井μ子望远镜垂直方向每小时记数率(UT时)

根据图3给出的背景,可计算出5.12汶川地震前宇宙线μ子望远镜垂直方向1小时计数率相对背景的显著性分布,如图4所示。从图4可见,μ子垂直方向计数率在8日开始出现异常,每小时计数率减少量达到5σ。而9日每小时计数率出现显著增高,显著性最高达到12σ,这一异常增高与图2中的中子监测器计数率异常时间基本一致,区别是中子监测器计数率降低,而 μ子计数率是增加。另外,在10日与11日计数率亦有显著增高,但在震前一天计数率开始恢复正常。

图4 汶川5.12地震期间羊八井μ子望远镜垂直方向每小时计数率偏离背景的显著性分布(UT时)

4.宇宙线与其它电磁异常时空分布的一致性

宇宙线汶川地震前5天特别是5月9日出现明显异常,其它地基—天基电磁观测方法也同步出现突出异常,例如5月9日地磁低点位移、利用GPS反演得到的电离层总电子含量(TEC)、电离层测高仪得到的f o F2和电磁卫星监测的粒子密度和温度等均观测到局部电磁扰动现象,多数异常幅度超过50%[12-14]。

4.1 地磁低点位移异常

中国中部在2008年4月24日出现地磁低点位移基础上,5月9日再次出现了一条近SN向的低点位移分界线(图5),分界线的东部,低点时间在10～12时左右,而紧邻分界线的西部,低点时间为15时,低点时间东西两部分相差接近或超过3小时,打破了低点时间随经度的连续变化规律,在邻近汶川地震西部的台站低点时间为17时,与其东部的台站时间相差近5个小时。这次异常出现后仅3天,分界线东部发生汶川8.0级地震。

图 5 2008年5月9日低点位移异常(据丁鉴海等,2008)

4.2 汶川地震前的空间电磁异常现象

4.2.1 TEC和foF2异常

汶川地震前收集到了泸州(LUZH)GPS测点反演得到的TEC观测资料(图6中后三张图中小方框散点为观测值,虚线为上下四分位线,中间细实线为中位线),可以看到该测点TEC总体在1～5日日变幅度比较大,而6、7日日变幅相对减弱了40%左右,10～12日变化幅度与1～6日相当。同时在这段时间内有两个明显的日变幅增大的现象分别出现在3日和9日,增加幅度接近100%。与Kp指数等进行对比,3、4日的TEC增加可能与一系列电离层亚暴有关,而9日的快速增加与汶川地震孕育过程对电离层产生的扰动有关。

分析了重庆和昆明台测高仪的 f o F2资料,与泸州TEC绘制在同一张图中(图6),结果显示这两个台的F2层临界频率的变化特征基本与泸州TEC一致,显示了3日和9日的快速增加,6～7日幅度减弱的现象,在空间电磁状态平稳的情况下,6日以后异常现象应该与汶川地震有关。

图6 利用GPS和电离层测高仪得到的TEC和f oF2曲线(据张学民等,2009)

4.2.2 电磁卫星观测的电离层离子扰动异常

利用法国DEMETER卫星资料研究发现,离子密度5月7日在北纬30～40°左右出现快速增加的现象,超过70000 cm-3(其它纬度离子密度均在40000～60000 cm-3之间),增加幅度约 50%,异常极为明显。

利用等离子体分析仪的观测数据,结果显示,2008年5月9日在飞过震中上空的轨道上记录到离子温度扰动异常,在北纬30～40°N范围内,离子温度最大扰动幅度在500 K左右。

5.结论与讨论

1)同其它大震短临前兆相似,2008年5月12日汶川震前一个月内特别是震前几天有明显短临异常[15]。宇宙线高能粒子异常在震前5天内特别是5月9日出现突出异常,与地磁低点位移、电离层等空间电磁异常在时空分布上有明显一致性,加强天地一体化立体监测包括天基—地基高能粒子监测对地震预报水平的提高是非常必要的。

2)利用西藏羊八井中子监测器10年的资料,发现在太阳活动、地磁活动均平静的状态下,连续数天打破正常日变化规律和计数率增高现象(高于5倍均方差),例如2001年11月14日昆仑山口西8.1级地震、2004年12月26日苏门答腊8.7级地震和2005年10月8日巴基斯坦7.8级等大地震。在这一基础上,利用在羊八井于2007年新建成的中子-μ子望远镜,研究了在2008年5月12日汶川地震前宇宙线变化情况,发现中子-μ子复合望远镜的中子监测器计数率及μ子望远镜计数率都在震前出现异常。

根据文献[5][16],汶川地震及昆仑山地震前3天左右,宽频带地震仪均观测到低频颤动现象。这样的低频颤动现象,有可能正是“寂静地震”的表现,即地下板块相对极其缓慢的滑动时产生的频率极低的地震波,并认为往往是具灾难性破坏的强地震的先兆[17]。这种低频颤动在沿地表传播过程中,还同时有可能进入大气层,形成及岩石圈-大气层-电离层-磁层多种耦合。根据能量守恒,地面的波动,在向上传播过程中,由于空气密度逐渐减小,波动振幅将得到放大。放大的振幅将对电离层—大气层产生较强的扰动,也使电离层等离子体参数以及大气压强、温度受到扰动,入射地球宇宙线高能粒子在穿过电离层—大气层时受到干扰而产生异常。中子气象效应主要是较容易处理的气压效应[18],如在羊八井高度的中子-μ子复合望远镜的中子监测器,大气压升高1 hPa,则中子强度将减少约1%。对于9日5时的中子监测器峰值,相对前后两天5时的计数率平均值,减少了约0.5%,相当于大气压强变化了约0.5 hPa的等效结果。μ子的气压效应相对中子较小,但是μ子还有较复杂的、明显的温度效应,对于不同能量μ子,温度效应可能是正效应或负效应,μ子计数率的变化由气压和温度效应共同决定,所以汶川地震期间μ子计数率变化与中子不一致是可以理解的。

3)宇宙线高能粒子作为联系日地空间一种媒介,在异常响应过程中起到了有效传递和耦合作用。中子-μ子望远镜监测的宇宙线高能粒子来自于地球外,当这些高能粒子穿过地球外层空间到达地面探测器的过程中,将与地球的磁层、电离层及近地空间的大气层作用,地球各层在震前受到的影响,都可能通过高能粒子反映出来,高能粒子进入地球的行进路程中受各种影响产生的累积,可能产生较明显、较容易探测到的震前高能粒子异常。相对于卫星所载高能粒子探测器仅探测受到电离层这一局部影响高能粒子导致的异常,地面的中子-μ子望远镜可能对震前的异常更灵敏些。所以,将中子-μ子复合望远镜作为一种新的地震前兆观测手段,可能有较好的开发应用前景。

4)提取高能粒子震前异常需排除正常背景场的变化和气象、强磁扰等非震异常的干扰。羊八井观测到的大多为震前1至几天的异常现象,比较容易与如雷电等自然现象引发的时、分、秒级宇宙线短暂异常区分。气象变化(如台风)也可引起大气波动而被宽频带数字地震仪记录并误认为地震前兆,应注意排除气象因素影响。由于伴随太阳活动引起的地磁场扰动对宇宙线的影响,在Kp＞3级|Dst|＞50时要特别注意消除干扰。汶川地震期间,太阳活动平静,可以排除太阳活动的影响。

羊八井多种宇宙线观测设备、结合地震前兆台网数据,开展天地一体化地震预测综合研究是最有效的震前异常判别方法。羊八井中子-μ子望远镜同一台仪器包括了对中子及μ子两种不同宇宙线高能粒子的探测手段,两种探测手段相互印证,可加强观测结果的可信度。对汶川地震的震前异常观测,正是由同一台仪器复合观测到中子及μ子计数率异常现象,而且与其它天基—地基电磁观测结果一致,说明观测结果属于随机涨落的可能性非常小。

5)羊八井位于多地震的青藏高原,2001年昆仑山8级地震、2005年巴基斯坦 7.8级地震、2008年汶川8级地震均发生在距离羊八井1000千米左右范围。利用羊八井中子-μ子望远镜及中子监测器,继续监测地震前中子及μ子计数率异常扰动现象,并结合卫星的高能粒子探测器数据搜索高能电子在震前的沉降现象,综合开展天地结合的地震前高能粒子异常现象,是研究岩石圈—大气层—电离层(磁层)耦合的重要组成部分,也有利于进一步加深对地震电磁前兆及其机理的认识。

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