地震电离层VLF电磁场频谱全球特征研究

张建国 陈化然 姚 丽 刘晓灿

1）河北省地震局邯郸中心台，河北邯郸 056001

2）中国科学技术大学地球和空间科学学院，合肥 230026

3）中国地震局地球物理研究所，北京 100081

与地震活动有关的空间电磁扰动频段主要集中在甚低频/超低频（VLF/ELF），这已经被众多学者研究结果所证实。特别是2004年6月法国DEMENTER卫星成功发射以来，地震电离层电磁异常研究得到了长足发展。然而，相对于来自空间的扰动，诸如磁暴，磁层亚暴，太阳风扰动以及地面闪电等引起的电离层电磁扰动，地震电离层异常为弱信号,怎样凸显地震电离层异常信息是亟需解决的问题。

我们利用法国DEMETER卫星2006年3月至2009年2月期间地磁春、冬季夜侧轨道频谱数据，筛选了全球229个孤立地震，采用了统计学的研究方法，并限制地磁活动性来抑制非震扰动，得到了磁静条件下地震电离层电磁频谱异常特征的全球观测模型。

（1）孤立地震选取：对于某一个地震，如果震前30天，或经度10°以内，或纬度10°以内没有地震发生，那么该地震为孤立地震。此外，如前所述，纬度绝对值超过50°的背景数据误差较大，并且我们分析的地震的空间域为震中距10°以内，因此，纬度绝对值大于40的地震也被排除掉。根据这些条件，2006年3月至2009年2月，共选出299个孤立地震。

（2）背景设置：Kp: 要求kp=[0°，2°]；网格：4°×2°。

季节：按劳埃德季节划分方法，把2006年3月至2009年2月分为3个地磁季节，即3，4，9，10月为春秋季；5，6，7，8月为夏季；11，12，1，2月为冬季。在此，我们仅选取2006，2007和2008年夏季和2006，2007和2008年冬季分别做一个观测背景，所有同一季节的地震统计研究时，采用该季节的背景。

频段：分[20，1 k]，[20，10 k]两个频段，前一频段频率分辨率为50 Hz，后一频段的分辨率为500 Hz。

（3）研究20 k～10 k Hz电场频谱在时间-频率（t-f）域的特征，比较相同背景下地震和随机统计结果，找出地震电离层异常的优势频段。

（4）研究地震优势频段电场频谱的时间-空间特征，找出优势时间和优势震中距。

（5）不同季节、不同半球、不同类型（海洋、陆地）地震的空间-空间域特征研究。

统计结果表明：①地磁夏季地震时50～300 Hz频带统计结果显著低于随机统计结果，地磁冬季地震时统计结果也显示地震时50～300 Hz频带的电场频谱明显低于常态水平；[20，10 k]Hz频段：地磁夏季1.5k～2k Hz及4k～8k Hz频段的电场频谱值高于相应频段常态值，而地磁冬季的规律则和地磁夏季相反。因此，认为50～300 Hz频带可看做地震优势频段。②距离地震位置越近，电离层扰动越显著，这可能是由地震引起的电离层效应，但异常的幅度较小；地震前后 72小时内，正负地震电离层异常均可发生，异常幅度值（sigma）超过3。③对同一地磁季节,不同半球地震异常的方位和方向均不相同，若不分半球，则异常间相互叠加，导致异常幅度减弱；在震中附近，海洋地震以正异常为主，而陆地地震则主要为负异常；冬季和分点季节，南北半球 VLF磁场能谱的震中空间-空间分布复杂；夏季南北半球震例出现趋势分布，北半球夏季南北对称，北半球震中正北800 km出现显著的极大值，另有震中西南方向（600 km，800 km）出现极大值。南半球夏季σ东西方向对称分布，西部600～1 000 km范围的南北各440 km处出现极大值；东部以负值为主极大值出现在震中东北（200 km，500 km）处。

因此，我们认为卫星高度上全球地震电离层电磁场频谱有以下特征：50～300 Hz为地震电离层效应的优势频段；距离地震空间位置越近，地震异常越显著；不同半球的地震，异常方向和方位不同；地磁夏季北半球地震研究表明，海洋地震主要为正异常，而陆地地震则为负异常；地磁夏季，不同半球地震的磁场频谱异常显著不同，北半球的正异常偏南，而负异常偏北，南半球的正异常偏东北，而正异常偏西南。