强震前ELF／VLF磁场的扰动特征统计研究

泽仁志玛，申旭辉，曹晋滨，张学民，黄建平，刘 静，欧阳新艳，赵庶凡

1 中国地震局地震预测研究所，北京 100036

2 北京航空航天大学宇航学院，北京 100191

1 引 言

2008年5月12日在青藏高原东南缘四川省汶川县发生MS8.0级强震，造成69227人遇难，失踪17923人.更令人意外的是2年不到的时间内又一个灾难性地震在2010年4月14日袭击了青藏高原中部玉树地区，震级达MS7.1，造成了2000多人遇难.2011年3月11日又发生了日本宫城MS9.0级巨震，引发海啸造成重大人员伤亡和财产损失.这些频繁发生的灾难性大震再次说明地震是人类面临的最严重的自然灾害之一，地震预测预报是当今世界最重要的科学难题.20世纪以来大量学者利用非力学的电磁学方法研究地震的孕育与发生过程，发现ULF／ELF／VLF不同频段的电磁信号提供了明显的地震短临信息[1-6］，由于地面观测的局限性，俄罗斯、美国、日本、法国等国家相继开展了卫星观测的地震电磁异常研究，并发现多个地震前卫星观测到了不同频段的空间电磁辐射异常[5，7-14］.Chmyrev等[7］利用Intercosmos-Bulgaria-1300卫星数据发现1982年的一个4.8级地震前1Hz频率附近垂直准静电场分量变化幅度达3～7mV·m-1，磁场水平分量扰动幅度达3nT.Parrot[8］利用极轨卫星Aureol-3和同步轨道卫星GEOS-2研究发现地震前ELF频段电磁场不同分量出现增强现象.Serebryakova等[9］利用Cosmos-1809卫星和 Aureol-3卫星对比研究发现1989年在Spitak地震震中经度6°，纬度2°—4°范围的区域内出现了450Hz以下频段强烈的电磁辐射，且两颗卫星记录的辐射强度和波谱分布相似.2008年MS8.0汶川地震前DEMETER卫星在ELF／VLF／LF不同频段上都观测了电磁辐射异常[5，10-13］.

法国 DEMETER（Detection of Electromagnetic Emission from Earthquake Regions）电磁卫星是世界上首颗专门探测地震电离层扰动的卫星，于2004年6月至2010年12月运行期间，在660～710km的轨道高度范围内积累了6年的翔实观测数据，其中的电场、等离子体参数以及高能粒子数据被国内外大量学者广泛应用于地震电离层扰动现象研究[5，10-13，15-18］，然而 利 用 DEMETER 卫 星 搭 载 的 感应式磁力仪（Instrument of Magnetic Search Coil，IMSC）观测的变化磁场数据研究地震电磁辐射异常现象方面的研究鲜有报道，这正是本文利用IMSC数据研究强震前后的空间磁场扰动情况的原因，以期获得变化磁场方面资料，补充前人研究的不足.

感应式磁力仪IMSC主要由前置放大器、感应线圈组成，感应线圈是镍铁导磁合金，主线圈缠绕了12000匝铜线，线圈长170mm，横截面是4×4mm2.主线圈产生的感应电压为：

ε=μreffNSdB，其中μreff是相对有效渗透系数，N是线圈的匝数，S为线圈的横截面面积，B是线圈外的磁场感应强度，IMSC测量频段为[19.5Hz～20kHz］的变化磁场[19］.

前 人[5，10-13，15-18］提 取 地 震 电 离 层 异 常 信 息 研 究主要关注了大约地震前后1到2月的较短时段，为了更准确、客观地提取地震异常信息，本文在震中±10°范围内利用震前2个月至震后1个月的5年同期观测资料构建了背景场，在此基础上构建了提取空间磁场在地震时段相对于背景场的扰动幅度指标公式.详细分析了汶川地震前后空间磁场扰动特征，首次补充了DEMETER卫星关于汶川地震空间磁场变化异常的证据.为获得规律性认识，本文对北半球2005—2009年的7级以上强震开展了统计研究，并对比研究了在空间天气平静且无震条件下DEMETER卫星在随机地点上空观测的磁场时空演变特征，给出了定量化的结果.

本文第2节介绍资料处理方法，第3节介绍研究方法，第4节介绍汶川震例及统计分析结果，第5节对比研究了空间天气平静且无震条件下在随机地点上空DEMETER卫星记录的空间磁场演化特征.关于讨论和结论详见第6节.

2 资料处理

2.1 数据预处理

关于孕震区辐射的电磁波动如何从地面传播到电离层，目前研究还不能真正解释[1-3，20-23］.Pulinets等[23］认为孕震区辐射的电磁波沿着磁力线传播，因而卫星记录的电离层扰动并不是在震中上空，而是出现一定的偏移.前人[24-26］研究地震电离层扰动现象通常将震中经向±6°／±10°，纬向±2°／±5°作为地震在电离层的影响范围.根据Dobrovolsky等[27］提出的岩石圈孕震区大小估算公式：R=100.43M（其中R为孕震区直径，单位为km，M为地震震级），震级达7至8级地震的孕震区直径大致为1023km至2754km.因此本研究选择震中经纬度±10°的区域作为研究区域.资料处理过程主要包括以下几个步骤，以期最大程度排除非震扰动因素（如太阳、地磁场活动等）.

（1）设震中经度为LON0，纬度为LAT0，挑选经过[LAT0±10°，LON0±10°］范围内的夜间轨道数据.由于白天时段里太阳引起的电离层改变可能会淹没地震引起的微小扰动，本研究只考虑当地夜间时段的观测数据，避免白天记录数据的复杂性和多样性解释不清.

（2）根据DEMETER卫星科学数据中心提供的辅助数据文件剔除记录有误的轨道.卫星姿态调控、载荷的开关以及载荷的定标等事件会影响观测数据，辅助数据文件记载了这些事件的发生、持续时间，以及对观测数据有无影响等信息.

（3）剔除复杂空间天气 （Dst≤-30nT，Kp≥3，AE≥200nT）情况下的卫星观测数据.太阳、行星际磁场对电离层的扰动可能会掩盖地震产生的异常信息[23，28-29］，因此我们在数据预处理过程只关注空间天气平静条件下的磁场异常，避免复杂空间天气情况下的扰动解释不清.

2.2 磁场频段选择

卫星在轨运行期间，卫星平台和有效载荷工作时不可避免地产生微弱电流.这些微弱电流的流动必然会产生磁场的扰动[30］.如DEMETER卫星本体对电磁场设备的影响主要出现在7.33Hz／19.53Hz／39.06Hz及其谐波[19］，DEMETER卫星太阳能帆板转动的时候产生的电磁扰动主要出现在13.25Hz／77Hz及其谐波[31］.为了最大程度上避开背景噪声信号，作者曾测试了DEMETER卫星感应式磁力仪IMSC记录的不同频段电磁场信号噪声水平[32］.

测试结果发现在200Hz以下的电磁场信号背景噪声比较强.这结果与曹晋滨等[30，33］研究结果一致，曹晋滨等[30，33］利用TC1卫星的磁场波动分析仪数据研究卫星在轨电磁辐射的特性，发现卫星本体造成电磁辐射主要集中在30Hz以下，在30Hz以上卫星本体的电磁辐射最多延伸到190Hz左右，而且强度明显减弱.尽管前人在多个地震前发现了ELF／VLF200Hz以下频段的空间电磁辐射异常[7-9，24-25，34］，但 DEMETER卫星IMSC记录200Hz以下频段空间背景噪声强，提取地震异常信息难度较大.测试结果表明处于ELF／VLF[370～897Hz］频段的磁场强度图像总体比较‘干净’，噪声水平比较小，所以本研究采用ELF／VLF[370～897Hz］频段的磁场功率谱密度数据（Power Spectrum Density，此后简称PSD）.

至于DEMETER记录的VLF[1～10kHz］频段，经测试噪声水平较弱且总体稳定，未来可以继续研究这个频段.VLF10kHz以上的更高频段受地面人工甚低频发射站的影响比较大，提取地震相关的异常信息难度也大.如中国上空有澳大利亚NWC19.8kHz[16，20］信号（共轭干扰）、俄罗斯阿尔法导航系统11.9kHz／12.6kHz／14.9kHz频段干扰.尽管 Molchanov等[20］、何宇飞等[16］利用DEMETER卫星电场PSD数据研究发现卫星记录的人工源VLF信号地震前后信噪比降低的现象，但Molchanov等[20］提出的震前人工源VLF信号信噪比衰减机理上需要更深入探讨，在高频段上很多电磁扰动仍说不清.

3 研究方法

以2008年5月12日MS8.0汶川地震（31°N，103.4°E）为例介绍本文研究方法.首先构建观测值统计背景场，把汶川震中±10°（21°N—41°N，93.4°E—113.4°E）的区域划分成2°×2°的网格，一共得到10×10个网格.在每个2°×2°的网格单元里将2005—2009年DEMETER卫星在2月1日—6月30日期间的观测数据进行统计平均，求出ELF／VLF[370～897Hz］频段磁场PSD值的均值和标准方差，得到一组10×10的均值矩阵β（图1a）和一组标准方差矩阵σ（图1b）.利用同样的方法，只用地震发生当年即2008年2月份的PSD值在每个网格单元中求出2月份观测值的均值，得到一组10×10的均值矩阵α（图1c）.定义：

利用公式（1）计算出每个2°×2°网格内的θ值，结果如图1d所示.公式（1）将2008年2月份汶川震中上空的磁场强度相对于背景场的变化大小归一化为标准方差σ的倍数，θ为无量纲指标，表征地震时段空间磁场相对于背景场的扰动幅度.

图1 汶川震中±10°范围内θ矩阵的构建过程（a）由5年（2005—2009年）的2月1日—6月30日PSD值构建的背景场均值β矩阵；（b）由5年（2005—2009年）的2月1日—6月30日PSD值构建的背景场标准方差σ矩阵；（c）由2008年2月份的PSD值构建的α均值矩阵；（5）计算出的2008年2月份的θ值.红星表示汶川震中，色标分别显示β、σ、α、θ值的大小.Fig.1 Construction process ofθmatrix in the epicenter area of the Wenchuan earthquake（a）Background matrixβcomputed by PSD data during the same period（Feb.1to June 30）for the years from 2005to 2009；（b）The standard deviation matrixσcomputed by PSD data during the same period（Feb.1to June 30）for the years from 2005to 2009；（c）αmatrix computed by PSD data 1st to 29Feb 2008；（d）Results ofθ.The red star displays epicenter.The color bars represent the value ofβ，σ，α，andθ，respectively.

图1 显示了汶川震中±10°范围内θ值计算过程.图1a为背景场β矩阵，图中颜色表示ELF／VLF[370～897Hz］频段磁场PSD值大小，从图1a中可看出汶川震中±10°范围内2月1日—6月30日期间磁场强度平均变化范围为10-8.5到10-8.1nT2／Hz.图1b显示了每个2°×2°网格单元内观测值的标准方差值分布情况，标准方差变化范围为10-7.3到10-8.2nT2／Hz.图1c显示了2008年2月份α矩阵的大小，从图1c中可看出2008年2月份的平均磁场强度变化范围为10-8.7到10-7.3nT2／Hz，相对于背景场（图1a）强度高约一个量级.图1d显示了2008年2月份θ值的大小，用颜色表示，θ值的变化范围为-0.3到1.5.

4 震例研究

4.1 汶川MS8.0级震例

根据上面介绍的研究方法，利用表征地震时段空间磁场强度相对背景场变化幅度的θ值分析汶川地震前后的空间磁场时空演化特征.汶川震中±10°区域内背景场均值矩阵β和标准方差矩阵σ分别见图1a，1b.将2008年2月1日—6月30日划分为2月1日—2月29日、3月1—31日、4月1日—4月30、5月1日—5月12日、5月13日到23日、5月24日—6月23日共6个时段，分别求出这6个时段内的α矩阵，并利用公式（1）计算出θ值，结果见图2.图2表示了2008年2月1日—6月30日期间汶川震中上空ELF／VLF[370～897Hz］频段磁场相对背景场的扰动幅度大小.

主要计算结果如下：汶川地震前3个月（2月1日—2月29日）最大θ值（相对背景场的最大扰动幅度）为1.5；地震前2个月（3月1日—3月31日）磁场扰动幅度开始加强，最大θ值为2.1；地震前1个月（4月1—4月30日）磁场扰动幅度最强烈，最大θ值为3.5，说明这个时段内空间磁场强度相对于背景场增强了3.5倍标准差；然而自5月1日—5月12日磁场强度开始下降，最大θ值降为2.3；5月13日—5月23日（震后10天内）磁场强度维持在低值范围内，最大θ值降为0.8；震后11天—1个半月（5月23日—6月23日）磁场强度逐渐回升，最大θ值为1.24.

图2 2008年汶川地震前后ELF／VLF[370～897Hz］频段磁场时空演化特征（a）2月1日—2月29日的θ值；（b）3月1日—3月31日的θ值；（c）4月1—4月30日的θ值；（d）5月1日—5月12日（地震当天）的θ值；（e）5月13日—5月23日的θ值；（f）5月24日—6月23日的θ值.图中红星表示汶川地震震中，颜色表示θ值的大小.Fig.2 Temporal and spatial evolution of the magnetic field in the[370～897Hz］frequency band during the MS8.0Wenchuan earthquake（a）θvalue from 1Feb.to 29Feb.；（b）θvalue from 1Mar.to 31Mar.；（c）θvalue from 1Apr.to 30Apr.；（d）θvalue from 1May to 12May；（e）θvalue from 13May to 23May；（f）θvalue from 24May to 23June.The star indicates the epicenter，and the color bar represents the value ofθ.

为了定量化地描述地震时段空间磁场相对背景场的扰动幅度，取的最大值（相对背景场的最大扰动幅度）、平均值（相对背景场的平均扰动幅度）考察地震前后磁场扰动幅度的变化，结果见图3.图3给出了2008年1月1日—6月30日在汶川震中±10°范围（10×10网格）内的最大值和平均值随时间变化情况.

从图3中可以看出2008年2月份开始磁场相对背景场强度上升，从2月15日一直到5月1日磁场扰动幅度超过3倍标准差，5月1日达到最高值4.0，随后在逐渐回落过程中发生汶川地震，震后磁场扰动一直维持在低值状态.而在此期间震中相对背景场的磁场平均扰度幅度维持在1倍标准差附近，未见明显的异常现象，但是其震前震后的起伏形态与最大扰动幅度曲线一致.已有较多文献[5，10-13，15-17］报道了DEMETER卫星在汶川地震前观测到电子浓度、电子温度、氧离子浓度、高能粒子、ELF／VLF／LF电场的明显扰动.这些研究没有涉及到DEMETER卫星观测的ELF／VLF频段磁场扰动情况，本文获得的结果为深化认识汶川地震相关的空间电磁异常补充了证据.

4.2 震例统计

为了更全面地了解强震前后的空间磁场扰动过程，根据DEMETER卫星有效观测数据，主要针对2005年1月1日—2009年12月31日北半球发生的32个MS7.0级以上，震源深度小于30km的强震开展统计分析（地震目录参考国家地震科学数据共享中心http：／／data.earthquake.cn／data／），其中6个地震因某一时段内缺数未纳入研究.

在每个地震震中±10°范围内利用地震前2个月至地震后1个月的5年同期观测资料，构建其背景场均值矩阵β和标准方差矩阵σ.将地震发生当年震前2个月至震后1个月的时段划分为5个不同时段分别计算出α矩阵，并利用公式（1）计算出各个时段的θ值.这5个时段分别为震前第60天到第30天[-60dto-30d］、震前第29天到第10天[-29d to-10d］、震前第9天到地震当天[-9dto 0d］、震后第1天到第10天[1dto 10d］、震后第11天到第30天[11dto 30d］.

利用图2相同的模式，逐一绘制这26个地震在5个时段内的θ值分布图，并进行对比分析（因篇幅有限在此未给图像）.发现42%的地震（11／26）磁场时空变化特征与汶川地震大致相似，即地震期间（[-9dto 0d］和[1dto 10d］时段）磁场强度相对其它时段降低，而35%地震（9／26）磁场时空变化特征刚好相反，地震期间磁场强度相对其它时段高.23%地震（6／26）未见明显规律.

5 随机事件验证

为了更全面、客观地认识空间地震电磁异常现象，本文利用相同的方法，对比研究了空间天气平静且无震条件下在随机地点上空DEMETER卫星记录的变化磁场的时空演化特征.随机事件的选取方法如下：首先在北半球[纬度0°—65°，经度0°—360°］范围内随机选择一组地点Pn（n=1to 26），其次选择2005年2月—2009年11月中的任意平静时间点作为随机事件的发生时间.平静时间点选择条件为：在此时间点前2个月至后1个月内在[纬度-65°到65°，Pn点经度±10°］范围内无7级以上地震发生，此条件同时排除了南半球发生的强震可能在北半球产生的共轭效应.

其次在Pn点±10°范围内，收集2005—2009年每年随机事件平静时间点前2个月至后1个月的观测资料，按照2.1节介绍的数据处理方法进行预处理，第3节介绍的数据处理方法构建随机地点上空的背景场，并利用第4节震例统计的方法将随机事件时间点前2个月至后1个月同样划分成5个时段，分别由公式（1）计算出随机事件的θrand值（θrand表示随机事件的θ值）.一共测试了4组（每组26个事件）随机事件，利用图4的方法，分别统计不同时段的最大值及平均值随时间变化特征，结果见图5.图5表示了在空间天气平静条件下4组随机地点上空的空间磁场相对其背景场的扰动幅度的统计结果.从图中可以看出随机地点上空的的平均值接近0，说明随机地点上空的空间磁场相对其背景场的平均扰度幅度很小最大值从未超过2倍标准差，并且没有明显的随时间变化特征.

6 讨论与结论

6.1 讨 论

地面观测资料已经证实强震前存在明显的电磁异常现象，并提出了压电、压磁、感应电磁，动电电磁、热磁效应等机理解释[1-2，4］，Huang等[1-2］从实验和理论方面对地震电磁波的激发及传播特性进行了研究，为地震电磁辐射异常提供了实验依据.总结国内外关于“岩石圈-大气层-电离层”耦合机理的研究[1-2，6，8，20-23，35］，可知有化学、声学、电磁三种途径引起地震空间电磁异常.化学途径：孕震区化学参数（如水氡）的改变引起大气成分的变化或大气导电率的改变，导致大气电场的扰动，进而影响电离层；声学途径：孕震区岩石变化引起大气低频震动，通过声重波模式上传到电离层.电磁途径：震前积累的大量能量一小部分通过电荷转移过程转变为静电场和电磁辐射.

为什么强震前后空间磁场出现两种截然不同的扰动特征？图6给出了这两种不同扰动特征地震的震中分布图，从图中可以看出第一种扰动类型的地震主要（8／11）发生在20°N以北的中高纬度地区，而第二种扰动类型的地震震中主要（7／9）分布在30°N以南的中低纬度.看来似乎与地震发生的不同部位有一定关联，但地震前后空间磁场两种不同的扰动特征是不是与孕震区的位置、机理有关这个问题还需要更深入的探索.关于孕震区激发的ELF／VLF电磁辐射进入顶部电离层的一种可能路径为孕震区电磁辐射进入地层-电离层波导后，向上渗透到达卫星位置，另一种可能路径为电磁辐射进入地层-电离层波导后，沿波导传播至接收点的“磁共轭点”，然后沿地磁场磁力线方向传播，经过电离层和磁层到达卫星位置[23，35］.

“岩石圈-大气层-电离层”耦合机理目前的研究主要集中在震例积累、模型假说阶段.现阶段，地震预测的研究尚处于探索性阶段，在这个阶段中，主要围绕三项任务：第一，尽可能多地积累震例资料，包括正反两方面的资料；第二是研究观测量变化的机理；第三在震例和机理分析的基础上不断改进和完善观测技术.这不仅适用于地基观测，也同样适合于天基观测.对于天基观测，由于研究时间尚短，震例的积累尤为重要，没有充分的、客观的震例研究结果，机理的研究不可能深入.

本文涉及的卫星电磁场的观测及其与地震的关联问 题，前 人 也 开 展 过 统 计 研 究[24-25，29，36］.Nemec等[25］利用DEMETER卫星的夜间电磁场PSD值对4.8级以上地震统计分析发现在地震前0—4小时内在VLF 1.7kHz频段上的电磁波出现了虽微弱但明显的降低，且浅源大地震更能引起电磁场强度的下降.Parrot等[29］利用Aureol-3卫星数据对325个大于5级以上地震统计研究虽未发现地震活动与电磁辐射明显的因果关系，但发现震中ELF／VLF电磁辐射增强主要出现在800Hz以下，辐射主要沿纬度方向扩展，在经度上却没有这种现象.然而 Henderson等[24］，Rodger等[36］的统计研究结果表明地震与空间电磁辐射的相关性很微弱.Henderson等[24］利用低轨卫星DE2数据统计结果未发现明显与地震相关的ELF／VLF辐射异常.Rodger等[36］利用低轨道卫星ISIS数据对39个地震统计结果发现没有特殊或者类似的ELF／VLF异常辐射现象与地震相关.不同的卫星、不同的轨道设计以及使用不同的仪器，使得不同研究结果进行对比是件非常困难的事情.DEMETER作为一个专门设计探测地震现象的卫星，太阳同步极轨设计，为多个地震现象的对比研究提供了良好的条件.从这点上说本文的研究作为一次新的探索，可能为研究地震的天基效应以及天地耦合机理，具有一定的意义.

6.2 结 论

本文利用DEMETER卫星观测的ELF／VLF[370～897Hz］频段磁场功率谱密度值研究强震前后空间磁场扰动特征，主要得出如下结论：

（1）2008年5月12日MS8.0汶川地震前后空间磁场存在某种演化规律：震前磁场波动强烈，扰动幅度超过3倍标准差，随后开始下降，在下降过程发生汶川地震.

（2）针对2005—2009年北半球MS7.0级以上震例统计研究表明，空间变化磁场在地震前后的时空演化特征存在一定规律.42%强震空间磁场扰动特征主要为震前磁场扰动幅度逐渐上升，超过3倍标准差后，在下降过程中发震.35%强震的震前20天开始磁场扰动幅度开始上升，地震前10天内最大扰动幅度超过3倍标准差，在扰动幅度最高期间发震，震后磁场扰动幅度逐渐回落.23%强震在震前震后无明显规律.

（3）随机事件测试发现在空间天气平静且无震条件下随机地点上空的磁场无明显的时空演化规律，且随机地点上空的空间磁场相对于背景场的平均扰动幅度很小，最大扰动幅度从未超过2倍标准差，并且没有明显的随时间变化特征.

致 谢 本文作者感谢法国DEMETER卫星科学中心提供卫星观测数据与相关文档，感谢审稿人和编辑部的中肯意见和建议.

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