利用IGS数据分析伊朗、巴基斯坦两次强震前的TEC异常①

齐曙光，王 曦，郭广猛

（南阳师范学院，河南 南阳 473061）

0 引言

探索地震前兆是国内外学者的共同难题，国内一些学者利用热、电等异常来分析震前的相关扰动［1－2］。1964年，Leonard和 Barnes在研究阿拉斯加地震时发现电离层有扰动现象发生，这是最早发现两者关系的研究［3］。近年来在对日本、中国、海地、印尼等强震的研究中，发现震前出现了可能与地震相关的电离层异常现象［3－8］。目前研究地震引起的电离层扰动主要通过F2层临界频率f0F2、电离层电子浓度总含量（Total Electron Content，TEC）、电离层偶发Es层的临界频率等方法。近些年GPS发展迅猛，GPS基站总数已达几千个，其时空分辨率逐步提高，利用地基GPS来观测TEC值的变化以研究地震前兆成为一种更有效率的研究手段。本文利用国际GPS服务中心（IGS）发布的TEC数据，研究2012年4月16日伊朗7.7级地震和2013年9月24日巴基斯坦7.7级地震前的TEC异常现象。

1 数据与方法

IGS（国际GPS服务中心）从1998年开始发布全球电离层服务产品。其数据覆盖为87.5°S到87.5°N，180°W 到180°E，时间为全天24小时，分辨率为时间2小时，空间为纬度2.5°×经度5°。

2013年4月16日、9月24日（UTC）在伊朗巴基斯坦交界和巴基斯坦分别发生了两次7.7级地震，地震信息见表1，位置分布见图1（数据出自USGS，美国地质勘探局网站）。两次地震时间、空间距离近，震级高，造成的人员伤亡和财产损失巨大。

图1 4月16日和9月24日两次地震位置Fig.1 Locations of the earthquakes on Apr.16th and on Sept.24th in 2013

已有的研究表明，在太阳和地磁活动水平相对平静的条件下，TEC在一段时期内不会有大的扰动，除非有其它强扰动源存在［9－10］。因此，在地震活动区如果TEC的扰动过大，则很有可能预示着地震的发生。假设震中i时刻的TEC值为TECi，求得前1～10天i时刻的平均值AVGi和标准差STDEVi，TECi应服从均值为AVGi、标准差为STDEVi的正态分布，如果 TECi落在区间［（AVGi－2STDEVi），（AVGi＋2STDEVi）］之外，则认为该时刻电离层出现异常［11－12］。本文利用此方法，利用从点到面两种手段分析TEC的时间和空间变化，查找震前TEC的异常情况。

表1 两次地震的信息Table1 Information of the two earthquakes

图2 震前20天的TEC波形图Fig.2 TEC Variation in 20days before the two earthquakes

图3 震前10天TEC和滑动2倍标准差图Fig.3 The standard deviation between the TEC variation，plus and minus twofold of TEC in 10days before the two earthquakes

2 点的分析

取震中所在的网格为点，提取该点震前20天和发震当天共21天的TEC数据，做两次地震前的TEC变化波形图，见图2。其中红线所在位置为发震时刻。从波形变化看，TEC的变化具有日周期变化，数据变化相对稳定，但也有部分日期出现TEC大幅度的增加或减少。为考查TEC变化是否服从均值为AVGi、标准差为STDEVi的正态分布，我们把TEC处理后可得图3。图3红线为TEC曲线，上边界蓝色为AVGi＋2STDEVi，下边界绿色为AVGi－2STDEVi。可以看出：（1）4月16日震前的12、14日出现TEC低于下边界异常；（2）9月24日震前的19、20、21日出现TEC高于上边界异常；（3）出现异常的时刻位于在TEC的峰值区间。

3 面的分析

从以上的分析可得出震中所在网络的TEC出现超出边界的异常。但异常的分布区域有多大，异常程度有多高，异常程度变化情况无从知晓。如果异常不仅仅在震中周边发生，而是发生在整个区域，则地震和TEC异常的相关性就会弱化。为更好地分析一定区域TEC变化，我们对上文得出异常时间的区域进行分析。

同样采用滑动标准差法，但是为反映区域变化，我们对整个面的TEC做面的滑动比较。对4月12日、4月14日、9月19日、9月20日和9月21日这5天峰值区间的8时和10时作面的滑动比较。因4月12日、14日出现低于下边界，做12日、14日减下边界的图形，图形中低于0的区间则为异常区域；而9月的19、20日和21日出现高于上边界，做19、20日和21日减上边界的图形，图形中大于0的区间则为异常区域。面的计算通过ENVI软件内的函数BAND MATH实现。

通过计算，发现出现异常的区域不仅在震中网格，而是覆盖了较大的区域。图4、5以不同颜色反映了异常区域的异常程度和异常分布，其中减下边界后处于0～－49、－50～－99，－100～－149、－150以上的区域分别用褐、紫、浅蓝和深蓝表示；减上边界后处于0～29、30～59、60～89、90～150、150以上分别用淡蓝、绿、黄、红和深红表示。处理后可得4月16日震前的图4和9月24日震前的图5。

图4 4月12日和14日的8时，10时TEC低于下边界的分布Fig.4 Distribution of TEC variation under lower limit at 8：00and 10：00on Apr.12and Apr.14in 2013

从区域TEC异常分布可以看出：（1）出现TEC异常的区域不仅在震中网格，而是在震中周边相当的区域内都存在；（2）异常程度上看，每个异常都有从异常中心到周边逐渐减弱的过程，但异常程度最大的区域不一定在震中位置。

4 结论与讨论

通过从点到面的分析，发现利用IGS的TEC数据分析可以得出如下结论：

（1）4月16日震前的14日和16日出现低于下边界的负异常，异常程度上16日高于14日，异常区域分布在震中周边；

（2）9月24日震前的19、20和21日出现高于上边界的正异常，异常程度上21日最高，异常区域分布在震中周边；

（3）两次地震表现出不同的异常方式，4月16震前表现为负异常，9月24日震前表现为正异常；

（4）两次地震前的TEC异常区域不仅在震中，而是覆盖了震中的较大区域，且异常程度最高的区域不一定在震中位置。

本文对两次地震前的TEC做了从点到面的滑动标准差分析，得出震前TEC异常的不同表现程度、表现区域。但对产生异常的更深入分析则限于篇幅和研究能力无从得知。毕竟产生TEC异常的因素不会局限于一种，诸如太阳黑子、地磁指数、日地运行轨迹、气候异常等都可能会产生相应的TEC异常，这都有待进一步的深入研究。

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