利用改进型图像信息方法研究汶川8.0级地震震前电离层扰动异常特征

利用改进型图像信息方法(Modified Pattern Informatics Method,简称“MPI”)基于DEMETER卫星观测的电子浓度(Ne)、电子温度(Te)数据探索了2008年5月12日汶川Ms8.0震前出现的地震电离层电子参量异常现象,特别详细分析了汶川Ms8.0震前3个月的电子参量时空演化过程。在前人的基础上,对电离层电子浓度(Ne)、电子温度(Te)的观测数据进行了消除年变及由太阳活动等引起的长趋势变化,以期能够提取到由地震孕育与发生所引起的电离层扰动异常。结果发现,在震前一个月左右电子浓度(Ne)、电子温度(Te)等参量均出现了不同程度的扰动异常,震前10天左右异常减弱并趋于平静,即平静—异常出现—持续显著—异常减弱—震前平静的特点,显示了地震前存在清晰稳定的电离层扰动图像,从而对地震的发生时刻具有一定的短临指示意义。     

改进型图像信息方法提取地震电离层扰动异常研究进展

首先总结了国内外利用法国DEMETER卫星观测数据识别和提取地震电离层中主要参量扰动异常的常规研究方法,介绍了图像信息方法(pattern informatics method, 简称PI方法)研究地震活动性异常及其应用于中长期地震危险性预测的研究进展和成果. 然后主要介绍了改进型图像信息方法（modified pattern informatics method,简称MPI方法）在提取电磁卫星数据资料中的进展应用．该方法的震例研究结果显示,地震电离层中电子浓度（Ne）、电子温度（Te）异常出现的时间一般在震前一个月左右,相对于其它方法提取到的异常在震前几小时至数天内,这一突出特点将使得MPI方法在短临地震预报中更具有可操作性．然而,该方法能否作为提取地震电离层异常扰动的实用数据处理方法并应用于地震短临预测中,尚需要进一步深入研究．最后本文提出了将MPI方法应用于提取地震电离层异常信息需要进一步解决的几个问题．      

地震电离层响应异常时空演化统计特征

本文利用DEMETER卫星运行约6.5年总离子浓度数据和期间全球发生Mw 4.8以上地震参数,自动检测距震中1500 km范围内、震前15天出现电离层扰动,统计电离层扰动异常随地震临近在时间、空间上的演化特征以及异常变化幅度随震级变化规律.数据处理过程中通过控制K_p指数以去掉部分因太阳活动引起的电离层扰动.统计结果显示,地震探测率及电离层响应异常幅度随震级增大而增高.大地震能引起强电离层扰动,扰动幅度可超过背景值1倍以上.全球范围,电离层存在变化活跃区,小幅度电离层扰动趋向于背景变化.北半球中低纬度地区是有利的地震电离层响应监测区.地震相关电离层扰动异常出现频次随地震临近而增高,主要出现在震前一周.空间上,扰动有随地震临近向震中运移的趋势.     

地震电磁卫星电离层扰动研究进展综述

本文总结了国内外关于地震电离层扰动现象研究的主要进展, 主要介绍了法国DEMETER卫星及其相关的统计研究和震例研究成果, 总结了目前地震电离层扰动前兆震例研究的一般步骤, 介绍了地震孕育过程中产生的电磁异常信息向电离层传播的可能途径, 包括化学途径、 声学途径和电磁途径。 大量的研究成果表明地震电离层异常的存在, 在地震发生前几个小时至几天或几个月电离层扰动被探测到, 但是地震电离层扰动前兆能否作为地震预报方法, 还有许多需要深入研究的问题。 本文提出了地震电离层研究需要解决的几个重要问题。     

利用DEMETER卫星数据统计分析全球Mw≥7.0 地震的电离层电子浓度异常

基于法国DEMETER卫星ISL探测器升轨数据,统计分析了2005—2009年全球37个M_w≥7.0级地震前后电离层电子浓度变化.结果发现,共有19个地震（51%）前观测到了较为明显的电子浓度异常扰动现象,其中大部分表现为异常增强;观测到的电子浓度异常现象一般出现在震前1~5天内,也有部分地震前出现两次及以上扰动现象.分析表明,在赤道和中低纬地区更容易观测到明显的电子浓度扰动,即异常震例基本发生在纬度±40°以内（18次）,更是以±20°内居多（13次）.此外,震源深度对电子浓度扰动的影响并不明显,而震级大小则与扰动幅度基本上呈正相关;震前出现的电子浓度异常有时会受到地磁活跃的共同影响,此时的扰动幅度一般较大.地震电离层扰动现象是复杂多变的,需要联合地基和天基手段共同观测,并从机理上加强研究.     

DEMETER卫星监测到的海地地震前电离层扰动

本文利用法国DEMETER卫星观测到的电离层数据, 对2010年1月12日加勒比海地区海地太子港附近发生的M_S7.1地震震前电离层扰动进行了探索性研究。 通过对电磁场频谱、 等离子体数密度、 温度等物理参量的分析, 探讨了电离层变化与地震的关系。 研究结果表明, 海地地震前出现的异常电磁现象的空间效应是清楚的, 震前几小时磁赤道峰存在剧烈扰动, 震中附近电场分量E₁₂低频谱密度有增强现象。 临震前1天和临震前3天在震中＋5°范围电子数密度(N_e)出现异常, 震前8天氧离子(O⁺)数密度在震中上空出现了异常现象。 震前震中区上空电磁场VLF在40 Hz和120 Hz等低频点出现清晰的电场异常扰动, 震前出现的这种变化可能与地震有关。     

利用改进型图像信息方法研究玉树地震前电离层电子浓度异常现象

简单扼要地介绍了DEMETER卫星的发展历程、电离层地震前兆异常的识别和提取方法以及改进型图像信息方法(Modified Pattern Informatics method,简称MPI方法)的具体计算过程。笔者利用MPI方法处理了2010年4月13日23时49分(世界时)玉树MS7.1地震前1个月震中上空30°×50°范围内DEMETER卫星监测到的电离层电子浓度,生成时空演化图像。结果显示,2010年3月16—28日玉树震中上空电子浓度变化较为平缓;3月30日震中上空南部开始出现电子浓度高值异常;随着发震时刻的临近,震中上空电子浓度高值异常逐渐显著;玉树地震发生当日(4月13日)研究区域上空电子浓度最为显著。从研究结果我们可以看出,MPI方法在提取DEMETER卫星数据的地震异常方面有一定的时空鉴别力。     

基于地基GPS-TEC的中国区域地震电离层效应研究

基于中国陆态网络地基GPS-TEC观测,针对2008～2019年发生在中国区域的7个M_S≥6.0地震,采用滑动四分位距法分析了地震前后的电离层扰动时空分布特征。结果显示,5个地震的震前2～6天,GPS-TEC值出现负异常扰动,地震发生期间及震后电离层TEC出现正异常扰动,主要集中在震后2～7天;GPS观测站距离震中越近,垂直上空的TEC扰动越明显,扰动空间最大范围可达2000km。随着震级的增加,震前电离层TEC异常扰动的发生率有所增加,且异常覆盖的范围也有所扩大。因此,认为震前一周内的电离层TEC变化可能提供揭示电离层扰动与地震活动之间关系的线索。     

玉树地震前电离层VLF信号信噪比变化

2010年4月13日23点49分38秒(世界时), 青海省玉树县发生了M_S7.1地震. 根据法国DEMETER卫星电场探测仪(ICE)实验数据, 研究震区上空半径500 km范围内电离层10—20 kHz甚低频(VLF)电场频谱信噪比发现, 玉树地震前3个不同频率的地面VLF发射站信号对应的信噪比均出现相同的变化特征, 即震前DEMETER卫星1个重访周期内的平均信噪比明显减弱, 而2009年相同时段和区域的平均信噪比并未出现相似变化趋势. 分析认为, 玉树地震孕震期信噪比衰减现象很可能是由地震-电离层耦合所致.      

震前电离层TEC异常探测新方法

本文提出一种利用时间序列法(ARIMA模型)进行震前电离层异常探测的新方法.首先,对比分析了该方法与传统探测方法(四分位距法、滑动时窗法)预测TEC背景值的精度.结果表明,时间序列法预测背景值的精度要明显高于传统方法,且预报背景值的平均偏差要比传统方法小2倍左右,说明传统探测方法预测的背景值具有较大系统偏差.为更准确地探测震前电离层扰动,除了得到准确的参考背景值,还需得到更加合理的探测限值,由此本文提出一种更为合理的限差确定策略.最后,以2012年1月10日苏门答腊岛7.2级地震为例,利用该方法分析了其震前电离层的异常扰动情况,并验证了该方法的有效性,实验结果表明:在震前第13天、第8~9天、第1~2天和地震当天电离层均会发生较为明显的异常.而且,其正异常(观测值高于正常值)一般发生在震中以北,距发震时间相对较远;负异常(观测值低于正常值)则在震中各方向均会出现,且距发震时间较近.同时,通过对异常结果分时段统计,发现在发震时刻前,距发震时刻越近的时段发生异常的频率越高,此规律将会对未来更为准确的预报发震时段提供重要参考.     

2008年汶川8.0级地震前地下流体异常回顾与统计特征分析

地震地下流体在地震预测研究与震情跟踪中发挥着重要作用.本文基于中国地震地下流体前兆观测台网所涉及的资料范围,系统收集了2008年四川汶川8.0级地震的可能地下流体前兆异常,分析了这些异常的空间展布、时空演化以及形态等总体变化特征.结果表明,收集到的68项异常均位于10^-8应变量范围内,59项异常位于汶川8.0级地震3倍破裂区（约900 km）范围内,占异常总数的87%,这与国内外已发表的地下流体前兆异常空间分布范围和震级之间的关系相符,说明汶川8.0级巨大地震的前兆观测范围至少包含该地震3倍破裂尺度甚至更大;异常出现时间总体呈现出临近地震异常数量增多的特点,但异常数量并非逐渐增多,而是在震前5个月和1个月突然增多;异常形态特征复杂,水氡和水位总体呈现出趋势性异常特征,水温总体表现出短临变化特征,主要表现为震前1—3个月突升、突降或波动异常变化.此外,本文还结合国内外已发表的地震地下流体前兆异常以及地震孕育理论,讨论了异常的空间分布、时间尺度与未来震中的关系,这对深入认识地下流体前兆异常及产生机理都具有重要的现实意义和科学价值.     

中国大陆地区强震的逆向追踪方法研究

强震发生前, 震源附近的地震活动往往会呈现出一些空间和时间的异常特征, 分析和提取这些异常特征的方法较多。 本文采用了与常规强震预测方法迥异的地震预测方法地震活动反向追踪法(Reverse Tracing of Precursors, RTP), 对中国大陆近30年来的几个M_S≥7.5大震(含2008年5月12日汶川M_S8.0地震)进行了探索性的回溯研究。 结果表明, 该方法在中国大陆大震预测方面有一定的适用性, 并利用该方法对中国大陆地区的未来强震活动做了一定的预测。     

基于GRACE卫星和地表流动重力的汶川MS 8.0地震前重力时空变化

利用GRACE卫星重力场模型和地表流动重力观测资料,计算2008年汶川M_S 8.0地震发生前6年的重力变化,对卫星和流动重力段差结果与卫星重力反映的重力场动态变化特征进行研究,结果表明：①GRACE卫星重力段差受滤波半径影响显著,与地表流动重力观测结果相比,在重力变化数值上差异较大,在变化率上较为一致;②在汶川地震孕育阶段,川滇地区重力等值线呈“增大—减速增大—减小”的特征,震前2年形成近似垂直于龙门山断裂带的重力变化梯度带。     

2008年汶川MS8.0地震前定点观测电磁异常回溯性分析

对2008年汶川M_S8.0地震周围定点台站观测的电磁异常的相关研究进行了简要的回顾分析,以期加深对汶川地震孕震过程中电磁异常的解读.震中周围8个地电阻率台站震前出现不同形态的异常变化,结合震后地电阻率变化形态分析,仅近邻地震破裂带的成都和江油台异常变化符合已有的地电阻率孕震异常机理.在4月24日和5月9日大致沿南北地震带出现两条南北走向的低点位移线,成都台地磁转换函数、谐波振幅比、帕金森矢量和垂直极化强度等主要反映了地下介质电性在震前出现的异常变化;断裂带附近的地电场和电磁扰动在震前出现波形畸变和能量增强,距离较远的西昌台阵和天祝—松山台阵内地电场也出现功率谱能量增加和裂隙渗透方位角扰动等短期异常现象,甚至沿龙门山断裂带NE方向1300km外的河北电磁扰动台网震前数月也出现自观测以来最大幅度的异常变化.     

2008年汶川Ms8.0地震在2013年芦山Ms7.0地震和2014年康定Ms6.3地震破裂区引起的库仑破裂应力

2008年5月12日四川汶川发生M_S8.0地震发生之后, 先后于2013年4月20日和2014年11月22日分别在汶川M_S8.0地震震中西南约80 km的芦山县和约178 km的康定县发生了M_S7.0和M_S6.3地震。 芦山地震位于龙门山前主边界处, 康定地震位于鲜水河断裂带上。 芦山地震发生前有几位作者先后计算了汶川M_S8.0地震引起的库仑破裂应力, 分析了其对周围断层的影响。 本文对这些研究结果进行了简要回顾, 并根据芦山地震和康定地震的实际发震断层面参数, 计算了汶川M_S8.0地震在芦山地震和康定地震震源深度处的水平面上以及其发震断层面上产生的库仑破裂应力, 还给出了其震中处库仑破裂应力随深度的变化。 结果表明, 汶川M_S8.0地震发生使芦山地震震源断层面上有利于其错动发震的应力大面积增加而使康定地震震源断层面上有利于其错动发震的应力大面积减小。 在芦山地震初始破裂点处引起的库仑破裂应力达0.245 MPa, 在康定地震初始破裂点处引起的库仑破裂应力为-0.00063 MPa。 因此, 汶川M_S8.0地震的发生对芦山地震具有明显的促进作用, 而对康定地震的作用不明显。 在目标断层面参数已知的情况下, 根据库仑破裂应力在目标断层面上的分布, 可能为未来地震发生的地点提供线索, 进而对地震发生的危险性进行预测。 若一次地震的发生使目标断层面上有利于其错动发震的应力大面积显著增加, 这种情况下库仑破裂应力对未来地震具有预测意义。     

2008年汶川8.0级地震对地震预测研究的启示思考

2008年汶川8.0级地震已经过去10年, 在此期间关于地震预测相关的基础研究和实践工作从未停止, 本文作者从地震预测业务人员角度, 分析了2008年汶川8.0级地震相关的地震地质、 大地测量、 地震学、 前兆观测异常等方面的现象。 针对不同研究方向, 从震情跟踪角度提出了预测意义的讨论、 可能问题的分析、 不成熟的一些建议, 并就综合预测给出了一些粗浅的思考和认识, 期望对地震预测预报工作起到抛砖引玉的作用。     

基于COSMIC掩星数据探测汶川 MS8.0地震震前电离层异常

获取COSMIC掩星2级数据, 基于球谐函数使用最小二乘拟合法计算模型值, 为2008年5月12日汶川M_S8.0地震前电离层电子密度变化提供背景依据. 同时应用主成分分析法研究最大电子密度, 得到各主成分所占能量百分比随时间的变化. 研究结果发现, 震前在震中邻近区域出现电离层扰动增强现象, 且随高度不同存在一定差异, 主要集中在F₂层300—450 km. 主成分分析结果显示, 4月15日—29日19:00—24:00(地方时)第三主成分能量百分比显著增加. 上述结果表明, 震前电离层存在异常扰动现象. 这一研究结果有助于加强地震电离层耦合机理方面的研究.      

关于汶川8.0级地震前电磁扰动异常的讨论

通过对汶川8.0级地震前四川金河台电磁扰动数据变化的研究,结果显示:①电磁扰动0.001～1 Hz在震前每天06:00～22:00出现非脉冲性高值波动变化,在12:00和18:00达到最大;1～10 Hz在2008年1～3月出现与超低频类似的高值变化,最大幅度为300 mV; 10～20Hz无明显异常.②分析了电磁扰动...     

汶川地震前后波速比变化特征的再研究

收集整理了四川省地震台网1990—2012年产出的地震直达波震相数据, 利用单台多震和达法对2008年汶川M_S8.0地震前后四川地区的波速比变化特征进行了分析研究(共筛选出13个数据量较为丰富、 连续性较好的台站). 结果显示: 其中位于龙门山断裂中北段西侧的4个台站, 震前出现长达7年左右的中长期波速比低值异常; 其它9个台站的波速比震前变化基本稳定. 震前波速比出现异常的4个台站的分布与汶川M_S8.0地震孕震区范围大体一致, 从而为研究汶川M_S8.0地震前是否存在地壳介质特性的时间变化过程, 提供了有力的判定依据.      

巴颜喀拉块体东缘形变及九寨沟地震孕震环境数值分析

2017年8月8日四川发生九寨沟M7.0地震,是继2008年汶川M8.0地震后发生在巴颜喀拉块体东部的又一强震.现今GPS速度观测数据显示,2008年汶川地震前后的1999-2007年和2011-2016年两个时间段内巴颜喀拉块体东部地表速度场存在明显的差异.本文以实际GPS速度观测资料为约束,构建三维有限元地球动力学模型,分别计算分析了两个时段内震源区及周边现今地壳形变、弹性应变能和应力积累特征,进一步探讨汶川地震的发生对九寨沟地区变形及应力的影响.数值模拟结果显示,汶川地震之后(2011-2016年)巴颜喀拉块体东部的地壳形变、弹性应变能积累及应力积累速率均明显大于震前,增加量值达1.5-3倍;九寨沟地震发震断裂上库仑应力增长率在1999-2007年约为0.7 kPa·a~(-1),2011-2016年间增至1.2 kPa·a~(-1).上述结果表明,现今巴颜喀拉块体东部地壳应力积累过程有利于左旋走滑型九寨沟地震的发生,汶川地震的发生调整了区域应力状态,加速了九寨沟地震的孕育过程.