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．      

汶川大地震前电离层参量的变化特征与分析

利用重庆,兰州,曲靖和拉萨的电离层测高仪数据和IGS全球TEC数据,分析2008年5月12日汶川大地震前电离层参量的变化特征,发现震前2～3天多个电离层参量均出现异常增强现象,且主要出现于震中以南区域.其中foF1和foE于震前2天的正午在重庆出现最大约4.5%和9%的相对增加.foEs,h′F和hmF2出现多次异常增加,无明显规律性,h′F的异常增加主要出现在夜间.foF2和TEC在震前2～3天的午后至日落时段出现显著的异常增强.TEC在南半球磁共轭区也出现异常增强,且随时间推移具有向磁赤道漂移的趋势.foF2和TEC的震前异常现象很明显且具有独特规律性,作为地震电离层异常前兆参数是合适的.根据经验公式由电离层参量估算的可能与地震过程有关的F区异常电场的量级与Pulinets基于异常电场假说的理论模拟值一致.     

华南地区电离层在汶川地震前VTEC异常的研究

基于华南地区GPS监测网数据．解算出华南地区电离层VTEC在汶川地震前出现的异常。从时间序列和空间等值线分布两方面分析了VTEC的变化．时间序列分析表明5月4日至5月12日电离层VTEC负异常扰动明显．5月4日至5月13日的空间分布也表明了同样的结论,并同时指出负异常有向低纬度区域漂移的趋势。并对异常判断依据和机理作了初步的讨论．     

汶川地震前电离层VTEC的异常响应

2008年5月12日我国四川省汶川县发生了8.0级大地震,基于中国地壳运动观测网(CMONOC)的GPS观测数据,解算得到了震中上空附近的电离层VTEC;以VTEC的滑动均值为背景参考值,以2倍均方差作为误差限值,对临震一个月的VTEC 资料进行了处理分析．结果显示,在震前多次出现VTEC的异常扰动,其中4月29日、5月6——7日为异常减少,5月9日为异常增加,而且电离层VTEC的异常驼峰有向磁赤道漂移的趋势．由于距离发震时刻较近,排除其它因素后可能源于此次地震引起的电离层效应．      

2008年汶川MS8.0地震电离层图像信息长时程演化初探

应用改进的图像信息方法, 结合DEMETER电磁卫星的电子温度数据, 对2008年汶川M_S8.0地震进行了长时程的回溯性预测研究。 与以往的地震电离层演化图像提取异常的研究相比, 将其回溯的时程延长至震前近11个月, 并向震后延长48 d。 在长期连续的异常扰动演化图中, 出现了两个明显的异常时段, 且在震前2个月短期内异常扰动明显减弱并趋于背景值。 两个时段出现的异常扰动分布位置及其形态以及持续时间皆不重复, 这体现了前兆异常的不易确定, 难以定性及定量识别的特点。 电离层异常扰动特征的长时程研究, 有评估其预测参数和模型可靠性的实际作用, 也为应用中国卫星观测数据服务于地震预报等研究积累经验, 具有借鉴意义。     

汶川8级地震前的空间电离层异常现象

基于四川汶川8级地震前震中上空DEMETER卫星记录VLF电场频谱数据,利用重访轨道分析了固定纬度点记录的VLF电场信号的背景频谱变化,发现每年的1～6月各频谱变化比较稳定,人工源VLF信号与其他频谱值的幅度相比也清晰可辨,但7～10月扰动比较剧烈,存在整体抬升上升或者快速下降现象,而且人工源VLF信号比较模糊,难以识别.     

汶川8.0级地震前四川地区地震视应力时空变化特征

本文根据Brune模式,在近震源条件下,利用中国数字遥测地震台网观测的波形资料,测定了2000年5月至2008年4月四川地区439次ML≥3.0地震的视应力值,给出了2008年5月12日汶川8.0级地震前四川地区视应力空间分布图象,分析了四川地区、龙门山断裂带以及龙门山断裂带上小震频次高值区视应力随时间变化过程。结果表明:①汶川地震前,视应力较高的地震主要集中在四川南部的川、滇交界地区;②2001—2006年,四川地区视应力随时间的变化表现为突升突降型变化形态,且视应力高值点有逐渐增大的现象,从2007年初至2008年初视应力在较低水平呈缓慢下降,临近汶川地震前有小幅升高变化;③龙门山断裂带上视应力在2004年中至2005年初曾出现过较为明显的、短暂的上升—下降变化过程。而Δσapp值的变化则相对复杂,出现过二次上升—下降变化过程;④龙门山断裂带上小震频次高值区视应力在2003—2005年间,曾出现过二次较为明显的上升—下降变化过程,临震前,视应力出现突然上升。而Δσapp值随时间的变化则主要表现为2003—2004年的上升和其后的下降过程。临近地震发生前,Δσapp值也有一定幅度的上升变化。     

汶川M_s8.0地震前电离层VTEC的异常变化

利用地基GPS观测资料反演的垂直电子总含量(VTEC),本文考察了2008年5月12日汶川M_s8.0地震期间的电离层变化.在考察过程中,以前10天的VTEC均值和伴随的2倍标准偏差作为参考来识别电离层异常.最终的考察分析结果表明:(1)VTEC的异常增加出现在5月3日和5月9日,而VTEC的异常减小出现在4月29日和5月6日;(2)所有这4天的电离层VTEC异常持续时间均超过了4 h,且异常自东向西漂移;(3)相对于电离层的非扰动状态,在5次电离层异常的峰值时刻,震中附近VTEC增加或减小超过30%的空间区域沿经、纬向分别超过了4000 km和1500 km.鉴于地震期间的日-地空间环境和电离层VTEC异常特征,我们认为,5月3日下午和5月9日的VTEC正异常可能是本次汶川地震的电离层前兆.     

汶川地震同震电离层扰动研究

利用中国大陆陆态观测网(CMONOC)的下关、 昆明和庐州GPS台站, 对汶川地震引起的同震电离层扰动(CID)进行研究。 通过对GPS原始观测数据进行处理证实汶川地震存在5个明显的同震电离层扰动(CID)现象。 根据GPS TEC时间序列和走时, 得到在电离层高度CID的水平传播速度为1.1 km/s, 属于震中区地表抬升引起的声波在电离层中传播速度; 同时, 也得到次一级CID传播速度接近0.7 km/s, 认为可能是重力波。 在此基础上, 利用射线追踪模型寻找震中位置发现, 当CID水平传播速度为1000 m/s时, 发震时刻对应的标准偏差能达到最小值19.55 s, 相应的CID起源位置是30.8°N, 103.15°E, 距离实际震中西南方向33.6 km。     

汶川Ms8.0地震前电离层VTEC的异常变化

利用地基GPS观测资料反演的垂直电子总含量（VTEC）,本文考察了2008年5月12日汶川Ms8.0地震期间的电离层变化.在考察过程中,以前10天的VTEC均值和伴随的2倍标准偏差作为参考来识别电离层异常.最终的考察分析结果表明：（1）VTEC的异常增加出现在5月3日和5月9日,而VTEC的异常减小出现在4月29日和5月6日;（2）所有这4天的电离层VTEC异常持续时间均超过了4 h,且异常自东向西漂移;（3）相对于电离层的非扰动状态,在5次电离层异常的峰值时刻,震中附近VTEC增加或减小超过30％的空间区域沿经、纬向分别超过了4000 km和1500 km.鉴于地震期间的日－地空间环境和电离层VTEC异常特征,我们认为,5月3日下午和5月9日的VTEC正异常可能是本次汶川地震的电离层前兆.     

利用DEMETER卫星数据分析汶川地震前的电离层异常

DEMETER卫星由法国于2004年6月发射,高度约为665 km,圆轨道且经过极区,其主要目的是研究与地震有关的电离层异常.2008年5月12日6∶28（世界时）在四川省汶川县（31.02°N, 103.37°E）发生了Ms8.0级的特大地震.本文分析了在震前一周内DEMETER卫星观测到的电离层异常.这些异常主要包括：（1）卫星在震前4天和5天经过震中附近时,记录到电子浓度、电子温度和氧离子浓度出现剧烈变化（变化率均超过20%）;（2）在震前3天和7天,卫星探测到增强的电磁辐射.同时利用ELF频段（0~1250 Hz）的三分量电场和磁场数据,对异常电磁辐射作了进一步的分析（计算了电场功率谱、磁场功率谱、波矢方向和极化特性等）.另外,考查了观测期间的地磁指数,由此得出观测到的异常现象不大可能由地磁活动引起.最后,对震前出现的这些电离层异常的可能的物理机理进行了讨论.     

汶川MS8.0大震前的电磁现象

本文应用最大熵谱估计方法(MEM)等处理了2008年四川汶川M_S8.0地震震中周围电磁台的观测数据,研究了地电、地磁场变化,得到:(1) 在汶川大震前,位于青藏高原东北缘的电磁台记录了显著的自然电场变化、地电场功率谱值增大以及地磁场日变化波形畸变等电磁现象,特别是地电场周期约小于3 h的低频成分的谱值增大了3个数量级以上.(2) 在距离主震震中约500 km范围内,记录了地电、地磁场低频谱值增大为主的电磁现象,特别是距离主震震中最近的成都台地电场谱值增大了4个数量级.(3) 震前电磁现象的时空分布与青藏高原的大震活动(包括2008年新疆于田M_S7.3地震)有大空间尺度的构造关联性.本文讨论了电磁现象的机理,认为在震前地下介质内部的微裂隙发展、定向排列过程中,微破裂"机-电转换"作用和地下水运移等多因素引起了地电、地磁场变化.在本次大震前电磁现象的时空强图像很复杂,可能原因是台站所在处的地下局部介质作用和震源孕育激发的电磁辐射引起了复杂的电磁现象.     

汶川MS8.0级地震前后ULF电磁辐射频谱特征研究

本文基于电磁波频谱理论研究方法,对2008年四川汶川M_S8.0地震前后金河、剑阁及郑州二砂三个电磁波台站的观测资料进行FFT和小波变换分析,研究了电磁辐射数据快速傅里叶频谱变化特征和在不同尺度下小波变化的分解,发现在汶川地震前确实有异常信息存在.结果表明:(1) FFT动态谱图像说明,地震前电磁波频谱变化特征较明显,在时间、频段上均显示了阶段性进程特征,且随着震中距的增大,辐射能量越小,异常出现的时间越晚;(2) 小波分解显示了地震前电磁波异常信号低频部分出现的时间较早;距震中较近的台站,异常信息在高频部分相对明显;距震中稍远的台站,异常信息在低频部分相对明显.     

2008年汶川MS8.0地震前龙门山—岷山构造带的地震活动性参数与地震视应力分布

本文利用四川区域台网最近30多年的地震资料,计算了2008年四川汶川MS8.0地震前沿龙门山—岷山构造带的多个地震活动性参数(包括震级-频度关系中的a、b与a/b值,复发间隔Tr值),同时,计算了震前2年多的时间内ML≥3.5地震的视应力. 在此基础上分析了地震活动性参数值和地震视应力的空间分布与汶川主震破裂范围、MS≥5.0余震分布的关系. 主要结果表明:①汶川地震前,沿龙门山—岷山构造带的地震活动性参数与地震视应力的分布均存在显著的空间差异. 其中,龙门山断裂带中-北段的绵竹—茂县段与江油—平武段具有远低于区域平均值的显著异常低b值、低a值、相对较高a/b值以及较小复发间隔Tr值的参数值组合,反映这两个断裂段在汶川主震之前已处于高应力闭锁状态,且发生强震的概率明显高于其他段落. 这两个段落成为汶川主震破裂的中心段落和破坏严重的地段; ②汶川地震前,位于前述两断裂段之间的龙门山断裂带北川段具有较高的b值与a值、较低a/b值的参数值组合,显示出应力积累水平不高的状态. 汶川主震后,北川断裂段的余震强度与频度均偏低,缺少MS≥5.0的余震; ③地震活动性参数与视应力显示汶川地震之前龙门山断裂带南西段的应力积累水平明显低于中-北段,这种差异可能与汶川主震破裂沿断裂带中-北段呈北东向单侧扩展有关. 另外,地震活动性参数值组合也反映龙门山断裂带南西段近期发生大地震的可能性较小.     

汶川地震前后b值的时空变化及构造意义

地震b值与地应力具有密切的关系,即高应力对应低b值,研究汶川地震区b值的时空变化可以获得地震前后的应力演化过程.本文通过震源位置和速度模型联合反演的方法和双差定位法对龙门山地区汶川地震(M_s8.0)前后的地震进行了重定位工作,在此基础上精确计算了汶川地震前后不同时间段内b值大小的变化趋势及b值空间分布.结果显示:(1)b值在深度上存在明显的分层性,15 km以上b值较高,15 km以下b值较低,反映上部岩石为脆性,下部岩石为韧性的特征;(2)区域平均b值在汶川地震之后出现下降,而后有所恢复并逐渐增加,芦山地震后又降低,反映了龙门山断裂带的同震变化和震后愈合过程;(3)分时段b值空间分布结果显示,在芦山地震之后,汶川地震破裂区b值下降,即应力增加,这意味着汶川芦山地震之间的空段存在韧性变形,且芦山地震的发生促进了汶川地震破裂区的愈合;(4)映秀附近彭灌杂岩区在震前呈现低b值异常,反映该区域存在较大的差应力,可能是震后最大位错发生在该区域的根本原因.     

昆仑山口西地震和汶川地震前中源地震活动特征研究

研究2001年昆仑山口西地震和2008年汶川地震前的中源地震活动特征,与唐山地震前的特征进行比较,发现:3次大地震前曾发生6或7次h≥60 km的中源地震,且"大震前中源地震活跃的时间跨度T"约5年或5年多。这是大震前中源地震活动最主要的两个特征,包含了孕育大地震的一些重要信息。其他特征还有:中源地震的活动—平静交替、临近大地震前的地震平静、呈条带分布和(或)地震空区等特征,这与大震前壳内地震活动性的一些特征类似。     

汶川MS8.0地震余震震源机制时空分布特征

本文利用CAP波形反演方法,获取了汶川M_S8.0地震序列中312个具有较高信噪比波形资料的4级以上余震的震源机制解和震源深度. 基于震源深度空间分布与震源机制时空分布,分析了主震后余震区断层行为特征与应力场时空变化,并对龙门山断裂带中北段的发震断层面几何形态进行了初步探讨. 获得的主要认识如下:(1)余震震源深度分布存在显著的空间分段差异. 绵竹以西的余震区南段与平武以东的北段余震深度范围大于中段(绵竹-平武段),但深度小于5 km的5级以上超浅源地震主要分布在明显偏离龙门山断裂带走向的理县NW向分支与余震区北端NNE向分支,而中段余震主要分布在7~19 km深度. (2)余震机制类型存在明显的时空差异. 余震区中段逆冲型地震占绝对优势,理县NW向分支余震则以走滑型为主,机制类型随时间变化不显著. 沿龙门山断裂带走向的余震区南段,早期(2008年8月底前)逆冲型地震比例高于走滑型、晚期走滑型地震比例显著升高并超过逆冲型;而余震区北段早期走滑型地震占绝对优势、晚期逆冲型地震比例大幅上升且超过走滑型. 南、北两段余震机制类型比例的显著变化,可能是余震区两端断层调整性运动的表现. (3)节面走向及P轴方位优势方向均存在显著的空间差异. 南段NWW向P轴方位与区域应力场一致,中段及理县NW向分支P轴优势方向NEE,而北段具NWW和NEE两个优势方向,这种差异反映了余震活动除了受区域应力场控制外,还受到主震引发的局部应力场的控制. 节面走向的多方位分布则反映不同走向的构造参与了主震后的余震活动. (4)沿龙门山断裂带走向,余震区南段具深部缓倾角、浅部高倾角的铲形断面特征;中段深部倾角均值较稳定、浅部倾角均值随深度减小而增大;北段倾角均值相对稳定,显示其断面几何形态相对简单. 上述不同区段倾角均值随深度的变化揭示龙门山断裂带中北段断层面几何形态复杂.     

汶川Ms8.0地震前InSAR垂直形变场变化特征研究

利用D-InSAR技术,选用汶川地震前日本ALOS/PALSAR数据,提取了汶川地震前4个条带的形变场,形变场覆盖了映秀镇、茂县、北川县、平武和青川县.结果显示,汶川地震前形变场沿断层呈“凸”状对称形变分布特征,沿发震断层附近出现隆起形变,而远离发震断层两盘均出现下沉,且随着远离断层距离的增加,沉降幅度逐步增加.在断层两侧附近的平武、北川、安县、江油一带出现了大面积形变隆起,幅度为5～10 cm,且断层西侧抬升范围大于东侧.在映秀镇和汶川地震震中附近,沿断层两侧呈现出小范围斑块状隆起,范围在10～15 cm.该隆起区域与汶川震中位置和破裂最强烈段落基本一致.在远离断层的两盘区域出现沉降,绵阳至成都一带沉降范围在0～ -10 cm之间,松潘至文县一带沉降范围在-5～ -10 cm之间.研究表明对于处于闭锁阶段的逆冲断层,震前的垂直变形可能是其主要变形特征.虽然获得的震前形变变化可能存在5 cm的DEM和对流层大气延迟造成的误差,但这种震前垂直形变场变化趋势仍然存在,可能为地震监测预报提供科学依据.