地震探源：能否利用电离层扰动预测地震

　　发表于《地球物理学进展》的《地震期间电离层扰动现象研究》和《地震前兆:电离层F2层异常》阐述了大量关于地震电离层扰动现象研究的最新进展。观测表明，地震发生前的几天或者几个小时很有可能出现电离层扰动，电离层前兆是确实存在的。

　　名词解释：

　　电离层扰动是电离层结构偏离其常规形态的急剧变化，又称电离层骚扰。电离源的突变、非平衡态动力学过程、不稳定的磁流动力过程和某些人为因素等，都可引起电离层扰动。它常严重影响电离层中无线电波的传播。

　　经过最近几年的研究，愈来愈多的科学家发现地震电、磁场效应和电磁前兆现象较为显著，显示地震的过程并不只是局限于地球的岩石圈，也会通过电磁场的作用反映于大气层、电离层乃至于磁层。最近的研究表明由地震活动引起的电离层变化不仅确实存在，而且在震级大于5级的地震发生前的几天到几个小时会发生电离层的扰动。中国地震局地质研究所蔡军涛等人在2007年6月的《地球物理学进展》上发表了地震期间电离层扰动现象研究新进展。

　　扰动假说

　　关于地震引起的电离层扰动的物理解释目前众说纷纭，主要有两种假说：一是地震区产生的内重力波对电离层的影响，二是地震区的异常垂直电场进入电离层，引起电离层扰动。

　　基于内重力波的假说认为，由于地壳的块状构造，在地震活动区地震引起的重力振荡的幅值随着离开地面的高度增加而增大，这些振荡在地震之前瞬间像“活塞”似的影响到大气层，这样就产生了内重力波(IGW)。内重力波具有较大的垂向群速度分量，使得内重力波抵达电离层依然具有较高的能量。特殊的电离层扰动是以电离层等离子体中性成分的变化为条件，这些扰动可能是由内重力波进入电离层所造成。

　　基于异常垂直电场的假说认为，在地震孕育区除了力学过程，还有放射性地球化学过程，其中包括氡气辐射和其他几种气体成分的辐射，例如惰性气体和温室气体。Garavaglia发现观测到的地震形变和氡气辐射有很好的相关性。由于地壳中的形变和裂隙造成氡气浓度的变化，因此在地震孕育区能够观测到这种现象。

　　由地下逸出的氡气在地壳表层的空气中电离，水分子附加到它上面，最终形成离子团。由于正负离子团之间的库仑引力，形成了中性离子团。在地震孕育区上方接近地表的大气层中富含被已经形成的中性离子团包裹的隐性离子。

　　地震孕育区的地壳会发生强烈的气体释放(主要是CO

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　　)，这些释放的气体起着双重的作用，由于空气的运动，它们引起的不稳定性足以激励声重力波的产生。由于库仑作用力的微弱性，这些强烈的气体运动将破坏中性离子团，结果在很短的时间内，近地表大气层中产生大量的离子(估计浓度是105—106cm-3)。电荷分离过程最终导致形成了一个与正常情况相比很强的垂向电场异常。

　　理论计算表明当存在异常电场的地面区域直径超过200km时，垂直地面电场就会进入电离层，引起电离层的扰动。这些地面区域可以被认为是地震孕育区或者地震活动前兆区。统计研究表明，地面电场的异常区域直径为100—200km的范围是电场和电离层发生反应的过渡区。对于震级为5级的地震，73%%的概率能在震前5d内记录到电离层前兆，而对于震级为6级的地震，其概率能达到100%%。因此，认为只有在5级以上的地震，才算能够引起电离层的异常变化。

　　最新研究进展

　　目前，研究地震引起的电离层扰动主要集中在以下几个方面：电离层总电子含量TEC(TotalElectronContent)、电离层突发Es层、电离层等离子体参数、F2层临界频率f0F2等，近年来国内外在地震电离层扰动研究方面取得了新进展。电离层F2层异常

　　按照电离层中电子浓度极值区的高度，可将电离层分为D层、E层、F层。F层按高度又分为较低F1层和较高的F2层。其中F2层往往是表征整个电离层基本特征的重要区域。对于电离层电子浓度及等离子体临界频率的大量研究结果显示，地震活动引起的电离层扰动不仅确实存在，而且在震级大于5级的地震发生前的几天到几个小时会发生电离层扰动。统计研究显示，六年内地震前出现地震电离层异常扰动的比率为74.1%%。

　　与此同时，强震前电离层F2层临界频率还会发生空间变化：中纬度地区的一个区域电子浓度在增大(正扰动区)，而另一个区域电子浓度在减小(负扰动区)，它们分别位于震源区的两侧，而且在F2层的不同高度处，正负扰动区的位置会发生翻转。这就要求我们不能完全依靠地面的电离层观测点，必须采用卫星在空间进行全方位连续观测，因此，利用卫星成像技术来研究地震电离层变化的空间分布是目前地震电离层异常研究新的发展方向。此外，卫星成像还发现了两个新的现象：在某种特殊条件下(当南北半球都是夜晚)会观测到共轭效应，即某个地震活动区上方的电离层异常会通过磁力线映射到相对应的另一个半球的磁共轭区；当地震震中位于电离层赤道异常(赤道异常是指日间电离层F2层电子浓度分布在南北地磁纬度约10°之间各出现一个最大的峰值，而在赤道形成一个极小值的特殊异常现象)的峰值区之间的时候，电离层的异常峰值会向地磁赤道方向移动。

　　电离层总电子含量TEC的变化

　　目前电离层的TEC观测主要依靠分布在全球的200多个电离层探测仪，显然，面对偌大的地球，这种时空分辨率极低的探测手段难以承担全球地震电离层前兆的监测任务。而且电离层探测仪工作在中低频率(1—20MHz)，易被短波干扰，导致数据缺失。相对而言，用于监测地壳形变的地面GPS站遍布全球，连续的和准连续的全球及地区GPS站总数已达几千个，利用GPS探测TEC，将会使时空分辨率比前者大大提高。

　　无线电掩星技术(radiooccultationtechnique)最早起源于天文学研究，20世纪60年代美国将此技术用于行星大气和电离层探测等研究，随着GPS系统的建立，利用GPS掩星技术探测电离层就成为当前研究近地空间环境的又一新型手段。地面GPS接收机因其分布的局限性，反演得到的电离层数据仅代表测站上空一定区域范围内的TEC，而低轨卫星(LEO)上的掩星接收机则可观测到全球范围内的电离层电子密度剖面，使有可能检测到由地震波激发而引起的电离层电子密度的扰动，为地震预报提供地震前兆信息。

　　利用无线电掩星技术检测和识别地震的电离层扰动，目前还存在许多问题和困难。但是，这种空基探测的诸多优点，是地面观测难于实现的。鉴于GPS掩星的高效性、实用性，相信这一技术必将得到广泛的发展与应用。

　　电离层突发Es层的变化

　　Es(sporadic-E)层为在90—120km高度区域内出现的一种短暂而不规则的电离增强层，存在的时间一般为数小时，白天与夜间及高、中、低纬具有显著不同的特征形态。其临界频率f0ES具有强烈的时空变化，有时很低甚至完全不出现，有时很高可超过F2层临界频率f0F2，达到15—20MHz。对地震期间Es层的研究已经作了大量的工作，研究者发现地震发生前f0ES也会有异常的增加现象。对1994—1999年六年内发生在台湾规模大于6.0以上的大地震发生前的变化情况分析，发现地震前f0ES在日出和日落期间会有很大的异常增加。

　　在Es层中还有一种扰动现象是扩展Es(spread-Es)，这方面的研究文献也比较多。扩展Es是指在垂测电离图上偶现Es层的频率扩展或者距离扩展，目前认为扩展Es是在100km高度偶现Es层中电离层扰动作用的结果。有学者认为，扩展效应是由于声脉冲在大气中传播造成的。也有的学者认为，扩展Es现象的产生有可能是各种声波和声重力波扰动造成的。

　　在过去的十几年中，许多研究者希望找到扩展Es现象和地震孕育过程之间的联系。V•A•Liperovsky通过统计研究发现在地震前3天观测到扩展Es现象比震前4—6天要大。对于M≥5.5的强震，在距离震中小于400km范围内的电离层探测点观测到扩展Es现象的几率超过95%%。但是对于4.0≤M≤5.5的较小地震，在距离震中200km范围内只能说观测到扩展Es现象的几率是有的。

　　电离层等离子体参数的变化

　　对地震前电离层等离子体参数变化情况的研究目前开展得还不多，S•A•Pulinets发现在磁暴的主相期有显著的电离层加热，位于中纬度的电子和离子温度分别升高1000k和2000k，但是在震前和震后都没有观测到显著的电离层加热，只是在震前观测到电子温度Te和中子温度Tn的微小变化(大约升高200k)。这种震前的电子温度变化显示了一种随高度变化的似波特性，这种现象可能意味着一种声重力波的传播效应。

　　电离层电场的微小变化都能够造成离子漂移，因此出现在孕震区上方电离层中的异常电场对观测到的等离子体离子成分的变化有重要作用。在震前不仅能够观测到在F2层层峰高度的原子O+浓度的变化，而且能够记录到F2层底部的分子离子NO+和O+

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　　的浓度变化。通过对磁暴效应和地震效应的电离层离子成分的比较可以看到，在震前，不管电子浓度变化是增加的还是减小的，O+、NO+和O+

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　　的浓度变化都是同相的。而在磁暴发生时，F2层的O+浓度是减小的，NO+和O+

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　　的浓度是增加的。因此这种离子成分的变化特性可以用来区分地震效应和磁暴效应。

　　Boskova研究发现，在地震活动区上方的电离层中，光离子浓度的增加意味着平均离子质量的减少。因为在地震造成电离层扰动期间，不管是电子温度或者离子温度都没有显著的变化，因此电离层高度变化的主要原因是平均离子质量的变化，这种高度的变化通过卫星垂测技术也可以得到相同的结论。

　　在磁暴期间和强震前的几天或者几小时的时间段内电离层变化的主要差别是在地震活动区的地震效应引起的电离层离子变化是同相的，而由磁暴引起的变化是相反的(O+浓度减少而NO+和O+

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　　浓度增加)；在地震活动区电离层高度变化的主要原因是平均离子质量的减小，而在磁暴期间的电离层高度的改变是由于电子和离子温度的增加造成的。因此根据电离层等离子参数的不同变化可以区分磁暴引起的电离层异常和地震引起的电离层异常。

　　深入研究方向

　　研究表明，地震发生前的几天或者几个小时电离层扰动确实存在，这为我们进行地震的短临预报提供了一个有用的工具。但是还有许多值得我们去深入研究的问题，对地震电离层扰动现象，提出好的物理解释模型是今后的一个研究方向。

　　好的物理解释模型能够对物理试验的设计和试验结果的解释提供有价值的指导作用。但是，到目前为止，在地震引起的电离层变化这个新的研究领域，尽管已经有许多值得关注的物理解释，但还没有提出合理的物理解释模型。

　　改进观测数据的分析方法是另外一个值得我们研究的问题。我们需要发展更加客观的分离地震电离层扰动和其他的人为噪声、天电、降雨等造成的电离层扰动的方法，更加尖端新颖的数据观测和分析方法，这些对于地震电离层扰动研究是非常重要的。应用空间技术开展大区域范围内电离层参数的实时观测，如用地震电磁卫星、GPS台网并和地面电离层垂测仪观测相结合，建立“电离层地震前兆监测系统”，无疑会加速这项研究的进程。

　　■相关链接

　　如何发现电离层扰动

　　在距地表50公里到几百公里的范围内，气体分子由于受到太阳光的照射而发生电离，大气中一部分中性的气体分子分解为带正电的离子和自由电子，这层大气就叫做电离层。

　　1964年阿拉斯加大地震时，Barnes发现电离层有扰动现象的发生，而此次的观测分析似乎是第一次发现电离层的扰动与地震的发生两者之间存在某种关联性。之后Furumoto也发现1969年发生的Kurile岛地震，电离层也出现类似的扰动现象。另外大量的观测数据显示在地震发生前后，地震活动区上方的电离层可能存在某些异常现象。Antsilevich分析比较1966年Tashkent地震时在Tashkent和Alma-Ata两个测站的电离层参数资料，发现在震中上空的电离层电子浓度有增加的现象。这些现象引起了电离层物理学家的兴趣，并试着由此着手去找出岩石圈与电离层间的关系。

　　为何利用电离层前兆预报地震

　　近年来，科学界确定和公认了这样一个事实：在大地震(火山喷发)之前的几天或几小时，在强震和火山活动区的地壳和对流层中存在电磁耦合过程，在电离层内存在异常变化。

　　随着各界科学家的共同研究，解释这一现象的物理模型一批批出现，其中最可能的模型是，基于大气边界层地壳发射物(氡、惰性气体和金属气溶胶)的化学反应，这些发射物改变了边界层的电导率，从而改变了活动区域内的大气电场值。根据实验测量，在大地震前几天或几小时，地表的地震感应的垂直电场强度可达到1至几个kV/m，而在无干扰情况下该值为100V/m。异常电场渗透到电离层引起了不同种类的变化(离子成分、电子密度、标高、电子温度等的变化)，这些变化用实验方法可以从地面及人造卫星上测量到。这样的变化被称作地震的电离层前兆。

　　值得一提的是，电离层前兆的优点在于电离层把活动区域作为一个整体，而不只是事件在地面上发生的一个点进行测量。这就避免了导致地面测量的物理和地球化学前兆中出现错误的前兆镶嵌式特征。第二个优点是与其他前兆比较，电离层前兆的出现有稳定的时间尺度，这使它在短临地震预报中更具实用价值。

　　逼近震中的位置可以从电离层前兆沿磁力线到地面的投影估计出来，要预报的地震震级可以由电离层中被改变区域的大小估计出来，发震时间可以从电离层前兆出现的时间估计出来。考虑到提议的短临预报系统是第一次创建，地震参数测定的精确度将在系统测试阶段加以确定，这些参数可在理论上估计出来。

　　电磁和电离层监测系统主要包括基于地面的电离层测高仪，IGEFUNAM和INEGI的GPS接收仪网络，电场探测器网络，监测P-H脉冲的高频(HF)接收仪，甚低频(VLF)接收仪，高频(HF)多普勒装置，氧元素的557.7nm和630nm谱线的光学测量法，磁力仪网络。

　　监测任务可从三个方面来分别实现：首先，场地的测量，包括氡气浓度的测量，项目兴趣点上气溶胶和大气电场的测量；其次，用专门的软件处理GPS、电离层测高仪、卫星等的数据(适用于GPS数据处理的Bernesse软件，法国参与者提供的处理卫星数据的专用软件)；最后，是理论上的数据解释和物理模型的改进。（摘自《国际地震动态》2005年11期）