利用DEMETER卫星数据提取地震异常的方法初探

【摘要】： 中国是一个多地震的国家,而当前的地震预报尚处在探索阶段,地震监测预测仍然是世界性科学难题。发展新的观测手段,能够为提取地震异常提供更丰富全面的观测资料,从而为地震预测研究提供支撑。卫星电磁探测技术正在日益兴起,利用其数据提取地震电离层前兆也成为地震预测研究中越来越受到关注的新方法。 本文基于中国地震电磁试验卫星项目的实际需要,充分利用DEMETER(Detection of Electro-Magnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions)卫星四年来获得的观测数据研究地震电离层效应,积累经验,总结教训,为日后中国地震电磁卫星数据处理工作奠定基础。 论文首先调研了国内外地震电离层效应的研究现状,回顾了国外在地震电离层效应研究方面所做的震例研究和统计研究的案例;总结了地震电磁卫星发展历程和主要阶段;并介绍了地震电离层耦合机理。另外,文中还给出了前人研究中归纳的地震电离层异常的各类特征,并根据回顾的震例对异常的表现特征进行了概括。 介绍了DEMETER卫星的基本情况,包括载荷和产出数据及产品。重点关注其应用于地震研究方面的进展,对2006年DEMETER国际研讨会上有关其数据处理和应用的报告作了详细调研,此外对文献中比较有特色的报导作了介绍。 以普洱地震为例,探讨了DEMETER卫星观测数据的地震应用研究。论文遵循2级图像初步解译→1级数据深入分析的思路。通过初步解译后,得出升轨和降轨各自不同的表现特征,发现扰动绝大多数发生在升轨轨道(即地方时的夜间)。挑选了2个具有扰动异常的升轨和1个无异常升轨,同时还选定了1个无异常的降轨进行对比研究。采用追踪其一年内重访轨道的方式,分析了朗缪尔探针(ISL)测得的电子密度(Ne)和电子温度(Te)、电场探测仪(ICE)测量的VLF电场频谱数据。 最后,归纳了电子密度、电子温度和电场频谱三种参量所表现出的背景特征及异常现象,并提出了论文的不足之处和未来需要深入研究的问题。 论文取得的主要进展和初步成果如下: 1研究方法 基于DEMETER卫星1级观测数据,本文探索了几种数据处理及异常提取方法,取得了较好的结果,总结如下: (1)重访轨道对比方法:根据DEMETER卫星轨道设计特点,将每隔16天的轨道进行对比,虽然间隔时间比较长,但这种方法可以保证卫星在同一位置观测数据的对比,相当于剔除空间变化的影响。对于研究背景场信息提供了有效的方法。同时通过对比,也更有利于发现震前微弱的电离层扰动信息。 (2)不同参量的相关分析:通过分析电子密度和电子温度变化曲线,发现了他们之间的相关关系。初步研究认为他们在局部范围内呈现正相关关系,但在地震震前一定区域范围内,则表现为负相关。利用这一方法或许可以提取潜在的异常信息。 (3)时空演化图像对比:将震前至震后一段时间内、一定区域内的卫星观测数据进行对比,得到各参量的时空演化图像,便于分析震前电离层扰动的变化过程。 (4)电场单频信息提取方法:从多个电场频谱数据中提取某一固定频率的变化曲线,便于分析震前异常信号的突出频段。 2普洱地震电离层扰动特征 针对普洱地震,采用了2级图像初步解译→1级数据深入分析的研究思路。通过分析电子密度、电子温度、电场频谱的背景变化规律并提取异常信息,得到了以下认识: (1)通过普洱地区电离层电子密度(Ne)重访轨道对比分析,发现本区电离层Ne背景场存在明显的季节、昼夜和区域的差别。夜间Ne的变化形态主要有三种类型,即单峰、马鞍和平缓状;其在四个季节有不同的变化特征:冬季南半球Ne整体比较高,峰值分布在南半球低纬度区;而春秋两季为对称形状;夏季北半球整体Ne偏高,峰值一般也迁移到20°N左右。白天Ne在四个季节的整体变化形态很类似,峰值出现的位置都在10°N附近,峰值的大小也很接近。白天平均电子密度整体高于夜间。 利用重访轨道的数据对比方法获得了很明显的前兆异常,震前9天的异常增幅达到77%左右,但其中可能包含了一定的背景变化信息,不完全是地震引起的异常,重访轨道数据对比可以为异常提取提供一定的背景基础。普洱地震前,DEMETER卫星记录的升轨的扰动现象明显优于降轨,证明电离层等离子体扰动不连续分时段出现的特点,并且上午时段扰动信号不明显。 (2)震前2个月的电子密度(Ne)空间图像反映了地震异常在震前1个月左右开始在震中区呈现高值,震前10-20天异常达到最大,临震前10天内异常区域存在一定漂移,而且幅度减弱,震后异常消失。 (3)利用电场单频信息提取的方法,发现震前异常信息集中在200Hz以下频段,高频段异常不明显。震前40Hz电场频谱的时空演化图反映了震前4天震中附近的夜间频谱值开始出现异常增强现象,震前两天异常更加集中,震后异常消失。 (4)利用电子密度(Ne)与电子温度(Te)相关分析的方法,震前6小时的一条轨道在震中纬度偏北10°的区域内得到了Ne与Te之间异常的强负相关系数。这一异常在时间上和空间上都与普洱地震对应得很好,很可能异常来源于此次地震。 (5)本研究获得的结果与以往研究结果具有对比性,包括异常参量、异常时间、异常位置和异常幅度等。