地震-电离层耦合机理

地震-电离层耦合机理

任何异常现象的出现都与一定的物理或化学机制相联系，地震-电离层效应也不例外。地震与电离层的耦合是个非常复杂的物理和化学过程，对其机理的解释目前主要集中在两个方面:①由地震引起的声重力波(AGW)到达电离层，导致电离层的强烈扰动;②由地震破裂引起的附加垂直电场或电磁辐射(EM emission)作用于电离层，导致离子的重新分布。图1描述了与这两种解释机制有关的地震-电离层耦合作用通道(Kamogawa et al.,2004)。

图1 地震-电离层耦合机理示意

1. 地震-电离层耦合的声重力波机制

许多学者认为，地震前声重力波的产生扮演了电离层扰动的角色(Garmash et al.,1989; Lin’kov et al. , 1991; Shalimov, 1992; Hegai et al. , 1997; Shalimov and Gokhberg,1998; Mareev et al. , 2002)。Shalimov 和Gokhberg(1998)认为地震前声重力波的产生可能有三个来源:①具有分块结构的地壳产生活塞似运动(内重力波IGW);②温室气体释放到大气中产生了不稳定的热异常;③岩石圈气体不稳定地释放到大气中。考虑到迄今为止没有观察到震前地壳存在活塞似运动，因此Voitov和Dobrovolsky (1994)认为，活动构造断层邻近区的气体释放是大气扰动的支配源。

2. 地震-电离层耦合的电磁辐射机制

声重力波机制在地震-电离层效应的解释中曾一度占据领导地位，Mareev等对震前气体释放产生重力波的思想进行了说明(Mareev et al., 2002)，然而Pulinets和Boyarchuk(2004)对用这一思想来解释地震的电离层效应提出了质疑，他们认为声重力波机制的解释仍然需要有力的实验来检验，因为到现在为止，已记录的强震之后即使更强的地面运动所激发的电离层扰动也非常小(Pulinets and Boyarchuk, 2004)。Calais 和Minster (1995)用GPS技术实验性地记录到1994年1月M6.7的Northridge地震由声重力波产生的TEC扰动变化量比电离层的背景值小2~2.5个量级，且这一结果也被Davies和Archambeau (1998)的理论计算所证实。此外，震前异常电场的产生也有许多学者给予解释或说明(Hao et al. , 2000; Jianguo, 1989; Nikiforova and Michnowski, 1995; Rulenko, 2000; Vershinin et al. , 1997)。有鉴于此， Pulinets和Boyarchuk(2004)认为声重力波引起的地震-电离层前兆几乎可以停止讨论，而地震活动区异常电场的产生才是震前电离层扰动的真正来源(Pulinets and Boyarchuk, 2004)。下面我们将以气体释放形成异常电场的理论对地震-电离层耦合机理作详细介绍(King, 1986; Pulinets and Boyarchuk, 2004; Rapoport et al. ,2004)。

在地震活动区，除了力学变化外，包括氧、稀有气体、温室气体等的释放也同时处于活跃状态。在近地大气层，在氡的离化作用下，离子、分子的相互作用形成以离子群(被水分子吸附着)形式存在的等离子体，而水分子的高偶极矩阻止了离子群的再合并，归因于正负离子群的库仑引力，准中性的离子群随之形成。这个阶段就是地震-电离层前兆的初始阶段。接下来，震前从地壳释放的大量气体(主要是CO₂)扮演了双重作用，它们的运动带来的不稳定性刺激了声重力波的产生;而强大的气体运动摧毁了以弱库仑力结合的离子群。因此，在短时间内，近地大气层充满了分离出来的离子(含量为10⁵~10⁶cm^-3)这些带电离子导致了一个异常的强垂直电场，且比正常的大地电场约高一个数量级。在对流层—上部大气—电离层里，异常电场的产生是对地震-电离层耦合作用的最后一个阶段导致离子、电子的再分布。值得注意的是，在不同的地球物理条件下，异常电场有指向上方的分量，也可能有与大气电场指向一致的向下的分量。

除上面提到的原因外，异常电场对电离层的扰动也涉及另外的近地过程。首先，地下气体的释放除了具有摧毁中性离子群的作用外，也携带有亚微细粒的浮质物，特别是金属浮质物，这些浮质物将增加电场强度，因为浮质物的产生降低了大气的电导率(Krider and Roble, 1986);其次，在震前，与电磁辐射有关的ULF、ELF、VLF也在地震孕育区被发现。当前，对ULF、ELF、VLF电磁辐射的探测和识别技术已非常成熟，然而这些辐射与地震之间的机理性关系依然不是很清楚。

穿透到电离层E层的异常电场给这一区域的电子含量带来了异常的分布，这已被实验所记录(Liperovsky et al. , 2000)。取决于地表电场的方向(上或下)，电子含量可发生正的或负的偏离(Pulinets and Boyarchuk, 2004)。另外，产生电场的地区几何形状决定了电离层异常分布的形态。然而，在任何条件下，只有异常电场垂直于磁力线的分量才能穿透到电离层。在异常电场指向地表的情况下，一个偶发的E层将在地震活动区上空形成，这已被实验和理论计算所证实(Kim et al., 1993; Ondoh and Hayakawa, 1999)。

归因于地磁场线的等位性，电场实际上将没有任何延迟地穿透到更高的电离层，因此，在F层有两个主要的现象将会被看到。其一，因焦耳热作用形成的最大电导率区域将会有声重力波的产生，继而引起电离层小规模的异常(Hegai et al., 1997)。这些过程通过用无线电物理技术或光学监测技术记录不同高度的周期性电子振荡而得以证实，并已被实验性的数据所支持(Chmyrev et al.,1997)。此外，将是在F2区域形成大规模的电子含量异常，这些异常已被卫星和地面的电离层探测仪及GPS接收机所观测到。在F区，鉴于电场、磁场的交互作用导致粒子漂移的复杂性，大规模的异常以及与声重力波相联系的异常可能不仅在震中上空分布，而且也可能会向赤道方向偏移。

在更高的上空，也可能产生这样的效果:小规模的电离层异常沿磁力线传播进入磁层，形成一个像管道一样的场，在这里来自不同源的VLF辐射将会被分散(Kim et al.,1997)。因此沿异常电场产生的区域，在磁场管道里将导致VLF辐射水平的增加(Shklyarand Nagano, 1998)。在修正了的磁管道里，这种增加的VLF辐射已被早期的电磁前兆卫星探测到。

最后，在大气、电离层、磁层这种复杂的过程链中产生了粒子沉降，使更低的电离层产生电离，导致D区电子含量的增加，从而降低了电离层的高度。电离层高度的降低改变了从VLF到VHF无线电波传播的条件，地震前无线电波传播异常的现象已被实验记录到(Biagi et al. , 2001; Gufeld et al. , 1992; Kushida and Kushida, 2002)。

不可否认，地震前的确观测到了气体的大量释放(King, 1986; Pulinets和Boyarchuk,2004; Rapoport et al. , 2004) ，但气体释放形成异常电场也仅是地震电磁辐射机理的一种可能解释，异常电场产生的来源仍有众多说法，如岩石的压电效应(Yoshida and Ogawa,2004)、地下水的流电势( Ondoh and Hayakawa, 2002; Kormiltsev et al. , 1998)、摩擦电磁学(Takeuchi et al. , 2004)、滑动位错( Hadjicontis and Mavromatou, 1995; Teisseyre, 2001;Varotsos et al. , 2001)、应力触发的移动正电子洞( mobling p-holes) (Freund, 2000)等，地震电磁辐射机理的真实来源究竟如何，仍需要进行深入的研究和探讨。

3. 小结

从1964年美国阿拉斯加大地震的电离层异常扰动现象出发，到揭示岩石圈(地震)大气层—电离层的耦合(LAI Coupling)机理，地震-电离层效应的研究已历经近50年，相应地也积累了丰富的研究成果。目前，地震-电离层效应的研究主要集中在以下两个方面:①地震-电离层前兆异常检测和统计分析;②岩石圈(地震)—大气层—电离层的耦合(LAICoupling)机理探索。在地震-电离层前兆检测和统计分析方面，Liu等(2000, 2004)针对台湾地区Ms≥6.0地震的电离层效应统计分析表明:地震-电离层异常一般在震前0~5天出现; Pulinets和Boyarchuk(2004)进一步指出:取决于观测站所在位置和具体的孕震环境，异常的扰动有正有负，而且通过地震电离层异常扰动的起始时间、所在位置、区域大小还可近似确定地震三要素(时间、地点、量级)。此外，对地震-电离层效应的机理解释主要集中在以下两个方面:一是地震激发的声/重力波到达电离层导致电离层的强烈扰动;二是地震孕育活动产生附加电场或电磁辐射作用于电离层导致电子密度的再分布。

在地震前兆的物理基础尚需深入研究的情况下，统计分析具有重要意义。一方面，有些异常暂时不能做出机理上的解释，但明确其与地震的统计关系具有实用意义;另一方面，许多异常现象可能与地震相关性较高，但由于没有扣除随机概率和进行全时空大样本检验，很难对这些异常现象的预测能力进行评价。而所有这些统计工作的前提是必须有丰富的电离层探测数据做基础，因此，开展时空维连续的立体式电离层监测对地震监测预报具有重要的参考作用。

目前，全世界有20多个国家近30个科研团体正在从事地震-电离层效应研究工作。地震频发的墨西哥在其首都附近的Guerrero地区布设了综合性的前兆观测系统工程PREVENTION，这其中就有监测地震电离层前兆信息的探测设备，如地基GPS接收机(探测电离层VTEC)、电离层垂测仪等;而专门致力于地震电磁前兆监测的卫星工程也已得到实施，如俄罗斯的COMPASS、美国的QuakeSat、法国的DEMETER等，我国也即将实施地震电磁监测试验卫星计划，因此这些观测系统和工程将极大地推动地震-电离层效应在地震监测预报领域里的实际应用。

地震-电离层效应的研究离不开高精度的电离层观测，地基GPS作为当前探测电离层Γ的新技术，使低成本、高精度的电离层连续观测成为可能。而且，一定规模的地基GPS网络观测，还可构建观测区VTEC二维平面分布，这为异常区位置和大小的确定提供了可能。天基GPS电离层掩星技术是一种覆盖全球的高精度电离层剖面观测手段，但受制于掩星观测卫星的数量，其获取的掩星电子密度剖面数量非常有限，且各掩星电子密度剖面在时空维均不连续，这给电离层正常参考背景的精确建立带来了困难，使时间序列法检测出的电离层异常不具可靠性。因此，地基GPS电离层技术在大范围、连续监测电离层动态变化方面具有优势，具备监测地震-电离层前兆信息的能力，是揭示震前电离层异常扰动特征和规律的有效手段。在可预期的将来，随着可观测多个全球导航卫星系统(GPS、GLONASS、 Galieo、 BDS 等) GNSS接收机的出现，电离层信息量的获取还将成倍的增加，这将进一步增强地基GNSS技术监测震前电离层异常扰动的能力。

——选自周硕愚《地震大地测量学》