中国华蓥山断裂带南段可能与强震相关的电离层异常特征多案例分析

《Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics》：Multi-case observational analysis of possible strong-earthquake-related ionospheric anomaly characteristics in the southern segment of the Huayingshan fault zone, China

　　

•对四川盆地南部华蓥山断裂带附近地震相关的多参数电离层异常进行了首次系统性分析。•通过TEC、等离子体参数和ELF电场等多源数据的交叉验证，识别出与地震相关的电离层异常。•空间分布分析表明，TEC异常主要位于震中上方并向南延伸约1000公里，最大正负扰动区域呈现向赤道方向偏移的趋势。

引言

过去几十年来，对地震前兆的广泛研究逐步揭示了岩石圈、大气层和电离层中大量的与地震相关的异常现象（Cicerone等，2009；Afraimovich等，2013；De Santis等，2022；Liu等，2023）。特别是，聚焦于地震-电离层异常的研究已经积累了大量的观测证据和理论见解。研究表明，在没有显著太阳或地磁干扰的条件下，地震震中上空的电离层扰动可能与地震活动相关。为解释地震活动如何引发电离层扰动，研究者提出了各种岩石圈-大气层-电离层（LAI）耦合模型，通过不同的耦合路径，系统地描述各圈层之间的相互作用机制（Molchanov等，2004；Pulinets和Boyarchuk，2004；Hayakawa，2006；Kamogawa，2006；Pulinets和Ouzounov，2011）。其中，一个典型的例子是：Shalimov和Gokhberg（1998）提出，岩石圈气体释放可以触发内部重力波（IGW）向上传播并诱发电离层异常。类似地，Kunitsyn等（2015）提出，地震前岩石圈的气体排放可能导致大气边界层温度变化，进而产生声重力波（AGW）。这些模型为解释地震前兆现象提供了重要的理论基础。

总电子含量（TEC）作为地震-电离层前兆的关键要素，受到了广泛关注。随着全球定位系统（GPS）技术的快速发展和广泛应用，基于GPS TEC的地震-电离层异常扰动研究已成为主要方法之一（Afraimovich等，1998；Afraimovich等，2013；Yasyukevich等，2015；Titova等，2019；Titova等，2022）。例如，Liu等（2001）利用台湾13个GPS台站和电离层探测仪数据，发现在地震前第1天、第3天和第4天，电离层TEC在下午时段（12:00–16:00地方时）显著降低。为进一步验证TEC异常与地震活动之间的相关性，Liu等（2004）对1999年至2002年间台湾发生的20次M≥6.0地震进行了统计分析。结果显示，80%的地震在地震前1至5天出现显著的TEC异常，异常主要发生在傍晚至夜间时段（18:00–22:00地方时）。Zakharenkova等（2006）发现，在2004年印度尼西亚M9.0地震前第2天，电离层赤道异常峰值处的TEC显著增加了50%–60%，且夜间电离层出现了异常的峰结构。Liu等（2009）研究了2008年汶川Mw7.9地震，发现电离层TEC异常发生在震前第3天至第6天，包括下午时段的降低（震前第6天至第4天）和震前第3天的增强。异常区域覆盖的纬度跨度约为1650公里，经度跨度为2850公里。该研究建议，这些扰动可能与岩石圈微裂隙产生的垂直电场及其通过LAI耦合过程对电子密度的影响有关。在2011年M9.0东日本大地震期间，Kunitsyn等（2011）报道了由声重力和海啸相关波诱发的明显震后电离层扰动，而Le等（2013）发现在震前3天震中附近及其磁共轭点处出现显著的TEC增强，持续约16小时，空间分析显示异常区域不仅覆盖了震中区域，还延伸至低纬度电离层赤道异常区。

除TEC外，等离子体参数如电子密度（Ne）、电子温度（Te）、离子密度（Ni）和离子温度（Ti）也被证实对地震具有预测意义。例如，Liu等（2014）基于"地震区域电磁发射探测卫星"（DEMETER）数据，研究了82次Ms≥7.0的地震。他们发现其中49次地震在震前出现电子密度和/或电子温度的扰动，且异常并未直接位于震中上方，而是向赤道方向偏移。近年来，基于中国地震电磁卫星（CSES）观测数据的研究也揭示了震前电离层等离子体参数的各种扰动特征（Yan等，2018；Zhu等，2021；Du和Zhang，2022）。

虽然TEC和等离子体参数异常已被广泛证实，但与地震活动密切相关的另一种现象——电磁异常，也逐渐成为研究焦点。DEMETER卫星观测表明，地震活动可以触发显著的甚低频（VLF）电磁扰动。统计分析显示，浅源地震（深度≤40公里）通常在震前0–4小时的夜间出现VLF信号强度降低4–6 dB的现象（Němec等，2008）。此外，大震与VLF信号中广泛的"散射斑"现象相关，跨度为1000–5000公里，其空间尺度可能与震级呈正相关（Molchanov等，2006）。Chavez等（2011）利用改进的偏振分析和离散小波变换（DWT）方法，在墨西哥三次M≥6.0地震前检测到明显的超低频（ULF）电磁异常。Liao等（2023）在玉树地震前8小时识别出极低频（ELF）电磁异常，主要分布在200–400 Hz频段，其特征为功率谱密度（PSD）显著增加。

随着地震-电离层前兆的多参数特征日益被识别，研究者采用了交叉验证策略以提高前兆检测的可靠性（Akhoondzadeh等，2010；Tao等，2017；Zhang等，2020；De Santis等，2022；Liu等，2022；Tao等，2022；Wen等，2022；Zhang等，2024）。本研究调查了2018年以来中国四川盆地南部华蓥山断裂带附近发生的5个地震案例。通过整合全球电离层总电子含量（GIM TEC）图、等离子体参数和电场观测数据，我们系统地分析了可能的地震-电离层扰动的特征及其时空演化。本研究不仅填补了该地区电离层异常与地震可能相关性的系统性研究空白，也为全球其他地震活跃区的异常检测和机制探索提供了有价值的参考。本文结构如下：第2节介绍研究区域和数据来源；第3节详细说明数据处理方法和检测结果；第4节讨论观测到的异常背后潜在物理机制；第5节为结论。

分段摘要

地震数据

华蓥山断裂带是四川盆地内最大的断裂带，近年来该断裂带地震活动频繁。正如Pulinets等（2003）所指出的，约M5.0级地震即可产生显著的电离层响应。因此，本研究选取M>5.0的地震，该阈值也被Zulhamidi等（2025）基于美国地质调查局（USGS）灾害强度评估所采用。自2000年以来，共发生了15次强地震。

TEC异常检测方法

为消除地磁和太阳活动对电离层可能造成的扰动，本研究采用严格的地磁和太阳活动指数标准（Dst>-30 nT，Kp<3，F10.7<150 sfu）进行数据筛选。不满足这些条件的日期被排除在异常统计和地震相关性解释之外，尽管它们被保留在某些图中以展示完整的时域演化过程，并明确标注为受扰日。Zulhamidi等（2023）

讨论

本研究展示了华蓥山断裂带附近可能的地震-电离层异常的多参数特征。所有案例中均观测到震前电离层扰动，同时在部分案例（案例#1、#3和#4）中识别出显著的震后电离层扰动。总体而言，共检测到53个TEC异常、12个等离子体参数异常和1个ELF电场异常。如图10所示的参数异常时间序列分布……

结论

基于多源电离层数据（GIM TEC、等离子体参数和ELF电场数据），本研究采用IQR异常检测方法，对2018年以来四川盆地南部华蓥山断裂带附近的5个地震案例进行了可能的地震-电离层异常的多案例观测分析，并进行了多参数交叉验证。主要观测发现如下：

（1）在所有案例中，震前均检测到显著的电离层TEC异常……

作者贡献声明

李思睿：撰写–审阅与编辑，撰写–初稿，可视化，验证，软件，项目管理，调查研究。陶丹：监督，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。李印前：可视化，软件。杨宇航：可视化，软件，调查研究。周辰龙：可视化。蒋启锋：资源。

人工智能声明

作者声明在稿件准备期间仅使用人工智能ChatGPT进行语言润色和翻译。使用该工具后，作者根据需要审阅和编辑了内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的与本文报告工作存在竞争关系的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢使用以下数据资源：由欧洲轨道测定中心（CODE）提供的GIM TEC数据、由日本国立自然灾害研究所空间信息研究中心提供的等离子体和电磁数据，以及从美国地质调查局国家地震信息中心（NEIC）ComCat数据库获取的地震目录数据。

李思睿|陶丹|李印前|杨宇航|周辰龙|蒋启锋