阿拉斯加2021年8.2级地震同震电离层扰动特征及对比分析

罗亦泳,吴大卫,张立亭

东华理工大学测绘工程学院,南昌 330013

0 引言

地震是由于地球上的板块与板块之间相互挤压碰撞,造成板块边缘及板块内部产生错动和破裂的一种自然现象.地震释放的能量引起地壳垂直变形和产生海啸,并以大气波的形式影响地球大气(Jin et al.,2014).大地震造成的地表垂直抬升或下降会激发瑞利波、声波和重力波,并且向上传播进入电离层,引起电离层电子密度发生变化,致使电离层总电子含量(Ionospheric Total Electron Content,TEC)发生振荡,形成同震电离层扰动(Coseismic Ionospheric Disturbances,CIDs).地震引起的空气扰动向上传播到大气和电离层时,由于大气密度的衰减,地震电离层扰动在从地面向电离层传播的过程中会显著放大,扰动的幅度随着高度的增加而变大(Artru et al.,2001; Artru et al.,2004; Liu et al.,2017).电离层扰动探测方法主要包括离子探测仪(Maruyama et al.,2012; Berngardt et al.,2015)、高频多普勒测深仪(Zhao and Hao,2015; Chum et al.,2016)、超视距雷达(Bourdillon et al.,2014)和全球定位系统(Global Positioning System,GPS)(Nenovski et al.,2015; Sunil et al.,2015)等.Calais和Minster(1995)首次利用GPS计算TEC,并从中提取到1994年Northrkige地震引发的CIDs,估算了CIDs的传播速度.近年来电离层监测研究成果表明,全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)用于电离层扰动监测具有高时空分辨率和高精度的优点,能有效地监测地震和海啸等引起的电离层扰动(Astafyeva et al.,2019; Bagiya et al.,2017; Catherine et al.,2015; Manta et al.,2020;Wen et al.,2022).CIDs分析可以为地震-电离层耦合机理研究及地震预报提供理论支持(Astafyeva and Shults,2019).2021年7月29日美国阿拉斯加发生了8.2级地震(简称2021年阿拉斯加地震).阿拉斯加州位于太平洋火山地震带上(美洲板块与太平洋板块的交界处),是美国最容易发生地震的州,是地震研究的热点区域之一.因此,对此次地震引起CIDs的时空特征进行研究,对该地区的地震-电离层耦合机理研究、地震预报具有重要的意义.

鉴于GNSS在地震及CIDs监测上的优势,各国在主要地震带上布设了大量的GNSS观测站,可较好地用于地震板块运动、同震位移和电离层扰动监测.Perevalova等(2014)分析了1965—2013年期间地震引发的电离层扰动,证明了地震等级大于MW6.5将引起电离层扰动.Astafyeva等(2013)发现震级为7.2～7.8MW的浅层地震在近场产生0.2～0.4 TECU的同震扰动.Afraimovich等(2001)发现土耳其两次走滑地震引起的 CIDs 波形均为“N”形,传播速度大于声速.Jin等(2015)分析了汶川地震引发的电离层异常,震后几分钟内探测到“N”形的TEC 扰动.Chen等(2017)发现2015年尼泊尔7.8级地震在西北部引发的电离层扰动强度较弱,而南部较强,CIDs扰动具有方向的差异性.Heki和Ping研究了2003年日本Tokachi-oki地震CIDs的南北不对称性,CIDs在北方向上较弱,并将其归因于地磁场(Heki and Ping,2005),Rolland等(2013)也得出了相同的结论.Afraimovich等(2010)对汶川地震和尼泊尔地震引发的CIDs进行分析,确定地震声波和瑞利波激发了CIDs,并且发现垂直位移较大的地震更加容易引起CIDs,走滑型地震引发的电离层扰动通常不显著.Astafyeva等(2011)通过分析 TEC 变化特征,确定了多种CIDs的传播模式和波形特征.Liu等(2011)基于日本GNSS网和台湾GNSS网数据分析了不同距离的CIDs传播特性,并对CIDs能量和速度变化进行了解释.Cahyadi和Heki(2015)利用GNSS网对2012年苏门答腊地震激发的CIDs进行分析,发现由声波引发的传播速度约1 km·s-1的CIDs,并较为详细地分析了CIDs的振幅与地震震级之间的关系.Reddy和Seemala(2015)利用GNSS数据分析了尼泊尔7.8级地震引起的电离层响应,发现两种CIDs,传播速度约为2.4 km·s-1和1.18 km·s-1.Bagiya等(2018)分析了2016年新西兰7.8级地震的电离层扰动特征,重点研究了震后地表形变和不同区域的CIDs传播特征,并对CIDs的形成及其与地震的关系进行了必要的解释.由于CIDs的形成机理尚未完全理解,地震电离层扰动特征及电离层与地震的耦合过程有待于进一步研究.

美国为了监测与研究环太平洋地震,在环太平洋地震带布设了大量的GNSS站,同时布设了电离层测高站.因此,为2021年阿拉斯加地震研究提供了丰富的数据源,为地震电离层研究提供了难得的机会.论文利用该区域的GNSS数据,提取地震附近的电离层TEC扰动,并从电离层扰动的时空分布、传播方向、时频域、振幅及波形等多角度分析地震引起的CIDs.将本次地震电离层扰动与该地区2018年1月23日发生的7.9级走滑型断层地震以及2020年7月22日发生的7.8级逆断层地震所引发的CIDs进行对比分析,进一步揭示该地区不同类型地震引发的电离层扰动特征.

1 数据与方法

1.1 地震概况与数据来源

根据美国地质勘探局(United States Geological Survey,USGS)发布的信息,在世界时2021年7月29日6时15分49秒,阿拉斯加佩里维尔东南部(阿拉斯加半岛南部)发生MW8.2地震,震中位于北纬55.36°,西经157.88°,震源深度约为35.0 km(参看https:∥earthquake.alaska.edu/,https:∥earthquake.usgs.gov).此次地震是由于太平洋和北美板块之间的俯冲带界面上或附近发生逆冲破裂(长约200 km,宽约80 km)所致.USGS给出的震源机制解可知,破裂发生在一条向西北方向倾斜较浅或向东南方向倾斜较陡的断层.地震区域,太平洋板块以大约每年64 mm的速度向西北方向与北美板块汇集,且在地震东南约125 km处的阿拉斯加-阿留申海沟俯冲(参见https:∥earthquake.usgs.gov).

由于地震位于阿拉斯加海域,在地震的西南方向和东北方向存在较多的GNSS站,北方向的GNSS站较少,而地震南部为海域,没有GNSS站,具体的GNSS站空间分布如图1所示.GNSS测站数据与滑动数据可从网站(https:∥www.unavco.org/、https:∥earthquake.usgs.gov)获取.利用GNSS观测数据解算电离层TEC,通过对地震期间TEC的变化进行分析,能够有效地监测及分析地震附近的电离层扰动特征.

图1 GNSS站和震中位置

电离层受太阳活动和地磁活动影响显著(Song et al.,2013),为了更好地分析地震引发的电离层扰动特征,需要分析地震期间太阳活动及地磁活动.通常采用太阳活动指数(f10.7)来反映地震期间的太阳活动状态(Li et al.,2018).采用地磁Dst指数和Kp指数表示地磁活动状态.f10.7、Dst和Kp数据均来源于美国NASA的OMNIWeb的公开数据(https:∥omniweb.gsfc.nasa.gov/).通过对地震期间f10.7、Dst和Kp数据进行分析,发现地震期间该地区太阳活动和地磁活动相对稳定,为研究此次地震激发的电离层扰动提供了较好的空间环境.

1.2 数据处理与分析方法

电离层TEC是监测电离层变化特征的核心参数之一,通过分析TEC的变化可以有效地探测电离层扰动和确定其变化特征(Shimna and Vijayan,2020).TEC是卫星和接收机视线方向(倾斜方向)电子密度的积分值,单位为TECU(1 TECU=1016/m2),利用GNSS站的双频载波相位观测值可以准确地估计电离层的TEC,具体见公式(1).已有研究成果表明,当空间环境较为平静时,TEC的解算精度能满足电离层扰动分析要求.

(1)

式中,f1和f2为L1和L2载波的频率,f1=1575.32 MHz,f2=1227.60 MHz;L1、L2为载波相位观测值;const为常量,包括载波相位模糊度和硬件延迟;ε为测站噪声.

根据电离层垂直分布结构的特点,自由电子主要集中在200～400 km高度之间(Liu et al.,2021).为简化电离层模型,假设整个电离层区域所有的自由电子集中位于一个薄层中,即一个单层模型表示整个电离层区域所有电子含量,可以近似代表垂直TEC.电离层中自由电子主要集中在F2层,因此,将电离层F2层的峰值密度高度作为电离层薄壳模型的高度(h).利用地震附近的电离层测高站EA635观测数据,可以有效地确定h.GNSS站与卫星之间的视线与薄壳的交点为穿刺点(Ionospheric Pierce Point,IPP).利用电离层扰动时刻IPP的时空分布,绘制电离层扰动的时间-距离图可以有效地分析电离层扰动的传播特征.

利用GNSS载波相位测量得到的相对TEC精度为0.01 TECU,在相对平静的空间环境,去趋势的TEC值通常在-0.03～0.03 TECU的范围内,去趋势的TEC能有效地监测地震、台风、火山爆发与核爆等事件引起的电离层扰动.当前通常采用对TEC时间序列滤波的方式提取电离层扰动.Vijayan和Shimna(2022)使用空间周期调平算法(SPLA)成功地消除了获取TEC时间序列扰动时含有的混叠和伪影,并通过两次自然灾害(2004年印度洋海啸和2015年尼泊尔-廓尔喀地震)对电离层扰动进行了分析.Ducic等(2003)利用滤波方法提取电离层TEC扰动的时空特征,确定由2002年Denali地震激发的瑞利波引起的CIDs.Butterworth带通滤波方法将通频带内的频率响应曲线最大限度平坦,没有起伏,而在阻频带则逐渐下降为零,被广泛应用于从复杂信号中提取特定频域范围内的有用信号.因此,鉴于Butterworth带通滤波在复杂信号分析上的优势,采用Butterworth带通滤波方法从复杂的电离层信号中提取截止频率范围内的电离层扰动信号.从TEC中提取地震电离层扰动信号受到由GNSS卫星轨道运动和电离层时空变化引起的TEC背景趋势和周期的影响,同时电离层TEC的变化会受到太阳活动、地磁活动等的干扰(Shen et al.,2018).根据电离层TEC的时频特征确定Butterworth滤波的截止频率,并且采用4阶Butterworth带通滤波器对GNSS站-卫星之间的TEC时间序列进行滤波,可以剔除TEC的背景值,有效避免信号处理中的混叠,准确地提取出地震引发的电离层TEC扰动(DTEC).通过分析TEC扰动出现的时间、幅度和空间位置(IPP轨迹),可有效地分析地震电离层扰动的特征.小波变换的功率谱能从时域和频域挖掘复杂信号中隐含的规律,利用小波功率谱进一步分析电离层TEC扰动的时频特征.以GNSS站AV09与G04卫星之间的电离层TEC扰动提取为例,验证电离层TEC扰动提取方法的有效性,TEC扰动提取结果如图2所示.图2可知,TEC功率谱的高能区与DTEC变化对应,高能区峰值对应的频率约为3.8 MHz,较好地提取到电离层扰动.

图2 AV09-G04的TEC小波功率谱图和DTEC时间序列

2 结果与分析

2.1 2021年阿拉斯加地震引起CIDs的时空特征分析

地震期间,GNSS站能较好地观测到G02、G04、G06、G07、G09和G16卫星.利用Butterworth对GNSS站与卫星之间的TEC时间序列进行滤波,提取电离层扰动DTEC,并将其对应IPP的位置作为DTEC的空间位置,进而分析CIDs的时空分布.图3为震后06∶15—06∶45 UT的DTEC空间分布图.从06∶25 UT开始,在震中附近发生了电离层扰动.在06∶28 UT,TEC扰动明显增大,其峰值接近0.8 TECU.在06∶30 UT,TEC出现较大的负扰动,在06∶32 UT,TEC又出现了较大的正扰动,接着扰动幅度逐渐减小,直至06∶45 UT扰动消失.电离层TEC异常在主震后约10 min检测到,扰动形成的时间与地震产生的声波向上传播到电离层F2层所用的时间相吻合.地震西南、西北、北和东北方均探测到电离层扰动,在地震西南方向及北方向地震电离层扰动更为显著,后续将分别对这些方向上的地震电离层扰动进行详细分析.

图3 阿拉斯加震后06∶15—06∶45 UT的DTEC

在地震西南方向及北方向地震电离层扰动更为显著,为了详细分析地震西南方向与北方向的电离层扰动特征,利用G04及G16卫星与部分GNSS站观测数据提取的电离层DTEC时间序列,计算电离层扰动峰值对应IPP与震中的距离,并分别分析地震西南及北方向的电离层扰动,各GNSS站-卫星之间的DTEC时间序列如图4所示.为了更好地说明地震期间探测到的电离层扰动与地震相关,在图4中增加地震前1天与后1天的电离层DTEC曲线图.图4可知,地震前1天与后一天的DTEC曲线量级非常小,而地震当天06∶24—06∶36 UT期间的DTEC波动显著.由DTEC时间序列曲线的形状可知,探测到的CIDs具有“N”形波的变化特征,与2011年3月11日日本Tohoku地震、2015尼泊尔地震、汶川地震等大地震引起电离层TEC扰动的波形相似.图4a给出了地震西南方向的电离层DTEC曲线,大约在震后10 min,G04卫星在震中西部探测到十分显著的CIDs,扰动峰值达到0.8 TECU.图4b为G16卫星在地震北部探测到的电离层DTEC曲线图,扰动量级达到0.5 TECU.随着距离的增加,CIDs出现较为规律的时延,在一定范围内西南方向及北方向CIDs的量级随着距离的增加而变大.

图4 G04和G16卫星分别在震中西南和北方向探测到的DTEC时间序列图

2.1.1 震中西南方向电离层扰动分析

在震中西南方向,GNSS站能较好地观测到G04和G09卫星,为了更好地分析地震西南方向电离层扰动,分别绘制GNSS站与G04和G09卫星之间电离层扰动DTEC的IPP分布图及时间-距离图.图5为GNSS站与G04卫星之间电离层扰动DTEC的IPP分布图及时间-距离图,距离为DTEC对应IPP与震中的距离.图5a可知,IPP较好地覆盖了地震西南方向的附近区域.图5b为GNSS站与G04卫星之间电离层扰动DTEC的时间-距离图,对DTEC中成规律分布的波峰或者波谷进行线性拟合,直线的斜率为CIDs的传播速度.G04卫星探测到传播速度约为1.87 km·s-1的CIDs,拟合直线与时间轴相交于06∶25 UT附近,表明该CIDs在震后10 min形成,然后向西南方向传播,传播到460 km处电离层扰动幅度仍然显著.

图5 震中西南方向G04卫星探测到的DTEC扰动

图6为GNSS站与G09卫星之间电离层扰动DTEC的IPP分布图及时间-距离图.G09卫星探测到的CIDs传播速度约为0.99 km·s-1,传播距离约为600 km.图6b可知,CIDs的拟合直线与时间轴相交于06∶24 UT(约震后8～9 min),该时间延迟与地震地表破裂产生的声波向上传播至电离层F2层所用的时间(约7～10 min)一致(Tulasi Ram et al.,2017),表明G09卫星探测到的CIDs是由地震声波所引发.CIDs的扰动幅度随距离的增加而减小,当距离大于600 km时CIDs消失,根据CIDs的传播速度判定该CIDs极有可能由地震声波引起.

图6 震中西南方向G09卫星探测到的DTEC扰动

2.1.2 震中西北方向电离层扰动分析

图7与图8分别为震中西北方向GNSS站与G06与G02卫星之间电离层扰动DTEC的IPP分布图及时间-距离图.由图7a中的IPP分布图可知,IPP较好地覆盖了该区域.图7b可知,约在06∶24 UT电离层F2层开始形成CIDs,并以1.09 km·s-1的速度向远处传播,CIDs的扰动幅度达到0.2 TECU.图8可知,约在震后10 min G02卫星在地震西北方向探测到CIDs,其传播速度约为0.85 km·s-1.根据G06和G02卫星在震中西北方向探测到的CIDs传播速度及方向,可以判定G06和G02卫星探测的CIDs极有可能是由地震声波所引起.

图7 震中西北方向G06卫星探测到的DTEC扰动

图8 震中西北方向G02卫星探测到的DTEC扰动

2.1.3 震中北方向电离层扰动分析

图9为G16卫星在震中北方向探测到的电离层扰动时空分布.图9a可以看出,IPP位于震中北部且与震中相距较近.图9b可知,G16卫星在该区域探测到较为显著的CIDs,其扰动幅值达到0.47 TECU,CIDs的传播速度为1.06 km·s-1.拟合直线与时间轴相交于06∶24 UT(约震后9 min),表明CIDs在震后约9 min形成.在250 km距离范围内,随着IPP至震中距离的增加,探测到的CIDs逐渐增大,但由于数据的限制,未能对大于250 km范围的电离层扰动传播特征进行分析.

图9 震中北方向G16卫星探测到的DTEC扰动

2.1.4 震中东北方向电离层扰动分析

图10为震中东北方向GNSS站与G07卫星之间电离层扰动DTEC的IPP分布图及时间-距离图.图10a可知,IPP的时空分布能有效地覆盖地震东北方向附近区域.图10b可知,在地震东北方向探测到传播速度约为0.95 km·s-1的CIDs.该GIDs约在06∶24 UT(约震后9 min)形成,向东北方向传播距离超过370 km.

根据CIDs传播速度的大小可将CIDs分类三类,第一类为地震瑞利波引起的CIDs(CIDs传播速度约2～4 km·s-1),第二类为地震声波引起的CIDs(CIDs传播速度约0.3～2 km·s-1),第三类为重力波引起的CIDs(CIDs传播速度约0.1～0.3 km·s-1).在地震近场探测到的CIDs有时为多种CIDs的混合,随着传播距离的增加多种CIDs开始分离,Astafyeva等(2009)研究1994年10月4日千岛大地震电离层响应时观察了CIDs分离为两种模式的现象.根据2021年阿拉斯加地震CIDs传播速度的大小,将CIDs分成两类.第一类为在西南方向探测到的CIDs,其传播速度为1.87 km·s-1,并且扰动量级最大,极有可能由地震声波引起.将传播速度约为0.85～1.09 km·s-1的CIDs归为第二类,由地震声波引起的另一类电离层扰动.

2.2 2021年阿拉斯加电离层扰动时频分析

为进一步分析此次地震引起CIDs的特征,利用小波变换将电离层DTEC时间序列转化到频域下并建立小波功率谱,从频域对电离层扰动进行分析.分别从地震北方向、西南方向、西北方向与东北方向选择一个GNSS站-卫星之间的TEC进行小波功率谱分析,并与DTEC进行对比.各方向上探测的TEC小波功率谱及DTEC如图11—16所示.各方向估计的小波功率谱中的高能量区与DTEC中CIDs较为一致.图11为地震北方向AB02-G16卫星之间TEC小波功率谱及DTEC.图11a可知,06∶24—06∶36 UT期间出现两个高能区,对应中心频率约为3.0 mHz和5.7 mHz.图12和图13为地震西南方向AB02-G04卫星和AV35-G09卫星TEC的小波功率谱及DTEC曲线.图12可知,AB02-G04卫星探测的CIDs对应频率为3.8 mHz,传播速度为1.87 km·s-1,扰动幅度明显大于G09卫星探测的CIDs.图13可知,GO9卫星探测到传播速度为0.99 km·s-1的CIDs对应中心频率为3.0 mHz.图14为震中西北方向AC18-G06卫星电离层TEC小波功率谱及DTEC,CIDs的中心频率为2.9 mHz,传播速度为1.09 km·s-1.图15为地震西北方向AC02-G02卫星电离层TEC小波功率谱及DTEC,CIDs中心频率约为2.9 mHz,传播速度为0.85 km·s-1.图16为在地震东北方向AC45-G07卫星电离层TEC小波功率谱及DTEC,高能区对应的频率为3.0 mHz,CIDs的传播速度为0.95 km·s-1.根据CIDs的频率及传播速度,将2021年阿拉斯加地震产生的CIDs分为两类,第一类是中心频率约为3.8 MHz的扰动,具有较大的扰动幅度和较快的传播速度,主要向西南方向传播,为地震声波引起的电离层扰动;第二类为中心频率约为3.0 mHz或者5.7 mHz的电离层扰动,传播速度相对较慢,并且在震中西南、西北、北和东北方向均探测到,可能为地震声波引起的另一类电离层扰动,文献Rolland等(2011)、Jin等(2014)出现过类似的地震电离层扰动.

图11 AB02-G16的TEC小波功率谱图和DTEC时间序列

图12 AB02-G04的TEC小波功率谱图和DTEC时间序列

图13 AV35-G09的TEC小波功率谱图和DTEC时间序列

图14 AC18-G06的TEC小波功率谱图和DTEC时间序列

图15 AC02-G02的TEC小波功率谱图和DTEC时间序列

图16 AC45-G07的TEC小波功率谱图和DTEC时间序列

2.3 基于电离层测高数据的2021年阿拉斯加地震电离层扰动分析

为了进一步分析地震引发的电离层扰动,利用电离层测高站EA653数据监测电离层扰动.EA653的位置为(52.73°N,174.08°W),位于地震西南方向,大致在地震断层破裂延伸方向,距离震中约1094 km,数据采样间隔为7.5 min,能进一步探测震中西部的电离层扰动特征.电离层F2层的临界频率f0F2是电离层的核心参数之一,电离层数字测高仪能精确地测量f0F2,通过分析f0F2时间序列的变化特征,能较好地发现电离层扰动,是电离层扰动监测的重要手段.为了分析地震期间f0F2的变化特点,收集了2021年7月24日至8月3日的测高仪数据,采用非地震日的f0F2的均值作为背景值,与地震当天的数据进行对比,分析地震期间电离层的响应情况.图17为地震期间f0F2的观测值和背景值,黑色实线为地震当天的f0F2值,灰色实线为f0F2平均值.从图中可以看出大约在06∶30 UT 时f0F2发生波动,在06∶37 UT波动达到最大,在06∶45 UT之后趋于平稳,而f0F2的均值在6∶00—7∶30 UT期间变化缓慢,没有出现明显的波动.因此,在排除地磁环境和太阳活动的影响后,地震期间电离层f0F2出现的波动现象极有可能由地震引发,进一步验证地震引发的CIDs向西方向传播.利用f0F2出现波动的时间减去地震时间,可以大致估算电离层CIDs传播的时长,利用EA653站与震中的距离除以CIDs传播的时间可估计CIDs的传播速度,CIDs传播的速度约为1.21 km·s-1.由于电离层测高站数量及数据时间分辨率有限,电离层扰动分析结果存在一定的误差.

图17 EA653测高站观测到的f0F2扰动

2.4 2021年阿拉斯加地震GNSS同震位移分析

地壳变形的确定可以通过永久GNSS站来测量(Sorkhabi and Alizadeh,2021),为了进一步分析地表形变与电离层扰动之间的相关性,利用震中附近4个GNSS站估算06∶11—06∶41 UT期间南北方向(N)、东西方向(E)和高程方向(U)的同震位移,数据时间间隔为1 s.AC12、AC13、AC21和AB13站位置已标注在图1中,各GNSS站的同震位移如图18所示,灰色虚线为地震时刻.可以看出,大约在地震发生2 min后,GNSS站的位置发生了明显的位移变化.在震中西南方向的AC12站发生的位移量较小.AC13站位于震中东部,在震后2 min发生了剧烈的变化,在3个方向上的位移变化幅度均较大,接着趋于稳定,相比于震前向南移动约84 mm,向西移动约225 mm,向上抬升约44 mm.AB13站位于震中北部,从同震位移图中可以看出AB13站在震后的位置发生了显著的变化,相较于震前向南移动约317 mm,向西移动约246 mm,向下沉降约70 mm.AC21站位于震中西北方向,在震后同样发生了位移,相较于震前向南移动约96 mm,向东移动约108 mm,向下沉降约102 mm.根据地震断层的相对运动,地震类型主要分为正断层、逆断层和走滑型地震,其中正断层、逆断层地震有明显的垂直位移变化,会有不同程度的抬升和沉降,而走滑型地震则在水平方向上产生较大的位移,垂直位移变化较小.本次阿拉斯加地震属于逆断层地震,通过对地震附近4个GNSS站的同震位移分析,可以验证此次地震的类型属于逆断层地震,地表发生了垂直位移.地震产生垂直方向的位移,类似于活塞,使大气发生压缩,产生向上传播的声波,进而引起电离层扰动,地表垂直位移在地震电离层扰动形成过程中起到重要作用.

图18 GNSS站在N、E、U方向的同震位移

2.5 阿拉斯加湾近年三次大地震引起CIDs的对比分析

由于太平洋和北美板块的运动,导致在阿拉斯加半岛南部地震活动异常强烈.通过对该区域三次较大地震引发的电离层扰动进行对比分析,进一步揭示该区域地震与电离层耦合的过程及特点.根据美国地质勘探局(United States Geological Survey,USGS)发布的信息,2018年1月23日31分40秒(UT)美国阿拉斯加州以南海域发生了7.9级地震(简称2018年阿拉斯加地震),震源深度14.1 km,地震震中位置(56.004°N,149.166°W),通过震源机制图解可以判定为走滑断层型地震.2020年7月22日6时12分42秒(UT)美国阿拉斯加州以南海域发生了7.8级地震(简称2020年阿拉斯加地震),震源深度10 km,地震震中位置(55.030°N,158.522°W),通过震源机制图解可以判定为逆断层型地震(参看https:∥earthquake.alaska.edu/,https:∥earthquake.usgs.gov).三次地震的节面信息从网站(https:∥earthquake.usgs.gov/)中获取,具体参数如表1所示.

表1 节面信息

使用2018年阿拉斯加地震附近的30个GNSS站进行震后电离层扰动探测与分析.图19为GNSS站与G05卫星之间电离层扰动DTEC的IPP分布图及时间-距离图.图19b可知,在地震西南方向探测到传播速度约为2.55 km·s-1的CIDs,扰动幅值约0.06 TECU.拟合直线与时间轴相交于09∶42 UT,表明在震后约10 min形成扰动源.根据传播速度判定,探测到的CIDs是由于地震产生的瑞利波引起,与Zhang等(2021)的研究结论相似.在其他方向未探测到显著电离层扰动,因此论文未对其进行详细分析,CIDs传播具有方向性(向震中西南方向传播).此次走滑型地震引起的CIDs扰动振幅较小,Liu和Jin(2019)研究发现此次地震引起的CIDs振幅为0.06 TECU,本文探测结果与其较为吻合.

图19 震中西南方向G05卫星探测到的DTEC扰动

利用位于地震西南部的GNSS与G03卫星的数据分析2020年阿拉斯加地震引起的电离层TEC.图20为震中西方向G03卫星探测到的DTEC时间-距离图.由图20可知,地震9 min后在电离层F2层形成扰动源,然后向震中西方向传播,最大扰动幅度约0.1 TECU.G03卫星在震中西部探测到三种速度的CIDs,第一种CIDs的传播速度为2.93 km·s-1,根据速度判断该CIDs是由地震产生的瑞利波引起;其他两种CIDs的传播速度为1.55 km·s-1和1.11 km·s-1,可能由地震引起地表垂直运动产生的声波激发了电离层TEC扰动.

图20 2020年阿拉斯加地震引起的电离层扰动

对2020年阿拉斯加地震的同震位移进行分析,利用震中附近的4个GNSS站(AC12、AC28、AB07、AC21,GNSS站位置如图1所示)估算地震附近在6∶12—6∶18 UT期间N、E、U方向的同震位移,各GNSS站同震位移见图21.4个GNSS站在N、E、U方向上均出现显著的同震位移,随着与震中距离的增加,同震位移显著减小,同震位移大小与方向和地震类型、断层特征密切相关.AC12站的同震位移最为显著,向南移动约233 mm,向东移动约58 mm,抬升约274 mm,南北方向位移较东西方向更加显著,高程抬升非常明显.震后AC28、AB07、AC21站均向南移动约110～149 mm,AC28、AB07 向东移动分别约为126 mm和140 mm,AC21向东移动约为23 mm,AC21的南北方向位移明显大于东西方向,地震导致AC28、AB07、AC21站均下沉约58～94 mm.结果表明2020年阿拉斯加地震产生明显的垂直位移,导致地表破裂.

图21 2020年阿拉斯加地震GNSS站在N、E、U方向的同震位移

Astafyeva等(2014)发现走滑型地震和逆冲断层地震引起的CIDs传播特征存在差异.通过分析阿拉斯加不同类型地震及其引发的电离层扰动,进一步挖掘该区域的地震电离层扰动特点.2021年阿拉斯加地震引起的CIDs在扰动幅度上大于2020年和2018年阿拉斯加地震.对比三次地震的发震机制,逆断层类型地震地表在垂直方向上产生较明显的位移,而走滑地震主要产生水平断层运动,垂直位移小于逆断层地震(Liu et al.,2010).2020年阿拉斯加地震为7.8级,引起的CIDs扰动振幅为0.1 TECU,而2018年阿拉斯加地震为7.9级,且震源深度更浅,引起的CIDs最大振幅为0.06 TECU,表明逆断层地震所产生的CIDs在扰动幅度上大于走滑型地震,垂直地面运动在CIDs的形成中起主要作用,该规律与Cahyadi和Heki(2013)的研究成果吻合.2018年阿拉斯加地震在西南方向探测到瑞利波引起的CIDs,速度为2.55 km·s-1.2020年阿拉斯加地震在西南方向探测到三种速度的CIDs,分别由瑞利波和地表破裂产生的声波引起.2021年阿拉斯加地震在西南方向探测到速度为1.87 km·s-1的CIDs,并在震中附近多个方向探测到声波引起的CIDs,传播速度为0.85～1.09 km·s-1,未探测到瑞利波引起的电离层扰动.因此,不同类型和强度的地震引发的CIDs在传播速度、传播方向、扰动幅度上存在显著的差异.三次地震引起的CIDs主要向地震西南方向传播,同时三次地震的破裂方向大致为西南走向,表明地震引起的CIDs传播具有显著的方向性,且与地震形成机制有着密切的关系,该地区地震可能容易形成向西南方向传播的CIDs,具体的形成机理需要进一步研究.

3 结论

从多角度对2021年阿拉斯加8.2级地震引起的电离层扰动进行研究,并与2020年阿拉斯加7.8级逆断层地震以及2018年阿拉斯加7.9级走滑型地震引起的CIDs进行对比分析.讨论了该地区不同类型及震级地震引发电离层扰动的时空特征,具体结论如下:

(1)2021年阿拉斯加地震引起的CIDs约在震后10 min形成,且CIDs扰动波形表现为“N”形.在地震西南方向G04和G09卫星均探测到向西南方向传播的CIDs,最大扰动幅度达到0.8 TECU.在地震西北方向,G02与G06卫星均探测到较为显著的电离层扰动,扰动幅度最大约0.2 TECU.G07卫星探测到振幅约0.15 TECU的电离层扰动,并且向东偏北方向传播.G16卫星在震中北部较近区域探测到振幅约为0.47 TECU的CIDs.地震西南方向的CIDs最为显著,并且在西南方向距离震中约1094 km的测高站EA653探测到电离层扰动.不同方向探测到的电离层扰动特征不同,CIDs 具有显著的各向异性特点.

(2)通过对CIDs的传播速度及频率进行分析发现,在地震西南方向探测到两类CIDs,第一类为传播速度约1.87 km·s-1的CIDs,对应的中心频率为3.8 mHz,极有可能由地震声波引起.在地震西南、西北、东北和北方向探测到的CIDs传播速度相似,约为0.85～1.09 km·s-1,中心频率约在3.0 mHz或者5.7 mHz附近,为地震声波引起的第二类电离层扰动.

(3)2021年阿拉斯加8.2级地震引起的CIDs在扰动幅度显著大于2018年阿拉斯加7.9级地震和2020年阿拉斯加7.8级地震.2020年阿拉斯加7.8级逆断层地震引起的CIDs在扰动幅度要大于2018年阿拉斯加7.9级走滑型地震,并且2018年阿拉斯加地震震源更浅,表明垂直地表运动在CIDs的形成中起主要作用.因此,逆断层地震比走滑断层地震引起的CIDs可能更为显著.不同类型和强度的地震引发的CIDs差异显著,与地震类型、断层分布等多种因素密切相关.三次地震引起的CIDs均在地震西南方向十分显著,与地震破裂方向较为一致,表明地震引起的CIDs具有具有一定的方向性.