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构造地震是地球内已积累的应力的突然释放,是地壳内断层附近应力长期积累后,断层突然错动的结果。地震往往影响十分广泛,也具有很大的破坏力,会对人类的生产生活造成极大的损失与威胁。对构造地震的前兆信息的监测和研究一直是各国减灾科学研究的重点,也是地球物理各学科研究的热点。研究发现,地震的发生不单单与震源区地球内部的孕震过程有关,而且和地体环境、日地空间的环境因素密切相关。
近期研究表明,地震的孕震过程可能会造成大气,甚至电离层高度的扰动现象。电离层的电子浓度变化与地震现象联系紧密,具有明显的震前和震后的异常反应。且其在震前的异常前兆均发生在一个可视为整体的可测量范围内,避免了其他手段的地面点测量中常见的误差问题和错误的前兆镶嵌式特征。与其他传统地面观测相比,震前电离层电子浓度异常的出现更具有稳定的时间和空间尺度,特征明显,易观测。
作为地球上构造运动和地震活动最为强烈的地区之一,我国的青藏高原及周边地区既是研究地震事件的热点和优选地区,又是研究中低纬电离层形态与异常的重点区域。我国青藏地区上空的大气圈正处于电离层赤道异常区的北驼峰位置,这一区域的电子浓度非常高,对电磁场的变化的响应也相当的灵敏。随着我国地基GPS监测台网的进一步完善与加密,对该地区的电离层研究提供了有力的数据支持。对青藏地区震前电离层电子浓度异常变化的研究,有助于增强地震对电离层的影响过程的了解,对地震过程中地壳-大气-电离层的耦合机制作进一步的认识,为研究中低纬电离层的扰动和地震短临预报打开一扇新的大门。
本论文采用GPS作为观测手段,利用丰富的GPS TEC(电离层电子浓度总含量)数据和地震、地磁资料,通过对震前青藏地区的孕震区上空电离层的电子浓度总含量TEC的分析,研究震前电离层电子浓度的异常扰动的时空特征和变化规律。本文首先选取了青藏地区三个具有代表性的地震个例,计算其发震期间的电离层TEC,从中提取震前异常的关于时间和空间的分布特征。然后,选取1999-2008年间青藏地区发生的20个地震,对其进行相应的数据与资料的整理与处理,定量的计算震前异常的出现率和出现的时空范围,并以空间天气、地磁等指数和地震参数等作为分类标准针进行统计分析,研究震前电离层TEC的变化特征和基本特点,讨论其与地震的关系,以及地震各参数(震级、震源深度等)对震前电离层TEC异常变化和其与地震的相关性的影响。最后对分析结果进行探讨,结合他人研究成果,验证结果的可靠性,对可能的震前异常的成因和地震-电离层影响机制进行讨论,分析震前电离层电子浓度异常作为地震前兆的可能性。本文的主要工作和分析结果如下:
1、对青藏地区的三次地震个例期间的电离层GPS TEC数据进行分析,在三次震前TEC都存在着具有相似特征的异常扰动如下:所有电子浓度异常均发生在发震之前的2-9天的时间范围内,其中正异常发生在发震之前的第9天和第2-3天,负异常发生在发震之前的第3-6天,异常出现时间大都为当地时中午至傍晚。这些震前异常均存在于震中位置上空纬度30°的范围内,其变化幅度并非关于震中两侧东西对称,具有显著的经度差异。在南半球关于磁赤道对称的共轭区域,也同时出现了相似的但变化幅度较小的异常。震前电离层电子浓度异常的空间变化主要表现为对电离层赤道异常双峰(EIA)的影响上,不但会增强或降低峰值位置的电子浓度值,而且会造成驼峰最大值位置向磁赤道方向偏移。尽管三次地震的背录空间天气环境大不相同,受到其他干扰源如太阳爆发性活动和地磁扰动造成的影响,这些异常仍具有明显相同的区域特征和时间特性。
2、对1999年至2008年间青藏地区发生的20次地震期间的电离层扰动进行统计分析,定量的分析震前异常的时空特征及其与地震的关系。由结果可知,对于这20个地震个例,在震前1-11天内发生TEC的正异常的概率为85%,而发生在同一时段负异常的概率则为65%。正异常大多发生在震前1-3天和8-11天内,而负异常大多发生在震前4-7天内。比起震级的大小,异常的出现率更易受到震源深度的影响。这些异常变化主要集中在震中附近纬度30°和经度30°的范围内,且最大值出现的位置并不与震中位置在电离层上的垂向投影位置重合。电离层异常区域中的电子浓度变化幅度在同一纬度上并非关于震中位置对称,震中东侧的异常变化具有更大的影响范围和幅度。
3、将本文的分析结果与他人研究作比对,基本结论和他人成果一致。震前电离层电子浓度异常的产生原因和形成机制主要是由于孕震区地面异常电场和大气重力波,孕震区上空电离层变化的时空特征也可能受到这两者的影响而改变。从本文分析结果来看,震前电离层电子浓度异常与后期发生的地震的相关性十分密切,这些异常扰动具有显著和稳定的时空特征和变化规律,可能成为地震前兆作进一步的研究。