阿拉斯加2021年8.2級地震同震電離層擾動特征及對比分析

羅亦泳,吳大衛,張立亭

東華理工大學測繪工程學院,南昌 330013

0 引言

地震是由于地球上的板塊與板塊之間相互擠壓碰撞,造成板塊邊緣及板塊內部產生錯動和破裂的一種自然現象.地震釋放的能量引起地殼垂直變形和產生海嘯,并以大氣波的形式影響地球大氣(Jin et al.,2014).大地震造成的地表垂直抬升或下降會激發瑞利波、聲波和重力波,并且向上傳播進入電離層,引起電離層電子密度發生變化,致使電離層總電子含量(Ionospheric Total Electron Content,TEC)發生振蕩,形成同震電離層擾動(Coseismic Ionospheric Disturbances,CIDs).地震引起的空氣擾動向上傳播到大氣和電離層時,由于大氣密度的衰減,地震電離層擾動在從地面向電離層傳播的過程中會顯著放大,擾動的幅度隨著高度的增加而變大(Artru et al.,2001; Artru et al.,2004; Liu et al.,2017).電離層擾動探測方法主要包括離子探測儀(Maruyama et al.,2012; Berngardt et al.,2015)、高頻多普勒測深儀(Zhao and Hao,2015; Chum et al.,2016)、超視距雷達(Bourdillon et al.,2014)和全球定位系統(Global Positioning System,GPS)(Nenovski et al.,2015; Sunil et al.,2015)等.Calais和Minster(1995)首次利用GPS計算TEC,并從中提取到1994年Northrkige地震引發的CIDs,估算了CIDs的傳播速度.近年來電離層監測研究成果表明,全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System,GNSS)用于電離層擾動監測具有高時空分辨率和高精度的優點,能有效地監測地震和海嘯等引起的電離層擾動(Astafyeva et al.,2019; Bagiya et al.,2017; Catherine et al.,2015; Manta et al.,2020;Wen et al.,2022).CIDs分析可以為地震-電離層耦合機理研究及地震預報提供理論支持(Astafyeva and Shults,2019).2021年7月29日美國阿拉斯加發生了8.2級地震(簡稱2021年阿拉斯加地震).阿拉斯加州位于太平洋火山地震帶上(美洲板塊與太平洋板塊的交界處),是美國最容易發生地震的州,是地震研究的熱點區域之一.因此,對此次地震引起CIDs的時空特征進行研究,對該地區的地震-電離層耦合機理研究、地震預報具有重要的意義.

鑒于GNSS在地震及CIDs監測上的優勢,各國在主要地震帶上布設了大量的GNSS觀測站,可較好地用于地震板塊運動、同震位移和電離層擾動監測.Perevalova等(2014)分析了1965—2013年期間地震引發的電離層擾動,證明了地震等級大于MW6.5將引起電離層擾動.Astafyeva等(2013)發現震級為7.2～7.8MW的淺層地震在近場產生0.2～0.4 TECU的同震擾動.Afraimovich等(2001)發現土耳其兩次走滑地震引起的 CIDs 波形均為“N”形,傳播速度大于聲速.Jin等(2015)分析了汶川地震引發的電離層異常,震后幾分鐘內探測到“N”形的TEC 擾動.Chen等(2017)發現2015年尼泊爾7.8級地震在西北部引發的電離層擾動強度較弱,而南部較強,CIDs擾動具有方向的差異性.Heki和Ping研究了2003年日本Tokachi-oki地震CIDs的南北不對稱性,CIDs在北方向上較弱,并將其歸因于地磁場(Heki and Ping,2005),Rolland等(2013)也得出了相同的結論.Afraimovich等(2010)對汶川地震和尼泊爾地震引發的CIDs進行分析,確定地震聲波和瑞利波激發了CIDs,并且發現垂直位移較大的地震更加容易引起CIDs,走滑型地震引發的電離層擾動通常不顯著.Astafyeva等(2011)通過分析 TEC 變化特征,確定了多種CIDs的傳播模式和波形特征.Liu等(2011)基于日本GNSS網和臺灣GNSS網數據分析了不同距離的CIDs傳播特性,并對CIDs能量和速度變化進行了解釋.Cahyadi和Heki(2015)利用GNSS網對2012年蘇門答臘地震激發的CIDs進行分析,發現由聲波引發的傳播速度約1 km·s-1的CIDs,并較為詳細地分析了CIDs的振幅與地震震級之間的關系.Reddy和Seemala(2015)利用GNSS數據分析了尼泊爾7.8級地震引起的電離層響應,發現兩種CIDs,傳播速度約為2.4 km·s-1和1.18 km·s-1.Bagiya等(2018)分析了2016年新西蘭7.8級地震的電離層擾動特征,重點研究了震后地表形變和不同區域的CIDs傳播特征,并對CIDs的形成及其與地震的關系進行了必要的解釋.由于CIDs的形成機理尚未完全理解,地震電離層擾動特征及電離層與地震的耦合過程有待于進一步研究.

美國為了監測與研究環太平洋地震,在環太平洋地震帶布設了大量的GNSS站,同時布設了電離層測高站.因此,為2021年阿拉斯加地震研究提供了豐富的數據源,為地震電離層研究提供了難得的機會.論文利用該區域的GNSS數據,提取地震附近的電離層TEC擾動,并從電離層擾動的時空分布、傳播方向、時頻域、振幅及波形等多角度分析地震引起的CIDs.將本次地震電離層擾動與該地區2018年1月23日發生的7.9級走滑型斷層地震以及2020年7月22日發生的7.8級逆斷層地震所引發的CIDs進行對比分析,進一步揭示該地區不同類型地震引發的電離層擾動特征.

1 數據與方法

1.1 地震概況與數據來源

根據美國地質勘探局(United States Geological Survey,USGS)發布的信息,在世界時2021年7月29日6時15分49秒,阿拉斯加佩里維爾東南部(阿拉斯加半島南部)發生MW8.2地震,震中位于北緯55.36°,西經157.88°,震源深度約為35.0 km(參看https:∥earthquake.alaska.edu/,https:∥earthquake.usgs.gov).此次地震是由于太平洋和北美板塊之間的俯沖帶界面上或附近發生逆沖破裂(長約200 km,寬約80 km)所致.USGS給出的震源機制解可知,破裂發生在一條向西北方向傾斜較淺或向東南方向傾斜較陡的斷層.地震區域,太平洋板塊以大約每年64 mm的速度向西北方向與北美板塊匯集,且在地震東南約125 km處的阿拉斯加-阿留申海溝俯沖(參見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東北方向存在較多的GNSS站,北方向的GNSS站較少,而地震南部為海域,沒有GNSS站,具體的GNSS站空間分布如圖1所示.GNSS測站數據與滑動數據可從網站(https:∥www.unavco.org/、https:∥earthquake.usgs.gov)獲取.利用GNSS觀測數據解算電離層TEC,通過對地震期間TEC的變化進行分析,能夠有效地監測及分析地震附近的電離層擾動特征.

圖1 GNSS站和震中位置

電離層受太陽活動和地磁活動影響顯著(Song et al.,2013),為了更好地分析地震引發的電離層擾動特征,需要分析地震期間太陽活動及地磁活動.通常采用太陽活動指數(f10.7)來反映地震期間的太陽活動狀態(Li et al.,2018).采用地磁Dst指數和Kp指數表示地磁活動狀態.f10.7、Dst和Kp數據均來源于美國NASA的OMNIWeb的公開數據(https:∥omniweb.gsfc.nasa.gov/).通過對地震期間f10.7、Dst和Kp數據進行分析,發現地震期間該地區太陽活動和地磁活動相對穩定,為研究此次地震激發的電離層擾動提供了較好的空間環境.

1.2 數據處理與分析方法

電離層TEC是監測電離層變化特征的核心參數之一,通過分析TEC的變化可以有效地探測電離層擾動和確定其變化特征(Shimna and Vijayan,2020).TEC是衛星和接收機視線方向(傾斜方向)電子密度的積分值,單位為TECU(1 TECU=1016/m2),利用GNSS站的雙頻載波相位觀測值可以準確地估計電離層的TEC,具體見公式(1).已有研究成果表明,當空間環境較為平靜時,TEC的解算精度能滿足電離層擾動分析要求.

(1)

式中,f1和f2為L1和L2載波的頻率,f1=1575.32 MHz,f2=1227.60 MHz;L1、L2為載波相位觀測值;const為常量,包括載波相位模糊度和硬件延遲;ε為測站噪聲.

根據電離層垂直分布結構的特點,自由電子主要集中在200～400 km高度之間(Liu et al.,2021).為簡化電離層模型,假設整個電離層區域所有的自由電子集中位于一個薄層中,即一個單層模型表示整個電離層區域所有電子含量,可以近似代表垂直TEC.電離層中自由電子主要集中在F2層,因此,將電離層F2層的峰值密度高度作為電離層薄殼模型的高度(h).利用地震附近的電離層測高站EA635觀測數據,可以有效地確定h.GNSS站與衛星之間的視線與薄殼的交點為穿刺點(Ionospheric Pierce Point,IPP).利用電離層擾動時刻IPP的時空分布,繪制電離層擾動的時間-距離圖可以有效地分析電離層擾動的傳播特征.

利用GNSS載波相位測量得到的相對TEC精度為0.01 TECU,在相對平靜的空間環境,去趨勢的TEC值通常在-0.03～0.03 TECU的范圍內,去趨勢的TEC能有效地監測地震、臺風、火山爆發與核爆等事件引起的電離層擾動.當前通常采用對TEC時間序列濾波的方式提取電離層擾動.Vijayan和Shimna(2022)使用空間周期調平算法(SPLA)成功地消除了獲取TEC時間序列擾動時含有的混疊和偽影,并通過兩次自然災害(2004年印度洋海嘯和2015年尼泊爾-廓爾喀地震)對電離層擾動進行了分析.Ducic等(2003)利用濾波方法提取電離層TEC擾動的時空特征,確定由2002年Denali地震激發的瑞利波引起的CIDs.Butterworth帶通濾波方法將通頻帶內的頻率響應曲線最大限度平坦,沒有起伏,而在阻頻帶則逐漸下降為零,被廣泛應用于從復雜信號中提取特定頻域范圍內的有用信號.因此,鑒于Butterworth帶通濾波在復雜信號分析上的優勢,采用Butterworth帶通濾波方法從復雜的電離層信號中提取截止頻率范圍內的電離層擾動信號.從TEC中提取地震電離層擾動信號受到由GNSS衛星軌道運動和電離層時空變化引起的TEC背景趨勢和周期的影響,同時電離層TEC的變化會受到太陽活動、地磁活動等的干擾(Shen et al.,2018).根據電離層TEC的時頻特征確定Butterworth濾波的截止頻率,并且采用4階Butterworth帶通濾波器對GNSS站-衛星之間的TEC時間序列進行濾波,可以剔除TEC的背景值,有效避免信號處理中的混疊,準確地提取出地震引發的電離層TEC擾動(DTEC).通過分析TEC擾動出現的時間、幅度和空間位置(IPP軌跡),可有效地分析地震電離層擾動的特征.小波變換的功率譜能從時域和頻域挖掘復雜信號中隱含的規律,利用小波功率譜進一步分析電離層TEC擾動的時頻特征.以GNSS站AV09與G04衛星之間的電離層TEC擾動提取為例,驗證電離層TEC擾動提取方法的有效性,TEC擾動提取結果如圖2所示.圖2可知,TEC功率譜的高能區與DTEC變化對應,高能區峰值對應的頻率約為3.8 MHz,較好地提取到電離層擾動.

圖2 AV09-G04的TEC小波功率譜圖和DTEC時間序列

2 結果與分析

2.1 2021年阿拉斯加地震引起CIDs的時空特征分析

地震期間,GNSS站能較好地觀測到G02、G04、G06、G07、G09和G16衛星.利用Butterworth對GNSS站與衛星之間的TEC時間序列進行濾波,提取電離層擾動DTEC,并將其對應IPP的位置作為DTEC的空間位置,進而分析CIDs的時空分布.圖3為震后06∶15—06∶45 UT的DTEC空間分布圖.從06∶25 UT開始,在震中附近發生了電離層擾動.在06∶28 UT,TEC擾動明顯增大,其峰值接近0.8 TECU.在06∶30 UT,TEC出現較大的負擾動,在06∶32 UT,TEC又出現了較大的正擾動,接著擾動幅度逐漸減小,直至06∶45 UT擾動消失.電離層TEC異常在主震后約10 min檢測到,擾動形成的時間與地震產生的聲波向上傳播到電離層F2層所用的時間相吻合.地震西南、西北、北和東北方均探測到電離層擾動,在地震西南方向及北方向地震電離層擾動更為顯著,后續將分別對這些方向上的地震電離層擾動進行詳細分析.

圖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電離層擾動更為顯著,為了詳細分析地震西南方向與北方向的電離層擾動特征,利用G04及G16衛星與部分GNSS站觀測數據提取的電離層DTEC時間序列,計算電離層擾動峰值對應IPP與震中的距離,并分別分析地震西南及北方向的電離層擾動,各GNSS站-衛星之間的DTEC時間序列如圖4所示.為了更好地說明地震期間探測到的電離層擾動與地震相關,在圖4中增加地震前1天與后1天的電離層DTEC曲線圖.圖4可知,地震前1天與后一天的DTEC曲線量級非常小,而地震當天06∶24—06∶36 UT期間的DTEC波動顯著.由DTEC時間序列曲線的形狀可知,探測到的CIDs具有“N”形波的變化特征,與2011年3月11日日本Tohoku地震、2015尼泊爾地震、汶川地震等大地震引起電離層TEC擾動的波形相似.圖4a給出了地震西南方向的電離層DTEC曲線,大約在震后10 min,G04衛星在震中西部探測到十分顯著的CIDs,擾動峰值達到0.8 TECU.圖4b為G16衛星在地震北部探測到的電離層DTEC曲線圖,擾動量級達到0.5 TECU.隨著距離的增加,CIDs出現較為規律的時延,在一定范圍內西南方向及北方向CIDs的量級隨著距離的增加而變大.

圖4 G04和G16衛星分別在震中西南和北方向探測到的DTEC時間序列圖

2.1.1 震中西南方向電離層擾動分析

在震中西南方向,GNSS站能較好地觀測到G04和G09衛星,為了更好地分析地震西南方向電離層擾動,分別繪制GNSS站與G04和G09衛星之間電離層擾動DTEC的IPP分布圖及時間-距離圖.圖5為GNSS站與G04衛星之間電離層擾動DTEC的IPP分布圖及時間-距離圖,距離為DTEC對應IPP與震中的距離.圖5a可知,IPP較好地覆蓋了地震西南方向的附近區域.圖5b為GNSS站與G04衛星之間電離層擾動DTEC的時間-距離圖,對DTEC中成規律分布的波峰或者波谷進行線性擬合,直線的斜率為CIDs的傳播速度.G04衛星探測到傳播速度約為1.87 km·s-1的CIDs,擬合直線與時間軸相交于06∶25 UT附近,表明該CIDs在震后10 min形成,然后向西南方向傳播,傳播到460 km處電離層擾動幅度仍然顯著.

圖5 震中西南方向G04衛星探測到的DTEC擾動

圖6為GNSS站與G09衛星之間電離層擾動DTEC的IPP分布圖及時間-距離圖.G09衛星探測到的CIDs傳播速度約為0.99 km·s-1,傳播距離約為600 km.圖6b可知,CIDs的擬合直線與時間軸相交于06∶24 UT(約震后8～9 min),該時間延遲與地震地表破裂產生的聲波向上傳播至電離層F2層所用的時間(約7～10 min)一致(Tulasi Ram et al.,2017),表明G09衛星探測到的CIDs是由地震聲波所引發.CIDs的擾動幅度隨距離的增加而減小,當距離大于600 km時CIDs消失,根據CIDs的傳播速度判定該CIDs極有可能由地震聲波引起.

圖6 震中西南方向G09衛星探測到的DTEC擾動

2.1.2 震中西北方向電離層擾動分析

圖7與圖8分別為震中西北方向GNSS站與G06與G02衛星之間電離層擾動DTEC的IPP分布圖及時間-距離圖.由圖7a中的IPP分布圖可知,IPP較好地覆蓋了該區域.圖7b可知,約在06∶24 UT電離層F2層開始形成CIDs,并以1.09 km·s-1的速度向遠處傳播,CIDs的擾動幅度達到0.2 TECU.圖8可知,約在震后10 min G02衛星在地震西北方向探測到CIDs,其傳播速度約為0.85 km·s-1.根據G06和G02衛星在震中西北方向探測到的CIDs傳播速度及方向,可以判定G06和G02衛星探測的CIDs極有可能是由地震聲波所引起.

圖7 震中西北方向G06衛星探測到的DTEC擾動

圖8 震中西北方向G02衛星探測到的DTEC擾動

2.1.3 震中北方向電離層擾動分析

圖9為G16衛星在震中北方向探測到的電離層擾動時空分布.圖9a可以看出,IPP位于震中北部且與震中相距較近.圖9b可知,G16衛星在該區域探測到較為顯著的CIDs,其擾動幅值達到0.47 TECU,CIDs的傳播速度為1.06 km·s-1.擬合直線與時間軸相交于06∶24 UT(約震后9 min),表明CIDs在震后約9 min形成.在250 km距離范圍內,隨著IPP至震中距離的增加,探測到的CIDs逐漸增大,但由于數據的限制,未能對大于250 km范圍的電離層擾動傳播特征進行分析.

圖9 震中北方向G16衛星探測到的DTEC擾動

2.1.4 震中東北方向電離層擾動分析

圖10為震中東北方向GNSS站與G07衛星之間電離層擾動DTEC的IPP分布圖及時間-距離圖.圖10a可知,IPP的時空分布能有效地覆蓋地震東北方向附近區域.圖10b可知,在地震東北方向探測到傳播速度約為0.95 km·s-1的CIDs.該GIDs約在06∶24 UT(約震后9 min)形成,向東北方向傳播距離超過370 km.

根據CIDs傳播速度的大小可將CIDs分類三類,第一類為地震瑞利波引起的CIDs(CIDs傳播速度約2～4 km·s-1),第二類為地震聲波引起的CIDs(CIDs傳播速度約0.3～2 km·s-1),第三類為重力波引起的CIDs(CIDs傳播速度約0.1～0.3 km·s-1).在地震近場探測到的CIDs有時為多種CIDs的混合,隨著傳播距離的增加多種CIDs開始分離,Astafyeva等(2009)研究1994年10月4日千島大地震電離層響應時觀察了CIDs分離為兩種模式的現象.根據2021年阿拉斯加地震CIDs傳播速度的大小,將CIDs分成兩類.第一類為在西南方向探測到的CIDs,其傳播速度為1.87 km·s-1,并且擾動量級最大,極有可能由地震聲波引起.將傳播速度約為0.85～1.09 km·s-1的CIDs歸為第二類,由地震聲波引起的另一類電離層擾動.

2.2 2021年阿拉斯加電離層擾動時頻分析

為進一步分析此次地震引起CIDs的特征,利用小波變換將電離層DTEC時間序列轉化到頻域下并建立小波功率譜,從頻域對電離層擾動進行分析.分別從地震北方向、西南方向、西北方向與東北方向選擇一個GNSS站-衛星之間的TEC進行小波功率譜分析,并與DTEC進行對比.各方向上探測的TEC小波功率譜及DTEC如圖11—16所示.各方向估計的小波功率譜中的高能量區與DTEC中CIDs較為一致.圖11為地震北方向AB02-G16衛星之間TEC小波功率譜及DTEC.圖11a可知,06∶24—06∶36 UT期間出現兩個高能區,對應中心頻率約為3.0 mHz和5.7 mHz.圖12和圖13為地震西南方向AB02-G04衛星和AV35-G09衛星TEC的小波功率譜及DTEC曲線.圖12可知,AB02-G04衛星探測的CIDs對應頻率為3.8 mHz,傳播速度為1.87 km·s-1,擾動幅度明顯大于G09衛星探測的CIDs.圖13可知,GO9衛星探測到傳播速度為0.99 km·s-1的CIDs對應中心頻率為3.0 mHz.圖14為震中西北方向AC18-G06衛星電離層TEC小波功率譜及DTEC,CIDs的中心頻率為2.9 mHz,傳播速度為1.09 km·s-1.圖15為地震西北方向AC02-G02衛星電離層TEC小波功率譜及DTEC,CIDs中心頻率約為2.9 mHz,傳播速度為0.85 km·s-1.圖16為在地震東北方向AC45-G07衛星電離層TEC小波功率譜及DTEC,高能區對應的頻率為3.0 mHz,CIDs的傳播速度為0.95 km·s-1.根據CIDs的頻率及傳播速度,將2021年阿拉斯加地震產生的CIDs分為兩類,第一類是中心頻率約為3.8 MHz的擾動,具有較大的擾動幅度和較快的傳播速度,主要向西南方向傳播,為地震聲波引起的電離層擾動;第二類為中心頻率約為3.0 mHz或者5.7 mHz的電離層擾動,傳播速度相對較慢,并且在震中西南、西北、北和東北方向均探測到,可能為地震聲波引起的另一類電離層擾動,文獻Rolland等(2011)、Jin等(2014)出現過類似的地震電離層擾動.

圖11 AB02-G16的TEC小波功率譜圖和DTEC時間序列

圖12 AB02-G04的TEC小波功率譜圖和DTEC時間序列

圖13 AV35-G09的TEC小波功率譜圖和DTEC時間序列

圖14 AC18-G06的TEC小波功率譜圖和DTEC時間序列

圖15 AC02-G02的TEC小波功率譜圖和DTEC時間序列

圖16 AC45-G07的TEC小波功率譜圖和DTEC時間序列

2.3 基于電離層測高數據的2021年阿拉斯加地震電離層擾動分析

為了進一步分析地震引發的電離層擾動,利用電離層測高站EA653數據監測電離層擾動.EA653的位置為(52.73°N,174.08°W),位于地震西南方向,大致在地震斷層破裂延伸方向,距離震中約1094 km,數據采樣間隔為7.5 min,能進一步探測震中西部的電離層擾動特征.電離層F2層的臨界頻率f0F2是電離層的核心參數之一,電離層數字測高儀能精確地測量f0F2,通過分析f0F2時間序列的變化特征,能較好地發現電離層擾動,是電離層擾動監測的重要手段.為了分析地震期間f0F2的變化特點,收集了2021年7月24日至8月3日的測高儀數據,采用非地震日的f0F2的均值作為背景值,與地震當天的數據進行對比,分析地震期間電離層的響應情況.圖17為地震期間f0F2的觀測值和背景值,黑色實線為地震當天的f0F2值,灰色實線為f0F2平均值.從圖中可以看出大約在06∶30 UT 時f0F2發生波動,在06∶37 UT波動達到最大,在06∶45 UT之后趨于平穩,而f0F2的均值在6∶00—7∶30 UT期間變化緩慢,沒有出現明顯的波動.因此,在排除地磁環境和太陽活動的影響后,地震期間電離層f0F2出現的波動現象極有可能由地震引發,進一步驗證地震引發的CIDs向西方向傳播.利用f0F2出現波動的時間減去地震時間,可以大致估算電離層CIDs傳播的時長,利用EA653站與震中的距離除以CIDs傳播的時間可估計CIDs的傳播速度,CIDs傳播的速度約為1.21 km·s-1.由于電離層測高站數量及數據時間分辨率有限,電離層擾動分析結果存在一定的誤差.

圖17 EA653測高站觀測到的f0F2擾動

2.4 2021年阿拉斯加地震GNSS同震位移分析

地殼變形的確定可以通過永久GNSS站來測量(Sorkhabi and Alizadeh,2021),為了進一步分析地表形變與電離層擾動之間的相關性,利用震中附近4個GNSS站估算06∶11—06∶41 UT期間南北方向(N)、東西方向(E)和高程方向(U)的同震位移,數據時間間隔為1 s.AC12、AC13、AC21和AB13站位置已標注在圖1中,各GNSS站的同震位移如圖18所示,灰色虛線為地震時刻.可以看出,大約在地震發生2 min后,GNSS站的位置發生了明顯的位移變化.在震中西南方向的AC12站發生的位移量較小.AC13站位于震中東部,在震后2 min發生了劇烈的變化,在3個方向上的位移變化幅度均較大,接著趨于穩定,相比于震前向南移動約84 mm,向西移動約225 mm,向上抬升約44 mm.AB13站位于震中北部,從同震位移圖中可以看出AB13站在震后的位置發生了顯著的變化,相較于震前向南移動約317 mm,向西移動約246 mm,向下沉降約70 mm.AC21站位于震中西北方向,在震后同樣發生了位移,相較于震前向南移動約96 mm,向東移動約108 mm,向下沉降約102 mm.根據地震斷層的相對運動,地震類型主要分為正斷層、逆斷層和走滑型地震,其中正斷層、逆斷層地震有明顯的垂直位移變化,會有不同程度的抬升和沉降,而走滑型地震則在水平方向上產生較大的位移,垂直位移變化較小.本次阿拉斯加地震屬于逆斷層地震,通過對地震附近4個GNSS站的同震位移分析,可以驗證此次地震的類型屬于逆斷層地震,地表發生了垂直位移.地震產生垂直方向的位移,類似于活塞,使大氣發生壓縮,產生向上傳播的聲波,進而引起電離層擾動,地表垂直位移在地震電離層擾動形成過程中起到重要作用.

圖18 GNSS站在N、E、U方向的同震位移

2.5 阿拉斯加灣近年三次大地震引起CIDs的對比分析

由于太平洋和北美板塊的運動,導致在阿拉斯加半島南部地震活動異常強烈.通過對該區域三次較大地震引發的電離層擾動進行對比分析,進一步揭示該區域地震與電離層耦合的過程及特點.根據美國地質勘探局(United States Geological Survey,USGS)發布的信息,2018年1月23日31分40秒(UT)美國阿拉斯加州以南海域發生了7.9級地震(簡稱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),通過震源機制圖解可以判定為走滑斷層型地震.2020年7月22日6時12分42秒(UT)美國阿拉斯加州以南海域發生了7.8級地震(簡稱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),通過震源機制圖解可以判定為逆斷層型地震(參看https:∥earthquake.alaska.edu/,https:∥earthquake.usgs.gov).三次地震的節面信息從網站(https:∥earthquake.usgs.gov/)中獲取,具體參數如表1所示.

表1 節面信息

使用2018年阿拉斯加地震附近的30個GNSS站進行震后電離層擾動探測與分析.圖19為GNSS站與G05衛星之間電離層擾動DTEC的IPP分布圖及時間-距離圖.圖19b可知,在地震西南方向探測到傳播速度約為2.55 km·s-1的CIDs,擾動幅值約0.06 TECU.擬合直線與時間軸相交于09∶42 UT,表明在震后約10 min形成擾動源.根據傳播速度判定,探測到的CIDs是由于地震產生的瑞利波引起,與Zhang等(2021)的研究結論相似.在其他方向未探測到顯著電離層擾動,因此論文未對其進行詳細分析,CIDs傳播具有方向性(向震中西南方向傳播).此次走滑型地震引起的CIDs擾動振幅較小,Liu和Jin(2019)研究發現此次地震引起的CIDs振幅為0.06 TECU,本文探測結果與其較為吻合.

圖19 震中西南方向G05衛星探測到的DTEC擾動

利用位于地震西南部的GNSS與G03衛星的數據分析2020年阿拉斯加地震引起的電離層TEC.圖20為震中西方向G03衛星探測到的DTEC時間-距離圖.由圖20可知,地震9 min后在電離層F2層形成擾動源,然后向震中西方向傳播,最大擾動幅度約0.1 TECU.G03衛星在震中西部探測到三種速度的CIDs,第一種CIDs的傳播速度為2.93 km·s-1,根據速度判斷該CIDs是由地震產生的瑞利波引起;其他兩種CIDs的傳播速度為1.55 km·s-1和1.11 km·s-1,可能由地震引起地表垂直運動產生的聲波激發了電離層TEC擾動.

圖20 2020年阿拉斯加地震引起的電離層擾動

對2020年阿拉斯加地震的同震位移進行分析,利用震中附近的4個GNSS站(AC12、AC28、AB07、AC21,GNSS站位置如圖1所示)估算地震附近在6∶12—6∶18 UT期間N、E、U方向的同震位移,各GNSS站同震位移見圖21.4個GNSS站在N、E、U方向上均出現顯著的同震位移,隨著與震中距離的增加,同震位移顯著減小,同震位移大小與方向和地震類型、斷層特征密切相關.AC12站的同震位移最為顯著,向南移動約233 mm,向東移動約58 mm,抬升約274 mm,南北方向位移較東西方向更加顯著,高程抬升非常明顯.震后AC28、AB07、AC21站均向南移動約110～149 mm,AC28、AB07 向東移動分別約為126 mm和140 mm,AC21向東移動約為23 mm,AC21的南北方向位移明顯大于東西方向,地震導致AC28、AB07、AC21站均下沉約58～94 mm.結果表明2020年阿拉斯加地震產生明顯的垂直位移,導致地表破裂.

圖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)發現走滑型地震和逆沖斷層地震引起的CIDs傳播特征存在差異.通過分析阿拉斯加不同類型地震及其引發的電離層擾動,進一步挖掘該區域的地震電離層擾動特點.2021年阿拉斯加地震引起的CIDs在擾動幅度上大于2020年和2018年阿拉斯加地震.對比三次地震的發震機制,逆斷層類型地震地表在垂直方向上產生較明顯的位移,而走滑地震主要產生水平斷層運動,垂直位移小于逆斷層地震(Liu et al.,2010).2020年阿拉斯加地震為7.8級,引起的CIDs擾動振幅為0.1 TECU,而2018年阿拉斯加地震為7.9級,且震源深度更淺,引起的CIDs最大振幅為0.06 TECU,表明逆斷層地震所產生的CIDs在擾動幅度上大于走滑型地震,垂直地面運動在CIDs的形成中起主要作用,該規律與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測到瑞利波引起的CIDs,速度為2.55 km·s-1.2020年阿拉斯加地震在西南方向探測到三種速度的CIDs,分別由瑞利波和地表破裂產生的聲波引起.2021年阿拉斯加地震在西南方向探測到速度為1.87 km·s-1的CIDs,并在震中附近多個方向探測到聲波引起的CIDs,傳播速度為0.85～1.09 km·s-1,未探測到瑞利波引起的電離層擾動.因此,不同類型和強度的地震引發的CIDs在傳播速度、傳播方向、擾動幅度上存在顯著的差異.三次地震引起的CIDs主要向地震西南方向傳播,同時三次地震的破裂方向大致為西南走向,表明地震引起的CIDs傳播具有顯著的方向性,且與地震形成機制有著密切的關系,該地區地震可能容易形成向西南方向傳播的CIDs,具體的形成機理需要進一步研究.

3 結論

從多角度對2021年阿拉斯加8.2級地震引起的電離層擾動進行研究,并與2020年阿拉斯加7.8級逆斷層地震以及2018年阿拉斯加7.9級走滑型地震引起的CIDs進行對比分析.討論了該地區不同類型及震級地震引發電離層擾動的時空特征,具體結論如下:

(1)2021年阿拉斯加地震引起的CIDs約在震后10 min形成,且CIDs擾動波形表現為“N”形.在地震西南方向G04和G09衛星均探測到向西南方向傳播的CIDs,最大擾動幅度達到0.8 TECU.在地震西北方向,G02與G06衛星均探測到較為顯著的電離層擾動,擾動幅度最大約0.2 TECU.G07衛星探測到振幅約0.15 TECU的電離層擾動,并且向東偏北方向傳播.G16衛星在震中北部較近區域探測到振幅約為0.47 TECU的CIDs.地震西南方向的CIDs最為顯著,并且在西南方向距離震中約1094 km的測高站EA653探測到電離層擾動.不同方向探測到的電離層擾動特征不同,CIDs 具有顯著的各向異性特點.

(2)通過對CIDs的傳播速度及頻率進行分析發現,在地震西南方向探測到兩類CIDs,第一類為傳播速度約1.87 km·s-1的CIDs,對應的中心頻率為3.8 mHz,極有可能由地震聲波引起.在地震西南、西北、東北和北方向探測到的CIDs傳播速度相似,約為0.85～1.09 km·s-1,中心頻率約在3.0 mHz或者5.7 mHz附近,為地震聲波引起的第二類電離層擾動.

(3)2021年阿拉斯加8.2級地震引起的CIDs在擾動幅度顯著大于2018年阿拉斯加7.9級地震和2020年阿拉斯加7.8級地震.2020年阿拉斯加7.8級逆斷層地震引起的CIDs在擾動幅度要大于2018年阿拉斯加7.9級走滑型地震,并且2018年阿拉斯加地震震源更淺,表明垂直地表運動在CIDs的形成中起主要作用.因此,逆斷層地震比走滑斷層地震引起的CIDs可能更為顯著.不同類型和強度的地震引發的CIDs差異顯著,與地震類型、斷層分布等多種因素密切相關.三次地震引起的CIDs均在地震西南方向十分顯著,與地震破裂方向較為一致,表明地震引起的CIDs具有具有一定的方向性.