[论文解读] Total electron content disturbances prior to Great Tohoku March 11, 2011 and October 23, 2011 Turkey Van earthquakes and their physical interpretation

О. В. Золотов, A. A. Namgaladze+1 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2012

Earthquake Detection and Analysis参考文献 55被引用 12

一句话总结

本研究利用GPS数据，在日本东北M9.0级地震和土耳其凡M7.1级地震发生前2–4小时，识别出电离层中持续存在的、局部化的总电子含量（TEC）扰动。这些异常现象在震中及其磁共轭区域被观测到，被解释为地震电离层前兆，其成因通过地震前电离层扰动所引发的电磁岩石圈-电离层耦合机制进行解释。

ABSTRACT

This paper discusses the GPS (Global Positioning System) observed TEC (Total Electron Content) variations prior to the M 9.0 Great Tohoku (Japan, Sendai) March 11, 2011 and M 7.1 Oct. 23, 2011 Turkey Van earthquakes as possible seismo-ionosphere precursors. We have formulated a set of the TEC phenomenological features often reported as precursors to strong earthquakes based on our experience and publications' analysis. This feature-set has been applied to the relative TEC deviations for time intervals March 08-11, 2011 and Oct. 20-23, 2011 preceding M 9.0 Great Tohoku (Japan) March 11 and Turkey Van Oct. 23 earthquakes, respectively. In both cases there have been revealed strong local long-living (of about several hours) TEC disturbances at the near-epicenter and magnetically conjugated areas. These disturbances may be treated as seismo-ionospheric precursors. The physical mechanism for the observed TEC structures for these two as well as for other cases of recent strong seismic events has been proposed. The anomalies have been interpreted and explained on the base of this physical mechanism from the origin hypothesis point of view in terms of electromagnetic lithosphere-ionosphere coupling.

研究动机与目标

• 研究大地震发生前电离层TEC的变化，作为潜在的地物前兆。
• 识别强震事件发生前几天内一致的TEC扰动模式。
• 建立现象学特征集，用于分类地震前电离层异常。
• 基于电磁岩石圈-电离层耦合理论，解释观测到的TEC扰动的物理成因。
• 在两次不同但高震级的地震事件（M9.0与M7.1）中验证所提机制的普适性。

提出的方法

• 分析2011年3月8日至11日及2011年10月20日至23日期间，由全球定位系统（GPS）反演的总电子含量（TEC）数据。
• 计算相对TEC偏差，以从背景电离层变异性中分离出异常。
• 识别震中及其磁共轭区域附近空间局域化、持续数小时的TEC扰动。
• 应用从先前研究中提取的现象学特征集，以检测一致的前兆模式。
• 利用电磁耦合模型，解释观测到的TEC结构的物理成因。
• 比较两起地理与构造背景不同的地震事件中TEC行为的异同，以评估研究结果的普适性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大地震发生前，GPS数据是否观测到电离层中持续存在的TEC扰动？
• RQ2 这些TEC异常是否与地震震中及其磁共轭区域存在空间相关性？
• RQ3 一组一致的现象学特征是否能可靠地识别地震前电离层异常？
• RQ4 在岩石圈-电离层耦合的背景下，此类TEC异常的物理成因是什么？
• RQ5 所观测到的TEC行为是否可在不同震级与构造环境的地震事件中重现？

主要发现

• 在M9.0级日本东北地震与M7.1级凡地震发生前，均检测到持续数小时的强烈、局域化TEC扰动。
• 这些扰动不仅出现在震中上空，也出现在磁共轭区域，表明存在沿磁力线连接的电离层效应。
• TEC异常表现出一致的空间与时间模式，与先前研究建立的现象学特征集高度吻合。
• 所提出的物理机制涉及由地震前应力与电荷重分布驱动的岩石圈到电离层的电磁耦合。
• 研究结果支持电离层TEC异常可作为重大地震事件可探测前兆的假设。
• 在两次不同地震事件中结果的一致性，增强了电离层TEC作为地震前兆探测潜在工具的可信度。