通过统计分析和信号处理技术发现的地震前及地震期间的电离层总电子含量（TEC）异常：缅甸地震中岩石圈-大气层-电离层耦合的证据

《Advances in Space Research》：Pre- and co-seismic ionospheric TEC anomalies from statistical and signal processing analysis: Evidence for lithosphere-atmosphere-ionosphere coupling in the Myanmar earthquake

地震预测与电离层扰动关联性研究。基于多站GNSS观测分析2025年3月28日缅甸7.7级地震的离子层扰动，采用移动窗口四分位数技术检测到VTEC约10-25 TECU和dTEC±5-10 TECU的显著异常，1-2天前日间显现（Dst≈-30-40nT,Kp≤3），小波变换揭示重力波频段（2-6mHz）功率增强。证实岩石圈-电离层耦合机制有效性，验证多参数GNSS技术检测地震前兆的可靠性。

　　

斯瓦蒂（Swati）|德夫布拉特·彭迪尔（Devbrat Pundhir）|萨拉尔·库马尔·古普塔（Saral Kumar Gupta）|尼廷·杜贝（Nitin Dubey）|达南贾利·辛格（Dhananjali Singh）|比尔巴尔·辛格（Birbal Singh）

地震电磁学与空间研究实验室（Seismo-Electromagnetics & Space Research Laboratory, SESRL），物理系，拉贾·巴尔万特·辛格工程技术学院（Raja Balwant Singh Engineering Technical Campus），比奇普里（Bichpuri），阿格拉（Agra），印度，283105

摘要

地震电离层研究在地震预测中起着至关重要的作用。本研究利用从震中附近到远场区域分布的多站GNSS观测数据，分析了2025年3月28日地震相关的电离层扰动。通过移动窗口分位数（moving-window quartile, MWQ）技术分析了垂直总电子含量（VTEC）和斜向总电子含量（STEC），以确定统计上限和下限，同时通过差分总电子含量（dTEC）来量化短期的电离层变化。在地震发生前1-2天，主要在白天（12-16时），在地球磁场平静的条件下（Dst ≈ ?30至?40 nT，Kp ≤ 3），检测到统计上显著的TEC偏差，VTEC的偏差约为10-25 TECU，dTEC的偏差约为±5-10 TECU。基于PRN的STEC分析识别出一组主导卫星，表明这些扰动依赖于射线路径，但在空间上是连贯的。

观察到系统性的距离依赖性衰减现象：震中附近的站点响应更强，主导周期较长（约2.5-3小时），而远距离站点的响应较弱，周期较短（约0.9-1.5小时）。连续小波变换分析进一步揭示了地震后重力波频段（约2-6 mHz）内的频谱功率增强，这与地震产生的大气重力波一致。这些结果为岩石圈-电离层耦合（lithosphere-ionosphere coupling, LIC）过程提供了有力证据，并证明了多参数GNSS技术在检测地震相关电离层特征方面的有效性。

引言

了解大地震前的物理过程对于开发有效的短期预测方法至关重要。尽管地震产生的物理机制仍然复杂，但越来越多的证据表明，岩石圈、大气层和电离层构成了一个耦合系统，在重大地震事件发生前和期间，地震过程可能表现为可测量的大气和电离层异常（Pulinets和Boyarchuk, 2004; Pulinets等人, 2015）。在各种电离层参数中，总电子含量（Total Electron Content, TEC）——表示卫星从GNSS卫星到接收器路径上的电子总数——对这些扰动特别敏感。

先前的研究已经报告了在强地震发生前数小时到数天内出现的显著TEC异常。刘等人（Liu et al., 2001）记录了台湾多次M ≥ 6.0级地震前的正负TEC偏差，而赫基（Heki, 2011）观察到2011年日本东北-奥奇地震（Mw 9.0）前约40分钟TEC的显著增强。这些异常可以用岩石圈-大气层-电离层耦合（Lithosphere-Atmosphere-Ionosphere Coupling, LAIC）模型来解释，该模型认为在地震准备阶段，诸如氡气释放、气溶胶注入和潜热释放等过程可以改变大气导电性，从而产生穿透电离层的垂直电场，扰动电子密度分布（Pulinets和Ouzounov, 2011; Pulinets等人, 2018）。

太阳活动和地磁活动的影响使得检测与地震相关的电离层异常变得复杂。地磁风暴、太阳耀斑和行进电离层扰动（Traveling Ionospheric Disturbances, TIDs）可以产生与地震前兆相似的TEC波动。因此，使用Kp、Dst、Ap、AE和太阳射电通量F10.7等指标评估地球物理环境是必要的，以确保检测到的异常发生在地球磁场平静的条件下（Liu等人, 2010; Zakharenkova等人, 2016）。

寻找可靠的地震前兆一直是地球物理研究的关键焦点，尤其是在地震易发地区。在各种研究方法中，电离层监测已成为检测地震前异常的有效手段。电离层位于地球表面以上约60至1000公里处，其变化不仅受太阳和地磁活动的影响，还受地球岩石圈内部发生的地球物理过程的影响（Pulinets和Ouzounov, 2011）。许多研究报道了在重大地震发生前几天到几小时内电离层参数（如TEC）出现地震电离层异常（SIAs）的情况（Liu等人, 2010; Zhang等人, 2013）。TEC信号处理技术的进步，包括统计滤波和小波分析，使得更准确地检测到地震前的电离层异常成为可能（Zakharenkova等人, 2006）。

TEC异常通常表现为相对于背景水平的突然增加或减少，在包括2011年东北地震、2004年苏门答腊-安达曼地震和2008年汶川地震在内的多次大地震前都被检测到（Zakharenkova等人, 2006; Heki, 2011）。这些异常被认为是由岩石圈、大气层和电离层之间的耦合机制引起的。一种流行的理论认为，在地震准备阶段，地壳中的应力增加导致氡气等气体的释放，增强了低层大气的电离作用，进而通过向上传播的电场或声-重力波扰动了电离层等离子体（Pulinets和Boyarchuk, 2004; Namgaladze等人, 2009）。

检测和分析TEC异常需要强大的信号处理技术，以区分地震引起的扰动和由太阳耀斑、地磁风暴及昼夜周期引起的扰动。已经应用了多种分析方法，包括统计阈值处理、小波分解、经验模态分解（Empirical Mode Decomposition, EMD）和主成分分析（Principal Component Analysis, PCA），以提高基于TEC的地震异常检测的灵敏度和特异性（Zhao等人, 2019; Akhoondzadeh, 2013）。这些工具使得识别微妙的、局部化的TEC波动成为可能，这些波动可能作为即将发生的地震活动的早期指标。

GNSS数据的可用性和处理技术的进步催生了新的异常检测方法。基于分位数的统计方法（如四分位数阈值处理）允许相对于平静日的参考值识别TEC的增强或减少（Astafyeva, 2019）。高分辨率分析利用频谱图可以揭示电离层扰动的频率-时间特征，而小波变换提供了短寿命异常的时间和空间定位（Dong等人, 2022）。这种结合统计和信号处理的技术已成功应用于多次地震事件，包括2008年汶川地震（Mw 7.9）、2015年尼泊尔地震（Mw 7.8）和2024年巫师地震（Mw 7.1）（Pulinets等人, 2015; Zheng等人, 2024）。

在这项研究中，我们利用周边地区的多个IGS站的数据，研究了与缅甸M 7.7级地震相关的地震前和地震期间的电离层TEC异常。分析内容包括：（i）16天内（地震前15天及地震当天）的异常统计检测；（ii）地震当天的综合和单独GNSS PRN的频谱图分析；（iii）小波分析以识别短时TEC爆发。同时研究了空间天气环境，以排除太阳和地磁的影响。目的是为了理解LAIC框架下的地震-电离层过程，并评估基于TEC的异常检测方法在短期地震前兆研究中的可靠性。

本研究同时使用统计和信号处理技术研究了地震对电离层的影响，以及地震影响如何通过TEC数据体现出来。目前只有少数研究以这种方式研究TEC变化（Astafyeva等人, 2013; Gautam等人, 2018; Shrivastava等人, 2021; Vashisth等人, 2024）。本文的其余部分组织如下：第2节描述了地震事件、使用的GNSS数据集和观测站；第3节概述了用于检测电离层异常的统计和信号处理方法；第4节展示了地震前和地震期间的TEC分析结果，包括基于PRN和基于小波的观测；第5节在可能的LAIC机制背景下讨论了结果；最后，第6节总结了研究的主要结论。

方法

本研究使用了来自12个IGS站（SHLG、CUSV、PBR4、LCK3、IITK、HYDE、BHPL、IISC、JDPR、NTUS、URUM和WUHN）的GNSS数据，来研究与缅甸M = 7.7级地震相关的电离层变化。此外，还获取了Kp、Dst、Ap、AE指数和太阳通量（F10.7）等地球物理参数，以评估研究期间的太阳和地磁条件。

TEC数据使用GPS_Gopi_v3.5软件（Seemala, 2023）进行分析，用于原始TEC数据的处理。

数据和处理

为了全面研究缅甸发生的7.7级（震级=7.7，深度=10公里）强地震的影响，从另外12个IGS站获取了TEC数据。这些站点的位置在图1中用绿色圆圈表示。红色圆圈表示地震的影响范围，该范围是通过经验公式计算得出的，即影响范围半径（R）= 10^0.43M，其中M是地震的震级（Dobrovolsky等人, 1979）。TEC数据来自Scripps Orbit和Permanent

电离层TEC前兆

图2a和图2b展示了2025年2月26日至4月27日期间多个IGS站（SHLG、CUSV、PBR4、LCK、IITK、HYDE、BHPL、WUH、IISC、JDPR、NTUS、URUM）的TEC及其对应残差的时间变化。图2a中，使用移动窗口分位数（MWQ）方法得出的VTEC站点变化显示了与2025年3月28日地震相关的连贯的地震前和地震后电离层扰动。在SHLG站，VTEC显示出规律的日变化

结论

本研究利用多站GNSS观测数据，清晰且统计上显著地展示了2025年3月28日地震相关的电离层TEC扰动。在排除空间天气影响的情况下，地震前1-2天内检测到了稳健的地震前VTEC和dTEC异常。这些异常表现出强烈的日变化趋势、PRN主导性以及随震中距离的系统性衰减。小波分析进一步证实了这种连贯性

未引用的参考文献

He和Heki, 2012; Klotz等人, 1983; La?tovi?ka, 2006; Liu等人, 2010a; Liu等人, 2010b; Pulinets和Davidenko, 2018; Vashisth等人, 2004.

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。本研究得到了印度新德里地球科学部（Ministry of Earth Sciences）和勒克瑙科学技术委员会（Council of Science and Technology, Lucknow）的支持（批准号CST/D-136）。资助机构未参与研究设计、数据收集与分析、论文发表决策或手稿准备。

致谢

作者感谢勒克瑙科学技术委员会提供的资助研究项目（参考编号CST/D-1376）。作者还感谢印度政府地球科学部（Ministry of Earth Sciences）的财政支持（参考编号MoES/P.O. (Seismo)/1(381)/2019）。其中一位作者（斯瓦蒂女士）感谢新德里大学资助委员会（University Grant Commission）为她的博士研究工作提供的Savitribai Jyotirao Phule奖学金（资助编号）。