大震前后电离层的扰动

李永生, 李开春

李永生, 李开春. 1987: 大震前后电离层的扰动. 地震学报, 9(1): 101-107.
引用本文: 李永生, 李开春. 1987: 大震前后电离层的扰动. 地震学报, 9(1): 101-107.
LI YONGSHENG, LI KAICHUN h. 1987: IONOSPHERIC DISTURBANCES DURING LARGE EARTHQUAKES. Acta Seismologica Sinica, 9(1): 101-107.
Citation: LI YONGSHENG, LI KAICHUN h. 1987: IONOSPHERIC DISTURBANCES DURING LARGE EARTHQUAKES. Acta Seismologica Sinica, 9(1): 101-107.

大震前后电离层的扰动

IONOSPHERIC DISTURBANCES DURING LARGE EARTHQUAKES

  • 摘要: 本文主要分析、讨论了大震前后电离层峰以下的总电子含量、200km 高度处电子浓度以及最大电子浓度所在高度等几个主要电离层参数的变化.对其他电离层直观形态的变化也进行了初步分析.作者认为,地震前的电离层扰动是存在的,并提出了一些可能与地震有关的定性的指标.
    Abstract: In this paper, variations of the main ionospheric parameters during large earthquakes are analysed and discussed. These parameters are the electron content below the ionospheric peak, electron density at the altitude of 200 km and the height of the maximum electron density etc. The variations of other ionospheric parameters are also analysed. The existence of the ionospheric disturbances has been well verified before earthquakes, and this paper provides some preliminary information for the prediction of an earthquake.
  • 在隧道施工和矿山开采过程中,我们可以由地震波的速度及其衰减分析推断地下冷热水的运移和储存情况,从而进行地下水资源的评价和地下工程突水、 涌泥等地质灾害预报. 地震波振幅的衰减随岩石物理性质的变化较地震波速度随岩石物理性质的变化更为灵敏,故推测振幅衰减可能携带了比速度更多的岩石物理性质方面的信息. 此外,振幅衰减还与岩石的应力状态密切相关(Best et al,1994Shatilo et al,1998; 梁锴,2009).

    国外研究人员对黏弹性各向异性介质中地震波的传播特征及VTI(transverse isotropy media with vertical symmetry axis)介质中地震波的衰减特征进行了深入研究. Samec和Blangy(1992)Blangy(1994)对各向异性介质中地震波的黏弹性、 衰减、 吸收、 AVO等现象进行了探讨; Carcione(19952001)以及Carcione和Cavallini(1997)研究了黏弹各向异性介质的本构方程(即应力-应变关系),发展并完善了黏弹各向异性介质的基本理论; Červeny和Pšeník(2005ab)深入研究了黏弹性单斜各向异性介质中SH波相速度、 偏振方向等随非均匀角变化的规律; Zhu和Tsvankin(20062007)分析了黏弹VTI介质和正交各向异介质中平面波相衰减和群衰减的特征,并推导了弱各向异性近似表达式; Vavryčuk(2007)给出了黏弹性VTI介质中非均匀波的群衰减系数随群角的变化规律; Vavryčuk(2008)利用摄动法推导了黏弹性VTI介质中地震波的速度、 衰减系数和品质因子的表达式; Behura(2006)研究了VTI介质和正交各向异性介质中相衰减系数和群衰减系数的变化规律,并利用谱比法进行衰减估计; Vavryčuk(2009)采用高阶摄动法推导了弱各向异性衰减参数即品质因子的表达式.

    国内许多研究人员也对黏弹性各向异性介质中地震波的衰减特性及其应用前景进行了深入探讨. 张中杰等(1999)通过考察介质中的应力-应变关系,建立了非弹性EDA介质中具有非弹性效应的地震波动方程组; 杨顶辉等(2000)通过固体与液体的相互作用探讨了双相各向异性研究存在的问题与应用前景; 郝奇等(2010)利用改进的摄动理论对弱各向异性黏弹性介质中的非均匀平面波的传播特征进行深入探讨,并给出了误差分析,得到一些有益的结论; 郭智奇等(2010)研究了各向异性介质的衰减特性; 聂建新等(2010)对黏弹性各向异性介质中的波频散与衰减特性进行了研究; 韩颜颜(2011)采用数值模拟法对双相黏弹EDA介质中地震波的波场特征进行了详细分析.

    上述研究主要是针对极端各向异性和VTI各向异性介质中地震波衰减及衰减估计问题,对HTI和EDA介质的研究则较少. 本文拟利用特殊分量法(Červeny,Pšeník, 2005ab何现启,2010何现启等,2014),由Christoffel方程推导出黏弹性HTI和EDA介质中均匀、 非均匀P波、 SV波和SH波的精确相速度,旨在研究SH波相速度随非均匀角变化的规律; 然后从Christoffel方程出发推导出HTI和EDA介质中均匀、 非均匀地震波的精确相衰减系数和群衰减系数.

    波数k除了由Christoffel方程直接求解外,还可由慢度和相速度间接得到,具体表达式为(Červeny,Pšeník, 2005abTaner,Koehler,1969Tsvankin,1997)

    式中,k为波数,v为相速度,ω为角频率,σ为复数,nm为相互垂直的实单位向量,D为不均匀参数,是实数标量. 下面主要利用相速度v与波数k的关系来求解波数k和衰减系数.

    黏弹性各向异性介质中地震波的相速度可由Christoffel特征方程求解,且只有行列式为零才有非零解,即

    其中,Γikp(n)=aijklpjpl. 式中,p为地震波的慢度; δij为克罗内克符号; aijkl=cijkl/ρ为密度归一化的复黏弹性系数,其取值与频率有关; ρ为密度.

    将均匀波的慢度向量p=σn代入上式,可导出黏弹性EDA介质中复参数的表达式为(梁锴,2009何现启,2010)

    其中,

    式中: cij为介质的弹性系数矩阵元素; θφ分别为波传播方向的极角和方位角; φ0是EDA介质对称轴相对HTI介质对称轴的转角,称为对称轴方位角.

    v=1/|ReσP|(Červeny,Pšeník, 2005ab),可得复相速度为

    对上述结果进行退化验证得到的相速度表达式与HTI介质中的相速度表达式相同.

    由式(1)和(5)可得波数为

    式(6)中SH波的波数写成复数形式为

    式中cijRcijI分别为弹性系数的实部和虚部. EF与式(5)中相同. 令a=c55RF+c44RE2b=c55IF+c44IE2,将k分别取实部和虚部可得

    由相衰减系数的定义A=kI/kR(Zhu,Tsvankin, 20062007)可得SH波相衰减系数ASH

    xoy平面内,将θ=0代入式(4),可得E=sin(φφ0),F=cos2(φφ0),将其代入式(7),则有

    据相衰减系数定义有

    可以看出,式(11)的形式与式(9)相同,但式(9)中a=c55Rcos2(φ-φ0)+c44Rsin2(φ-φ0),b=c55Icos2(φ-φ0)+c44Isin2(φ-φ0).

    对于均匀波,非均匀系数ξ=0(波数的实分量与虚分量的夹角),均匀SH波群衰减系数(Ag=kIg/kRg)与相衰减系数相等(Červeny,Pšeník, 2005abZhu,Tsvankin, 20062007).

    由式(4),将复弹性系数的实部与虚部分开可得

    D=c+id,即将D的实部与虚部分开,由上式可得其实部c与虚部d分别为

    由式(6),并令kP=x+iy,将kP分解成实部与虚部可得

    同理可得

    其中,

    极端各向异性介质是指介质中任一点处沿任意方向的弹性性质均不同,其具有21个独立弹性参数,其群衰减系数Ag=(kI/kR)cosξ(1+tanξtanψcosφ)(ξ为非均匀角,ψ为群角,φ为方位角)(何现启,2010),故可知均匀P波和SV波的群衰减系数与相衰减系数相等.

    将非均匀波的慢度向量p=σn+iDm(m为实单位向量,垂直于n), 代入det[Γikp(n)δik]=0,可求出黏弹性EDA介质中复参数的表达式为(Červeny,Pšeník, 2005ab; 何现启,2010)

    其中,

    由式(21),可得SH波的相速度为

    SH波的慢度为

    由式(2)和式(23)可得SH波的波数为

    Γ33=a+ib,代入式(22),并将实部与虚部分开可得

    E33=c+id,代入式(22),并将实部与虚部分开可得

    F33=x+iy,代入式(22),并将实部与虚部分开可得

    将式(30)代入式(29)可得

    SH波的波数为

    SH波的衰减系数为

    由极端各向异性介质中群衰减系数Ag=(kI/kR)cosξ(1+tanξtanψcosφ)(ξ为非均匀角,ψ为群角,φ为方位角)(Zhu,Tsvankin, 20062007)和式(33)可得

    此即为SH波的群衰减系数.

    本节主要通过数值计算研究EDA介质中均匀、 非均匀SH波的相衰减和群衰减特性. 首先给出HTI介质的弹性系数矩阵,然后根据弹性EDA介质弹性系数矩阵与HTI介质弹性系数的关系,通过旋转对称轴得到EDA介质的弹性系数矩阵,再将其代入相应的计算公式即可得到EDA介质中地震波的衰减系数.

    黏弹性HTI介质的弹性系数矩阵为(Červeny,Pšeník,2005b)

    将该弹性系数矩阵通过欧拉变换逆时针旋转60°,则可得到黏弹性EDA介质的弹性系数矩阵,以此矩阵表示的介质模型标记为模型1,即通过旋转HTI对称轴得到的具有水平对称轴的EDA介质. 将上述矩阵代入式(11)可计算均匀SH波的相衰减系数,并用Matlab成图,结果显示于图 1. 可以看出: 相速度随方位角的变化近似成椭圆,椭圆的长轴指示裂隙的方位,短轴指示EDA介质对称轴的方位; 相衰减系数随方位角的变化呈以裂隙方位角为对称轴的对称花瓣状,沿介质对称轴方向(即垂直裂隙方向)衰减系数较大,平行裂隙方向衰减系数较小. 这些均表明,均匀SH波的相速度和相衰减系数均可指示裂隙的走向,且相衰减系数相对于方位角的变化更敏感,更能反映地下介质的精细构造.

    图  1  EDA介质中均匀SH相速度(a)和相衰减系数(b)与方位角的关系(模型1) 极坐标角度表示方位角,虚线圆圈表示相速度(单位为km/s)(a)和相衰减系数(b)的大小
    Figure  1.  Relationship between phase velocity(a) and phase attenuation coefficients(b) and azimuth angle for homogeneous and inhomogeneous SH wave in EDA media(model 1)  The polar coordinate represents azimuth angle. Dashed circle indicates the phase velocity(km/s)(a) and the phase attenuation coefficient(b)

    为研究相衰减系数随非均匀角的变化情况,下面通过模型2的数值计算来研究分析. 模型2(EDA)也是具有水平对称轴的各向异性介质,与模型1不同的是模型2由EDA弹性系数矩阵直接表示,而不是由HTI弹性系数矩阵表示,该模型的主要特性以弹性为主. 模型2(EDA)的弹性系数矩阵为

    将上式代入式(33)计算得到非均匀SH波相衰减系数,用Matlab成图,结果如图 2所示. 可以看出,在对称轴方向(垂直裂隙方向),非均匀SH波相衰减系数随非均匀角的增大而增大,且其对称轴与介质对称轴的夹角也相应增加. 因此,利用相衰减与相角的相互关系来反演裂隙的走向时首先还要明确地震波的非均匀角大小,对于非均匀角较小的情况可将相衰减的对称轴方向近似为裂隙的走向,这是均匀波与非均匀波的不同之处. 上述对应关系可通过退化成HTI介质来验证,退化结果与 Červeny和Pšeník(2005ab)及Tsvankin(1997)相同.

    图  2  EDA介质中非均匀SH波相衰减随非均匀角ξ(a)和相角θ(b)的变化关系(模型2). 参数同图 1
    Figure  2.  The characteristics of phase attenuation for inhomogeneous SH wave varying with inhomogeneous angle ξ(a) and phase angle θ(b)(model 2)where the illustrations are the same as Fig. 1

    非均匀SH波群衰减系数由式(34)计算而得,用Matlab成图,结果如图 3所示. 可以看出,群衰减系数相对于非均匀角的变化规律与相衰减系数相似,即在对称轴方向(垂直裂隙方向)非均匀SH波的群衰减系数随非均匀角的增大而增大,且其对称轴与介质对称轴的夹角也相应增加. 图 3b给出了非均匀角为60°时,非均匀SH波群衰减系数与群角的变化关系. 可见,群角只影响群衰减系数的大小,对其对称关系并无任何影响,且随群角的增大群衰减系数也相应增大.

    图  3  非均匀SH波群衰减系数随非均匀角ξ(a)和群角ψ(b)的变化关系
    Figure  3.  Relation of SH inhomogeneous wave varying with the inhomogeneous angle ξ(a) and group angle ψ(b)

    本文基于前人的研究成果,从Christoffel方程出发,推导出非均匀、 均匀黏弹性EDA介质中地震波的三维相速度、 相衰减系数、 群衰减系数的计算公式,并将推导结果进行退化验证,结果表明其与HTI介质中的计算结果较吻合. 利用Matlab进行数值计算,研究了相速度、 相衰减系数、 群衰减系数与裂隙方向的关系. 依据数值计算结果,本文结论如下:

    1)在均匀介质中SH波的相速度和相衰减系数均可指示裂隙的走向,且相衰减系数对方位角的变化更敏感,更能反映地下介质的精细构造.

    2)非均匀介质中SH波相衰减系数随非均匀角的增大而增大,且其对称轴与介质对称轴的夹角也相应增加. 在利用相衰减与相角的相互关系来反演裂隙走向时,首先要明确地震波非均匀角的大小. 在非均匀角较小的情况下,将相衰减的对称轴方向近似为裂隙的走向. 群衰减系数随非均匀角的变化规律与相衰减系数相似,群角只影响群衰减系数的大小,对其对称关系并无任何影响,且随着群角的增大,群衰减系数也相应增加.

    3)地震波振幅的衰减随岩石物理性质的变化比地震波速度随岩石物理性质的变化更为灵敏,因此衰减特性比速度特性携带了更多的岩石物理性质信息.

  • [1] 李海华、刘德富、宋笑亭,伴随我国一些大地震的电离层异常现象,西北地震学报,6.1——11,1984.

    [2] 拉特克利夫,J. A.,电离层与磁层引论,科学出版社,1980,

    [3] Davies, k., Ionospheric Radio Propagation, 1965, United Stag,Ltelt.trtment of Commerce, National Bureau of Standards.

    [4] 人造地球卫星环境手册,国防工业出版社,1971.

    [1] 李海华、刘德富、宋笑亭,伴随我国一些大地震的电离层异常现象,西北地震学报,6.1——11,1984.

    [2] 拉特克利夫,J. A.,电离层与磁层引论,科学出版社,1980,

    [3] Davies, k., Ionospheric Radio Propagation, 1965, United Stag,Ltelt.trtment of Commerce, National Bureau of Standards.

    [4] 人造地球卫星环境手册,国防工业出版社,1971.

  • 期刊类型引用(1)

    1. 何现启,彭凌星,朱自强,鲁光银. 垂直发育裂隙介质中PP波扰动法近似反射系数研究. 科学技术与工程. 2021(28): 11971-11980 . 百度学术

    其他类型引用(3)

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  • 发布日期:  2011-09-02

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