2021年9月16日四川瀘縣MS6.0地震前地磁擾動異常特征分析

摘要：

選取四川地區(qū)3個地磁擾動臺站的觀測數(shù)據(jù)，利用基于脈沖幅度法的地磁垂直強(qiáng)度極化方法，對2021年9月16日四川瀘縣MS6.0地震前的地磁擾動異常演化特征進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：（1）在中強(qiáng)地震前，臺站的垂直強(qiáng)度極化值和超閾值極化值頻次逐日變化均會出現(xiàn)高值異常，其中頻次異常呈現(xiàn)先增強(qiáng)后降低，再增強(qiáng)-降低的形態(tài);（2）發(fā)生異常變化的多個臺站距離震中300 km范圍內(nèi)，時間上屬準(zhǔn)同步變化；（3）地震多發(fā)生在異常出現(xiàn)的一個月后，頻次異常值往往是研究時段的最高值;（4）機(jī)理上，這些異常演化形態(tài)和特征是由巖石的破裂特性決定的，一定程度上反映了地震的孕育過程;（5）這種震前的地磁擾動異常與外源場無關(guān)。

關(guān)鍵詞：

地磁擾動; 地磁垂直強(qiáng)度極化法; 瀘縣MS6.0地震; 異常特征

中圖分類號： P315.721 """""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ""文章編號： 1000-0844（2025）01-0229-11

DOI：10.20000/j.1000-0844.20230410001

Characteristics of geomagnetic disturbance anomalies before the

Luxian， Sichuan MS6.0 earthquake on September 16， 2021

WANG Weiming1， FENG Zhisheng2， ZHU Peiyu3， LIAO Xiaofeng1， HE Chang1， ZHANG Zhiwei1

（1. Sichuan Earthquake Agency， Chengdu 610041， Sichuan， China;

2. Jiangsu Earthquake Agency， Nanjing 210000， Jiangsu， China;

3. Shanghai Earthquake Agency， Shanghai 200001， China）

Abstract：

Based on the observational data from three geomagnetic disturbance stations in the Sichuan area， the evolution characteristics of geomagnetic disturbance anomalies before the MS6.0 earthquake in Luxian County， Sichuan Province， on September 16， 2021， were analyzed using the geomagnetic vertical intensity polarization method， which is based on the pulse amplitude method. Results show that before the moderate-to-strong earthquake， the vertical intensity polarization values at the stations， as well as the frequency of polarization values exceeding the threshold， exhibit high-value anomalies. These frequency anomalies followed a pattern of initially increasing， then decreasing， and finally exhibiting an increasing-decreasing trend. Many stations exhibiting abnormal changes are located within 300 km of the epicenter， with the anomalies occurring in a quasi-synchronous manner over time. Most earthquakes tend to occur within one month after the anomalies， and the frequency of outliers often reaches its maximum value during the study period. In terms of the underlying mechanism， the evolution patterns and characteristics of these anomalies are influenced by the fracture properties of rocks， which reflect， to some extent， the earthquake preparation process. Furthermore， the geomagnetic disturbance anomaly before the earthquake is unrelated to external magnetic field variations.

Keywords：

geomagnetic disturbance; geomagnetic vertical intensity polarization method; Luxian MS6.0 earthquake; abnormal characteristics

0 引言

地震的孕育伴隨著地球內(nèi)部應(yīng)力的持續(xù)加載，大量研究表明，這個過程還會產(chǎn)生電磁輻射異常［1-4］。現(xiàn)有的方法主要研究極低頻（Extreme-Low Frequency，ELF）、甚低頻（Very Low Frequency，VLF）、超低頻（Ultra-Low Frequency，ULF）等具體頻段的地震電磁波。其中，1996年由Hayakawa等［5］提出的地磁垂直強(qiáng)度極化方法，因能區(qū)分開來自地面以下和以上的一次源磁場信號而廣泛應(yīng)用于我國。這種方法基于數(shù)值模擬結(jié)果［5-6］，即1 Hz附近一次源來自高空電離層的極化值小于1，而源自于震源的信號極化值大于或約等于1，利用數(shù)字信號處理技術(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，通過計算地磁場垂直分量（Z）和水平分量（H或G）的頻譜振幅比開展頻譜分析，其物理解釋和計算步驟都清晰明確［7］。Hayakawa等［5］利用該方法對1993年的關(guān)島8級地震進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)震前垂直強(qiáng)度極化Yzh值逐漸增大，發(fā)震時達(dá)最大值，震后得到恢復(fù)。近年來，我國持續(xù)加強(qiáng)地震地磁觀測臺網(wǎng)的建設(shè)，從而累積了豐富的震例資料。馮志生等［8］研究發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行地磁垂直強(qiáng)度極化值高值異常分析前應(yīng)采用二次去年變的方法消除年變特征，并在喀什地磁臺得到了顯著的震前異常，且發(fā)現(xiàn)地震多發(fā)生在臺站出現(xiàn)極化值高值異常后的1個月內(nèi)。眾多震例表明，這種持續(xù)時間多為3～5 d的極化值異常與外空場活動無關(guān)，發(fā)震時異常達(dá)最大值，震后逐漸恢復(fù)［8-14］。地震多發(fā)生在異常空間等值線的高值區(qū)域，特別是閾值線附近［15-18］。

然而，這種基于傅里葉變換頻譜分析的垂直強(qiáng)度極化方法具有一定的局限性，它更適用于平穩(wěn)信號的處理，對于非平穩(wěn)、非周期信號的處理效果并不理想［19］。實(shí)際中許多地震地磁異常多表現(xiàn)為平穩(wěn)記錄曲線上的非穩(wěn)態(tài)信號，對這樣的信號進(jìn)行譜分析得到的異常信息是被壓制的。為此，本文采用直接量取幅度的方式開展對數(shù)據(jù)的計算與分析。

根據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定，2021年9月16日4時33分四川瀘州市瀘縣發(fā)生MS6.0地震（105.34°E，29.20°N），震源深度10 km。本文選取震中附近3個地磁擾動觀測站點(diǎn)資料，在時間閾直接量取一定窗長內(nèi)的變化幅度來計算垂直強(qiáng)度極化值，研究震前地磁垂直強(qiáng)度極化值的異常變化特征。

1 采用資料與方法原理

1.1 數(shù)據(jù)來源

為解決歷年來我國地震電磁擾動儀器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、觀測分量不齊全、儀器性能參差不齊和沒有頻響曲線等問題，2015年初以來，在中國地震局監(jiān)測預(yù)報司組織下，馮志生等［8］持續(xù)開展了地震電磁擾動觀測儀器的標(biāo)準(zhǔn)化工作。其主要包括：（1）編制儀器技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一儀器技術(shù)要求，并按照技術(shù)要求改進(jìn)儀器;（2）編制室內(nèi)測試大綱，對改進(jìn)儀器開展第三方室內(nèi)測試;（3）建設(shè)野外對比觀測場地，制定野外對比評估大綱，對通過室內(nèi)檢測的儀器開展野外長期同步對比觀測評估;（4）采用野外對比觀測評估儀器，在川滇地區(qū)建設(shè)驗(yàn)證臺陣，進(jìn)一步驗(yàn)證該儀器性能的長期穩(wěn)定性，以及該觀測手段的地震短臨異常觀測能力。

本文采用上述驗(yàn)證臺陣資料。該臺陣于2021年1月1日開始試運(yùn)行，2022年5—7月考核運(yùn)行，2022年10月20日通過了中國地震局監(jiān)測預(yù)報司組織的驗(yàn)收。臺陣采用的儀器符合前期制定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（送審稿），每月標(biāo)定2次，因此，其觀測資料的可靠性和長期穩(wěn)定性具有一定的技術(shù)保障。該臺陣由9個臺站和1個數(shù)據(jù)中心組成，9個臺站分別為：西昌臺、滎經(jīng)臺、崇州臺、木里臺、富順臺、南山臺、德陽臺、仁壽臺和石門坎臺（圖1）。臺站主要分布在龍門山斷裂帶南段和安寧河—則木河斷裂帶中南段附近，區(qū)域內(nèi)斷層發(fā)育，除主干斷裂外還伴有多條隱伏斷裂，地下物質(zhì)高、低電阻率交錯分布，地震活動頻繁，一直處于較活躍的狀態(tài)。

各觀測臺站及地震的震中距信息列于表1。

臺陣的觀測儀器選用由中船重工722所研制生產(chǎn)的CEMT-10 地震磁擾動儀。該擾動儀由記錄器和傳感器組成，其中，記錄器型號為CRDJL-01數(shù)據(jù)處理記錄儀，采樣率為100次/s，頻率范圍為DC～20 Hz（300 s～20 Hz）;傳感器型號為CMS-02D感應(yīng)式磁傳感器，頻率范圍為0.003～20 Hz，定量給出0.003～50 Hz頻率范圍的幅頻特性。各站點(diǎn)儀器每日產(chǎn)出地磁X（北向）、Y（東向）和Z（垂直向）三分量觀測數(shù)據(jù)，輸出量單位為mV，并轉(zhuǎn)化為nT數(shù)據(jù)。收集的每日數(shù)據(jù)均存儲于數(shù)據(jù)中心，且自帶頻響曲線，可供在頻率域進(jìn)行數(shù)據(jù)校正;各臺站每月自動標(biāo)定2次。

為確保數(shù)據(jù)計算結(jié)果的可靠性，本文對臺陣觀測資料進(jìn)行預(yù)處理，發(fā)現(xiàn)石門坎臺、富順臺、仁壽臺、木里臺的資料連續(xù)率不佳，故不納入此次分析中。采用距離震中300 km范圍內(nèi)的滎經(jīng)臺、崇州臺和德陽臺數(shù)據(jù)進(jìn)行計算分析。

1.2 方法原理

地磁垂直強(qiáng)度極化值計算方法如下：

Rzh=Z（ω）H（ω）gt;R （1）

H（ω）=H2x（ω）+H2y（ω） （2）

式中：Z（ω）為地磁垂直分量的譜幅度值;H（ω）為地磁水平分量全矢量的譜幅度值;Hx（ω）為地磁水平分量南北向譜值，Hy（ω）為地磁水平分量東西向譜值;ω為圓頻率;R為閾值，依據(jù)文獻(xiàn)［5，8］的方法原理，在1 Hz附近一次源來自地面以下的磁場信號的垂直分量譜幅度值大于水平分量全矢量的譜幅度值，因此R一般應(yīng)大于1。

地震電磁輻射異常多為非穩(wěn)態(tài)信號，其特點(diǎn)是異常持續(xù)時長但在分析時段內(nèi)占用時間很短，因此采用譜方法計算獲得的異常幅度被嚴(yán)重抑制，異常信噪比低。曾小蘋等［20］通過計算磁通門秒采樣資料中每分鐘的變化幅度，分析了2008年汶川8級地震前成都臺地磁的變化，發(fā)現(xiàn)其震前2 d的垂直分量異常變化幅度達(dá)20 nT，水平分量也有10 nT。該算法的優(yōu)點(diǎn)是突出了地震異常幅度，簡稱為脈沖幅度法。

為此，馮志生等［8］將地磁垂直強(qiáng)度極化法的Z（ω）、Hx（ω）、Hy（ω）分別改為某一計算窗長內(nèi)的幅度Az、AHx、AHy，即：

Azh=AzAHgt;A （3）

AH=A2Hx+A2Hy （4）

式中：Az、AHx、AHy分別為計算窗內(nèi)垂向、北和東向分量的變化幅度;A為極化值閾值，依據(jù)臺陣儀器觀測頻帶范圍，本文取計算窗長為1 s進(jìn)行極化值計算。

2 計算結(jié)果及初步分析

分析各臺站極化值，發(fā)現(xiàn)其都有較為穩(wěn)定的背景值。為了更好地識別異常，本文依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和各臺站背景值，設(shè)置極化值閾值為10，僅分析超閾值極化值的變化特征;采用頻次分析方法分析極化值的異常特征，頻次窗長取1 d并進(jìn)行滑動累計。圖2給出

了3個臺站2021年1月1日—2022年1月1日的地磁三分量脈沖幅度變化和超閾值的極化值及其滑動頻次。

計算結(jié)果顯示：3個臺站在1—5月數(shù)據(jù)穩(wěn)定，且已排除干擾，該時段為正常背景時段。其中，地磁三分量變化幅度最大的是滎經(jīng)臺，東西向分量達(dá)到658 nT，南北向分量變化幅度最小為573 nT;變化最小的是德陽臺的南北向分量，僅為30 nT;崇州臺各分量變化差異大，東西分量變化幅度達(dá)到364 nT，垂向分量僅為41 nT（表2）。各個臺站存在少量的缺數(shù)情況，通過對觀測站環(huán)境和儀器檢查發(fā)現(xiàn)，這主要是由于通訊不穩(wěn)定造成的。崇州臺在2月、5月，東西向分量存在大量的高值成分，這是由于觀測站點(diǎn)周邊有大量商業(yè)用電的測試干擾。

需要說明的是，本次研究采用的是直接量取幅度的計算方法，而這種方法無法消除年變。以往的研究也表明，極化值具有年變化特征［21-22］。現(xiàn)有的研究結(jié)果表明，年變幅度很小，往往不超過1個單位量［7］，但在本研究中識別到的異常幅度卻很大，多為幾百甚至上千單位的變化量，遠(yuǎn)大于年變化的幅度，因此年變對于異常識別并不產(chǎn)生影響。

3 異常特征分析

3.1 異常特征

上節(jié)中的計算結(jié)果顯示，在正常時段內(nèi)，數(shù)據(jù)變化幅度小，比較穩(wěn)定。2021年7月底前后，崇州、德陽、滎經(jīng)臺出現(xiàn)了地磁三分量高值脈沖幅度異常，異常變化形態(tài)相似，均出現(xiàn)數(shù)據(jù)突跳，在時間上呈現(xiàn)準(zhǔn)同步的特征。其中，崇州臺南北向變化幅度最大，德陽臺和滎經(jīng)臺垂向變化幅度最大，崇州與滎經(jīng)臺的背景值相較于德陽臺更穩(wěn)定。除德陽臺南北向數(shù)據(jù)外，3個臺站各測向的數(shù)據(jù)異常變化幅度都達(dá)到了數(shù)百倍，震后逐漸降低，直到恢復(fù)至正常水平。

從圖2（b）、（c）可以看出，德陽臺和滎經(jīng)臺在此次地震前都出現(xiàn)了明顯的異常現(xiàn)象。最先出現(xiàn)異常變化的臺站是滎經(jīng)臺，自2021年7月18日開始，極化值出現(xiàn)大幅度、高頻次的異常，幅度達(dá)到背景值的200多倍，且呈現(xiàn)出持續(xù)增強(qiáng)的變化，但該時段內(nèi)的異常幅值并不是所研究時段內(nèi)的最高值;同時，超閾值極化值的頻次急劇增加，表現(xiàn)出顯著的高值異常現(xiàn)象，最高達(dá)到814次。異常持續(xù)時間為18 d，且異常出現(xiàn)的時間距離發(fā)震有67 d，在形態(tài)上表現(xiàn)出先增強(qiáng)后降低，再增強(qiáng)-降低，最后降低到正常變化水平，這一現(xiàn)象與李霞等［17］在2021年對極化值異常的研究結(jié)果一致。

德陽臺自2021年8月10 日開始出現(xiàn)高值異常。需要說明的是，圖2（b）中展示的是對德陽臺超閾值滑動頻次進(jìn)行限幅后的結(jié)果。在2021年11月11—12日，德陽臺由于通訊信號中斷導(dǎo)致缺數(shù)，11月12—18日受到高頻信號干擾（圖3），極化值數(shù)據(jù)出現(xiàn)了極高的異常值。排除這些干擾后便能得到臺站磁擾動變化的正常趨勢［圖2（b）］。圖3中11月11—12日的直線部分是由于通訊中斷導(dǎo)致缺數(shù)，繪圖時在11日缺數(shù)部分自動補(bǔ)齊為最后一個記錄到的數(shù)據(jù)，12日缺數(shù)部分自動補(bǔ)齊為記錄到的第一個數(shù)據(jù)，因此圖中出現(xiàn)了直線的現(xiàn)象。可以看到，德陽臺同樣也出現(xiàn)了極化值和超閾值極化值頻次高值異常。極化值高值達(dá)到背景值的近200倍，頻次最高達(dá)到203次，持續(xù)時間25 d，出現(xiàn)異常的時間距離發(fā)震37 d。值得注意的是，德陽臺的高值異常也有著與滎經(jīng)臺相似的先增強(qiáng)后降低，再增強(qiáng)-降低的形態(tài)，這一現(xiàn)象或許與孕震機(jī)理有著一定的聯(lián)系。

德陽臺和滎經(jīng)臺超閾值極化值頻次結(jié)果在震前都有逐漸增高的變化，時間上呈現(xiàn)準(zhǔn)同步性，并且超閾值極化值的頻次往往能達(dá)到研究時段的最高值，變化幅度達(dá)幾百倍甚至近千倍。對比分析德陽和滎經(jīng)臺的極化值［圖2（b）、（c）］，前者也顯示出這種逐漸增強(qiáng)的變化，而后者卻沒有（表3），這應(yīng)該與地面地震電磁現(xiàn)象觀測的復(fù)雜性有關(guān)。

在識別震磁信息時，排除外空場的干擾影響是至關(guān)重要的。理論上磁暴不會引起垂直強(qiáng)度極化值的升高變化，通過查閱Dst指數(shù)（Disturbance storm time index）可知，在2021年7月15日—9月1日臺站出現(xiàn)極化值高值異常期間，Dst指數(shù)僅在8月27、28日達(dá)到-80，其余時間均為正常值，因此可以判定此次異常的產(chǎn)生并非受磁暴的影響。

3.2 原始波形特征

對地磁擾動臺站原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)地磁三分量數(shù)據(jù)在異常期間出現(xiàn)波形畸變。以滎經(jīng)臺2021年7月22日數(shù)據(jù)為例，從圖4中可以看出多次臺階形變化，4點(diǎn)左右垂向磁場與北向磁場同步出現(xiàn)了方波臺階，其中北向變化幅度1.665 nT，垂向變化幅度6.022 nT，垂直分量的變化明顯大于水平分量;自14點(diǎn)開始僅有垂向磁場出現(xiàn)大幅度變化，變化幅度超過50 nT。這與在地表觀測到的來自地殼內(nèi)的電磁信號垂直分量幅度大于水平分量幅度的現(xiàn)象相吻合［5-6］。

研究中還發(fā)現(xiàn)極化值高值異常時段的原始地磁數(shù)據(jù)同樣出現(xiàn)波動變化，二者在時間上完全同步。例如，圖5（a）中滎經(jīng)臺7月25日20：05：16.00—20：05：16.22時段內(nèi)出現(xiàn)了極化值高值異常，對垂直向的磁場數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在該時段內(nèi)地磁數(shù)據(jù)產(chǎn)生了波形畸變;8月9日09：07：35.00—09：07：49.00同樣出現(xiàn)了這種變化［圖5（b）］;同樣的現(xiàn)象也出現(xiàn)在德陽臺8月13日08：24：05.00—08：24：16.00和8月29日13：02：08.00—13：02：59.00［圖5（c）、（d）］。此外，德陽臺8月13日的地磁垂向數(shù)據(jù)

與極化值高值在13點(diǎn)2分同步出現(xiàn)了短時間的4段變化，而這種同步變化只顯示在地磁的垂向分量上。以往的研究中普遍認(rèn)為地磁垂直強(qiáng)度極化異常是受到地下垂直分量的影響，這一認(rèn)知與該現(xiàn)象相互印證。大量研究發(fā)現(xiàn)正常背景下原始波形為類正弦形態(tài)，變化幅度較小，而地震發(fā)生前后原始波形往往出現(xiàn)大幅變化，變化幅度達(dá)到正常背景下的10倍以上。對變化形態(tài)進(jìn)行歸納總結(jié)，大致可以分為三類：一是如圖4所示的原始波形出現(xiàn)方波形態(tài)的畸變;二是圖5（a）所示的類正弦波形畸變;三是如圖5（c）中展示的高值脈沖形式畸變。

此外，觀察圖5（b）中滎經(jīng)臺垂向分量發(fā)生的波形畸變，發(fā)現(xiàn)其在形態(tài)上與地震波相似度較高，但變化幅度并不大。2021年8月9日9：07：26發(fā)生了ML3.2地震，震中位于102.49°E＼，30.17°N，距離滎經(jīng)臺47 km，從位置與時間上看，滎經(jīng)臺記錄到的這一次波形變化與此次地震有關(guān)。不難理解，由于臺站的觀測儀器探頭采用懸掛式布設(shè)，當(dāng)?shù)卣鸩ǖ絹頃r，懸掛的探頭受到影響發(fā)生擺動，出現(xiàn)如圖5（b）所示的類地震波的波形畸變。

4 討論

4.1 外空場影響分析

第2節(jié)的計算結(jié)果顯示：3個臺站都存在三分量的高值脈沖與極化值高值不同步現(xiàn)象，即三分量出現(xiàn)高值脈沖時并沒有出現(xiàn)高極化值。而基于現(xiàn)有的認(rèn)知［5，8，10，21-22］，空間電磁波的Z/H值非常小，在0.2～0.3間，在地震的孕育、發(fā)生過程中，這個比值會增大，往往超過1。依據(jù)方法原理，地磁震前異常是來自于震源的信號，由Z與H的比值計算得到的R值［式（1）］一定大于或約等于1，即一次源來自地面以下的磁場信號的垂直分量譜幅度值一定大于水平分量全矢量的譜幅度值，因此，垂直強(qiáng)度極化法可以有效地區(qū)分出來自地面以下和地面以上的一次源信號，極化值不會因外空場引起的原始數(shù)據(jù)高值異常而出現(xiàn)高值。當(dāng)三分量顯示出高值脈沖信號但對應(yīng)時刻沒有高極化值時，表明信號來自于地面以上。例如，圖2（a）顯示出崇州臺數(shù)據(jù)在4月出現(xiàn)大量水平向的高值異常，但其極化值未出現(xiàn)相應(yīng)的變化，表明此段信號是來自于地面以上的外空場干擾。而圖3中的滎經(jīng)臺自12點(diǎn)開始垂向分量出現(xiàn)大量高頻突跳，極化值同步出現(xiàn)高值異常，14點(diǎn)滎經(jīng)臺垂向分量數(shù)據(jù)出現(xiàn)大幅度臺階變化，臺階中高頻突跳仍持續(xù)出現(xiàn)，同時期極化值的高值異常也持續(xù)發(fā)生。這些現(xiàn)象進(jìn)一步驗(yàn)證了本次研究選取的方法可以有效地提取出來自地下的電磁信號成分，體現(xiàn)此方法對來自震源區(qū)信號的提取能力和抗外空場干擾的優(yōu)勢。

4.2 異常現(xiàn)象機(jī)理探討

以往學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，巖石破裂過程中產(chǎn)生的磁輻射具有較寬的頻帶范圍，不同頻帶的電磁信號可能具有不同的波形特征，但是普遍具有脈沖形態(tài)，而以往的地磁分析方法很難提取出來自地下的高頻成分［23-28］。本文利用基于脈沖幅度的地磁垂直強(qiáng)度極化方法，發(fā)現(xiàn)極化值在地震前會出現(xiàn)高值脈沖異常，而超閾值極化值的頻次也會出現(xiàn)增強(qiáng)的異常變化，這進(jìn)一步體現(xiàn)本文所提方法能很好地捕捉到來自地下的地磁前兆信號。

由于地震電磁信號可能具有空間非均勻分布的特點(diǎn)，且觀測站點(diǎn)布設(shè)的位置和儀器的頻響性質(zhì)會對接收異常信號的頻率和時間產(chǎn)生影響，因此，不同頻率信號出現(xiàn)的時間可能不完全同步［23，25-26，29］。區(qū)域應(yīng)力的持續(xù)加載最終會導(dǎo)致巖石的破裂，這種破裂現(xiàn)象與電磁輻射有著密切的聯(lián)系，因此，這種巖石破裂產(chǎn)生的電磁輻射是區(qū)域性的，通常震中300 km范圍內(nèi)會有多個臺站準(zhǔn)同步出現(xiàn)這種現(xiàn)象。電磁輻射的強(qiáng)度同時還受到巖石的巖性、含水量等因素制約，因而實(shí)際觀測到的電磁輻射異常的大小和形態(tài)不完全相同，且電磁信號也會因巖石破裂時的具體取向而顯示出不同的方向性［29］，所以區(qū)域內(nèi)的臺站不一定會全部顯示出這種異常，出現(xiàn)異常的時間也不完全同步，而是呈現(xiàn)出準(zhǔn)同步的特征。大量研究表明，地面地震電磁現(xiàn)象的觀測具有復(fù)雜性，一方面受孕震環(huán)境和電磁輻射特性的影響，另一方面也受信號傳播過程中的各種復(fù)雜因素影響。電磁信號在地下多途徑傳播時，由于地殼構(gòu)造的復(fù)雜性和介質(zhì)電學(xué)性質(zhì)的非均勻性、異向性、不穩(wěn)定性，可能造成地面觀測信號出現(xiàn)差異性特征［25-26，30-32］。因此，觀測信號具有一定的方向性和不同步性等地震電磁波的非線性特征［33］，導(dǎo)致本次研究區(qū)域內(nèi)各個地磁擾動觀測臺站接收到的震前異常信號不完全同步。

同時，我們發(fā)現(xiàn)中強(qiáng)地震前，磁擾動臺站基于脈沖法的超閾值極化值的頻次會出現(xiàn)準(zhǔn)同步的高值異常，其異常變化呈現(xiàn)出先增強(qiáng)后降低，再增強(qiáng)-降低的形態(tài)，直到震后降低到正常水平。王繼軍等［34］研究發(fā)現(xiàn)，幾乎所有震例的發(fā)震時刻都不是電磁信號最大的時刻;大多數(shù)震例顯示，震前電磁信號是不連續(xù)的，有明顯的陣發(fā)性、成叢性特征，電磁異常信息在震前可能出現(xiàn)多個高值;多數(shù)震例顯示，電磁異常信號具有弱-強(qiáng)-弱-平靜的變化過程，這種變化形態(tài)與本文的頻次變化形態(tài)一致。在機(jī)理上，這種異常形態(tài)是由巖石破裂特性決定的，曹惠馨等［29］曾通過巖石破裂實(shí)驗(yàn)提出，電磁輻射率曲線在巖石受壓開始階段一般都有個高值，而后衰減，最后與聲發(fā)射率曲線在巖石破裂時同步出現(xiàn)高值。這一過程與本文中超閾值極化值累計次數(shù)的異常形態(tài)極為相似。同時，也與本文研究得到的異常時段的極化值不一定是所研究時段（震前6個月）的最高值這一結(jié)論相印證。

5 結(jié)論

本文利用基于脈沖的地磁垂直強(qiáng)度極化方法對四川地區(qū)的3個地磁擾動臺站觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，分析了瀘縣MS6.0地震前的地磁擾動異常時空演化特征。研究發(fā)現(xiàn)，臺站在區(qū)域應(yīng)力水平弱的時段，極化值處于較低且穩(wěn)定的水平，在震前則會出現(xiàn)極化值和超閾值極化值累計頻次的高值異常現(xiàn)象；本次震前發(fā)生異常變化的臺站分布在震中距300 km范圍內(nèi)，2個臺站有異常顯示，占比67%。這種變化與外源場無關(guān)，反映的是地下電磁信號。各個臺站的異常變化在時間上具有準(zhǔn)同步性，變化幅度超百倍，且這種震前的電磁擾動異常變化往往不是單臺出現(xiàn)的，而是一種區(qū)域性變化。地震多發(fā)生在異常出現(xiàn)的一個月后，這可能是由于電磁輻射除了與巖石破裂有關(guān)外，還與巖石的壓電效應(yīng)和電磁感應(yīng)有關(guān)。在地震孕育和發(fā)震期間，區(qū)域應(yīng)力逐漸累積、增強(qiáng)，地下巖體在應(yīng)力作用下產(chǎn)生形變，巖石由于壓電效應(yīng)和電磁感應(yīng)產(chǎn)生地震電磁信號，因此電磁輻射自地震前便出現(xiàn)，持續(xù)一段時間后，應(yīng)力的累積導(dǎo)致巖石的破裂程度越來越高，電磁輻射也就越來越強(qiáng)，當(dāng)巖石完全破裂時，這種電磁輻射達(dá)到高值，而后逐漸衰減。這也進(jìn)一步證明地震電磁波并不是由單一的電磁信號源激發(fā)的，而是由許多孤立的電磁信號激發(fā)源同時或者不同時發(fā)射產(chǎn)生的［35］。

本文研究還發(fā)現(xiàn)，中強(qiáng)地震前，各臺站超閾值極化值累計次數(shù)的異常演化過程都有著先增強(qiáng)后降低，再增強(qiáng)-降低的形態(tài)，這一現(xiàn)象與前人關(guān)于磁擾動的研究結(jié)果具有相似性［17］。機(jī)理上，這種異常形態(tài)能在一定程度上反映出地震的孕育過程。

然而，在本次研究過程中未發(fā)現(xiàn)異常變化與震中距有明顯的關(guān)系，這可能與區(qū)域構(gòu)造環(huán)境、發(fā)震機(jī)制和傳播方式有關(guān)系。未來還需繼續(xù)開展更細(xì)致的研究，進(jìn)一步完善異常判別標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)測指標(biāo)，繼續(xù)探索異常演化與地震三要素的關(guān)系，以期能為實(shí)際的震情跟蹤工作提供一定的理論支撐。同時，由于臺站的觀測儀器探頭對地震波敏感，后續(xù)建議將探頭的布設(shè)由懸掛改為固定方式。

致謝：國家地震前兆臺網(wǎng)中心為本次研究提供了數(shù)據(jù)，上海市地震局朱培育提供了地磁擾動評估分析軟件，在此表示感謝！

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（本文編輯：張向紅）