0 引言

地震活动区的上地幔高导层埋藏深度较浅，地壳中也存在相应的高导层，这是上地幔计划的重要观测结果(Hutton，1976；Honkura，1978)。徐常芳(1996)研究指出，中国大陆地震活动较强烈地区通常存在壳内高导层，无壳内高导层或壳内高导层埋藏较深的地区未见强震；中国大陆地震绝大部分是浅源地震，且绝大部分浅源地震发生在壳内高导层以上的地壳中。震区深部电性测深结果表明，大震易于发生在电导率和速度急剧变化的梯度带(詹艳等，2008)，中国云南南部强震区(李冉等，2014)、1999年中国台湾7.3级集集地震区(Chen et al，2000)、美国圣安德列斯断层带的地震活动区(Bedrosian et al，2004)以及2004年日本本州6.8级地震区(Uyeshima et al，2005)的深部大地电磁探测研究表明，地震区地壳内存在明显的低阻异常体。但是，这些研究均未指出高导地区何时会发生地震。

地壳上地幔横向电性结构不均匀性的重要地磁变化异常特征之一是高导带两侧地磁垂直分量有反相位变化，而水平分量没有反相位变化，或者反相位变化较弱，高导带埋深越浅，垂直分量反相位越明显，水平分量越弱，高导带两侧地磁感应矢量指向高导带，如德国北部(Untiedt，1970)、日本北部(Rikitake，1966、1971；Rikitake et al，1985)、中国甘肃东部(徐文耀等，1978；徐文耀，2009)、中国滇西地区(侯作中等，1984)和中国琼中海峡(范国华等，1994)，这些地区均存在由高导带引起的垂直分量反相位变化。

地磁低点位移法是提取地磁垂直分量日变化畸变异常的方法，该方法目前已经被用于中国的日常地震预报工作中(陈绍明，1987；丁鉴海等，2004)，研究发现，地磁低点位移异常是由地磁日变化感应电流集中分布所致(冯志生等，2009；黄颂等，2020)。由于地磁垂直分量日变化在几百千米范围内有较好的相关性，因此，分析2个台站之间的地磁垂直分量日变化相关性也可以提取2个台站之间的反相位变化，有研究人员分析了几个地区的相关性异常震例(林美等，1982；冯志生等，1998；戴勇等，2017、2018)，给出了地震前震中附近地磁垂直分量日变化相关性下降异常变化，地震发生在相关性下降区及附近地区，但这些分析工作采用资料空间区域较小，未能给出异常在空间上的全貌，更未获得反相位变化分界线与地震的关系。

本文采用2009~2018年中国国家地磁台网中心资料和相关方法，计算搜索了中国大陆地磁垂直分量日变化出现的反相位变化分界线，即感应电流集中分布线，研究了中国大陆南北地震带(90°E~110°E)M_S≥6.0地震与感应电流集中分布线的关系。

1 资料与计算 1.1 采用资料

本文采用资料为2009~2018年中国国家地磁台网140多个台站磁通门磁力仪和FHD质子矢量磁力仪的地磁垂直分量日变化分钟采样序列。由于每年11月至次年2月的地磁垂直分量日变化相关性差(冯志生等，1998、2005)，因此仅分析了每年3~10月的地磁资料。地震为2009年1~12月、90°E~110°E、M_S≥6地震，地震参数见表 1，台站和地震分布见图 1、2。

1.2 计算方法及异常判据

(1) 对北京时间地磁垂直分量日变化分钟采样数据进行48阶傅氏拟合，滤除周期小于半小时的高频变化和噪声。

(2) 以新沂台和红山台为参考台，计算各台站与参考台之间每日地磁垂直分量日变化分钟采样序列的相关系数，计算相关系数前，依据各台站与参考台站经度差值按4min/经度对各台站数据进行时间延时，以消除台站经度对日变化相位的影响(冯志生等，2005)。

(3) 将各台站前1年相关系数2倍方差下限设为相关系数异常阈值线，当全国6%以上台站与2个参考台相关系数同步低于阈值时，当日相关系数异常成立。

(4) 相关系数归一化和置零预处理。①将各台站相关系数除以前1年相关系数的“均值减去2倍方差”，以消除台站距离不同对相关系数的影响(一般情况下相关系数随2个台站距离增加而减小)，此时相关系数“1”为相关系数异常阈值，即相关系数2倍方差下限；②计算各台站的2个参考台相关系数均值；③将各台站相关系数均值减“1”，此时相关系数“0”为相关系数异常阈值。

(5) 绘制异常日期各台站归一化均值置零相关系数等值线图，绘图参数设置除色标外均为默认。等值线图“0”线为相关系数异常阈值线(2倍方差)，阈值线一侧台站相关系数高于阈值，另一侧台站相关系数低于阈值，阈值线两侧台站地磁垂直分量日变化反相位变化导致相关系数下降。

(6) 将20天内出现的异常阈值线在空间上进行叠加。

1.3 相关系数异常概述及反相位现象

2009~2018年满足相关异常判据的异常共有156次，平均每月有2天出现感应电流集中分布，限于篇幅图 1仅给出了其中1个异常，图中地震为异常后18个月内、中国南北带90°E~110°E、M_S≥6地震，相关系数经过了归一化和置零处理，红色台站为相关系数低于阈值台站，即相关异常台站；黑色台站为相关系数高于阈值台站，即正常台站。图 1异常给出了2对台站的地磁三分量日变化曲线及其垂直分量差值曲线(北京时间)。图中的“台站对”台站，一个位于相关正常区，另一个位于相关异常区，且经度相差不大，这意味着其正常日变化是同步的，因此差值曲线来自于2个台站反相位变化的和，由于2个台站基本对称分布于阈值线两侧，其反相位变化对差值曲线的贡献基本一样。由图 1可以大致看出，H和D分量日变化差异不大，而垂直分量正午前后有较大的差异变化，该反相位差异变化是导致2个台站之间地磁垂直分量日变化相关性变差的原因，是来自2个台站之间的集中分布感应电流。这一现象与地壳上地幔横向电性结构不均匀性的重要地磁变化异常特征一致(Untiedt，1970；Rikitake，1966、1971；Rikitake et al，1985；徐文耀等，1978；徐文耀，2009；侯作中等，1984；范国华等，1994)，即高导带内有感应电流集中分布，由于高导带埋深较浅，感应电流引起的地磁变化主要分布于垂直分量且高导带两侧为反相位变化，这种反相位变化是其关键特征，同时水平分量没有反相位短周期变化或者反相位变化不明显。因此，图 1的相关阈值线可以近似理解为地磁垂直分量反相位变化分界线及其感应电流集中分布线。

1.4 重叠异常定义

阈值线重叠段的定义为2条或以上阈值线走向一致且相距不超过20km(图上几乎重合)，该重叠段定义为重叠段异常，简称重叠异常，应注意以下3点：①在满足重叠的前提下，重叠段两端相距不超过50km的2条阈值线仍可视为重叠；②两段分别满足重叠要求的重叠段之间出现不重叠的视为2次异常；③3条及以上阈值线分段重叠，但各重叠段不满足重叠要求，此类重叠不计为重叠异常，比如：A、B和C 3条阈值线，A与B及A与C分别重叠，2个重叠段相连，但2个重叠段均未超过500km，但相连后超过500km，此类现象不计为重叠异常。同上，3条及以上阈值线分段重叠，且各重叠段均满足重叠要求，则计为2次重叠异常，如2016年5月30日与6月8日的2次重叠异常、2016年6月8日与6月14日的2次重叠异常和2016年10月26日与10月31日的3次重叠异常。

本文虽然给出了异常阈值线重叠的定量定义，但给出的重叠段是依据经验目测划定的，主要原因是开发一个二维空间计算重叠段的程序工作量大，而从图 1可以看出，依据目测经验划定的重叠段在本文基本适用。

1.5 地震位置分类

地震位于重叠段位置分为2类：端部和中部。当地震位于重叠段延长线上、或者位于重叠段两端1/4段两侧时，该地震被认定为位于重叠段的端部，否则被认定为重叠段中部。位于重叠段端部地震的距离为地震到端部的半径，位于重叠段中部地震的距离为地震垂直于重叠段的距离，两类距离相近时归为端部地震。

2 结果 2.1 计算结果

图 2给出了2009~2018年中国大陆南北地震带(90°E~110° E)23次感应电流集中分布重叠段以及其后18个月内重叠段附近M_S≥6.0地震的空间分布。图中红蓝黑曲线为不同日期地磁垂直分量日变化空间相关阈值线，阈值线两侧台站当天地磁垂直分量日变化有反相位变化，因此阈值线下方有感应电流集中分布；绿色框内为阈值线重叠段，一次有多段重叠的按多段统计。为方便讨论重叠段与上地幔和地壳高导带埋深关系，图 3引用了徐常芳(1996)的中国大陆地壳高导埋深分布，图 4引用了徐常芳(1996)的中国大陆上地幔高导埋深分布；重叠异常与地震关系见表 2，地震与重叠异常关系见表 3。

2.2 异常与地震关系统计

重叠异常是地磁日变化感应电流集中分布原地重复出现的现象。前后不同日期集中分布感应电流出现完全重叠，表明该集中分布感应电流出现在同一位置，因此，这种感应电流集中分布重叠异常是地磁日变化感应电流集中分布原地重复出现的现象。

集中分布感应电流原地重复出现时间间隔一般在10天左右以内。由表 2可见，23次重叠异常中，仅有1次集中分布电流时间间隔为16天，其余22次均在12天以内，我们曾尝试将6个月内所有相关阈值线进行叠加，但未发现时间间隔更长的重叠异常，因此，地磁日变化感应电流集中分布原地重复出现的时间间隔应该较短；23次重叠异常中，仅有1次重叠异常包含了3次集中分布感应电流，其余22次均为2次集中分布感应电流的重现；另外，23次重叠异常中，仅有3次集中分布电流日期是前后相连，其余日期均不连续。

重叠异常出现后18个月内发生地震概率较高，地震基本发生在重叠段的端部。由图 2和表 2可知，2009年3月~2018年10月计80个月，中国大陆90°E~110°E范围共出现23次重叠异常，其中20次重叠异常后18个月内在重叠段附近发生M_S≥6.0地震，比例高达87%(20/23)，并有20次重叠段端部发生地震，端部发生地震的重叠异常比列高达83%(19/23)，6次重叠段端部和中部均发生地震。

有3次重叠异常后18个月内未发生M_S≥6.0地震，其中2014年8月2日与8月8日重叠异常后约26个月在重叠段东端发生2016年10月17日杂多6.2级地震，2018年4月24日与5月10日重叠异常后18个月在重叠段东端发生2019年10月28日夏河5.7级地震(35.10°N，102.69°E)，图 2和表 3同时给出了2个地震分布及参数。如果将这2次异常计为有震异常，则有震异常与所有异常的比例高达95%(22/23)。

地震距离重叠段的距离一般不超过250km左右。依据图 2和表 3、4，27次地震与重叠段位置统计结果为：地震与重叠段距离≤50km 4次，≤100km 5次，≤150km 7次，≤200km 13次，≤250km 17次，≤300km 23次，>300km 4次，250km以内地震占比为63%(17/27)。

距离重叠段较大的异常主要来自2016年10月17日杂多6.2级地震和2017年11月18日米林6.9级地震，原因可能与该地区地磁台站稀疏有关。不计这2个地震异常，15次地震与重叠段位置统计结果为：地震与重叠段距离≤50km 2次，≤100km2次，≤150km 4次，≤ 200km 9次，≤250km 11次，≤300km 15次。250km以内异常占比为73%(11/15)。因此，地震距离重叠段的距离一般在250km左右以内。

重叠段端部发生地震的比例较高。23次异常在18个月内有20次重叠段端部发生地震，端部发生地震的重叠异常比例83%(20/23)，如果将2018年4月24日与5月10日重叠异常后18个月在重叠段东端发生的2019年10月28日夏河5.7级地震(35.10°N，102.69°E)记入在内，则端部发生地震异常为21次，端部发生地震异常比例高达91%(21/23)。

重叠段发生2次M_S≥6.0地震的比例较低。表 2中23次异常有6次在18个月内在重叠段发生2次M_S≥6.0地震。有2个异常需要提及，分别是2014年9月1日和9月4日重叠异常一端发生2016年1月21日门源6.4级地震，另一端发生2015年5月8日阿拉善左旗5.8级地震以及2015年10月9日、10日和14日重叠异常一端发生2016年10月17日杂多6.2级地震，另一端境外260km处发生2016年1月3日缅甸-印度边境地区6.7级地震(93.66°E、24.83°N，图 2中未标出)，因此，共8次重叠异常发生2次6.0级及以上地震，占比35%(8/23)。

重叠段2个端部均发生6.0级及以上地震异常极少。前述8次发生2次6级及以上地震的重叠异常中仅有2次两端均发生6.0级及以上地震，占比仅为9%(2/23)。因此，虽然我们知道重叠段端部发生6.0级及以上地震的概率高，接近90%，但一般仅有一个端部会发生M_S≥6.0地震，因此，还无法得知M_S≥6.0地震究竟发生在哪一端。

重叠异常次数和异常持续时间与震级的关系不明确。依据表 2无法看出震级与重叠异常次数之间的关系，也无法看出从第一次异常出现到地震发生的时间(即异常持续时间)与震级的关系。

3 讨论 3.1 重叠异常发生位置

对比图 2~4，发现部分重叠段与目前已经发现的中国大陆上地幔和地壳高导带埋深走向基本一致，如：①图 2的2013年7月3日与7月4日(32°~38°N，103°E)SN向重叠段，图 3地壳高导埋深和图 4上地幔高导埋深均有类似南北走向分布；②图 2的2013年7月26日与7月30日在(30°N，105°E)有“V”字形重叠段，图 4上地幔高导埋深有类似走向分布；③图 2的2014年8月2日与8月8日(32°~37°N，90°~100°E)NW向重叠段，图 4上地幔高导埋深有类似走向分布；④图 2的2015年10月9日、10月10日与10月14日在(30°N，100°E)右面有反“C”字形重叠段，图 3的地壳高导埋深有类似走向分布；⑤图 2的2016年5月13日与5月14日(32°N，102°~115° E)EW向重叠段，图 4上地幔高导埋深有类似走向分布。

基于以上发现的一些重叠段走向与已发现的上地幔和地壳高导带埋深走向一致的现象，推测重叠异常发生在上地幔和地壳高导带附近，即有感应电流短期内集中分布于上地幔和地壳高导带附近，因此，重叠异常是来自上地幔和地壳高导带附近地震异常信息。

3.2 重叠异常发生原因

虽然重叠段走向与目前已经发现的上地幔和地壳高导埋深走向有一致的现象，但重叠现象出现频次较低，平时并无重叠现象，表明这些高导带平时并不贯通。因此，可以推测仅仅在重叠期间其下方上地幔和地壳高导带附近出现了“短时间高导通道”。

3.3 重叠异常孕震机理

(1) 对中国大陆地区东部初步分析表明也有类似现象，但震级需要降低1~2级，因此，推测重叠异常可能不是地震孕育和发生的直接动力，至少不是决定地震强度的直接原因。

(2) 电流总是从低阻的地方流过，当上地幔和地壳高导带附近出现“短时间高导通道”，在周期上与此匹配的感应电流会集中分布于此，即：感应电流作为探测工具发现了上地幔和地壳高导带附近出现“短时间高导通道”。什么原因导致“短时间高导通道”的出现？该“短时间高导通道”与地震是什么关系？该“短时间高导通道”是“深部裂纹”吗？这些工作值得进一步深入研究。

(3) 重叠段的端部是前后几次集中分布感应电流“分道扬镳”的位置，因此重叠段端部应该是高阻地区，否则集中分布的感应电流不会在此处变更方向。若将电流集中分布视为串联电路，高阻意味着产生高热量，进而产生高温高压，章鑫等(2019)初步分析发现该电流的量级为数千安。汶川地震后的钻孔研究发现震源区存在高温痕迹(张蕾等，2018)，研究将其归结为地震发生时的摩擦生热，但是，这种高温为什么不可能是来自集中分布感应电流遇到高阻发热？陈立德等(2019)通过分析1976年唐山7.8级地震震区的壳幔深部结构、前兆异常时空演化等资料，认为唐山地震力学成因为类似火山地震的岩浆上涌活动所致，但这种岩浆上涌为什么不可能是因为集中分布感应电流遇到高阻发热导致热流体上涌？目前发现的震前热红外异常为什么不可能是来自感应电流遇到高阻发热(张元生等，2010)？我们认为集中分布感应电流遇到高阻发热可以解释以上现象。

4 结论

重叠异常是地磁日变化感应电流集中分布短期内原地重复出现的现象，集中分布感应电流原地重复出现时间间隔一般在10天左右以内，重叠异常后一年半内发生地震的概率在87%以上，地震基本发生在重叠段的端部250km以内。一些重叠段走向与目前已经发现的上地幔和地壳高导带埋深走向一致，推测重叠异常发生在上地幔和地壳高导带附近，是来自上地幔和地壳高导带的可靠地震异常信息，但是，感应电流短时间集中分布重叠异常可能不是地震发生的直接动力。

中国大陆地震活动比较强烈的地区通常存在壳内高导层，但不清楚这些地区何时地震发生，重叠异常解释了这些地区1~2年内是否发生地震这一问题，该发现可能是地震中短期预报研究的突破，可能会给地震中短期预报研究和实践带来新思路。

致谢: 非常真诚地感谢中国地震局监测预报司预报处2015年以来给予的大力支持。