0 引言

地磁日变化来自太阳风在电离层引发的环状电流及其在地壳内的感应电流，在地震孕育和发生过程中，孕震区电导率的改变会导致感应电流分布出现改变(Brace et al，1965；Yamazaki，1966；陈峰等，2013；杜学彬等，2007；Lu et al，1999；张学民等，2009)，由于这一变化过程主要发生在上地幔和地壳中，感应电流埋深较浅，这种地震地磁异常特征类似地壳上地幔电导率横向不均匀性引起的地磁异常特征(Nishida，1976；Rokityansky，1982；Neska，2016；王桥等，2016；龚绍京等，2017；徐文耀等，1978；侯作中等，1984)，异常主要出现在地磁垂直分量中。与高导带两侧地磁垂直分量短周期出现反相位变化类似，地震地磁日变化异常也常常出现一个分界线，分界线两侧地磁垂直分量有反相位变化。反相位变化加载到正常日变曲线上，会出现分界线两侧数据形态变化不一致的现象，如地磁低点位移异常(冯志生等，2009；黄颂等，2020；陈绍明，1987；丁鉴海等，2004a、2004b)和地磁日变化空间相关异常(冯志生等，1998、2020；林美等，1982；戴勇等，2018)，同时分界线有一侧地磁垂直分量日变化幅度将会变小，导致前后几天幅度比值增大；又如地磁加卸载响应比异常(曾小苹等，1996；冯志生等，2000；戴勇等，2015；戴苗等，2017；倪晓寅等，2018)和地磁逐日比异常(倪晓寅等，2019；冯志生等，2001；李鸿宇等，2018)，类似有短周期感应电流集中分布于高导带(Nishida，1976；Rokityansky，1982；Neska，2016；王桥等，2016；龚绍京等，2017)，这种地震地磁异常分界线下方也有地磁日变化感应电流集中分布(冯志生等，2009、2020；黄颂等，2020)。这些方法目前已经总结出定量的异常判据和预测规则，被应用于日常地震预报工作中。

冯志生等(2020)对地磁日变化空间相关异常的研究发现，我国南北地震带2015—2018年约2/3的6级以上地震前1~2年内，震中附近地磁日变化感应电流会出现线状集中分布，并有10天内原地重现现象，即线状集中分布感应电流在空间分布上出现重叠，电流原地重现的次数一般2~3次，重现段(重叠段)长度一般在500km以上，一些地震前会出现多个重现段，地震一般发生在重现段端部250km以内及附近。23次重现异常有20次在18个月内发生6级以上地震，地震对应率(有震异常/所有异常)为87%，重现段发生2次6级以上地震的比例约34%，重现段2个端部均发生6级以上地震的比例约9%，进一步总结发现重叠段小角度拐弯处也是地震容易发生的位置(中国地震局监测预报司，2020)。除此之外，部分重叠段走向与中-下地壳和上地幔高导层顶面界埋深走向一致，推测重现异常发生在中-下地壳和上地幔高导层，是来自中-下地壳和上地幔内高导层附近的地震异常信息。根据以往震例总结，中国大陆强地震主要发生在上地幔高导层的隆起区及中-下地壳内高导层发育地区；深部电性测深结果表明，大震易于发生在电导率急剧变化的梯度带，但地震发生的时间不确定，冯志生等(2020)研究发现的感应电流重现异常较好地回答了这些区域1~2年内是否发生地震这一问题。

但是，冯志生等(2020)、中国地震局监测预报司(2020)的研究未能解释地磁日变化感应电流出现线状集中分布的机理，由于地磁低点位移分界线常常与地质构造块体的边缘大致重合，研究人员认为地磁低点位移异常与地质构造块体的短期微动态活动有关，但不清楚是什么样的短期微动态活动导致低点位移异常(陈绍明，1987；丁鉴海等，2004a、2004b)。2012年5月28日唐山市(39.8°N，118.5°E)发生4.8级地震，震源深度8km，与1976年唐山7.8级地震震中相距约30km。本文在分析该地震37~44个月前发生的地磁日变化感应电流线状集中分布重现异常特征及其与上地幔和中-下地壳高导带关系的基础上，初步开展了地磁日变化感应电流出现线状集中分布机理的定性分析讨论，该工作对今后进一步解释该异常与地震孕育和发生之间的关系有一定意义。

1 计算数据及方法 1.1 数据资料

正常的地磁垂直分量日变化在空间上具有较好的同步性，相邻台站的相关系数接近1，相关法以2个台站每天的地磁垂直分量日变化相关性是否出现下降，判断2个台站之间当天是否存在反相位变化。当相关系数低于设定的异常阈值时，即认为2个台站之间当天的地磁垂直分量日变化存在反相位变化(林美等，1982；冯志生等，1998)，且当天2个台站地下存在线状集中分布感应电流；当全国一天有多个台站相关系数低于异常阈值时，相关系数空间等值线图上会出现异常阈值等值线，阈值线两侧台站之间地磁垂直分量日变化存在反相位变化，阈值线地下当天存在线状集中分布感应电流(冯志生等，2020；中国地震局监测预报司，2020)。

本文采用2008—2012年中国国家地磁台网中数据完整且质量可靠的137个台站的地磁垂直分量日变化分钟采样序列，从中选取了数据质量和连续率较好且经度相差不大的新沂台和红山台作为参考台，计算参考台与其他台站每日的相关系数。由于每年11月至次年2月地磁垂直分量日变化相关性较差(冯志生等，1998、2005)，本文仅分析了每年3月至10月的地磁数据资料。

1.2 计算过程

(1) 空间相关分析方法(冯志生等，2020)：采用2个台站地磁垂直分量日变化分钟采样序列X和Y，计算其相关系数r。相关系数r的取值范围为-1≤r≤1，r值越接近-1，说明2组观测数据之间的相关程度越小或完全反相位；反之，r值越接近1，表示2组观测数据之间的相关程度越高。

(2) 相关系数计算：选择新沂、红山2个参考台，计算全国其他台站与参考台之间地磁垂直分量日变化分钟采样序列的每日相关系数。由于地磁垂直分量日变化在相位上随经度延时4min，这种延时变化会影响全国各台站与参考台之间的相关系数，经度相差越大，相关系数越低，故在计算相关系数前，需将全国各台站数据进行延时，统一归算到同一经度(冯志生等，2005)。

(3) 电流线位置确定：①以各台站前一年相关系数的均值减去其2倍均方差，即相关系数2倍方差下限，为异常判定阈值；②当全国有9个以上台站与2个参考台之间同一天相关系数低于阈值时，该天地磁日变化空间相关异常成立；③将各台站相关系数除以异常判定阈值，以消除台站距离增加导致的相关系数下降变化影响；④将各台站相关系数减“1”，此时相关系数“0”为判定异常的阈值；⑤计算各台站相对于2个选定参考台相关系数结果的均值；⑥绘制异常日全国台站相关系数空间等值线，此时“0”值线为判定异常的阈值线，基于相关分析的基本原理，“0”值线两侧存在反相位，因此，可以视阈值线为线状集中分布感应电流线。

(4) 电流重现异常确定：将20天以内的感应电流线进行叠加，当2个日期的感应电流线出现300km以上重叠时，电流的重现异常成立。

2 异常现象 2.1 计算结果

采用全国100多个地磁台站资料进行计算，获得2008年3月1日—2012年5月12日唐山4.8级地震发生前约4年期间，在该地震附近发生的9次线状集中分布地磁日变化感应电流异常及其9次原地重现异常，见图 1(a)~1(i)，图中不同颜色线条表示感应电流集中分布线，日期为感应电流发生线状集中分布异常时间，红色箭头所指处为2个日期感应电流的重现段，其长度超过300km，图 1(j)为9次线状集中分布电流的叠加分布。

2.2 异常初步分析

按异常发生时间可以将以上9次重现异常分为2组。其中，2009年4月17日—5月10日为第一组(图 1(a)~1(f))，计6次重现异常(图 1(a)~(f))，时间分别为2009年4月17日、2009年4月22日、2009年4月25日、2009年5月7日、2009年5月1日和2009年5月10日，持续时间24天，异常出现时间到地震发生约3年1个月；2011年9月9日—9月22日为第二组(图 1(g)~(i))，计3次重现异常(图 1(g)~(i))，时间分别为2011年9月9日、2011年9月12日和2011年9月22日，持续时间14天，异常出现时间到地震发生约8个月。

图 2描绘出9次重叠段的空间分布动态发展过程，其中，刚发生的重叠段用灰色表示，已经发生的重叠段用红色表示，图 2(j)给出了所有重叠段和所有电流线的叠加。由图 1(c)和图 2(c)可以看出，2009年4月17日和2009年5月7日的重叠段长度最长，且在第一组重叠段中，除2009年5月1日和5月10日发生的重叠段外(图 1(e)、2(e))，其他所有重叠段均发生在2009年4月17日SN走向的反C状感应电流集中分布线上(图 1(a)中地震左侧蓝色线条SN反C走向部分)。由图 2(j)还可以看出，各重叠段在空间上有许多部分也是重合的。

上述分析发现，不同时间发生的重叠现象可能会反复出现在一条最长的线状集中分布感应电流上，只是出现的部位有所不同；各重叠段在空间上可能也是部分重叠的，甚至完全重叠，即不同时间发生的重叠现象在空间分布上也是部分重叠或完全重叠的。

2.3 异常与地震空间分布关系

由图 1可以看出，地震位于时间分组第一组异常右侧附近和第二组异常左端端部，但地震位置及其左边附近没有重叠段分布(图 2(j))。具体来看，地震位于9个重叠段中的4个重叠段端部(图 1(a)、1(g)、1(h)、1(i))，虽然地震并非位于其端部(图 1(e)、1(f))，但在端部附近(一般以端部为圆心，半径250~300km为判定标准)。因此，地震位于重叠段端部的异常比例为6/9，表明重叠异常与地震空间分布关系符合前人的结论(冯志生等，2020；中国地震局监测预报司，2020)，由图 1(b)、1(c)、1(d)可以看出，地震虽然不在重叠段端部附近，但位于重叠段右侧附近。

2.4 异常与高导层及其地震关系分析

依据图 1，按重叠异常空间位置和走向以及与地震的关系，可以将9次重叠异常分为3组。其中，第1、2、3、4、6次重叠异常为第1组(图 1(a)~1(d)、1(f))，重叠段呈SN反C状走向，地震位于其中部右侧附近；第5次重叠异常为第2组(图 1(e))，重叠段呈NNW走向，地震位于其中部右侧附近；第7、8、9次重叠异常为第3组(图 1(g)~1(i))，重叠段呈EW走向，地震位于其左侧端部。

按空间分组将重现段分别叠加在上地幔(图 3(a)~3(c))和中-下地壳(图 3(d)~3(f))高导层顶界面埋深分布图上，其中高导层埋深分布底图源自徐常芳(1996)和彭聪等(2018)。

由图 3(a)~3(c)可见，第3组EW走向的重叠段与上地幔高导层顶面界埋深走向有较好的一致性，深度80~90km，第1组40°N以南NE走向的重叠段与上地幔高导层顶面界埋深走向也有较好的一致性，深度80~90km，但第1组40°N以北重叠段和第2组重叠段没有走向一致的上地幔高导层与之匹配。但据彭聪等(2018)研究，该位置100km深度存在SN走向的剪切波低速异常(图 4)，而剪切波低速异常一般与高导对应(瞿辰等，2020；曲中党等，2018)。由图 4可见，在40°N~50°N、110°E~118°E之间有1个SN反C走向的低速异常带(淡黄色)，与第1组重叠段在40°N~50°N之间走向基本一致；另外，图 4中40°N、112°E附近有SN走向的低速带，与第2组NNW走向的电流重现异常存在一定的一致性。上述分析表明，空间分组的3组感应电流重现异常的走向在上地幔均有与之匹配的高导层顶面界分布。

由图 3(d)~3(f)可见，第1组40°N以南的NE走向重叠段和第3组EW走向重叠段与中-下地壳高导层顶面界埋深走向存在一定的一致性，深度约20km，但中-下地壳高导带图中没有与第2组重叠段走向一致的痕迹，也没有与第1组40°N以北SN反C走向重叠段走向一致的高导层痕迹，彭聪等(2018)给出的10km和20km速度结构也没有SN走向的剪切波低速异常。

根据以上分析结果，第1组和第2组重叠段在40°N以北与上地幔高导层顶面界埋深走向具有一致性，但与中-下地壳高导层顶面界埋深走向无一致性，表明其感应电流可能分布于上地幔高导层顶面界。同时，第1组重叠段40°N以南和第3组重叠段既与中-下地壳高导层顶面界埋深走向具有一致性，也与上地幔高导层顶面界埋深走向具有一致性，基于感应电流的趋肤效应，这些感应电流的埋深更可能位于中-下地壳高导层。因此，唐山4.8级地震左侧SN反C走向重叠段40°N以南的感应电流更可能分布于中-下地壳高导层，40°N以北的感应电流分布于上地幔高导层，表明其电流深度分布相差几十千米。由于该感应电流的周期较长，章鑫等(2020)基于稳恒磁场和Biot-Savart定律，采用SVD反演法计算了地磁低点位移异常期间地磁日变化畸变场感应电流，发现其深度分布为20~200km左右，表明感应电流上下大跨度的分布是可能的，可以理解为由于地下高导层是三维立体分布的，一些高导层分布范围从上地幔延伸至地壳内(章鑫等，2020；阮帅等，2020；李世文等，2020；叶涛等，2018；杨文采等，2020)。

综上所述，地震可能更容易发生在位于中-下地壳高导层的重叠异常端部(图 1(a)、1(g)、1(h)、1(i))，而并非上地幔高导层重叠段的端部(图 1(b)~1(e))。基于统计，地震容易发生在重叠段端部，而中-下地壳重叠异常最靠近震源，因此，地震应该更可能发生在中-下地壳重叠段端部。

另外，李赫等(2017)研究结果表明，唐山4.8级地震震源深度为10km，由于感应电流重现异常的走向或与上地幔高导层顶面界埋深(80~90km)走向一致，或与中-下地壳高导层顶面界埋深(20km)走向一致，因此，这些地磁日变化感应电流重现异常均发生在震源下方的中-下地壳和上地幔高导层，且是可以精确定位的异常(章鑫等，2020)。

3 机理讨论

南、北半球各有1个分布于地幔和地壳的环状地磁日变化感应电流，该环状感应电流每天对地球进行一次扫描(Brace et al，1965；赵旭东等，2014)，且空间分布一般是基本不变的。由于地磁日变化相关异常线重现段走向与中-下地壳和上地幔高导层顶面界埋深走向一致，说明沿重现段的高导层在电性方面出现短时间高导电流通道，并且由于平时没有重叠异常，因此，该高导电流通道平时在电性方面是不导通的。壳幔电性结构由高导体与高阻体相间分布构成，从深部速度与电性结构勘探结果(李冉等，2014；程远志等，2015；孙翔宇等，2020；叶涛等，2018、2021；彭聪等，2018；瞿辰等，2020；曲中党等，2018；阮帅等，2020；李世文等，2020；杨文采等，2020)不难看出，高导层也是由一系列电导率略有差异的高导体相间分布组成的，为方便描述可以将高导层内电阻率相对较高的高导体称为亚高导体，即高导层是由高导体与亚高导体相间分布构成的。由于这些亚高导体的存在，高导层内各高导体之间在电性上平时是不导通的，因而无法形成高导电流通道。

板块构造理论认为，地幔柱将板块俯冲到地幔深部的物质带回到浅部，使得地幔热流体自下向上迁移，地幔柱是深部热流体的上涌(许志琴等，2018；卢焕章，2019；徐常芳，1997、1998)，如太平洋板块在中国东部之下的俯冲引起了软流圈热物质上涌(杨峰，2019)，印度板块俯冲导致青藏高原中-下地壳至上地幔存在的黏滞性流体出现上涌(朱介寿等，2017)。由于高导层内有流体分布，当深部热流体上涌时，高导层内流体在深部热流体上涌推动作用下挤入高导层内的亚高阻体，导致亚高导体电阻下降，如此可以在高导层内形成短时间的高导电流通道；同时，深部热流体上涌会推动高导层周边高阻体出现带有上拱性质的相互拆离滑动(牛树银等，2003)，导致高阻体周边高导层内亚高导体的松动，高导层热流体侵入松动的亚高导体并造成其电阻下降，这是一个互动和传递过程。

为了更形象地说明这一过程，图 5给出了高阻体、高导层及其亚高阻体平面分布模型，其中深灰色表示高导层两侧的高阻体，红色表示高导层内的高导体，浅红色表示高导层内的亚高导体。高导层走向参考了本文2个主要重叠段走向，一个为SN反C走向，一个为EW走向，与前文解释相对应，SN反C走向高导层北段位于上地幔90km左右，南段位于中-下地壳20km左右，EW走向高导层位于中-下地壳20km左右，5号亚高导体位于2012年5月28日唐山4.8级地震位置，需要说明的是，其他亚高导体没有具体依据。

依据唐山4.8级地震总结重现异常的时空动态变化过程，图 5中的SN反C走向高导层在2009年4月17日出现热流体挤入亚高导体，该高导层在这一天形成SN反C走向高导电流通道(图 1(a)中地震左侧蓝色线条SN反C走向部分)，其后4月22日南段出现高导电流通道，出现图 1(a)的重叠现象(图 1(a)中地震左下侧蓝绿色线条重叠部分)，且图 1(a)的重叠现象说明4月17日和4月22日南段均出现了高导电流通道；之后4月25日北段出现高导电流通道，出现图 1(b)重叠现象(图 1(b)中地震左侧蓝绿色线条重叠部分)，图 1(b)重叠现象说明4月17日和4月25日北段均出现高导电流通道。2011年9月9日EW走向高导层出现高导电流通道，其后9月12日和9月22日分别出现2次高导电流通道，出现图 1(g)、1(h)、1(i)重叠现象，说明2011年9月9日、12日和22日EW走向高导层均出现了高导电流通道。

SN反C走向短时间高导层高导电流通道可能是深部热流体上涌导致深部上涌的热流体和高导层内热流体挤入其亚高导体所致，该过程导致Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号高阻体出现带上拱性质的相互拆离滑动，导致EW走向高导层内的亚高导体出现松动，EW走向高导层内热流体侵入松动的亚高导体，EW走向高导层出现短时间高导电流通道。此外，也可能是深部热流体上涌直接导致Ⅰ号高阻体相对Ⅱ、Ⅲ号高阻体出现相互拆离滑动，导致SN反C走向高导层内亚高导体出现松动，深部上涌的热流体及高导层内热流体直接挤入亚高导体，导致SN反C走向高导层形成短时间高导电流通道，其后Ⅱ、Ⅲ号高阻体出现相互拆离滑动并形成短时间高导电流通道。在以上过程中，5号亚高阻体未出现松动，由图 2(j)可以看出，此处没有重叠段分布，需要注意的是唐山4.8级地震就发生在此处。

4 结论

地震发生前，震中附近会出现线状集中分布地磁日变化感应电流异常，并在10天左右内原地重现，即不同日期感应电流线出现重叠。不同时间发生的重现异常可能会反复出现在一条最长的线状集中分布感应电流线上，但出现部位可能有所不同；各重叠段在空间上也可能部分重叠，甚至完全重叠，即不同时间发生的重叠段在空间分布上也是部分重叠或完全重叠。这些感应电流重叠段走向与中-下地壳和上地幔高导层顶面界埋深走向一致，说明在这些异常日沿重叠段的高导层出现了短时间高导电流通道。这些通道每天被壳幔中环状地磁日变化感应电流扫描经过时，感应电流会呈线状集中分布于此，并基于趋肤效应分布其于高导层顶面附近，由于平时没有重叠异常出现，因此，推测高导层中的这种高导电流通道平时是不导通的。事实上，壳幔中高导体与高阻体一般情况下是相间分布的，高导层也是由一系列电阻略有差异的高导体相间分布组成，高导层内电阻相对较高的高导体可以称为亚高导体，高导体与亚高导体相间分布构成高导层，由于这些亚高导体的存在，高导层内各高导体之间在电性上平时是不导通的，因而无法形成高导电流通道，也正是因为这样，平时不会出现线状集中分布地磁日变化感应电流分布。然而，当深部热流体上涌时，在深部热流体上涌推动作用下，以及在高导层周边高阻体的带上拱性质的相拆离滑动推动下，深部上涌的热流体及高导层内热流体挤入高导层内亚高导体，导致亚高导体电阻下降，高导层内出现短时间高导电流通道，当地磁日变化感应电流扫描经过该高导电流通道时，感应电流会呈线状集中分布于此；同时，这一过程又会推动高导层周边高阻体出现相互拆离滑动，导致高阻体周边其他高导层内亚高导体出现松动，热流体侵入松动亚高导体并造成其电阻下降，形成新的高导电流通道，这是一个互动和传递过程，主要发生在震源下方中-下地壳和上地幔高导层。重叠段异常不同于震源附近及其震源至地表的其他地震异常，该异常的地震对应率高，并可以精确定位。经统计，地震震源主要位于重叠段端部及其附近，但更可能位于中-下地壳重叠段的端部，这一现象符合常识，因为基于统计，地震容易发生在重叠段端部，而中-下地壳重叠异常最靠近震源，因此，地震应该最可能发生在中-下地壳重叠段端部。

经过对重叠段走向与高导层顶面界走向关系的对比分析，结合目前地磁学基本理论和现有深部电性结构以及高导体产生原因的现有研究认知，本文定性分析了短期原地重现的线状集中分布地磁日变化感应电流地震异常的产生机理，认为该异常与地下电性结构短时间内的变化有关。目前，获得深部电性结构的基本方法主要来源于MT方法或磁测深方法，这些方法一般需要较长时间的观测资料，基于反演迭代才能获得稳定的结果，对于这种短时间(仅1~2天)内高导带的变化验证起来非常困难，但是一个可行的方法是通过研究重叠异常期间感应电流随时间的三维分布变化，利用反演结果进一步推测深部电性结构发生的可能变化，因此对该异常的深入研究验证工作可进一步推进地震孕育与发生机理研究。

致谢: 感谢中国地震局地球物理研究所国家地磁台网中心提供的全国地磁数据。