0 引言

大量观测研究表明地震孕育和发生过程中伴随着地磁场的变化，国内外很多震例研究均证实了震磁异常的存在(Nagao et al，2002；Hattori，2004；杨杰，2020)。1995年，日本科技厅启动了“国际地震前沿研究”课题，旨在通过地表电磁场的观测来研究地震电磁前兆现象，研究团队在日本关东地震活跃地区先后布设了多达15个超低频电磁观测台站。经过数十年的长期连续观测，积累了大量宝贵的地震电磁观测资料，并在此基础上获得了一批研究成果，于1923年关东7.8级、1978年宫城7.4级、1993年关岛7.1级地震前捕捉到显著的震磁异常信号(Hayakawa et al，1996；Hunt，2005；Hattori，2004)。1997年，日本又在房总半岛布设了多个磁通门台站和1个地磁台阵，期间在鹿儿岛6.5级和6.3级地震以及伊豆震群前观测到电磁异常信号(Hayakawa et al，2004)。为拓展研究区域，1999年，日本和俄罗斯的研究学者通过合作，在俄罗斯卡尔姆希诺地区的地震活跃区布设了包括电磁观测在内的综合前兆观象台，该台阵与日本的观测台阵组成跨国综合观象台，结合研究区70km以内的5.0级以上地震开展了震磁异常研究，在一系列中强地震前成功提取到地磁异常信号(李琪等，2008；Uyeda et al，2002)。2002年，为系统研究震磁信号传播特征，意大利和匈牙利的科学家建立了南欧地磁台阵(South European Geomagnetic Array，简称SEGMA)，各测点均架设有三分量磁通门磁力仪，测点间距150km。Prattes等(2008)和Villante等(2010)分别分析了2004年7月12日博伟茨5.2级和2009年4月6日拉奎拉6.3级地震前所有测点地磁观测数据，在震中距最近的台站提取到显著震前地磁参数高值异常。

我国也开展了电磁综合台阵的观测和研究工作，2002—2005年先后在甘肃天祝、四川西昌布设了由8~9个磁通门测点组成的地磁台阵，2013年在云南滇西北洱源地区布设了16个地磁台阵测点，2014年又在晋冀蒙恒山断裂带两侧布设5个磁通门测点组成的台阵，此外，在新疆喀什、重庆三峡等地区也布设有地磁观测台阵，产出了一系列震磁异常研究方面的成果(王晓美，2018；李琪等，2015、2016；袁伊人等，2015；张亮娥等，2018；杨学慧等，2020；杨杰等，2021)。为进一步开展孕震机理和地震前兆异常信息提取技术研究，2021年，依托国家重点研发计划课题“典型活动断裂带密集综合台阵监测与研究应用示范”，在小江断裂中南段布设了由110个间距10km的测点组成的高密度地磁观测台阵。本文基于该高密度地磁观测台阵数据，利用地磁加卸载响应比和地磁日变幅逐日比方法对2022年11月19日测区附近发生的云南红河5.0级地震进行了震前磁异常信号提取及异常特征分析。

1 数据和处理方法 1.1 观测数据

据中国地震台网正式测定，北京时间2022年11月19日1时27分，云南省红河州红河县发生5.0级地震，震源深度8km，发震构造为红河断裂，震源机制解为走滑型。距震中40km的东北区域，即小江断裂中南段，布设了由110个测点组成的高密度地磁观测台阵，测点间距约为10km，每个测点架设了三分量磁通门磁力仪，采样率为1Hz，连续记录地磁偏角(D)、水平分量(H)和垂直分量(Z)的变化。各测点于2021年12月底布设完成，2022年1月1日正式运行，目前已积累了11个月的秒采样观测数据，台阵布设和震中分布如图 1所示。为便于分析，将110个地磁测点按照数字000~130进行编号。

1.2 数据处理

地磁静日变化(Solar Quiet Variation，简称S_q)是中低纬地区地磁日变中最主要组成成分，这种变化磁场主要起源于电离层发电机电流，携带磁层、电离层和太阳潮汐风场的重要信息(徐文耀等，1993)，同时，这种变化磁场在导电的地球内部产生的感应电流又携带着地球内部介质的电磁信息，成为研究地球内部电磁结构和构造运动的重要资料(徐文耀等，1993；李霞等，2022)。研究发现，地球表面局部小区域内(除一些特殊的磁异常区外)若干点的地磁静日变化形态基本一致(朱兆才，1989)。当观测点静日变化形态或幅度偏离正常变化时，称为地磁日变化异常。

1.2.1 地磁加卸载响应比

由于地壳的屏蔽作用，外源变化磁场在导电的地球内部产生的感应电流可看作近地表的水平电流，与地表的地磁观测仪器处于同一水平面，根据电磁感应原理，地下电性结构的变化导致的感应场变化主要体现在垂直分量Z上(姚休义等，2017；李琪等，2006；张志宏等，2019)。因此，地磁垂直分量日变化幅度前后几天的差异可能来自地壳介质电导率的改变，这种变化可能与地震有关(李霞等，2022)。受力学上的加卸载响应比在地震预测方面的应用启发，曾小苹等(1996)将扰日太阳风视为加卸载量，地磁垂直分量日变化幅度R_Z作为响应量(李霞等，2022)，地磁垂直分量日变化幅度极大值R_Z(max)定义为加载响应，极大值R_Z(max)出现之后的第一个极小值R_Z(min)为卸载响应。因此，加卸载响应比P(Z)为地磁垂直分量Z日变化幅度极大值与其后的第一个极小值之比，即

$ P(Z)=\frac{R_Z(\max)}{R_Z(\min)} $

(1)

式中，R_Z(max)为地磁垂直分量日变化幅度极大值，R_Z(min)为R_Z(max)出现之后的第一个极小值(张志宏等，2019；李霞等，2022)。戴苗等(2017)梳理了2008—2018年中国大陆各个区域中强地震前地磁加卸载响应比的变化特征，总结了异常空间分布与地震的关系，并建立了中国大陆南北地震带、华北地区、东北地区地震预测指标体系，其中南北地震带区域的地磁加卸载响应比阈值为3.0，当比值超过3.0则定义为异常，若有3个以上台站同步出现异常，则可能与地震有关。

1.2.2 地磁日变幅逐日比

冯志生等(2000)在利用加卸载响应比进行江苏地区地震日变化异常特征分析时发现，地磁垂直分量Z前后两天日变幅比值的高值异常与台站附近的地震有较好的对应效果，将垂直分量Z前后两天日变幅的比值定义为地磁垂直分量日变幅逐日比，并建立了江苏地区的逐日比异常指标(郭明瑞等，2020)。

地磁日变幅逐日比是地磁垂直分量某一天和后一天日变化幅度的比值，即

$ YZ=\frac{R_Z t_1}{R_Z t_2} $

(2)

$ t_2=t_1+1 $

(3)

式中，R_Z为地磁垂直分量日变化幅度，t为观测日期。前人对南北地震带地磁逐日比的研究表明，当逐日比比值超过3.0时，与南北地震带中强地震具有较好的对应关系，本文沿用前人的研究结论(中国地震局监测预报司，2020)，当有3个以上台站同步出现逐日比超过3.0的情况，则定义为逐日比异常。

2 结果及异常分析

按照上述数据处理流程，计算了2022年1月1日至11月18日测区110个磁通门测点数据的地磁加卸载响应比和地磁日变幅逐日比，并分析了两种地磁异常与2022年11月19日红河5.0级地震的关系。

2.1 地磁加卸载响应比异常分析

按照3个以上测点同时超过3.0阈值的指标，梳理了测区110个地磁测点加卸载响应比计算结果，发现2022年10月20日编号043、052、068三个测点出现了同步高值异常(图 2)。袁桂平等(2018)研究发现，磁暴活动对地磁垂直分量Z日变形态有一定的影响，在无磁暴时的加卸载响应比和日变幅逐日比异常对地震的短临预测更有意义，而异常时间段磁暴的发生会降低以上两种方法的可信度。为确定2022年10月20日043、052、068测点同步异常的可信度，对该时间段磁场活动水平进行了排查。D_st指数显示，2022年10月20日D_st指数为5nT，前后数天的D_st指数绝对值也低于30nT，意味着异常日及前后时间段均无磁暴发生^①，043、052、068测点加卸载响应比同步高值异常并非由磁暴引起。此外，对异常时段内043、052、068测点观测数据进行排查，不存在人为干扰的情况。因此，2022年10月20日043、052、068测点同步异常是真实存在的。当异常出现1个月后，发生了2022年11月19日红河5.0级地震，排除磁暴和人为干扰后，认为11月20日存在的多测点加卸载响应比同步高值异常与其后1个月发生的红河5.0级地震有关。

① https://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dst_realtime

为进一步分析同步加卸载响应比异常特征，绘制了异常测点空间分布图(图 3)。从图中可以看出，043和068两个测点分布在测区南部，震中距分别为73km和64km，而052测点位于测区最北部，震中距较远，为163km。戴苗等(2017)和李霞等(2022)研究发现，中强地震前地磁加卸载响应比异常范围较大，震中距较远的台站也能记录到异常。从异常幅度上看，距震中最近的068测点其加卸载响应比异常幅度最大，为3.36，距震中最远的052测点其加卸载响应比异常幅度最小，为3.02。图 4给出了加卸载响应比异常幅度随震中距的变化，随着震中距变大，异常幅度逐渐变小。黄清华(2005)模拟了地球内部产生的地震电磁信号在地壳中的传播特征，发现低频信号随距离的增大呈指数衰减(Huang et al，1998)，从本文的研究结果来看，异常幅度随震中距的增大而减小。

2.2 地磁日变幅逐日比异常分析

按照3个以上测点同时超过3.0阈值的指标，梳理了测区110个地磁测点日变幅逐日比计算结果，发现2022年9月7日编号008、037、052、060、062、076六个测点出现了同步高值异常(图 5)。D_st指数显示，2022年9月4—5日D_st指数低至-48nT和-44nT ^②，同时K_p指数连续达到5+和6+，意味着9月4—5日出现了小磁暴。随后D_st指数逐渐增大，9月7日和9月8日D_st指数已增大至-29nT和-26nT，磁暴活动结束，磁场活动逐渐恢复正常。袁桂平等(2018)认为，对于地磁日变幅逐日比方法而言，在有磁暴的情况下，如果异常当日D_st磁暴指数小于第二日，异常依旧有一定的可信度。因此，2022年9月7日008、037、052、060、062、076六个测点出现的日变幅逐日比高值异常与磁暴活动无关。此外，对异常时段内008、037、052、060、062、076测点观测数据进行排查，不存在人为干扰的情况。因此，2022年9月7日008、037、052、060、062、076测点同步高值异常是真实存在的。异常出现两个半月后，发生了2022年11月19日红河5.0级地震，排除磁暴和人为干扰后，认为9月7日存在的多测点日变幅逐日比同步高值异常与其后的红河5.0级地震有关。

② https://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp/dst_realtime

异常测点空间分布图(图 6)显示，2022年9月7日日变幅逐日比高值异常测点主要分布在测区西北角，远离震中的区域。距离震中最近的为008测点，震中距为120km，9月7日的日变幅逐日比达到4.85；距离震中最远的测点为052测点，震中距163km，日变幅逐日比为4.21。异常幅度随震中距的变化(图 7)显示，随着震中距逐渐增大，9月7日的日变幅逐日比呈波动衰减，062和052测点出现了波动变化，但整体趋势仍呈现出震中距越大，异常幅度越小的变化特征。

3 异常机理分析

地磁加卸载响应比和日变幅逐日比均是基于地磁垂直分量Z的日变幅度计算，两种方法出现异常的原因均为垂直分量Z日变形态出现畸变，日变幅异常增大或者减小，最终导致比值出现超阈值现象。图 8以加卸载响应比为例，给出了2022年10月20日正常测点(编号022)和异常测点(编号052)的日变化曲线。地磁静日垂直分量Z正常日变化曲线为典型的单低点V型曲线，日变化幅度为50nT左右。异常日变化曲线则为双低点W型曲线，且日变化幅度变小，因此加卸载响应比或日变幅逐日比出现了超阈值现象。而日变化异常的原因，则可能与地下异常电流有关。当局部电性结构存在异常高导体或异常电流时，高导体或电流两侧的垂直分量变化ΔZ通常相反(徐文耀等，1978；侯作中等，1984；袁伊人等，2015；Yuan et al，2020)。

在图 8中，用黑色虚线将正常日变补齐，可以发现畸变部分和补齐的正常日变呈相反变化，意味着正常测点和异常测点间确实存在高导带或异常电流。戴苗等(2017)、倪晓寅等(2022)、戴勇等(2022)和冯志生等(2020)关于地震地磁日变化异常空间分布的研究表明，大部分中强地震发生在阈值线(3.0)附近，认为在震前地磁日变化异常日，阈值线附近存在异常感应电流，导致阈值线两侧台站记录到的地磁日变低点出现反向，即阈值线一侧的地磁日变产生了畸变，从而导致地磁加卸载响应比和日变幅逐日比出现高值异常。本文研究认为，2022年11月19日红河5.0级地震前，地磁加卸载响应比和日变幅逐日比异常的形成机制与前人的研究结果相符，均为震前异常感应电流导致日变化畸变。但在本文的研究中，地震并未发生在阈值线附近，这可能与台阵观测数据质量有关。由于布设的110个测点均为无人值守的临时观测点，数据连续率和完整率均比较低，部分测点在异常时段存在缺数和严重干扰的情况，导致部分测点的数据不可用。

4 结论与讨论 4.1 讨论

研究表明，5.0级以上地震对应的地磁加卸载响应比和日变幅逐日比异常范围较大，通常在300km以上，且地震多发生在阈值线附近区域。戴苗等(2017)关于南北地震带中强地震的研究中，与本次红河地震震级相当的2008年2月5日甘肃肃南5.0级、2009年11月9日四川遂宁5.0级地震的加卸载响应比异常范围均超过500km，这与Hattori(2004)统计的0.025R≤M-4的震级-震中距关系不符，可能是因为日变化周期较长，影响范围较大。而Hattori(2004)的统计主要基于ULF频段震磁研究结果展开，周期较短，影响范围也较小。此外，震中距较近的测点无异常，震中距超过100km的测点却出现异常，无规律的异常空间分布一直是困扰地震地磁研究乃至整个地震前兆研究领域的问题。黄清华(2005)在模拟地球内部产生的地震电磁信号在地壳中的传播特征时发现，边界条件和震源的位置、强度等对电磁信号的分布特征影响甚微，而信号的绝对大小和频率则直接影响着电磁信号的分布。这意味着异常分布与震源位置、震级强度并无太大关系。但震中距越大、异常幅度越小的特征与黄清华(2005)的模拟结果较为一致(Huang et al，1998)。

从空间分布上看，异常测点主要分布在与发震构造红河断裂垂直的震中东北区域，这与地震震源机制解和测区电性结构有关。杜学彬等(2006)统计发现，地震孕育晚期大部分视电阻率各向异性变化与震源机制解有关。本次红河地震的震源机制解界面Ⅱ作为发震断层面，走向为297.9°，在震源区及附近其正交方向挤压作用突出，介质内部竖向微裂隙发育，导电水溶液快速进入或重新分布，产生沿最大加压方向快速、大幅度变化的真电阻率各向异性变化，所以产生了垂直加压方向快速、大幅度变化为主的视电阻率各向异性变化(杜学彬等，2006)，视电阻率变化导致感应磁场也同步变化。另一方面，由于是无人值守临时观测台阵，数据连续率和完整率均比较低，因此本文记录到的异常区域并非实际异常区域，故异常区域分布与前人的研究结果也存在差异。

4.2 结论

基于小江断裂中南段布设的高密度磁通门台阵观测数据，利用地磁加卸载响应比和日变幅逐日比两种方法分析了2022年11月19日云南红河5.0级地震前地磁日变化异常特征。研究结果显示，2022年10月20日(地震前1个月左右)，043、052、068三个测点出现了同步加卸载响应比高值异常；此外，2022年9月7日(震前两个半月左右)，008、037、052、060、062、076六个测点也同步出现了日变幅逐日比高值异常。排除磁暴影响和人为干扰后，认为上述多测点同步高值异常与红河5.0级地震有关。虽然大部分异常测点分布在震中距较远的区域，但异常幅度均呈现出震中距越大、幅度越小的特征。