0 引言

大量观测研究表明地震孕育及发生过程中伴随着地磁场的变化，国内外很多震例研究都证实了地震磁异常的存在(Nagao et al，2002；Uyeda et al，2002；Hattori，2004；李琪等，2006)。地震的孕育伴随着地球内部应力的持续加载，这个过程还会产生电磁辐射异常(黄清华，2004；Ren et al，2015；郝锦绮等，2022；张建国，2017)。我国是世界上发现地震电磁现象最早、也是开展这方面研究最早的国家之一，特别是1976年唐山地震后相关研究发展迅速，直至1986年全国地震电磁辐射观测台站已发展到50多个，积累了大量的震例。1979年8月9日保山5.1级地震前，CG-1型仪器(1~0.01Hz频段)发现明显电磁脉冲(耿胜利等，1981)；1979年7月9日溧阳6.0级地震前，距震中80km的南京观测点记录到超低频临震电磁波信息(张德齐等，1981)；河北地震电磁辐射台网在20世纪80年代记录到数次震前的ULF信号(陈智勇，1998)。在国外，1988年的斯皮塔克地震和1989年的洛马·普列塔地震前发现了地震磁扰动信号(超低频电磁辐射)(Kopytenko et al，1993；Fraser-Smith et al，1990；Bernardi et al，1991；Molchanov et al，1992)。此后，对地震磁扰动的研究引起了国内外学者的广泛关注(Nagao et al，2002；Hayakawa et al，2004；Hattori，2004；李琪等，2008；张建国等，2013；Xu et al，2013；姚休义等，2018；樊文杰等，2021；冯丽丽等，2021；管贻亮等，2022)。

地震信号往往来源于地下，要有效提取地震磁扰动信号，最重要的是要突出源于地下震源区的异常信号，抑制源于外源场的信号。对于一次源位于地壳内、频段几百秒至几百赫兹(ULF)的磁扰动信号，Molchanov等(1995)采用几种不同的电流源模型开展数值模拟获得磁信号值，结果表明，在地表观测到的磁信号垂直分量幅度大于或接近于水平分量，即一次源来自地壳内的磁场垂直分量幅度与水平分量幅度的比值大于或接近于1，地震电磁辐射信号恰恰是一次源来自地壳的电磁信号；此外，基于电磁感应理论，在地表观测到的一次源来自电离层外空磁信号的垂直分量幅度小于水平分量幅度，即一次源来自电离层的外空磁场垂直分量幅度与水平分量幅度的比值小于1。Hayakawa等(1996)基于上述理论提出了地磁垂直强度极化法(频率域)，即提取地磁垂直分量与水平分量幅度的高比值，该方法可以区分一次源来自电离层外空磁场信号与来自地壳内的磁场信号。之后其他国内外学者也开展了大量研究(Hayakawa et al，2000；Kopytenko et al，2001、2003；Ismaguilov et al，2001；Hattori，2004；Hobara et al，2004；Prattes et al，2008；Currie et al，2014；冯志生等，2010；Li et al，2011；李琪等，2015)。冯志生带领团队采用全国磁通门秒采样数据，开展了5~100s频段地磁垂直强度极化异常多个震例的研究(何畅等，2017；贺曼秋等，2019；廖晓峰等2019；樊文杰等，2020；艾萨·伊斯马伊力等，2020；管贻亮等，2021；李霞等，2021)，并总结出地磁垂直强度极化值异常时空分布特征及其与地震的关系(樊文杰等，2021；冯丽丽等，2021)，形成了较为完备的预测指标(中国地震局监测预报司，2020；管贻亮等，2022)，但该指标预测时间较长，短临特征不突出，可能漏掉了一些地震短临异常信号。

曾小苹等(2011)采用磁通门三分量秒采样资料，计算每分钟内的地磁变化幅度(时间域)，获得了窗长为1min的磁场三分量变化幅度，并提取了2008年5月12日汶川8.0级地震前短临阶段的异常，为描述方便，本文暂且将固定窗长的变化幅度计算方法称为脉冲幅度法。冯志生等在上述脉冲幅度方法的基础上进行了改进，将脉冲幅度法和地磁垂直强度极化法相结合，提出一种更易于异常识别的方法，称为地磁脉冲幅度的垂直强度极化法，本文将使用该方法计算成都台磁通门秒数据，开展汶川8.0级地震前的异常特征分析。

1 方法原理与采用资料

Hayakawa等(1996)提出的地磁垂直强度极化法计算如下

$ R_{z h}=\left|\frac{Z(\omega)}{H(\omega)}\right|>R $

(1)

$ H(\omega)=\sqrt{H_x^2(\omega)+H_y^2(\omega)} $

(2)

其中，Z(ω)为地磁垂直分量的谱幅度值，H(ω)为地磁水平分量全矢量的谱幅度值，H_x(ω)为地磁水平分量SN向谱值，H_y(ω)为地磁水平分量EW向谱值，ω为圆频率。R为某一相对固定值，根据该方法原理，R一般应大于1。

这种基于傅里叶变换频谱分析的垂直强度极化方法对脉冲形式的异常有平滑和抑制作用，其更适用于平稳信号的处理，对于非平稳、非周期信号的处理效果并不理想(郝国成，2014)。而前人在观测中发现震前的电磁辐射异常形态多为脉冲状、越轨波形、锯齿、波动、突变、方波、不规则正弦波等非平稳、非周期信号，其中以脉冲状居多(王继军等，2005)。

为此，冯志生带领团队运用川滇台阵，采用某一计算窗长内的幅度A_z、A_Hx、A_Hy替代式(1)、式(2)中的Z(ω)、H_x(ω)、H_y(ω)，即

$ A_{z h}=\left|\frac{A_z}{A_H}\right|>A $

(3)

$ A_H=\sqrt{A_{H_x}^2+A_{H_y}^2} $

(4)

其中，A_z、A_Hx、A_Hy分别为计算窗内垂直向、SN向和EW向分量的变化幅度。本文将采用式(3)、式(4)的方法开展研究工作。

2007—2008年期间，四川省大多地磁台站无数据记录，距汶川8.0级地震震中较近的有四川崇州台、成都台、松潘台、江油台、道孚台，其中道孚台仪器型号为FHD，不适用于本文研究，而其余台站中仅距离汶川地震震中约36km的成都台有数据记录，所以本研究选取成都台进行计算和研究(图 1)。成都台观测仪器型号为磁通门磁力仪(M15型)，采样率为1s。选取汶川8.0级地震前成都台的秒数据，首先计算Z、H和D三分量的1min窗长变化幅度(脉冲幅度)，再运用式(3)、式(4)计算获得脉冲幅度的垂直强度极化值。

2 计算结果及初步分析

图 2为2008年1月1日—5月12日14时21分成都台Z、H(H_x)、D(H_y)三分量1min窗长脉冲幅度时序图，由 图 2可以看出，Z分量及H_x分量在汶川地震前(汶川地震发震时刻为2008年5月12日14时28分)数据变化与背景值相当，无明显可识别的异常变化，H_y分量在2008年3月后有异于背景值的变化，但一般来说水平分量的变化与地下介质变化关系不大，且从前文所述原理及计算方法中可知H_y的高值并不会使得脉冲幅度的垂直强度极化值产生高值，所以极化高值不受H_y分量高值的影响。图 3为2008年5月1—12日14时21分的地磁三分量脉冲幅度变化，从图中也很难识别出地震前的显著大幅短临异常信号，所以单纯的脉冲幅度法可能很难提取到异常。

图 4为2007年5月9日—2008年5月11日成都台脉冲幅度垂直强度极化值分钟值(图 4(a))、极化值每日最大值(图 4(b))以及超阈值频次统计(图 4(c))时间序列曲线。图 4(a)、4(b)显示，汶川8.0级地震前73天左右(2008年2月28日)，极化值出现相对背景值的大幅变化，最高值达25.3，在震前异常波动时段内，有2个时段呈现较弱的状态，分别为3月16—27日、4月23日—5月8日，说明异常幅度有强弱交替的现象。图 4(c)为脉冲幅度极化值超过阈值的日频次时序图，本研究将阈值设定为1，图中显示2008年1月30日后频次变化明显高于背景值，但由于2月2—27日期间缺数，无法判定自1月后是否持续高值，但可以明确的是自2008年3月以来，频次明显高于背景值，期间有一定起伏，其相对低频时段与极化值相对低值的时段几乎一致，同样具有强弱交替的现象。此外，2007年8月24日脉冲幅度极化值出现单日异常，相应的超阈值频次未出现同步高值变化，认为该异常为干扰的可能性大。

3 结论与讨论

(1) 曾小苹等(2011)利用脉冲幅度方法计算了2008年5月1—12日成都地磁台秒数据，结果显示成都地磁台在汶川地震前1天(即5月11日)出现了最大幅度突变，出现异常的时间分别为：磁偏角D在地震前31h、水平分量H在震前36h、垂直分量Z在地震前24h。本文利用曾小苹等(2011)所述方法对成都地磁台数据(M15型)进行了脉冲幅度计算，计算结果显示，在震前一天(即5月11日)的脉冲幅度最大值与前期差异不明显，并未出现最大幅度突变，与曾小苹等(2011)研究结果有差异。

(2) 本文利用2007年5月—2008年5月成都地磁台数据(M15型)开展了脉冲幅度的垂直强度极化值计算，结果显示2008年2月28日(汶川8.0地震前约73天)脉冲幅度极化值持续出现大幅波动，其幅度超过2倍均方差。统计脉冲幅度极化值超阈值日频次发现，频次异常与极化值异常出现时间较为一致，且同样存在持续的高频异常，持续时间约73天。王玮铭等(2023)利用川滇磁扰动台阵数据，分析了2021年9月16日四川泸县M_S6.0地震前地磁脉冲幅度垂直强度极化异常，结果显示德阳台在震前37天左右出现了极化值与超阈值频次异常，且频次异常持续时间达23天；荥经台在震前67天左右出现异常，超阈值频次异常持续时间18天，异常有强弱的变化，本文研究结果与其相似。由此，同时将极化值持续异常与超阈值频次持续异常作为异常判定的依据，可以增加异常的可信度。本文的异常持续时间为个例，今后还需进一步开展震例总结。

(3) 在汶川8.0级地震前脉冲幅度垂直强度极化值大幅波动的时段内，出现了异常幅度强弱交替的现象，分别在3月16—27日、4月23日—5月8日两个时段呈现较弱的状态，超阈值日频次几乎也在相应的时段呈现相对低频状态。王继军等(2005)总结认为，地震前电磁异常信号不连续，具有明显的阵发性和成丛性，多数震例显示，地震前电磁异常信号还具有弱—强—弱—平静发震的变化过程，本文研究结果与其相似。

综上，本文采用成都台磁通门磁力仪秒数据开展了1min窗长脉冲幅度的垂直强度极化法计算，分析了2008年汶川8.0级地震前的异常特征，提取了震前约73天的短临异常，异常呈现强弱交替的现象，该特征是否具有普遍性，还需要做更多的震例研究。

致谢: 文中使用的地磁数据来源于中国地震局地球物理研究所国家地磁台网中心，在此表示感谢；本文在撰写过程中得到冯志生研究员、龙锋研究员、李鸿宇高级工程师的帮助，在此向他们表示衷心感谢。