震磁异常机制主要有压磁效应、膨胀磁效应、感应磁效应和动电效应等^[1-2]。通过对流动地磁矢量观测数据进行处理，得到岩石圈磁场各要素的动态变化特征，可进一步从空间上识别可靠的震磁异常信息。岩石圈磁场H矢量为直角坐标系中北向和东向分量的合成要素，2013年芦山M_S7.0地震前震中区域H矢量具有弱化特征，2014年景谷M_S6.6地震前H矢量方向散乱^[3]，2014年鲁甸M_S6.5和永善M_S5.0地震前H矢量和Z矢量在震中区域存在不同程度的转向现象^[4]，2015年新疆皮山M_S6.5地震前震中附近H矢量明显转向并具有一定的弱化特征^[5]。

震前构造应力状态的改变通常会引起多种地球物理异常的出现^[6]。根据断层整体应力状态，断层失稳过程可分为稳态、亚稳态、亚失稳态和失稳态，分别对应线性阶段、偏离线性阶段、亚失稳阶段和失稳阶段^[7-8]。2020-02-28山东济南长清发生M4.1地震，为华北地区少有的4级以上震例，震中附近存在一条或多条未探明的隐伏断裂^[9]；林眉等^[10]对山东内陆地区小震月相调制效应和b值变化的研究发现，长清M4.1地震前存在高调制比异常，低b值现象持续约2 a时间，表明该区的高应力背景，同时利用邻近泰安台记录的初动符号计算综合节面解的结果表明，背景应力场与低b值变化时段非常一致。为进一步了解岩石圈磁场H和Z矢量空间分布上的映震效果，本文经数据处理得到山东地区2018-04~2019-04和2019-04~2020-04两期岩石圈磁场H和Z矢量异常特征，同时借助“亚失稳”有关理论分析震区应力状态及异常积累的阶段性特征。

1 数据及处理

近年来中国地震局流动地磁技术团队在华北地区连续积累了多期观测数据。本次研究主要采用覆盖山东及周边区域共50个矢量测点(图 1)2018~2020年连续3期观测数据，计算2018-04~2019-04和2019-04~2020-04两期岩石圈磁场变化特征，并剔除非原点重复观测和形成单点异常的测点数据，两期计算实用测点数略有不同。各测点观测环境良好，测前通过计算现场地磁场梯度、主副桩点位差变化以检验环境质量，保证二者在规范标准内。

通过流动地磁野外观测可直接获得测量时刻测点位置处的总强度F、磁偏角D和磁倾角I三要素绝对观测数据，并通过换算得到其他各分量数据。为提取岩石圈磁场变化成分，对野外观测数据进行以下处理：1)借助测点邻近地磁台站长时段连续观测分钟值数据进行日变通化改正；2)利用中国地磁基本场6阶自然正交分量NOC长期变模型对日变通化数据集进行长期变改正至2016.0；3)采用曲面样条方法建立岩石圈磁异常模型，并根据第12代国际地磁参考场IGRF-12模型消除主磁场成分，得到岩石圈磁场信息，同时将相邻两期岩石圈磁场值相减得到X、Y和Z要素动态变化数据，将北向分量X与东向分量Y合成H矢量，得到H、Z矢量空间分布形态，具体过程可参考文献[5, 11]。

2 震磁异常特征 2.1 H矢量

震前2018-04~2019-04 H矢量空间分布(图 2(a))显示，南侧远场至近场地区方向整体由向北转为向西，东侧整体向北至近场地区发生改变，且近场局部异常一致性较好，整体向西能量较强，说明磁异常可能在发震前近2 a时间已开始积累。地震前后2019-04~2020-04 H矢量空间分布(图 2(b))显示，震中位于多向汇聚处，幅值发生一定弱化。总体来说，两期H矢量方向在震中附近均发生明显变化，发震较长时段前近场能量较为明显，而后存在弱化现象。

2.2 Z矢量

震前2018-04~2019-04 Z矢量空间分布(图 3(a))显示，震中东北侧方向以整体向下为主，幅值较低，西侧及南侧则一致向上，且近场幅值较高。地震前后2019-04~2020-04 Z矢量空间分布(图 3(b))显示，震中东北侧近场周边方向一致向上，西南侧向下，幅值较低。总体来说，震中均位于两期Z矢量上下反转交界附近，异常区内能量先强后弱。

3 震区应力状态

济南长清地震震中附近已探明多条活动断裂，根据断层几何特征、震源机制解等判断均不是发震断层^[9]。根据断层面参数及滑动角计算结果推断，发震断层为一条具有左旋走滑特征的隐伏次级断裂，长清地震的应力场与山东背景应力场不同，地震序列的局部应力场可能受控于山东地区的背景应力场与鲁中隆起的垂向差异构造共同作用^[12]。林眉等^[10]研究发现，长清M4.1地震前低b值现象持续约2 a时间，表明该区的高应力背景；同时利用邻近泰安台记录的初动符号计算综合节面解，结果表明，背景应力场与低b值变化时段非常一致。杜存鹏等^[13]利用山东地区2011~2016年连续6 a的GNSS观测数据分析得到山东地区地壳垂向形变量最大的区域为山东西南部，其次为西北部，同样可以推断本次地震前近2 a时间震区具有高应力水平的可能。

震磁异常机制主要有压磁效应、膨胀磁效应、感应磁效应和动电效应等，岩石磁学实验结果表明，岩石磁化率和剩磁强度均会随应力变化而发生改变^[14]；Sasai^[15]在大量岩石压磁实验结果基础上，结合位错理论发展得到压磁效应计算模型；宋成科等^[2]计算芦山M_S7.0地震由压磁效应引起的异常，结果表明，断层附近异常更为明显。鉴于震区具备高应力背景条件，且岩石圈磁场矢量异常区内均有活动断层分布(图 2、图 3)，由此推断，这种异常现象与构造应力状态的改变具有较好的相关性。

两期岩石圈磁场H矢量和Z矢量空间分布图显示，震区附近异常特征具有显著差异，能量由强到弱，这种差异可以通过震区断层应力状态的阶段性改变进行解释。一般断层失稳过程可分为稳态、亚稳态、亚失稳态和失稳态，与之对应的应力状态依次为线性阶段、偏离线性阶段、亚失稳阶段和失稳阶段^[7-8]，提取亚失稳阶段讨论是否进入发震准备对于地震短临预测具有重要意义。张淑亮等^[6]研究河津M4.8地震前多种地球物理观测数据的亚失稳现象发现，多数异常存在应力积累阶段、应力积累减缓阶段、亚失稳阶段和临失稳阶段，亚失稳阶段即在发震断层粘滑失稳前由应力积累转变为应力释放的相持阶段。本次震前矢量异常能量的先强后弱特征与断层失稳前后应力状态的阶段性改变较为吻合。震磁异常在震前近2 a开始积累，前期能量较强，震前低b值现象持续约2 a时间^[10]，2018年存在低点，2019年略微回升但仍处于低水平，因此岩石圈磁异常能量显著时段与高应力背景时段较为同步。综上推断，此次震前较长时间发震断层处于应力线性积累阶段，应力积累明显，导致岩石圈磁异常幅值较高，而后由于亚失稳阶段前后伴随着一定程度的异常卸载和应力释放^{[6, 8]}而形成矢量的弱化特征。造成两期异常显著差异的主要因素为应力状态的改变，而对于这种磁异常能量的先强后弱特征是否为异常演化的模式之一仍需今后更多震例研究成果的补充完善。

4 结语

利用2018~2020年山东及周边流动地磁矢量观测数据，计算得到2018-04~2019-04、2019-04~2020-04岩石圈磁场水平矢量和垂直矢量变化特征，并结合震前发震断层一般应力状态进行综合分析，主要取得以下认识：

1) 长清M4.1地震前后岩石圈磁场矢量空间分布存在较明显的震磁异常现象，近场H矢量和Z矢量幅值和方向均具有局部异常特征，震前近2 a出现异常，前期能量较强，后期存在弱化现象，异常时段与高应力背景较为一致，其中近场H、Z矢量发生明显转向，震前幅值存在较为明显的弱化现象，这与以往研究成果一致。

2) 本次岩石圈磁场异常变化特征与亚失稳有关观点具有较好的联系，推断此次震前较长时段发震断层处于应力线性积累阶段，应力积累明显，导致岩石圈磁异常幅值较高，而后矢量的弱化特征可能与亚失稳阶段前后伴随着一定程度的异常卸载和应力释放有关，反映出震前震区应力状态及磁异常具有阶段性变化。

震区岩石圈磁场局部异常能量的增强和减弱可能从一定程度上反映出较长期和短期震磁异常的阶段性特征。本文主要结合长清M4.1地震岩石圈磁场矢量异常特征与亚失稳有关理论讨论震磁异常的阶段性特征，所得观点有待今后其他震例的验证和完善，同时也说明亚失稳有关理论与地球物理异常变化特征具有较好的联系。

致谢: 本文使用中国地震局流动地磁技术团队提供的观测数据和国家地磁台网中心提供的台站数据，在此表示感谢。