地震是地壳应力不断积累最终以地震波的形式释放应力的过程，如何准确识别断层在震前所处的应力状态对于地震中短临预报极为重要。为突破这一研究瓶颈，马瑾等^[1-2]提出亚失稳理论。该理论的核心认为地震是一个应力过程，断层在应力不断变化过程中经历稳态-亚稳态(LO)-亚失稳态(OB)-失稳态(BE)4个主要阶段(图 1)。在稳态及亚稳态阶段，断层经历从应力匀速增加的弹性变形阶段到应力非匀速增加的弹性与非弹性转换变形阶段，OB为亚失稳阶段，BE为失稳阶段，此时断层发生错动并引发地震。断层在应力达到峰值后进入亚失稳阶段，并且随后进入不可逆的失稳阶段，因此认为该阶段的应力与地震具有唯一性。目前亚失稳研究在室内岩石实验中已取得显著成果，能够准确识别出亚失稳阶段。但室内研究的点观测数据仅代表该点的应力状况，因此本文重点研究如何从众多的野外测点数据中得到区域应力总体变化以及如何利用亚失稳理论来有效识别震磁异常。

岩石圈磁场是地壳和上地幔中岩石磁性的总和，一般来讲，岩石圈磁场变化是以地质年代为周期进行计算，然而岩石圈局部的剧烈变化，如火山爆发、地震等也会引起区域岩石圈磁场的快速变化^[3-4]。中国地震局流动地磁团队通过在华北地震带、南北地震带、南北天山地震带等区域均匀布设高密度的地磁测点来开展半年/年尺度的岩石圈磁场要素测量，发现许多震磁异常的共性^[5-7]，如震中位置与岩石圈磁场的磁偏角、磁倾角零变线、总强度梯度带具有一定的对应关系，再如M_S7.0以上地震的震中分布与岩石圈磁异常场的磁偏角、北向分量、东向分量以及垂直分量零值线的分布位置有关等。该团队对岩石圈磁场异常的研判结果也逐渐成为地震危险区预测的有力支撑。本文通过研究岩石圈磁场水平矢量大小和方向的异常变化，结合亚失稳理论分析四川地区地震前后岩石圈磁场水平矢量异常变化与亚失稳各阶段的对应关系，以期为今后地震预测及震磁关系的研究提供佐证。

1 研究区岩石圈磁场水平矢量变化特征

在地震孕育和发生过程中，岩石圈岩石磁化率受温度、应力等因素影响会发生改变，进而导致岩石圈磁场发生变化。本文认为岩石圈磁场水平矢量变化能直观反映岩石圈磁场能量大小及磁场方向变化，其年变化异常特征与震中具有较好的对应关系，并在震磁关系研究中总结出两种比较特殊的规律：一是水平矢量在大范围内呈现出方向一致性且量级相当，但在局部地区方向会发生改变且量级减小，而这个局部区域即为发震位置，其代表震例有芦山M_S7.0地震；二是水平矢量在大范围内呈现出内、外2个区域，外部方向存在一致性且量级相当，而内部方向无规律且量级小，内、外区域的交汇处即为发震位置，其代表震例有德钦M_S5.9、永善M_S5.3和鲁甸M_S6.5地震。综合上述结果，本文以岩石圈磁场水平矢量的时空变化为研究对象，并约定岩石圈磁场水平矢量出现以上两种局部量级减小(一般为水平矢量最大长度的20%)、方向无规律变化或改变称为岩石圈磁场水平矢量的弱变化现象，将矢量量级减小、量级减小幅度以及矢量方向的转弯角度分别称为“低值”、模的“梯度”以及旋转“角度”。基于大量震例分析结果，将“低值”、模的“梯度”和旋转“角度”按照60:25:15的权重绘制的弱变区最能反映地震引起的磁异常信息。本文讨论的弱变区均按照以上论述结果生成，在研究区的各测期形成许多弱变区，同时梳理震中附近以及弱变区内水平矢量的变化形态。

1.1 数据来源及处理

本文研究区为四川及周边地区(27°~33°N, 99°~107°E)，区域内2010~2014年共有74个流动地磁测点(各期测点数略有不同)，测点分布情况见图 2，测点平均间距为70 km。野外观测所需的设备包括阿什泰克单频GPS差分仪(定位精度：水平为5 mm+1 ppm，垂直为10 mm+1ppm，测量方位角精度为0.2′)、CTM-DI磁力仪(分辨率为0.1′，精度为0.2′)及GSM-19T质子旋进磁力仪(分辨率为0.01 nT，精度为0.2 nT)，测量的地磁要素为磁偏角D、磁倾角I和总强度F，重复测量周期为1 a。整个观测流程与方法按照《流动地磁测量基本技术要求及附录》执行，数据处理步骤如下^[8]：

1) 原始数据日变通化：利用测点最近地磁台的连续分均值数据进行日变通化改正。通化零日选择观测时间段内磁场变化相对平稳的一天，通化零时选择为北京时00：00~03：00。通过该步骤可消除流动地磁观测数据中所包含的地磁场日变化等外源场成分。

2) 长期变化改正：采用“1995~2014年中国地区地磁场非线性变化模型(NOC)”, 使用该模型对日变通化改正后的数据集进行长期变化改正。通化的标准地磁年代为2010.0年代。通过该步骤可消除观测数据中所包含的地球主磁场长期变化成分。对相邻测期值作差即可得到岩石圈磁场各要素的年变化特征。

1.2 各测期研究区水平矢量整体弱变化分析

图 3为2010~2014年共4期岩石圈磁场水平矢量的年差值变化。从图 3(a)可以看出，2010~2011年水平矢量优势方向为自北向南，研究区北部矢量大小较为一致，中部和南部区域方向大小较为杂乱，形成较大的弱变化区。本测期研究区并未发生5.0级以上中强地震。

图 3(b)显示2011~2012年水平矢量优势方向为自南向北，在龙门山断裂带与鲜水河断裂带交汇处以南的川滇交界小块区域为自北向南，弱变化区向西南方向缩小，仅在西昌地区形成小范围的弱变化区。2012-06-24和09-07发生的宁蒗M_S5.7地震、彝良M_S5.7地震均位于与2010~2011年弱变化区重叠的边缘地带。

从图 3(c)可以看出，2012~2013年水平矢量变化较为复杂，矢量优势方向在东北部为自北向南，在西北部及中部部分地区为自南向北，在东南部至芦山M_S7.0地震、康定M_S6.3地震震中出现其他3期均未出现的明显自东向西变化。该期显示弱变化区向西南和西北方向扩展，形成3个明显的较大面积的弱变化区。2013-01-18、04-20、08-31发生的白玉M_S5.4地震、芦山M_S7.0地震、迪庆M_S5.9地震均位于弱变化区内。

图 3(d)显示2013~2014年水平矢量方向变化与2011~2012年相似，水平矢量方向为自南向北，矢量大小相较于2011~2012年明显变小，2013年地震后弱变化区向东南方向迁移，在研究区形成多个分散的弱变化区。2014-04-05、08-03、10-01、11-22、11-25发生的永善M_S5.3地震、鲁甸M_S6.5地震、越西M_S5.0地震、康定M_S6.3地震、康定M_S5.8地震等5次地震中有4次位于弱变化区内部，1次位于弱变化区边缘地带。

1.3 震前震后震中区域水平矢量弱变化形态分析汇总

从图 3可以看出，4期岩石圈磁场水平矢量的方向在局部区域表现并不完全一致，但均表现出良好的趋势性，即优势方向为自南向北或自北向南；中强地震均发生在当年测期水平矢量的弱变化区或弱变化区边缘地带。从图 3(b)~(d)可以看出，水平矢量除宁蒗M_S5.7地震外，其余中强震在震前2~3 a震中周边区域均呈现平稳形态(图 4 (a))；除彝良M_S5.7地震外，其余中强地震在震前1 a震中周边区域出现方向急转或量级变小的弱变化(图 4(b)、4(c))。图 3(c)、3(d)还显示2期异常最明显的区域位于龙门山断裂带和鲜水河断裂带交汇位置附近，这种异常变化可能包含芦山M_S7.0地震、康定M_S6.3地震、康定M_S5.8地震的前兆磁异常信息。宁蒗M_S5.7地震、白玉M_S5.4地震、迪庆M_S5.9地震、芦山M_S7.0地震在震后呈现平稳但方向与震前相反或相交状态(图 4(d))，彝良M_S5.7地震在震前震后均表现平稳，但方向出现反转，具体见表 1。

2 构造应力场与强震震中岩石圈磁场水平矢量关系

地震在发生之前地壳岩层在区域应力场作用下会发生变形，当岩层所受的累积应变达到一定程度时，岩层发生破裂和错动，进而发生地震。岩石磁学实验表明，岩石磁化率会随应力变化而变化，相当多岩石在应力增加时磁化率降低，应力降低时磁化率升高，应力与磁场大小存在近似反向关系^[9-11]，因此通过分析区域构造应力场来了解地震动力来源，再结合发震前的磁异常信号进行地震预测具有理论和现实意义。

2.1 四川地区构造应力场整体特征

研究表明，四川地区外部主要受到4个方面的应力作用：一是由于印度洋板块与欧亚板块碰撞，受到来自西南方向西藏块体的作用；二是印度洋板块向北与欧亚板块碰撞，受到背面塔里木地块、柴达木地块、阿尔善地块和鄂尔多斯地块阻挡，迫使整个青藏块体向SEE方向错动，使得四川地块受到来自SEE方向作用；三是印度洋板块向北与欧亚板块碰撞，其喜马拉雅弧与缅甸弧的交汇部分嵌入川滇藏交界一带；四是受到华南地块NW、NNW向应力作用。一般认为四川内部块体可划分为：一是由东昆仑断裂、鲜水河断裂以及龙门山断裂中南段围限而成的巴颜喀拉块体；二是甘孜-玉树断裂、鲜水河断裂、则木河断裂、小江断裂等围限而成的川滇菱形块体；三是宁河断裂、莲峰断裂、大凉山断裂以东地区的川东南块体。孕震区主要受控于块体和断裂相互作用，一般来说其应力状态(主应力方向、变形强度、应力结构等)整体一致性较好^[12]。根据块体受力情况以及对1978~2009年四川地区地震震源机制解的统计研究认为，四川地区最大主应力轴优势方向为NWW-SEE向，最小主应力轴优势方向为近似N-S向，即四川地区现今构造应力场接近水平方向，主要受近E-W向挤压作用和水平错动作用^[13]。

2.2 强震震中应力变化与岩石圈磁场水平矢量关系

众多岩石实验表明，磁化率会随应力增加而下降，磁场大小与应力存在近似反向关系，本节主要以此为切入点探讨发生在龙门山断裂带的芦山7.0级地震以及发生在鲜水河断裂带的康定6.3级地震应力场变化与岩石圈磁场水平矢量的关系。由图 3可知，龙门山断裂带与鲜水河断裂带交汇区域的岩石圈磁场水平矢量具有比较明显的特征：该区域矢量较研究区明显较小，其中2010~2011年矢量大小就是以龙门山断裂和鲜水河断裂为界，矢量表现为巴颜喀拉块体大于川滇菱形块体和川东南块体，这显示出最大应力方向可能主要来自北部的巴颜喀拉块体；2011~2012年矢量表现为北部和东部较大，川东南块体和巴颜喀拉块体大于川滇菱形块体，结合2010~2011年矢量分析认为，该期主要应力可能来源于巴颜喀拉块体与川东南块体的挤压作用，即应力方向主要来自于东北方向；2012~2013年矢量表现为北部较小、东南部较大，川东南块体大于巴颜喀拉块体和川滇菱形块体，2011~2012和2012~2013两期水平矢量的异常变化可能包含芦山地震和康定地震的异常信息，是断层进入亚失稳阶段后潜在震源区应力、温度等方面异常变化的反映；2013~2014年矢量表现与前几期均不同，变化并无优势方向，尤其是芦山地震震中附近表现最为明显，尽管并不完全确定产生这种变化的原因，但芦山地震可能是一种解释，地震同震和震后形变释放了该区域积累的应力和能量，造成区域应力调整，从而产生磁场变化。如果上述分析成立，还能得到岩石圈磁场水平矢量量级较大的区域为最大应力来源方向。部分研究表明，汶川8.0级地震使西南方向芦山7.0级、康定6.3级地震破裂区应力增加^[14-15]，这与本文研究具有相通之处。

3 亚失稳各阶段与岩石圈磁场水平矢量异常特征对应分析

由于地壳应力变化会引起圈层物质磁化率变化，因此磁化率是研究岩石圈磁场变化与应力状态的节点。磁化率会随应力增加而下降，对应关系见表 2。据此可以解释本文讨论的中强地震前出现的图 4(a)、4(b)现象，岩石圈磁场能量缓慢减小，断层应力处于匀速加载的弹性变形阶段，磁场水平矢量方向不变，量级逐渐减小，该时段对应断层稳态至亚稳态阶段，即图 1中LO阶段。图 4(c)代表岩石圈能量变化已停止，水平矢量不再减小但方向较为杂乱，应力加载已至顶峰状态，断层处于亚稳态与亚失稳态临界点，即图 1中O点。图 4(d)中断层应力开始卸载，断层弹性能量逐渐释放，磁场水平矢量表现为量级逐渐增大、方向相反，该时段对应断层亚失稳态，即图 1中OB阶段。图 4(e)中磁场值已恢复，断层应力卸载完成，弹性能完全释放即断层发生错动、地震发生，对应断层失稳态，即图 1中BE阶段。

4 结语

本文首先回溯2010~2014年四川地区岩石圈磁场水平矢量的异常变化特征，以各期水平矢量的弱变化区以及震中周边的岩石圈磁场水平矢量形态为主要研究对象，得到以下结论：

1) 岩石圈磁场水平矢量年变化的弱变化区与中强地震具有良好的对应关系，震中均出现在弱变化区内或其边缘地带。研究区发生的10次中强地震中有9次与亚失稳理论各阶段均具有较好的对应关系。彝良M_S5.7地震虽处于弱变化区边缘地带，但在震前震后与亚失稳理论的各阶段并无明显的对应关系，磁场水平矢量在彝良M_S5.7地震震中100 km内并无量级突变和方向改变，这也说明野外观测取得的结果远比实验室岩石实验复杂。

2) 宁蒗M_S5.7、康定M_S6.3、康定M_S5.8、越西M_S5.0、鲁甸M_S6.5地震均发生在震前连续两期弱变化区的重叠部位，因此对于中强地震的预报应多关注弱变化区的重叠部位以及断层最脆弱地带。

3) 2011~2013年龙门山断裂带与鲜水河断裂带交汇区域水平矢量异常明显，异常变化可能包含芦山地震和康定地震的异常信息，分析区域应力场与磁异常关系认为芦山M_S7.0、康定M_S6.3地震的破裂区受到来自东北方向的应力作用。

致谢: 本文使用的流动地磁数据由13家省级地震局共同处理完成，在此表示感谢。