多次大地震前震中附近均存在异常隆起，虽然目前基于地形变异常的中长期强震预测研究取得了一些较好的结果，但短临预报仍然面临瓶颈。大震前经常出现大旱，这引发了许多关于旱震关系的研究。令人困惑的是，大震后震中区附近往往会出现大到暴雨，给救灾工作带来诸多不便。地磁地电作为地震前兆异常观测手段，积累了大量的观测资料，具有较好的短临显示。然而，其表现形式复杂多变，对相关形成机理的研究尚缺乏令人信服的结果，且大震前的短临阶段近地面静电场和电离层异常也引起了人们的关注。

这些涉及多学科、多专业的研究取得了一些成果和经验积累，但在强震预测效果上都存在局限性。本文旨在将不同领域的研究成果综合起来，从整体角度探索是否存在一个统一的机理。如果存在，将有助于把相互怀疑转变为相互验证，从而提高强震预测的效益。虽然依赖强震震例的积累和经验总结是必要的，但同区域强震震例子样数的积累过程过于漫长。因此，探索与研究中统一机理至关重要。

1 大震前形变隆起异常及形成机理

大地震震中附近存在隆起异常，在一些形变观测研究^[1-3]中得到体现。野外考察中常能看到一系列地表雁列变形，应与压应力的变化及地面隆起变形有关，实验室针对雁列现象展开了一系列研究^[4-7]。但雁列仅可作为一个自由界面地表显示的表象，地表在相对薄弱处出现雁列，而震源深度大多超过5 km，震源深度附近应有更显著、更有意义的异常变化信息。许昭永等^[8]对硬包体的研究结果对了解震源深度附近异常变形情况很有参考价值：各向异性、结构复杂的地壳体内存在各种类似的硬包体，在地壳块体运动过程中，当局部双轴压应力相差过大时，就会出现实验中所谓的微破裂带，进一步演化发展达到贯通形成主破裂，从而发生地震。不过由于存在尺度效应，地壳体内出现的微破裂带会比实验中出现的微破裂带规模大得多，其长度和宽度超过数km乃至数十km，其形态和规模与孕育地震的大小和具体的地质构造密切相关。毋庸置疑，对于强震和大震，震前微破裂体的长度、宽度和深度都应超过震源深度的量级，微破裂体的体积因破裂产生膨胀，而最容易发生膨胀的方向就是地球的自由表面，这就是大震前震中附近出现较大幅度隆起异常的主要原因和形成机理。另外，地震波速的变化也为微裂膨胀理论提供了依据^[9]，本文将震源附近微破裂隆起带定义为微裂膨胀体。傅承义^[10]提出的膨胀理论和红肿理论也为本文提出的大震前异常隆起和微裂膨胀体理论提供了理论支持。

2 旱震关系及震前地磁、地电及电离层异常

总结发现，很多大震前伴有大旱，大震后立即出现大暴雨。不同领域的学者进行了旱震关系研究，并取得一系列成果^[11-12]，但都没有提供能很好解释其相关性的物理模型。本文引入旱震关系研究结果，并结合形变、电磁、流体等前兆异常，探讨可能存在的统一形成机理。

2.1 震前电磁场异常

一般认为，磁场变化的原因有2个：一是地震前岩石在地应力作用下出现压磁效应，从而引起地磁场的局部变化；二是地应力使岩石被压缩或拉伸，引起电阻率变化，使电磁场产生相应的局部变化。但也有研究认为，在非磁异常区，地震前后的磁场变化不一定是压磁效应引起的，压磁效应不是震磁关系的唯一机制，进而提出膨胀磁效应^{[9, 13-14]}，但对其机理并不明确。唐山地震前2 d，距唐山200多km的延庆县测雨雷达站和空军雷达站连续收到来自京、津、唐上空的奇异电磁波，由此电磁场的变化观测成为中国地震预报的主要手段之一。

彭纯一等^[15]研究指出，江苏地磁台网垂直分量在3次M_S＞5.0地震前都观测到短临异常变化；马玉虎等^[16]研究发现，格尔木与嘉峪关2个地震台地磁垂直分量差值曲线在2001-06前后超限差异常加剧，异常转折时发生8.1级地震，临震阶段日变形态发生反向畸变，地磁在震前7个月至临震阶段都有异常出现。张海洋等^[17]的研究指出，2022年青海门源6.9级地震前震中附近岩石圈磁场变化的水平矢量存在方向转向及幅值弱化的异常变化现象，垂直矢量方向出现明显的南、北向对冲，磁偏角在震中附近具有零变线和高梯级带分布，总强度和垂直分量在震中附近具有零变线分布。

磁场变化会因电磁感应引起电场变化，尤其是各种复杂的高频变化。研究人员针对地震前的电磁波异常变化开展了观测与研究^[18-20]，尽管地震前的电磁波异常得到较普遍的认可，但其表现形式十分复杂，形成机理尚无定论。

2.2 地面大气静电场异常

强震前短临阶段震中附近出现的大气静电场异常，对强震短临预报具有重要意义^[21-22]。李一丁等^[22]发现，汶川地震前距震中50~60 km的郫县、温江观测站大气电场出现持续时间超过4 h的异常，陈涛等^[23]同样发现了这2个观测站在汶川地震前的大气电场异常。目前，已发现诸多地震在震前存在类似大气静电场负异常，但尚无令人信服的机理解释。

2.3 震前电离层异常

现今，利用地基GPS观测研究电离层异常变化已成为可能，学者们先后针对地震前电离层TEC值异常给出一批研究成果^[24-27]。吴云等^[24]和张强等^[25]对亚洲地区3个地震震前TEC值时序进行研究，结果显示，震前几天内孕震区上空TEC值存在负异常；马新欣等^[27]利用震中距700 km以内GPS的TEC异常对中国大陆地区11次M_S≥6.0地震进行研究发现，有6次地震的TEC值出现负异常，主要出现在震前1~5 d，且距离震中越近，TEC值变化越明显。目前尚无法对异常产生的原因作出合理解释。

3 统一机理的探讨和解释 3.1 漏磁现象

地球作为一个大磁体，与震源深度相当的地壳可被看成一个磁化体，如前文所述，大震前震源体附近形成微破裂带，进而引起微裂膨胀，导致地面异常隆起，微裂膨胀体处的磁阻增大，地磁场泄露至地球表面。一个裂纹泄露的磁场可能微不足道，但数km尺度的微裂膨胀体包含无数微裂，泄露的地磁场总体效应不可忽略，会造成地表垂向分量磁场大幅增强。

3.2 地磁场泄露形式

微裂膨胀体的形成不仅会增大磁阻，其周边物质的很多物理性质(如地震波速^[9]等)也会发生变化，因此可将地磁体中微裂膨胀体看成另一种物性参数改变后的等价充填物，具体如图 1所示。

为便于分析，图 1中假定微裂膨胀体的截面为规则矩形，地壳体左侧磁极为N极(相当于地球南极方向)，右侧为S极(相当于地球北极方向)；箭头为推定的磁力线方向：粗线为没有微裂膨胀体时的整体磁力线，细线为微裂膨胀体形成后漏磁产生的磁力线。显然，微裂膨胀体上方地磁垂向分量明显增强，而微裂膨胀体左侧磁场垂向分量的方向与右侧相反。实际上，由于微裂膨胀体的形状具有多样性，且在不断变化，其中央上方磁场垂向分量的方向并不稳定，处于随时跳变的状态。

为进一步证实本文推论，进行简易实验。具体步骤如下：

1) 首先将一块较大磁铁切割成12块体积近似相等的小磁铁，再将其按原样拼接起来；

2) 在远离磁铁地方水平放置一个磁针，磁针稳定后即为地磁场的南北极方向，如附近存在磁场干扰，可将磁针指示的水平磁场方向理解为环境磁场方向，但要保证实验期间场地环境磁场不变；

3) 在保证磁针方向不变的前提下，将拼接的12块小磁铁慢慢靠近磁针(图 2(a))，确保磁铁在磁针处提供的水平磁场方向与地磁场(环境磁场)方向相同；

4) 将靠近磁针的4块磁铁从中间慢慢分开，并放入非磁性物质充填压实(本文对不同材料进行了实验，结果类似，图中为红砖块)，模仿等效微裂膨胀体的等价充填物，用磁针测得充填物(等效微裂膨胀体)左侧磁场方向与原磁场方向垂直(图 2(b))，右侧磁场方向同样与原磁场方向垂直，但左侧与右侧的磁场方向相反(图 2(c))。

根据图 2磁针的偏转可得到磁力线分布情况，具体见图 3，由此图 2的实验结果已证明了图 1的推测，该结果在地震实例中也得到一定的支持。2022年青海门源6.9级地震前，震中区域附近EW向发震断层两侧岩石圈磁场的垂直矢量方向出现明显S向、N向对冲，磁偏角在震中附近具有零变线分布，总强度和垂直分量在震中附近有零变线分布^[17]，这些结果与本文实验结果在定性上完全一致。

3.3 统一机理的解释

上述微裂膨胀体在大震前的存在得到多种研究成果的支持，包括地面隆起异常^[1-2]、实验室研究^[4-7]和硬包体研究^[8]等。通过微裂漏磁现象的启发，推测大震前微裂膨胀体上可能出现垂向地磁场异常增强，从而为多种大震相关前兆性异常提供了统一机理解释。大震前震中区出现隆起异常，为微裂膨胀体的存在提供了前提和基础。然而，非地震导致的地面隆起和形变观测时空子样的限制可能会影响相关观测资料的有效性。

研究者们发现大震前多有大旱、大震后多降大雨或暴雨的现象^[12]，但对其形成机理一直存在疑问。本文提出强震震源区附近存在微裂膨胀体^[8]，导致垂向磁场异常，为这些现象提供了合理解释。微裂膨胀体的空间尺度至少在数km以上，深度至少5 km，根据实验与实物尺度相似的原理，其产生的垂向磁场应能影响数km高的云雨层。当云雨微粒靠近震源区附近上空遇到垂向磁场时，必定受洛伦兹力作用而分离，导致未来可能发生地震的震中区附近雷雨减少甚至消失。微裂膨胀体发育到一定程度后，会在某区域扩展并克服主要阻碍，在震中区深部出现新的更大贯通的裂隙。漏磁现象在震中局部突然增强，震前短临阶段产生近乎磁暴的现象，干扰到电离层使TEC出现负异常，进而引起震中区附近大气静电场负异常。随着贯通裂隙的扩展，很快发生错动而发生大地震，造成微裂膨胀体的主轴压力得到释放。在地下本就存在强大围压的条件下，所有微裂膨胀体的裂隙迅速闭合，裂隙间各种流体随即挤出，地面上出现地声、地光、喷沙冒水等一系列大震常有的异常现象。之后微裂膨胀体迅速消失，弹性回跳和不同尺度的空洞塌陷造成震中区附近普遍出现震后地面塌陷的现象，这时漏磁现象消失，空中垂向磁场也突然消失，被洛伦兹力拒于震中区之外的带电粒子、水汽、云团突然失去平衡，从四面八方直奔震中区而来。不同温度、带不同电荷的水气云团在震中区附近上空相遇，随即电闪雷鸣，大雨倾盆而下，进而形成局部负压，周围气团因负压继续前来补充，持续冲刷大地震废墟。经历过大地震的人都很难忘记这刻骨铭心的场景，这可能就是旱、震、涝相关联的机理所在。

电和磁的关系十分密切，前文提到的震前震中区附近地面大气静电场异常^[22-23]和电离层TEC值异常^[24-27]也与震中区附近垂向地磁场异常变化有关。但震前大旱多发生在震前1~3 a，与中短期前兆异常相对应；而震中区附近地面大气静电场负异常与震中区上空电离层负异常则出现在震前数h至数d时间内，与短临异常相对应，这是微裂膨胀体在短临阶段有了突破性变化所致。大震发生前的临近阶段，微裂膨胀体至少在震源深度与规模上发生了质的变化，导致微裂变大，甚至在局部形成较大裂隙。

微裂扩展后突破相关障碍体得以贯通而发生地震。与中短期微裂膨胀体的漏磁效应相比，短期突然出现这样大尺度、高深度的裂痕(覆盖层之下)，产生的垂向磁场强度要大得多，以地壳、孕震体、地震破裂的空间尺度来说，一般应达到甚至超过几十km，微裂接近贯通时产生的磁场变化影响的空间范围也达到甚至超过电离层高度，从而造成孕震区上空电离层TEC负异常^[24-27]，进而出现在晴天条件下孕震区近地面观测到大气静电场负异常^[23]的现象。

关于大震前电磁场异常的报道很多，在磁场变化中，干旱、降雨、地面大气静电场异常和电离层异常等都是磁场强度在不同时段产生的不同影响，显示的是相对低频信号。由于磁场强度在不同时段存在差异，当其发生变化时，根据电磁转换原理，必定伴随电场的变化，即地磁场的剧烈变化会转换成更高频、更强烈的电磁波异常信号。但由于人为电磁波的干扰和自然因素导致的电磁波干扰混杂在一起，加上地震电磁波异常的频率高、敏感时窗短，从复杂环境中快速有效地识别震前电磁波异常更加困难。相对而言，识别具有不同时段相对稳定的地磁场异常及其带来的相对低频信号可能更容易一些。

微裂膨胀体的存在导致漏磁效应，产生地磁场异常、静电场异常和电磁波异常，这些异常均源于微裂膨胀体本身介质在双轴压差过大情况下引起的微裂膨胀。在这种情况下，微裂膨胀体自身的物理性质也必然发生异常变化。在环境电场、环境磁场和介质物性参数都改变的情况下，地磁、地电阻率等常规观测手段发现的异常得到了很好的解释，可弥补以往用压电效应不能充分解释的缺陷。

4 结语

本文汇集多学科在地震前兆异常领域的研究成果，发现尽管对形成前兆异常的机理存在逻辑不足和多种说法，但这些前兆现象都与地震孕育和地壳破裂错动紧密相关。本文尝试从孕震、微裂膨胀体、漏磁现象、垂向地磁场异常及微裂膨胀体扩展贯通的过程进行综合分析，探讨其内在联系。通过观测实例^[17]和实验验证，本文提出了垂向磁场异常的存在，并对其在大震前的大旱、大震后的暴雨、大震时的喷沙冒水和地面塌陷等现象中的统一机理进行解释。此外，本文还探讨垂向磁场异常与电离层异常、大气静电异常及多变的电磁波异常之间的关系。虽然这些思路和探索仍处于初步和粗浅阶段，但其对于深入探索地震前兆异常机理、推动强震预报研究具有重要意义。