2023-08-06山东省德州市平原县(37.16°N，116.34°E)发生M_S5.5地震，震源深度约10 km，北京、河北、天津等地均有震感。此次地震是继2020年山东长清M_S4.1地震后山东省发生的又一次强震，同时也是山东省内近年来发生的最大地震，受到广泛关注。

岩石圈磁场时空变化含有丰富的岩石圈介质变化信息，如地质构造活动、温度、应力等各种地球物理过程的改变，地磁观测是研究地震孕育与发生过程的重要手段。构造磁学研究表明，地壳介质的磁性随构造运动的应力变化而变化，从而使岩石圈磁场的异常变化与构造运动产生关联，这是地震地磁研究的基本物理条件之一^[1]。早期国外学者发现地震附近存在同震地磁场异常变化，并认为该变化是由地震破裂产生的应力变化导致^[2-3]。近年来，国内学者对华北地震带、南北地震带、南北天山地震带等区域的一系列中强地震前的岩石圈磁场时空变化特征进行研究，发现众多具有共性的震磁异常现象，如地震前震中位置与岩石圈磁场变化水平矢量的幅值弱化区以及地磁总强度、磁偏角和垂直分量的0值线有较好的对应关系^[4-6]。地磁学者尝试以岩石磁学的实验室结果及断层亚失稳理论来解释这种现象^[7-8]。

平原地震位于华北地区流动地磁监测网内，中国地震局流动地磁团队每年在该地区开展2次流动地磁测量。本文选取冀鲁交界区部分测点2020~2023年连续4期的流动地磁观测资料，经过数据处理获得2020~2021年度、2021~2022年度和2022~2023年度平原地震前区域岩石圈磁场时空变化特征，并结合岩石磁学的实验室结果和断层亚失稳理论，探讨平原地震前亚失稳阶段的岩石圈磁场异常变化特征及发震机理，以期为今后地震预测及震磁关系的研究提供参考。

1 数据来源及处理方法 1.1 数据来源

冀鲁交界区属于华北平原块体，构造环境复杂，断裂带密集分布，发育多种形态的北东、北西向断裂构造。距震中较近的断裂有聊城-兰考断裂、冠县断裂、堂邑断裂、陵县-阳信断裂、林南断裂等。在力学性质上，区内断裂主要继承了鲁西北坳陷区和鲁中南隆起区以正断兼有左旋走滑为主的活动特征^[9]。

冀鲁交界区域共有27个流动地磁测点，平均点间距约60 km。野外使用GSM-19T质子旋进磁力仪进行地磁总强度(F)的观测，仪器灵敏度为0.15 nT/Hz，分辨率为0.01 nT，绝对精度为±0.2 nT。使用磁通门经纬仪CTM-DI进行地磁场磁偏角(D)和磁倾角(I)的观测，仪器精度为0.1′。其他地磁要素通过计算获得^[10]。

1.2 数据处理方法

流动地磁原始观测数据是多种磁场成分的混合，因此，对获得的岩石圈磁场变化数据进行以下处理^[6]：

1) 日变通化改正。利用观测区周边多个地磁台站连续观测分钟值的拟合数据进行日变改正，以消除地磁场日变化等外源场的影响^[11]。通化零时为多个通化参考台在某一磁静日的午夜(00:00~03:00)拟合分钟值的均值。

2) 长期变化改正。采用中国地区地磁基本场长期变化6阶NOC非线性模型进行长期变化改正，将日变通化改正后的数据统一归算至2020.0地磁标准年代^[12]，以消除地球主磁场和研究区域磁场的变化成分。

3) 对相邻期长期变化改正后的数据集进行差值计算，即可获得抵消主磁场后的岩石圈磁场变化数据。为获得合理可信的计算结果，剔除相邻2期发生迁移和单要素异常的测点^[7]。其中，2020~2021年度删除2个迁移点或异常点，2021~2022年度删除5个迁移点或异常点，2022~2023年度删除1个迁移点或异常点。

2 区域岩石圈磁场年变化 2.1 区域岩石圈磁场异常变化特征 2.1.1 水平矢量

2020~2021年度(图 2(a))区域岩石圈磁场水平矢量变化具有明显的分区现象。大致以冀鲁省界为界分为西、中、东3个区，西部水平矢量主要以东西-南西向为主，方向一致性较好，且幅值较大；中部水平矢量幅值差异较大，具有南北大、中部小的分布特点，在中部地区形成明显的弱化区，水平矢量方向一致性较差，并在中部出现顺时针转折、汇聚的现象；东部水平矢量幅值较大，水平矢量方向一致性较好，主要以南北-南东向为主。

2021~2022年度(图 2(b))区域岩石圈磁场水平矢量变化相对较为平缓，空间连续性和一致性好，水平矢量优势方向以南东、北东向为主，在研究区西北及东南地区发生少量的方向偏转和幅值弱化现象，并形成2个明显的弱化区。在研究区中部水平矢量方向较为一致，仅存在1个小范围的弱化区。

2022~2023年度(图 2(c))区域岩石圈磁场水平矢量变化相对较为平缓，东部水平矢量方向主要以近南北向、北西向为主，幅值较大；中部水平矢量方向一致性较差，在省界区域出现方向分散及幅值弱化的现象，并形成2个小范围弱化区；在研究区西部水平矢量方向以北西-南北向为主，变化幅值呈现北部较小、南部较大的现象，并在北部形成2个小范围弱化区。

2.1.2 岩石圈磁场总强度

2020~2021年度(图 3(a))区域岩石圈磁场总强度变化较为平缓，呈现东正西负的分布特征，0值线东边界呈北东向分布，基本与断层走向一致。正负异常变化在-1.5~2.3 nT之间，变化均值为0.42 nT。

2021~2022年度(图 3(b))区域岩石圈磁场总强度变化主要以负异常为主，仅在研究区东南部分布小范围正异常。正负异常变化在-4.1~1.3 nT之间，变化均值为-0.93 nT。在研究区的东部和中西部分别出现磁场总强度正、负异常变化极值区。

2022~2023年度(图 3(c))区域岩石圈磁场总强度变化主要以正异常为主，仅在研究区中南部和西北部分布小范围正异常。正负异常变化在-2.1~5.7 nT之间，变化均值为1.93 nT。在研究区的中南部分别出现磁场总强度正、负异常变化极值区，并在冀鲁交界区东侧形成正负异常高梯度带。

2.1.3 岩石圈磁场磁偏角

2020~2021年度(图 4(a))区域岩石圈磁场磁偏角主要呈现正负异常相间分布的特征，正负异常变化在-0.85′~0.5′之间，变化均值为0.11′。在研究区的西北部和东南部分别出现磁偏角正、负异常变化极值区。

2021~2022年度(图 4(b))区域岩石圈磁场磁偏角变化主要以正异常为主，仅在研究区东南部分布小范围正异常。正负异常变化在-0.21′~0.68′之间，变化均值为0.30′。在研究区的西部和东南部分别出现磁偏角正、负异常变化极值区，并在研究区东南部形成正负异常高梯度带。

2022~2023年度(图 4(c))区域岩石圈磁场磁偏角变化呈现正负异常相间分布的特征，正负异常变化在-0.95′~0.61′之间，变化均值为-0.11′。在研究区的东南部和西南部分别出现磁偏角正、负异常变化极值区，并在研究区内形成多个正负异常高梯度带。

2.1.4 岩石圈磁场垂直分量

2020~2021年度(图 5(a))区域岩石圈磁场垂直分量主要呈现东正西负的分布特征，0值线东边界呈北东向分布，基本与断层走向一致。正负异常变化在-4.5~7.5 nT之间，变化均值为1.79 nT。在研究区的东部和中北部分别出现磁场垂直分量正、负异常变化极值区，并在冀鲁交界处东侧形成正负异常高梯度带。

2021~2022年度(图 5(b))区域岩石圈磁场垂直分量变化较为平缓，主要呈现正负异常相间分布的特征。正负异常变化在-2.9~4.8 nT之间，变化均值为0.26 nT。在研究区的西南部和东北部分别出现磁场垂直分量正、负异常变化极值区，东部形成正负异常高梯度带。

2022~2023年度(图 5(c))区域岩石圈磁场垂直分量变化同样呈现正负异常相间分布的特征，在研究区中南部和西北部分布小范围正异常。正负异常变化在-3.7~5.9 nT之间，变化均值为0.61 nT。沿冀鲁交界线分布垂直分量正、负异常变化极值区，并在冀鲁交界区北侧形成正负异常高梯度带。

2.2 岩石圈磁场异常变化与平原地震

由2020~2023年区域岩石圈磁场异常变化特征看出：

1) 2020~2021年度，震中附近具有岩石圈磁场水平矢量方向转向的异常特征，围绕震中出现2个明显的弱化区，震中与最近的弱化区相距29 km。2021~2022年度，震中附近水平矢量方向无明显异常特征，在震中东南部出现一个小范围弱化区，震中与最近的弱化区相距18 km。2022~2023年度，震中附近同样具有水平矢量方向转向的异常特征，在震中东南部及西南部分别出现1个小范围弱化区，震中与最近的弱化区相距16 km。

2) 2020~2021年度，震中位于岩石圈磁场总强度变化的正异常区内，变化值约0.94 nT，在震中西部分布有北东向总强度0值线，与临清-沧东断裂走向一致，震中距离总强度0值线20 km左右。2021~2022年度，震中基本位于总强度变化的0值线上，变化值约-0.04 nT，震中距离总强度0值线仅2 km左右。2022~2023年度，震中位于总强度变化的正异常区内，变化值约2.12 nT，在震中西南部分布有北东向总强度0值线，震中距离总强度0值线最近21 km左右。

3) 2020~2021年度，震中位于岩石圈磁场磁偏角变化的负异常区内，变化值约-0.17′，在震中东南和西南部都分布有磁偏角0值线，震中距离磁偏角0值线30 km左右。2021~2022年度，震中位于磁偏角变化的正异常区内，变化值约0.24′，在震中东南分布有磁偏角0值线，震中距离磁偏角0值线30 km左右。2022~2023年度，震中位于磁偏角的负异常区内，变化值约-0.14′，在震中东、西部都分布有磁偏角0值线，震中距离磁偏角0值线48 km左右。

4) 2020~2021年度，震中位于岩石圈磁场垂直分量变化的正异常区内，变化值约1.57 nT，在震中西部分布有北东向垂直分量0值线及正负异常高梯度带，与临清-沧东断裂走向一致，震中距离垂直分量0值线13 km左右。2021~2022年度，震中位于垂直分量的正异常区内，变化值约1.01 nT，在震中东、西部均有垂直分量0值线分布，震中距离垂直分量0值线21 km左右。2022~2023年度，震中位于垂直分量的正异常区内，变化值约2.44 nT，在震中东部分布有垂直分量0值线及正负异常高梯度带，震中距离磁偏角0值线最近27 km左右。

综合上述分析可发现：1)在此次平原地震震前，震中附近始终存在水平矢量的弱化区，并随着时间推移，出现水平矢量的弱化区逐渐向震中逼近的现象；2)平原地震震中附近始终存在地磁总强度、磁偏角、垂直分量的0值线，并随着时间推移，震中处地磁总强度、磁偏角、垂直分量3个要素的变化量也越来越大。以上异常变化特征可能说明，平原地震震中区域的局部异常已持续3 a左右。

3 平原地震前亚失稳特征及发震机理

地震的孕育及发生与地壳应力的积累和释放密切相关。马瑾等^[13]基于实验室模拟和野外地震监测结果提出亚失稳理论，可以很好地解释地震孕育及发生过程中的应力变化过程。亚失稳理论认为，地震是一个力学过程，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应力匀速增加、应力非均速增加、应力下降与应变非匀速释放和应力动态释放，当应力达到峰值强度后的亚失稳阶段时，断层已进入一个不可逆的变形阶段，标志着地震发生已不可避免^[14]。通过与实验室亚失稳状态特征的对比分析，识别与亚失稳态相关联的一些岩石圈磁场观测前兆现象，对于地震短临预测具有重要意义。

相关研究表明，在震中及其附近区域出现的岩石圈磁场水平矢量弱化现象是震前的典型特征，且认为弱变区域的形成对应亚失稳临界点，是野外观测中最易识别的重要标识^[7]。本次平原地震震中及附近区域在震前具有水平矢量弱变区随时间逐渐向震中逼近的现象。依据断层亚失稳特征分析，水平矢量弱变区随时间逐渐向震中逼近，可能就反映了随着地震孕育的应力变化，断层亚失稳临界点逐渐向震中位置演变的过程。当应力在亚失稳阶段达到峰值后，地震就会不可避免地发生。该现象或许可以为预测地震发生的地点和时间提供参考。

高龙生等^[15]选用北京-唐山地区的岩石样品进行单轴应力作用下磁化率变化的实验，实验结果总体趋势表明，随着应力加载，岩石的磁化率逐渐减小，即压磁系数$\frac{1}{\chi} \frac{\partial \chi}{\partial \sigma}$为负数，其中χ为磁化率，σ为轴向应力；随着应力卸载，磁场强度逐渐恢复。岩石的压磁特性及基本磁性见表 1^[15]。

在外部磁场作用下，物质的磁化强度与磁化率存在正比关系。因此，当应力加载时，岩石的磁化率减小，磁场强度减小；应力卸载时，岩石的磁化率变大，磁场强度增强^[7]，具体关系见表 2。

为进一步明确岩石圈磁场变化与应力的对应关系，本文以震中周围测点岩石圈磁场总强度变化作为岩石圈磁场变化，结合应力与岩石圈磁场变化对应关系，分析识别与亚失稳态相关的一些岩石圈磁场异常变化现象。相关研究认为，明显的压磁效应仅局限在震中周边区域，且观测的地磁异常与地磁测点和震中之间的距离有关^[16]。平原地震震中与周围测点平均距离约为60 km，故本文选择距震中60 km内的测点(图 1)进行岩石圈磁场总强度值的时序变化分析。其中，距震中最近的C₄测点在2021~2022年度数据处理过程中作为异常点被剔除，其数据不具备时间连续性，故本文仅选择C₁、C₂、C₃测点进行时序变化分析。各测点均以2020年岩石圈磁场总强度值为基准，其岩石圈磁场总强度值时序变化如图 6所示。

由图 6可见，2020~2021年度震中附近各测点岩石圈磁场总强度时序变化具有较好的一致性，均出现准同步增大的现象，且变化幅度较大，较好地反映出断裂开始进入协同化活动状态^[17]。前人对断层失稳状态识别的研究表明，地震前断层预滑由各点独立活动向一致活动的转变是断层进入亚失稳阶段的特征之一^[18]，这或许说明平原地震震中附近断裂在2020~2021年度就已经进入亚失稳阶段。2021~2022年度震中附近各测点值呈现有升有降的无序变化，震中南部的C₁、C₂测点磁场总强度变化一致，均为同步减小，与震中位于同一断层上的C₃测点呈现继续增大的现象。2022~2023年度震中附近各测点值同样呈现有升有降的无序变化，震中南部的C₁测点磁场总强度变化继续减小，C₂测点表现出反向增大的现象，C₃测点表现出持续增大的特征。

从累积变化上看，2020~2023年度C₁测点地磁场总强度减小0.27 nT；C₂、C₃测点地磁场总强度分别增大3.71 nT和3.23 nT。根据表 2中应力与磁场强度的关系分析，距离震中较远的C₂、C₃测点磁场总强度变化总体增大，说明距这2个测点较近的林南断裂中东段、聊城-兰考断裂东北段应力状态以释放为主；距离震中较近的C₁测点磁场总强度变化总体减小，说明距此测点较近的堂邑断裂东北段应力状态以积累为主。马瑾等^[13]认为，断层不是孤立的，断层是活动块体的边界，块体不同边界断层的相互作用对失稳有一定的影响。林南断裂中东段、聊城-兰考断裂东北段应力释放对堂邑断裂、林南断裂西段的应力积累有促进作用，可能会导致后者的剪应力瞬时增加并超过其强度发生失稳^[19]，从而引发平原地震。

4 结语

利用冀鲁交界地区2020~2023年连续4期流动地磁观测资料，分别绘制2023年平原5.5级地震前岩石圈磁场年度时空变化图像，并基于岩石磁学的实验室结果和断层亚失稳理论，系统分析岩石圈磁场异常变化特征与平原地震的关系及发震机理，主要获得以下认识：

1) 平原地震前，冀鲁交界区岩石圈磁场变化特征有明显的异常，主要表现为：2020~2023年震中附近始终存在水平矢量的弱化区，并随着时间推移，出现水平矢量的弱化区逐渐向震中逼近的现象；震中附近始终存在地磁总强度、磁偏角、垂直分量的0值线，并随着时间推移，震中处地磁总强度、磁偏角、垂直分量的变化量逐渐增大。

2) 平原地震震中附近测点的岩石圈磁场总强度时序变化显示，在2020~2021年度震中附近各测点岩石圈磁场总强度时序变化具有高度的一致性，较好地反映出断裂在本年度已进入协同化活动状态。结合对断层失稳状态识别的研究成果，认为震中附近断裂从2020年起可能就已经进入亚失稳阶段。

3) 根据岩石磁学的实验室分析结果，应力与磁场强度存在相反的关系，林南断裂中东段、聊城-兰考断裂东北段地磁场总强度增大，应力为释放状态；堂邑断裂、林南断裂西段地磁场总强度减小，应力为积累状态。前者应力释放对后者的应力积累有促进作用，可能导致后者的剪应力瞬时增加并超过其强度发生失稳，从而引发平原地震。