0 引言

已有研究和实验结果表明，在地震孕育和发生过程中，区域应力—应变的积累和释放，导致岩石微裂隙的变化，进而引起裂隙内水的流动，从而产生过滤电位和电阻率改变；岩石受挤压时，其导磁率也会发生变化(Brace et al, 1965；郝锦绮等，1989；杜学彬等，2007)。孕震区与地下介质磁导率(与震磁前兆关系密切)和电导率的变化，会使感应电磁场发生变化。前人的观测实验和理论研究表明，地下电导率与地球内部的物质组成、物质性质等有密切关系，即地下介质电导率与密度之间存在密切关系(徐文耀，2009)。祁贵仲等(1981)根据三维电磁感应数值理论，对不同源场周期与具有不同埋藏深度的地下三维电导率异常体进行模拟计算，结果显示，地磁变化量高达30%—50%的相对异常量，地震感应磁效应的空间分布范围较小，只有在异常体附近观测才有效。根据基本的电磁感应理论，地磁转换函数(Schmucker，1970)、地磁谐波振幅比(冯志生等, 2004, 2009, 2013)、大地电磁测深(Magnetotelluric Sounding，简称MT)(汤吉等，1998)均可以探测地球内部介质电阻率的变化。地磁转换函数和谐波振幅比法较常用于地震分析预报，且取得较好震例(曾小平等，1990；龚绍京等，1997；冯志生等，2004；李琪等，2005；戴勇等，2016)。冯志生等(2004, 2009, 2013)对地磁谐波振幅比异常特征进一步研究发现：在地震发生前后，地磁谐波振幅比表现出与地电阻率类似的下降—转折—恢复的变化过程；当地磁谐波振幅比NS向Y_ZHx与EW向Y_ZHy的异常变化过程不同步，且长周期与短周期异常变化过程同步时，则表明未来地震距该台站应较近；异常持续时间一般在1年以上，且异常持续时间越长，对应发生的地震震级越大。

本文利用地磁谐波振幅比方法，分析2016年3月12日山西运城M_S 4.4地震前后地磁异常信号，结合山西南部地区的GPS基线、重力场资料和临汾地磁台地电阻率变化，根据震磁机理和电磁感应理论，以求更好地解释临汾地磁谐波振幅比异常。

1 资料选取

FHD质子矢量磁力仪是连续测量并记录地磁场总强度F、水平强度H和磁偏角D随时间变化的相对记录仪。仪器分辨率为0.1 nT，观测精度为：F ≤ 0.3 nT，H ≤ 0.6 nT，D ≤ 0.1'。2016年3月12日发生运城M_S 4.4地震，震中距离临汾地磁台约102 km，震中位置和异常台站分布见图 1。为更好地分析此次地震异常特征，选取临汾地磁台(以下简称临汾台)FHD质子矢量磁力仪2014年1月—2016年12月记录的分钟值数据，利用地磁谐波振幅比方法，阐释地震前后地磁异常变化。

2 地磁谐波振幅比方法

地磁谐波振幅比Y_ZHx、Y_ZHy和Y_HxHy的定义(冯志生，2013)为

$ {Y_{ZHx}} = \frac{{\left| {Z\left(\omega \right)} \right|}}{{\left| {{H_x}\left(\omega \right)} \right|}} $

(1)

$ {Y_{ZHy}} = \frac{{\left| {Z\left(\omega \right)} \right|}}{{\left| {{H_y}\left(\omega \right)} \right|}} $

(2)

$ {Y_{HxHy}} = \frac{{\left| {{H_x}\left(\omega \right)} \right|}}{{\left| {{H_y}\left(\omega \right)} \right|}} $

(3)

其中，Z(ω)、H_x(ω)和H_y(ω)分别为地磁场垂直分量、NS向水平分量和EW向水平分量的频谱值，ω为圆频率。对于随时间周期变化的不均匀场源，在地球介质为均匀各向同性的平面导体条件下，满足

$ \left\{ \begin{array}{l} \left| {\frac{{Z\left(\omega \right)}}{{{H_x}\left(\omega \right)}}} \right| = \left| {\frac{{Z\left(\omega \right)}}{{{H_y}\left(\omega \right)}}} \right| = i\frac{\lambda }{\theta }\\ {\theta ^2} = \sigma \mu \omega \cdot i + {\lambda ^2} \end{array} \right. $

(4)

式中，μ为磁导率；σ为电导率；λ为常数，是反映场源尺度的参数。式(4)简称磁测深视电阻率公式，其中Y_ZHx = Y_ZHy，与介质视电阻率ρ成正比。但实际的地球介质为各向异性，即Y_ZHx ≠ Y_ZHy，以下研究也表明二者存在差异。

3 地磁异常分析 3.1 分析步骤

采用地磁谐波振幅比方法分析临汾地磁台获取的地磁异常信号，并进行映震分析，具体计算步骤为：①收集地磁四分量F、H、Z和D预处理分钟值数据，进行缺测、粗差处理(主要剔除分钟值中超出2倍方差的数据)、带通滤波、去倾和加汉宁窗等预处理；②采用傅里叶变换计算每分钟地磁三分量谱值Z(ω)、H_x(ω)和H_y(ω)；③将每10 min划为一个频带，计算地磁三分量谱频带均值；④计算每个频带的谐波振幅比逐日值，按31天逐日滑动平均消除噪声；⑤对消除噪声的谐波振幅比逐日值，进行年滑动平均，消除年变，得到临汾台地磁谐波振幅比逐年变化曲线。

3.2 分析结果

根据以上步骤，对选取的2014—2016年临汾台地磁观测数据进行处理，异常信息参数见表 1，得到地磁谐波振幅比曲线，见图 2。由图 2和表 1可见：在2015年1月—2016年2月，临汾台地磁谐波振幅比逐年变化曲线在周期10 min、20 min、30 min、40 min、50 min和60 min内，Y_ZHx和Y_ZHy方向均出现反向异常变化，Y_ZHx趋势下降、Y_ZHy趋势上升，Y_ZHx下降的最大幅度约0.25，Y_ZHy上升的最大幅度约0.14；Y_ZHx和Y_HxHy出现准同步下降变化，Y_HxHy下降的最大幅度约0.26(图 2中虚方框)；2015年1月—2016年12月Y_ZHx和Y_HxHy出现准同步的"下降—转折—恢复"异常变化，在恢复上升阶段发生2016年3月12日山西运城M_S 4.4地震，震中距约102 km，震后异常持续(图 2中实方框)。

运城M_S 4.4地震前临汾地磁谐波振幅比的异常变化过程与已有震例一致(冯志生，2004；李琪，2016；戴勇，2016)，即当地磁谐波振幅比Y_ZHx与Y_ZHy的异常变化不同步时，震中距较小，一般在100—300 km以内；地磁谐波振幅比异常持续时间越短，对应发生的地震震级越小。

4 其他观测手段印证分析 4.1 山西南部地区(临汾一运城盆地)GPS基线

山西南部地区的GPS基线和平均应变率时序变化曲线近年来总体处于持续缩短状态，见图 3、图 4，表明该区域应力场以压应力为主。从区域应变角度看，区域主压应变和最大剪应变2014年以来持续增大，见图 4，在此状态下发生2016年3月12日运城M_S 4.4地震。

4.2 电磁异常对比

地磁谐波振幅比是基于电磁感应理论获取孕震区深部电阻率变化信息的一种计算方法，而地电阻率可以获取孕震区浅部介质的电阻率变化信息(刘素珍，2016)。因此，对2类数据变化进行对比分析可以确定临汾地磁谐波振幅比异常的可信度。

绘制2011—2016年临汾台地电阻率日均值观测曲线，见图 5，可见临汾地电阻率EW测向2010年9月17日开始快速下降，幅度为4.5%，2014年年变畸变(刘素珍，2015)，2015年6月至2016年8月EW、NS向数据各向异性明显，反映孕震区深部和浅部电阻率变化信息的地磁谐波振幅比和临汾地电阻率先后出现异常，表明：与震磁前兆密切相关的地下介质磁导率和电导率均发生变化，只是时间上表现不同步。

4.3 山西南部地区重力场演化特征

在2016年3月12日山西运城M_S 4.4地震发生前后，山西晋南测区重力场累积动态变化图像比较清晰，反映了该区重力场由显著重力变化—加速下降变化—转折的演化过程(图 6)。由图 6可见：2014年3月—2015年3月，山西中南部运城断陷盆地内重力场变化量约10×10^-8 m·s^-2，出现应力场处于持续累积状态；2015年3月—2015年9月，重力场加速下降，山西中南部出现大面积负值变化，其中运城变化量最大，为-47×10^-8 m·s^-2；2015年9月—2016年3月重力场发生转折，然后发生运城M_S 4.4地震(资料来自APnet网物探中心会商意见)。重力场累积动态变化图像清晰反映了此次地震发生前后，由于应力积累和物质迁移，震中附近重力场在震前约2年形成重力异常区，在震前1年内急剧变化。

徐文耀等(2009)的观测实验和理论研究表明，地下电导率与地球内部的物质组成、物质性质等有密切关系，电导率分布与密度随深度的变化趋势较为一致。与物质密度迁移紧密相关的重力发生变化，表明地下介质电导率发生变化。根据电磁感应理论，地下介质电导率发生变化，会使地表磁场感应成分产生变化，进而表现为临汾地磁谐波振幅比出现异常。

5 结论

(1) 利用谐波振幅比方法分析临汾台记录的2016年3月12日山西运城M_S 4.4地震地磁异常信号。结果表明，周期10—60 min，Y_ZHx和Y_ZHy方向出现反向异常变化，Y_ZHx和Y_HxHy出现准同步的下降—转折—恢复过程，运城M_S 4.4地震前恰处于由高转低再上升的转折点。临汾地磁谐波振幅比异常持续时间和对应发生的地震震级与冯志生等(2004, 2009, 2013)总结的震例分析相匹配，进一步表明，地磁谐波振幅比方法可提供具有减灾实效的预测预报依据。

(2) 根据震磁机理的研究，在山西运城M_S 4.4地震孕育过程中，晋南地区的GPS基线处于持续缩短状态，表明区域应力场以压应力为主；磁性岩石在压缩时引起了地下介质磁化率的变化，单畴与多畴磁粒在压力作用下方位与畴壁的移动亦会引起剩余磁性的变化，表现到地表面地磁场变化。由于应力积累和物质密度迁移，在2014年3月—2016年3月，运城断陷盆地重力场变化量经历了"下降—转折—恢复"演化过程，转折后发生运城M_S 4.4地震。重力发生变化，表明地下介质电导率发生了变化。根据电磁感应理论，进而表现出临汾地磁谐波振幅比出现异常。