0 引言

地震孕育是震源区地下应力缓慢变化的过程。按照压磁理论，应力变化将引起地下岩石磁性的改变，从而导致震源区地磁发生异常变化。地震发生之前地下应力缓慢积累的过程，有可能引起地震孕育地区及附近地下岩石磁性的改变，从而出现地磁较长趋势变化的局部前兆现象（国家地震局监测预防司，1998）。冯志生等（2004）在前人研究基础上提出地磁谐波振幅比理论，认为对于简单均匀分层介质，地磁谐波振幅比Y_ZHx(NS)和Y_ZHy(WE)与地下介质的视电阻率成正比，可通过谐波振幅比的时间变化直观了解地下视电阻率变化。通过对不同强度地震前地磁谐波振幅比的异常变化特征进行分析，研究表明地震发生前后地磁谐波振幅比的趋势性变化特征与（直流）地电阻率的变化特征类似，主要表现为下降—转折—恢复上升趋势，地震基本发生在趋势性下降后的转折期、恢复上升期或恢复后的初期阶段（冯志生等，2004）。异常持续时间与震级关系符合地电阻率的异常持续时间与震级间的关系，即时间越长，震级越高。进一步研究（冯志生等, 2009, 2013）发现，当震中距较大时，地磁谐波振幅比的异常变化过程由长周期向短周期迁移，而当震中距较小时，异常变化过程则由短周期向长周期迁移。

1 地震及台站概述 1.1 地震记录

2016年1月21日01时13分在青海海北州门源县（37.68°N，101.62°E）发生6.4级地震（图 1），震源深度约10 km，西宁、海晏等地区均有明显震感，对青海门源县、甘肃肃南县造成较大影响。门源6.4级地震震中位于祁连山褶皱构造带内的冷龙岭断裂和托莱山断裂交汇处，属于逆冲型破裂。冷龙岭断裂地处青藏高原隆起区的东北缘，属于北祁连山活动断裂带的一部分，断裂东端与古浪断裂及毛毛山断裂相接，西端与托莱山北缘断裂相连。祁连山褶皱构造带是青藏高原的重要活动构造带，长期受印度板块推挤作用，沿该构造带，历史上发生多次7—8级强震，该地区连续多年被划入全国地震重点危险区，此次门源地震打破了青海省内6级地震的长时间平静。

2016年门源6.4级地震为甘—青地区自2013年7月22日甘肃岷县—漳县地震后发生的最大地震，且此次地震发生前该区未发生其他强震，分析此孤立地震事件有利于提取地震前后的异常特征（蒋延林等，2016），且此次震前青海及邻区部分地磁资料谐波振幅比结果显示明显异常，表明震前地磁场有异常波动。本文针对研究区地磁台站分布均匀的特点，首先选取数据连续、记录良好的湟源、兰州、嘉峪关和天水4个台站FHD-2质子矢量磁力仪数据，通过分析总结不同震中距的台站谐波振幅比异常特征，发现此次门源6.4级地震前地磁异常存在的一定时空演化特征，可能与门源地区孕震过程中的介质电性大范围时空同步变化同源异像（李琪等，2016）有关。深入分析数字地磁资料的异常变化与2016年门源6.4级地震的关系可为震情跟踪提供参考。

1.2 地磁台站

门源6.4级地震发生后，震中周边湟源、兰州、嘉峪关、天水地磁台记录到地震波形异常，台站分布见图 1。

湟源台属国家Ⅱ类地磁基本台站，2006年10月27日架设FHD-2质子磁力仪并开始正式观测。自架设以来，仪器运行情况基本良好，数据记录均正常，资料稳定可靠；观测环境长期稳定，台站周围磁场分布均匀，观测系统未发现改变，周围无大型施工干扰。测量精度总场F≤0.3 nT，分量H（或Z）≤0.6 nT，磁偏角D≤0.1′，分辨力为0.1 nT。

兰州台属国家Ⅰ类地磁基本台站，质子矢量磁力仪FHD-2观测系统于2011年开始观测，观测环境稳定，周围地磁场梯度分布均匀。测量精度总场F≤0.3 nT，分量H（或Z）≤0.6 nT，磁偏角D≤0.1′，分辨力为0.1 nT。

嘉峪关台属国家Ⅱ类地磁基本台站，质子矢量磁力仪FHD-2观测系统于2010年开始观测，自观测以来，观测环境良好，台站建成之后，观测仪器未发生变动，周围地磁场梯度分布均匀。测量精度总场F≤0.3 nT，分量H（或Z）≤0.6 nT，磁偏角D≤0.1′，分辨力为0.1 nT。

天水台属国家Ⅱ类地磁基本台站，质子矢量磁力仪FHD-2观测系统于2010年开始观测，观测环境长期稳定，台站周围磁场分布均匀；2014—2015年观测系统因故障存在断记、缺数情况。测量精度总场F≤0.3 nT，分量H（或Z）≤0.6 nT，磁偏角D≤0.1′，分辨力为0.1 nT。

2 方法原理

地磁谐波振幅比Y_ZHx(NS)和Y_ZHy(WE)的定义为

$ {Y_{ZHx}}\left({{\rm{NS}}} \right) = \left| {\frac{{Z\left(\omega \right)}}{{{H_x}\left(\omega \right)}}} \right|\;\;\;{Y_{ZHy}}\left({{\rm{WE}}} \right) = \left| {\frac{{Z\left(\omega \right)}}{{{H_y}\left(\omega \right)}}} \right. $

(1)

式中，Z(ω)、H_x(ω)、H_y(ω)分别是地磁场的垂直分量、NS向水平分量和WE向水平分量振幅谱，可以利用地磁三分量的分钟采样数据计算获得。对于随时间发生周期变化的不均匀场源，在地球介质为均匀各向同性平面导体的条件下

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

(2)

式中，μ为磁导率，σ为电导率，ω为圆频率，λ为变化磁场的波数。

$ \left[ {\frac{{Z\left(\omega \right)}}{{{H_x}\left(\omega \right)}}/\frac{{Z\left(\omega \right)}}{{{H_y}\left(\omega \right)}}} \right] = \frac{{{H_x}\left(\omega \right)}}{{{H_y}\left(\omega \right)}} $

(3)

式中，${\frac{{Z\left(\omega \right)}}{{{H_x}\left(\omega \right)}}}$与${\frac{{Z\left(\omega \right)}}{{{H_y}\left(\omega \right)}}}$无差异，但是，实际的地球介质是不均匀的，也是各向异性的，此时$\frac{{Z\left(\omega \right)}}{{{H_x}\left(\omega \right)}} \ne \frac{{Z\left(\omega \right)}}{{{H_y}\left(\omega \right)}}$，$\frac{{Z\left(\omega \right)}}{{{H_y}\left(\omega \right)}}$与地下电性介质的各向异性有一定关系。研究表明，与地震孕育过程有关的电性异常有可能来自介质的各向异性变化。因此，研究$\frac{{{H_x}\left(\omega \right)}}{{{H_y}\left(\omega \right)}}$在地震孕育过程中的变化有一定意义。

由式（2）可见，Y_ZHx(NS)和Y_ZHy(WE)与地下介质电阻率ρ呈正比，即Y_ZHx(NS)和Y_ZHx(NS)随地球介质电阻率ρ的上下起伏变化而变化。理论而言，Y_ZHx(NS)和Y_ZHx(NS)的变化反映了地下深部介质电阻率的变化，且该参量不受地表降雨等气象和人为环境因素的影响（戴勇等，2016）。

3 结果分析 3.1 资料处理与结果

选取湟源、兰州、嘉峪关、天水地磁台记录的分钟值数据，进行计算处理：①时间转换（世界时转为北京时）；②格式转换（“十五”格式转为“九五”格式）；③粗差处理（剔除某时段缺数、坏数）；④按周期等间隔计算5—65 min期间每分钟三分量傅氏谱Z(ω)、H_x(ω)、H_y(ω)；⑤按每10 min一个频带计算谱的频带均值；⑥计算各频带（10 min、20 min、30 min、40 min、50 min、60 min）地磁谐波振幅比；⑦计算年滑动平均，消除年变化。各地磁台站计算得到的谐波振幅比曲线见图 2—图 5。

（1）湟源台记录。湟源FHD-2质子矢量磁力仪数据的谐波振幅比结果（图 2）显示，自2014年以来，地磁谐波振幅比出现类似电阻率的下降—转折—恢复变化，Y_ZHx(NS)与Y_ZHy(WE)明显存在长短周期不同步现象，短周期变化幅度较长周期小，但变化速率较快，尤其Y_ZHx(NS)方向30 min变化同步性差异最大，最大幅度达0.05，异常持续2年后发生此次门源6.4级地震，且地震发生在转折恢复的变化后期。地震发生后，Y_ZHx(NS)短周期（10 min、20 min、30 min）趋于恢复状态，但Y_ZHy(WE)仍然持续上升变化。

（2）兰州台记录。兰州FHD-2质子矢量磁力仪数据的谐波振幅比结果（图 3）显示，2014年起，Y_ZHx(NS)与Y_ZHy(WE)长短周期均出现准同步的下降—转折—恢复变化，异常持续2年，最大变化幅度0.2，此次门源6.4级地震发生在转折恢复的变化后期。地震后Y_ZHx(NS)和Y_ZHy(WE)各周期均趋于恢复状态，且同步变化。

（3）嘉峪关台记录。嘉峪关FHD-2质子矢量磁力仪数据的谐波振幅比结果（图 4）显示，2014年起，Y_ZHx(NS)与Y_ZHy(WE)出现准同步的下降—转折—恢复变化，Y_ZHx(NS)长短周期存在小幅度不同步变化，Y_ZHy(WE)方向变化基本同步，异常持续2年，最大变化幅度达0.03，此次门源6.4级地震发生在转折恢复的变化后期。地震发生后，Y_ZHx(NS)各周期未达到恢复状态，仍处于不同步变化阶段，Y_ZHy(WE)各周期趋于恢复状态。

（4）天水台记录。天水FHD-2质子矢量磁力仪数据的谐波振幅比结果（图 5）显示，大部分周期地磁谐波振幅比曲线自2014年初开始转折下降，Y_ZHx(NS)与Y_ZHy(WE)长短周期的不同步变化显著，最大变化幅度达0.15，此次门源6.4级地震发生在趋势性下降—转折处。地震发生后，Y_ZHx(NS)方向全部周期处于恢复状态且同步变化，Y_ZHy(WE)方向长短周期仍为不同步变化状态。

3.2 异常特征

通过对甘—青地区的湟源、兰州、嘉峪关和天水台记录的谐波振幅比特征进行分析对比，得到以下异常结果，具体异常描述见表 1。

（1）门源地震发生前后，周边4个异常台站地磁谐波振幅比表现出下降—转折—恢复的异常变化特征，异常持续时间约1—2年，最大异常幅度在0.03—0.2。震中距最小的湟源台Y_ZHx(NS)方向异常幅度比Y_ZHy(WE)方向大，同一方向长周期比短周期变化幅度大。

（2）对于距震中较近的湟源、兰州和嘉峪关台（约300 km），地震基本发生在谐波振幅比曲线转折恢复的变化后期阶段，且异常持续时间长（约2年）；距震中较远的天水台，地震一般发生在谐波振幅比曲线趋势性下降—转折阶段，且异常持续时间稍短（约1年）。

（3）门源地震发生后，距震中较近的湟源、兰州和嘉峪关（约300 km）在1年内Y_ZHx(NS)和Y_ZHy(WE)方向所有周期或大部分周期趋于恢复状态，且同步变化；距震中较远的天水台在1年内Y_ZHx(NS)和Y_ZHy(WE)方向大部分周期未达到恢复状态，且不同步变化仍然显著。

（4）本次门源地震谐波振幅比曲线异常变化幅度与震级、震中距关系不明显，可能与仪器老化程度及采样率不同等有关，不同观测仪器对地磁场变化的灵敏度程度不同，资料品质对结果也有一定影响。

（5）湟源台距震中110 km，门源地震震前后NS向和WE向长趋势变化不同步且长短周期变化均不同步；距震中稍远的兰州（270 km）和嘉峪关台（340 km）在地震前后各方向和长短周期长趋势变化基本同步，与冯志生等（2004）的研究结果基本一致。天水台由于部分数据缺测，不参与本项分析。

（6）国内部分学者（冯志生等，2004；戴勇等，2016；倪晓寅等，2016；格根等，2017；刘长生等，2017）通过分析，发现地磁谐波振幅比的异常变化与地震发生距离有一定关系：当震中距较大时，地磁谐波振幅比的异常变化由长周期向短周期迁移；当震中距较小时，异常变化由短周期向长周期迁移。本次门源地震前地磁谐波振幅比结果无明显的周期迁移特征，可能与数据资料品质及观测精度有关。

4 结束语

综上所述，2016年门源6.4级地震发生前，震中附近部分台站地磁谐波振幅比计算结果有一定反映，且具有一定时空演化特征。本文研究仅为初步探讨，异常判据有待进一步分析，今后应继续关注该地区地磁谐波振幅比计算结果的变化，以便完善判据指标，期望为将来该区域震情判定提供参考依据。

 

本工作得到冯志生研究员、李鸿宇助理研究员的帮助与指导，特此致谢。