1 研究背景

从20世纪开始，科学家从不同物理量中寻找可能的地震前兆。Cicerone等（2009）系统总结了前人在震前发现的不同参量的地震前兆，发现地震震级越大，其前兆振幅越大。科学家早期主要研究单一物理参量在地震发生前的变化规律及异常现象，相应参量包含电磁场、电离层总电子浓度、氡气、地下水水位、次声波和地表热量等。单一参量的监测分析，需考虑其他天然源或是人为干扰的影响，如何有效提取地震相关信号，排除其他信号的干扰是关键点，也是难点。近年来，地震前兆的相关研究趋向于地震前的多物理参量耦合。单一参量中出现的信号无法确保该信号是否与地震相关，而多参量的耦合分析有助于排除干扰信号。当震前同一种现象在不同圈层中同时出现，并且可以由相关机制说明，则可确立该前兆异常。Chen等（2021）研究了2021年泸县M_S 6.0地震前多参量的能量变化，发现地振动、地表气压和电离层总电子浓度在震前约10^-3—10^-2 Hz频率段振幅显著增强。

2021年5月22日，青海省玛多县发生M_S 7.4地震，该地震是我国近十年来震级规模最大的地震之一。本研究收集玛多地震前后共2个月的地震、地磁和GNSS观测数据，研究震前地振动、磁场和电离层总电子浓度的能量变化，探讨此次地震发生前岩石圈—大气层圈—电离层圈的多圈层耦合现象。

2 研究方法

收集乐山站地震仪和GNSS观测数据。为了尽可能反映同一区域的物理现象，地磁台站选取距乐山站最近且此次玛多地震前后2个月内数据完整的西昌地磁台，而且为尽可能减少人为活动及地铁运行等干扰因素的影响，选用每日00:00—05:00的地磁数据。所用研究数据分别是地震仪三分量——X_s（东西向）、Y_s（南北向）、Z_s（垂向）原始记录，磁力仪三分量——X_m（南北向）、Y_m（东西向）、Z_m（垂向）磁场变化值和电离层斜向电离层总电子浓度（STEC）。研究同时段多圈层耦合现象，地震仪和GNSS接收机数据也选用该相同时段。利用傅里叶变换求取每日数据振幅谱，为了提取能量增强信号，计算各频段振幅的中位数作为背景值。用每日振幅谱扣除背景得到相对振幅分布，分析振幅随时间和频率的变化。

3 研究结果

图 1展示了玛多地震前55天至震后10天，各参量相对振幅随时间和频率变化的分布，横轴负数和正数分别表示地震前后，0表示地震发生当天（图 1中红色虚线所示）。由图 1可见，地振动从震前20天开始，振幅在约1×10^-4 Hz—3×10^-2 Hz范围内增强约0.5，在约5×10^-4 Hz—5×10^-3 Hz范围内增强约0.6以上。对于磁扰动，在震前20天至震前5天，振幅在约5×10^-3 Hz—0.01 Hz增强约0.2 nT。电离层斜向电子浓度同样出现振幅增强现象，在震前20天至震前10天，振幅在约5×10^-3 Hz—1×10^-2 Hz范围内增强约0.3 TECU。随后，至震后10天，电离层斜向电子浓度振幅在约1×10^-4 Hz—0.01 Hz范围内增强约0.3—0.4 TECU。

在以上3种不同参量中发现，在公共频段约5×10^-3 Hz—1×10^-2 Hz范围内均出现振幅增强现象，且地振动和磁扰动于震后消失。综合以上现象，认为在地震前存在某种物理现象引起岩石圈、大气层和电离层发生扰动。

4 结束语

通过分析2021年青海玛多M_S 7.4地震前的地振动、磁扰动和电离层总电子浓度的能量变化，发现震前存在多参量地震前兆现象，且在时间和频率上具有一致性。该现象可能是某种跨圈层的耦合现象，能由地表振动引发电离层扰动。本研究提供一种实时监测前兆现象的方法，当3种参量同时在特定频段出现振幅增强，即预示着可能已经进入临震阶段。未来将进一步研究引起该现象的可能的耦合通道与机理。