基于亞失穩理論分析2021年云南漾濞MS6.4地震前巖石圈磁場變化特征

陳政宇 倪喆 周思遠 王振東 王粲 趙育飛

摘要：回溯2021年云南漾濞MS6.4地震前2017—2021年云南地區巖石圈磁場水平矢量逐年變化的空間分布特征，并與亞失穩理論中穩態-亞穩態-亞失穩態-失穩態的各階段進程進行對比分析。結果表明：漾濞地震前，在震中及其附近區域出現的巖石圈磁場水平矢量弱變現象是震前的典型特征，其“弱變區域”的形成對應亞失穩O點，是野外觀測當中最易識別的重要標識;漾濞地震前連續4期弱變區域存在有“重疊”區域，同時其外圍水平矢量量級增大且方向改變，則是進入到了“不可逆”的亞失穩OB階段，預示著地震將要發生且震中在“重疊”區域的邊緣，利用這種時空變化特征可以提前預判發震地點與時間。此外，該分析也是將亞失穩研究從室內實驗走向野外觀測的有益嘗試。

關鍵詞：漾濞MS6.4地震;巖石圈磁場;水平矢量;亞失穩理論

中圖分類號：P318.5?? 文獻標識碼：A?? 文章編號：1000-0666（2021）03-0391-08

0 引言

地震預報的基礎是地震監測，只有不斷地對監測結果進行分析研究，識別孕震過程和發震機理的本質，才有可能真正解決地震預報的科學難題。馬瑾院士提出的亞失穩理論正是通過實驗室的模擬和野外地震監測所獲得的結果來探尋地震發生的本質，從而希望解決地震預報的需求。亞失穩理論的核心是地震是一個力學過程，斷層處于應力峰值強度后的亞失穩階段時，已進入一個不可逆的變形階段，標志著地震發生已不可避免，因此這個階段與地震的發生有唯一性的關系（馬瑾，2016）。

地震預測預報是世界性的科學難題之一，其難點在于眾多的獨立地震事件孕育過程中所受到的構造條件、介質條件和應力狀態等不同，所產生的“前兆”或“異常”都無法總結出共同的、有效的、單一的特征規律。早在20世紀中期，美國、俄羅斯、日本、哈薩克斯坦和中國等科學家就開展了地磁變化與地震之間的相關研究，研究內容多數是基于固定地磁臺觀測數據來預測地震三要素（馮志生等，2010;解滔等，2018;Han et al，2014，2017），如哈奇基揚等（2008）發現地震震中與磁偏角零變線之間有較好的對應關系。汶川地震后，中國地震局流動地磁技術團隊開展了大華北、南北帶和南北天山地區的區域地磁場年度觀測，獲取的巖石圈磁場中的磁偏角零變線、總強度梯度帶和磁化率變化與震中位置也有較好的映震關系（顧春雷等，2010;陳斌等，2011;張忠龍等，2017，倪喆等，2017）。目前，區域巖石圈磁場異常變化的研判結果也逐漸成為年度地震危險區判定中地點預測的有力支撐手段之一。近年來，在中國大陸發生的每一個中強地震前，通過流動地磁觀測所獲得的區域巖石圈磁場年度變化異常都有相似的異常特征，提煉出這些異常特征的“共性”規律，是提升地震預報水平的可選路徑之一。

巖石圈磁場，有時稱地殼磁場，作為地球物理場之一，是地殼和上地幔中巖石磁性的總和。一般來說，巖石圈磁場變化的時間尺度是以地質年代計算的。然而，有時在局部地區里的火山爆發、地震孕育與發生常常會受到火山磁效應（Sasai，1991;Mueller，Johnsion，1989，1998）或壓磁效應（Johnston et al，2006;袁潔浩等，2017;Wang et al，2018）影響，這時的震源區及其周圍區域的巖石圈磁場會發生快速變化。區域巖石圈磁場年度變化的觀測結果顯示，孕震過程中在未來震中及其附近的區域巖石圈磁場會出現顯著差異性變化。

本文先以單軸壓力作用下巖石磁化率變化結果為切入點，使斷層變形過程中4個應力變化與巖石圈磁場變化有相對應的物理關系，在此基礎上，分析2021年5月21日云南漾濞MS6.4地震前云南地區巖石圈磁場水平矢量的年度變化特征，并分析其與亞失穩理論中穩態、亞穩態、亞失穩態和失穩態4個階段（以下簡稱“亞失穩”）中應力狀態的對應關系，識別失穩前區域巖石圈磁場年度變化顯著的特征標識，為亞失穩研究從室內實驗走向野外觀測提供更多佐證。

1 亞失穩與巖石圈磁場異常對應特征簡述

尋找從穩態到失穩態各階段與巖石圈磁場異常特征的對應關系，磁化率是應力狀態與巖石圈磁場變化之間的物理關聯點。基于多種強磁性火成巖石標本的壓磁實驗結果表明，兩類壓磁曲線中磁化率都具有隨應力增加而下降的特點（高龍生，李松林，1985）。在外部磁場H作用下，物質的磁化強度M與磁化率κ有如下關系：

M=κ·H（1）

假設外部磁場穩定時，磁化率與磁化強度成正比關系。當巖石的磁化率變大時則磁場強度增強，巖石圈磁場值也相應增加;反之，則相反。表1為應力與巖石圈磁場變化對應的物理關系。

實驗室里進行的差應力-時間研究顯示， 斷層變形過程分別存在穩態、亞穩態、亞失穩態和失穩態共4種狀態，本文主要研究單個巖石磁值到區域巖石圈磁場變化的轉變。如圖1所示，LM是穩態階段，斷層處于應力勻速增加的彈性變形階段;MO是亞穩態階段，斷層處于應力非均速增加的彈性與非彈性轉換變形階段;OB是亞失穩階段，斷層處于應力下降與應變非勻速釋放階段，其中OA以應變的準靜態釋放為主，AB以應變的準動態釋放為主;B是失穩階段，此時斷層發生錯動而產生地震（馬瑾，2016）。斷層變形過程中各階段應力狀態與磁場值的對應變化也如圖1所示，其中圖1a為在L點對應的磁場值變化，表示應力加載處于初始階段，樣品磁值維持原狀;圖1b包括應力加載的LM、MO兩個階段，樣品磁值出現減小;圖1c為應力加載已趨緩且幾乎不變的O點所對應的磁場值變化，其變化也趨于零;圖1d為應力卸載、應變釋放開始的OA階段對應的磁場值變化，樣品磁值逐步出現反向增大;圖1e為應力卸載、應變釋放加速的AB階段對應的磁場值變化，樣品磁值反向快速增大;B階段后，樣品破裂。

局部區域的應力加載或溫度上升伴隨著巖石圈磁場水平矢量呈現“弱變”現象。應力加卸載過程中空間不均勻性會導致水平矢量“弱變區域”存在相互轉移的區域特點。圖2是孕震過程中應力的加卸載對應巖石圈磁場變化的示意圖，圖中L11、L12…L43分別表示一個局部區域，箭頭表示該局部區域磁場的大小和方向。圖2a為無應力作用下區域巖石圈磁場的原始狀態。圖2b為開始有應力加載，應力開始從左向右傳遞，相應的L21、L22、L31、L32區域的局部巖石圈磁場量級出現減小，此時由于其它區域應力還未加載其巖石圈磁場仍維持原始狀態。隨著應力的不斷傳遞與加載，L21、L22、L31、L32區域的應力達到峰值，這4個局部區域的巖石圈磁場變化最小;同時應力還繼續向右和右下傳遞與加載，L23、L33、L42、L43區域的巖石圈磁場量級也開始減小（圖2c）;L21、L22、L31區域應力超過峰值后逐步卸載，其對應的巖石圈磁場量級同步逐漸反向增大，而此時的L33、L42、L43區域應力達到峰值，其對應的巖石圈磁場變化最小（圖2d）;L32區域應力達到峰值后未發生改變，L23區域應力仍處在加載過程（圖2e）。圖2e中L21、L22、L31區域應力卸載加速，巖石圈磁場量級也隨之增大;L32、L33、L42區域仍處于應力峰值，巖石圈磁場變化為最小;L23區域應力達到峰值后巖石圈磁場變化最小;而L43在接近峰值但未突破峰值后，應力又重新恢復到加載過程。

從圖2中還可以看出，隨時間的推移應力在該區域的加載、卸載和相互傳遞的過程當中，伴隨著局部巖石圈磁場的相應變化。圖2a處在穩態的L點;圖2b分別存在穩態L點、LM階段和亞穩態MO階段;圖2c、d分別存在了穩態LM階段、亞穩態MO階段和峰值O點，但相應區域發生了遷移;圖2e分別存在峰值O點和亞失穩OA、AB階段，其中在巖石圈磁場變化量級最大的地方發生了地震。

綜上所述，從穩態、亞穩態到峰值O點、再到亞失穩階段，以及相對應巖石圈磁場水平矢量弱變范圍的空間遷移變化來看，未來震中及其周邊區域水平矢量先出現弱變現象，隨著時間的推移，已出現弱變現象的區域開始向周圍遷移，原有弱變現象的部分區域轉化為磁場逐漸增強。圖2中弱變現象的區域有重疊、擴展、縮小等不同情況發生，但地震的發震位置是水平矢量量級和方向的差異性最為顯著的地方。

2 漾濞地震前云南地區巖石圈磁場變化與亞失穩對應關系

本文研究區域為云南及周邊地區（21°～29°N，97°～106°E），該區域現有流動地磁測點121個（圖3），觀測要素為地磁場的總強度、磁偏角和磁傾角，使用數據資料為2017—2021年每年1期流動地磁觀測數據。數據處理過程主要包括：①日變通化，利用與測點相鄰臺站的連續觀測分鐘值數據對野外觀測數據進行日變通化，消除地磁場日變化等外源場成分;②長期變改正，采用“中國地區地磁基本場長期變化6階NOC非線性模型”進行長期變化改正，消除主磁場長期變化成分;③計算相鄰期差值中抵消主磁場后獲取巖石圈磁場年度變化，并通過曲面樣條差值方法獲取區域巖石圈磁場年度變化模型（顧左文等，2009;陳斌等，2017）。經過以上數據處理，可獲得巖石圈磁場7個地磁要素及水平矢量、垂直矢量的年度變化。對大華北地區（蘇樹朋等，2017）、甘青川區域（湯筱麒等，2019）、新疆地區（丁新娟等，2017），以及蘆山、洱源（倪喆，2014a，b）等地震的震磁研究表明，巖石圈磁場水平矢量的年度變化異常特征與震中的映震效果最好，故本文以該要素的時空演化對應亞失穩進行孕震過程分析。

2021年5月21日云南漾濞縣發生MS6.4地震，發震斷裂為維西—喬后斷裂的次級斷裂（李傳友等，2021），該斷裂處于川滇菱形塊體西邊界。為獲取漾濞MS6.4地震前云南地區巖石圈磁場水平矢量逐年演化過程與亞失穩的對應關系，筆者從2017—2018年、2018—2019年、2019—2020年和2020—2021年共4個相鄰期的變化分別進行研究，結果如圖4所示。

圖4a中2017—2018年云南地區的巖石圈磁場水平矢量形成了2個量級小且方向散亂的弱變區域，即川滇菱形塊體中部及其西側的大部分和川滇菱形塊體南端局部及其以南區域，2018年8月13、14日通海2次MS5.0、9月8日墨江MS5.9地震就分別發生在川滇菱形塊體南端局部的東、西兩側;而在弱變區域外圍水平矢量量級大且方向趨同的區域又可分為2個：一是以川滇菱形塊體東側邊界小江斷裂帶以東，水平矢量方向大致具有由東向西的整體一致性，二在川滇菱形塊體西側，水平矢量方向的整體趨勢由南向北穿過滇南地塊南部和滇西地塊。

從圖4b可以看到，之前發生3次地震的弱變區域向北遷移且其范圍擴大，同時原北側弱變區域范圍縮小至川滇菱形塊體西側的局部，原兩個弱變區域合并后分布在川滇菱形塊體中部西側。弱變區域外圍的水平矢量有東、西2個趨同方向，弱變區域西矢量方向呈現出整體趨同的由西南向東北、再向北穿過滇南、滇西地塊大致終止在川滇菱形塊體西側，右側則是覆蓋小江斷裂帶從北至南的整體趨同特征。

從圖4c可以看到，2018—2019年的單個弱變區域在川滇菱形塊體中部和南端于2019—2020年擴大、分解后轉化成了3個弱變區域，其中川滇菱形塊體中部東、西兩側的弱變區域范圍較小，而南端弱變區域較大并向東南方向延展至廣西境內。2019—2020年中3個弱變區域之外的地區，水平矢量方向分別呈現出3個區域特征：在川滇菱形塊體西側，矢量方向由南向北展布于穿過滇西、滇南地塊;二是川滇菱形塊體東側，其失量方向為由北向南展布于華南塊體西南局部;三是在川滇菱形塊體內的中南部矢量方向顯示為由北向南。

與2019—2020年相比，圖4d中云南地區的水平矢量特征發生了較大的變化，川滇菱形塊體中部東、西兩側的弱變區域擴展、合并后向西北方向延伸到滇藏交界處，上一年度川滇菱形塊體南端較大弱變區域從廣西交界處縮小到川滇菱形塊體南端東側的局部，另一個弱變區域在滇西南地區中出現。除這3個弱變區域之外的地區，滇西和滇南地塊的水平矢量方向仍繼續保持由西向東的主要整體趨同特征，該特征向東還穿過了小江斷裂帶。

將野外觀測的2018—2021年4個相鄰期云南地區的巖石圈磁場水平矢量年度變化與圖2中的示意過程進行對比發現，在漾濞MS6.4地震孕震過程中，云南地區受到了不同方向上應力及其相互作用的變化，影響了弱變區域及其外圍區域不斷的相互轉換，出現了弱變現象與其它現象共存的差異特性。這些差異性特征表明：在更大的地區中，當某個區域未來沒有地震發生時，該區域的變化包括L點、LM階段、MO階段和O點中的一種或幾種;反之，當該區域未來有地震發生時，則包括O點、OA階段、AB階段和B點（表2）。由此可以看出，云南地區巖石圈磁場水平矢量變化的弱變區域對應O點，它是未來有無地震的臨界點，也是巖石圈磁場野外觀測中最易識別的典型標志。

基于表2，再對圖4中的云南地區巖石圈磁場水平矢量年度變化與亞失穩的關系進行研究。圖4a中川滇菱形塊體南端弱變區域的東、西邊界上分別發生了通海2次5.0級地震和墨江5.9級地震，表明此弱變區域及周邊共同存在亞失穩O點、OA階段、AB階段和失穩B點，而在同時期川滇菱形塊體中部及西側的弱變區域及周邊處在穩態L、LM階段、亞穩態MO和亞失穩O點。隨時間的推移，圖4b～d中川滇菱形塊體中部及其西側弱變區域范圍出現了縮小、分解和擴展的變化，其相對應當期中弱變區域及周邊的矢量量級和方向出現了動態同步的增大與改變。在這個時間演化過程中，區域巖石圈磁場的空間分布在穩態、亞穩態、亞失穩態和失穩態4個階段不斷的轉換，當川滇菱形塊體中部西側區域進入到了亞失穩的AB階段和O點時，在維西—喬后的次級斷裂上發生了漾濞MS6.4地震。

另一個值得關注的現象是：在震前3期的云南地區巖石圈磁場水平矢量時空演化過程中，可以清晰看到弱變區域在空間上有遷移、擴展和縮小等演化過程，但漾濞地震震中及其附近局部地區的弱變區域卻始終存在。即震前3期的弱變區域中的部分在空間上發生了“重疊”。根據之前的分析，“重疊區域”是一直處于亞失穩O點，而重疊的“周邊區域”是在亞穩態MO點和亞失穩態OB階段中相互轉換，當轉換過程里“重疊區域”和“周邊區域”出現水平矢量量級大與小的突然跳躍、矢量方向改變具有明顯差異性時將會有地震發生，其震中位于水平矢量高值到低值的轉換區域。

從漾濞震例來看，云南地區巖石圈磁場水平矢量年度變化中“弱變區域”的異常特征是對應亞失穩O點的關鍵時刻，發現其存在2期及其多期“重疊區域”是亞失穩從O點向OA、AB階段發展的重要標志，預示著地震將要發生了。因此，尋找其“弱變區域”的形態、量級變化、遷移和重疊區域與時間是進行亞失穩狀態分析的前提基礎。

3 結論和討論

以亞失穩理論作為指導，回溯2021年漾濞6.4地震震前云南地區巖石圈磁場水平矢量變化，將水平矢量的弱變現象作為主要異常特征進行研究分析，可以得到如下主要結論：

（1）巖石圈磁場水平矢量年度變化的弱變區域形成與震中的關系。弱變區域的空間分布是跨越塊體和斷層的，而震中出現在弱變區域邊界的斷層上。這說明塊體之間的作用是相互的，所產生的能量傳遞、轉移和匯聚是穿越斷層跨越塊體的。僅當某局部區域應力傳遞受阻，加載持續不變時，未來受到某種觸發后會在該弱變區域邊緣最脆弱斷層上發生地震。

（2）“弱變區域”的形成是亞失穩階段在野外觀測的重要標識，也是亞失穩O點上的時間尺度表現。當連續2期及其以上弱變區域存在有“重疊”，同時其外圍出現矢量量級增大且方向改變時，則是可以確認該局部區域周邊已過亞失穩狀態的O點，開始進入到OA與AB階段，表明地震將要發生了。

（3）野外觀測所獲結果遠比室內實驗復雜，且充滿了各種不確定性。針對大范圍、區域性的地球物理場觀測而言，隨時間進程來自不同方向對各個區域里受到的應力加載、持續和卸載不同，導致巖石圈磁場變化及其表現在不同局部區域里存在差異，這種顯著差異的特性就恰好體現在弱變區域邊界。

本文論述的野外觀測得到的云南地區巖石圈磁場水平矢量的異常演化過程與亞失穩的對應關系，從場分布的概念去踐行亞失穩理論應用于野外雙測的可行性，以期能從野外觀測現象及其發展規律對地震預測預報起到促進作用。目前，作者針對磁場異常的識別方法更多是經驗性、定性的，后期可發展數學模型，構建可定量描述磁場異常的參數和方法，實現由定性到定量，由主觀經驗判定到客觀參數指示的轉變。同時可以考慮將磁場異常區域與地震活動性異常（Wang et al，2021）、應力場變化（Wu et al，2020）區域進行對比，實現多物理量、多預測手段的交叉驗證。

在本文撰寫過程中，中國地震局地球物理研究所顧左文研究員給予了思路上的啟示，兩位審稿專家提出了寶貴意見與建議，在此一并表示衷心感謝！

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Analysis Based on the Meta-instability Theory of the VariationCharacteristics of the Lithospheric Magnetic Field in Yunnan before the 2021 Yangbi，Yunnan MS6.4 Earthquake

CHENG Zhengyu1，NI Zhe1，ZHOU Siyuan1，WANG Zhendong2，WANG Can2，ZHAO Yufei1

（1.Yunnan Earthquake Agency，Kunming 650224，Yunnan，China）

（2.Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China）

Abstract

The purpose of this paper is to explain the annual variation characteristics of the lithospheric magnetic field before the Yangbi MS6.4 earthquake with the meta-instability theory.The spatial distribution characteristics year by year of the horizontal vector of lithospheric magnetic field in Yunnan province from 2017 to 2021 before the Yangbi MS6.4 earthquake is reviewed and compared with the process of steady state-met-astable state-meta-instability state-instability state.The results show that the weakening region of the horizontal vector in the meta-instability O stage is the most easily recognized typical mark in field observation;There are “overlapping” zones in the weakening region for two consecutive periods or more，and the outer horizontal vector increase and change their direction.These mark the “irreversible” meta-instability OB stage，which indicates that the earthquake will occur at the edge of the “overlapping” region.It is a meaningful attempt to change the study of meta-instability theory from laboratory to field observation in addition.

Keywords：the Yangbi MS6.4 earthquake;lithospheric magnetic field;horizontal vector;the meta-instability theory