地磁观测是地震前兆监测的重要手段之一，通过分析磁场变化特征，可以揭示潜在的地震活动信号。强震发生前由于应力作用，地下介质的物理特性如电导率会发生改变，从而引起磁场的变化，“压磁效应”、“膨胀磁效应”、“感应磁效应”等解释震磁关系的理论也被相继提出^[1-4]。然而，临震前的磁场异常却时常难以捕捉，时空分布规律难以探讨，其中一个原因是目前利用地磁观测数据分析震前异常普遍依赖于固定台站地磁观测仪器，如磁通门磁力仪、质子旋进式磁力仪^[5]，但是这些专业的地磁观测成本高，对观测环境要求严格，无法达到理想的成网成片观测需求，空间分辨率低；同时流动地磁观测需要投入大量人力成本和时间成本，每年只开展一到两次，时间分辨率低。时空分辨率同时制约了地磁研究的开展，利用地磁观测进行地震前兆观测，提取地震前兆异常信息也变得十分困难。为提升地磁场监测效能，天津市地震局、天津大学研发了低成本地磁观测仪器，与云南省地震局开展合作，在地震频发的滇西南地区进行磁场变化实时监测。

地磁日变化是地震预报研究中长期关注的一个重要指标，由距离地面约100 km高空中的电离层电流体系引起，其中Sq电流体系是主要场源，电离层中的粒子在太阳辐射和日月引力的共同作用下，发生对流运动和潮汐运动，在地面产生地磁日变化^[6-8]。地磁Z分量可以近似代表Sq电流体系的位型、强度及空间分布，对局部区域的磁场变化表现得更加敏感^[9-10]。通常认为，地磁Z分量与地下介质的关系最密切，当区域地下介质电导率等电磁性质改变时，地磁Z分量日变曲线会出现幅度和相位的改变^[11-12]。

随着地磁观测技术的发展和对大量震例的深入研究，我国地震预报研究人员先后提出了多种有效的地磁Z分量日变化异常分析方法，其中加卸载响应比法、相关性分析法作为地震中短期异常分析方法应用于我国的地震预报工作，其技术思路都是基于地磁Z分量日变化在一定空间范围内具有良好的同步性，通过识别地磁Z分量异常来研究地磁观测的时空变化特征与地震的关系。近年来，加卸载响应比法在分析上海及邻区4.0级以上地震、南北地震带及邻区显著地震事件中得到了验证^[12-13]；相关性分析法被有效应用于四川地区6.0级以上地震、豫南及邻区地震震前异常提取^[14-15]。

本文选取滇西南及邻区（95°~102°E，20°~25° N）2023年8月—2025年4月4.0级以上地震事件为一组研究震例。已有研究证明，距离低成本地磁场观测站点20 km以内的小震震前观测数据出现异常变化^[16]，因此同时选择相同时间段内距离观测站点20 km左右的3.0级地震为另一组研究震例，利用低成本地磁观测台阵数据通过地磁Z分量加卸载响应比、日变相关性分析方法对低成本地磁场观测数据进行分析，提取震前异常。

滇西南及邻区在构造位置上属于滇缅地块，位于青藏高原东南缘，东与川滇菱形块体相接，西北与印度板块东北部相接，新生代以来持续受印度板块对欧亚板块的挤压，形成了以红河断裂、实皆断裂和奠边府断裂为主要控制性边界、内部为一系列NE向和NW向复活或新生断裂带以及大规模水平走滑运动为主要特征的构造格局，是我国大陆构造活动最强烈的地区之一^[17-20]。断裂体系中NE向左旋走滑断裂主要有南汀河断裂、孟连断裂和打洛断裂等；NW向右旋走滑断裂主要有红河断裂、无量山断裂和南华—楚雄断裂等（图1）。研究区地震的孕育与发生受到了复杂构造体系的强烈控制，该区域因此成为地震活动频发的地带，2001年以来发生过10次6.0级以上地震，其中有3次7.0级以上地震（图1）。2025年3月28日的缅甸7.9级地震是近年来震级最大的一次地震事件，发震构造为实皆断裂，这是一条近SN向的右旋走滑断裂（图1）。地质学研究显示，自中新世形成以来，其右旋位错总量已有330~450 km，基于此粗略估算实皆断裂自中新世以来的平均滑动速率约为14~20 mm/a，是青藏高原东南缘地区现今滑移速率最高的活动断裂^[21-23]，断裂1930年以来发生过7次7级以上地震，此次7.9级地震发生在实皆断裂的地震空区上，释放了长期以来所积累的应力。

图1 区域构造图（2001年以来4.0级以上地震分布，数据来自中国地震台网目录） Fig. 1 Regional tectonic map（distribution of earthquakes with M≥4.0 since 2000， data from the China Earthquake Networks Center ）

低成本地磁场监测设备于2021年3月完成开发测试工作，具备了连续自动化观测能力和较强的环境适应性，前期在天津地区建成了高密度的地磁场观测台网^[16]。自2023年5月在临沧地区布设，8月开始对区域的磁场变化实时监测，目前已有22个观测站点，站点分布见图2。低成本地磁场监测设备的系统主要由监测感知功能区、通信功能区和系统服务管理区三部分组成。监测感知功能区包括RM3100三轴磁传感器、重力加速度传感器和温度与气压监测传感器，实现对地磁场、重力加速度和环境要素的实时采集；通信功能区采用窄带物联网（NB-IoT），实现了基于用户数据报协议（UDP）的数据通信等功能，并提供精准的授时服务；系统管理区包括能源管理模块、存储管理模块和时间管理模块，通过接口连接控制外围硬件单元，实现对设备的能源使用管理和对采集数据的本地存储。

低成本地磁场监测设备的核心部件是RM3100三轴磁传感器，其测量范围为-800~800 mT，灵敏度为10 nT，通过SPI接口进行通信^[24]，利用电磁感应原理，分别测量X、Y、Z轴上的磁场变化，当传感器感应到一个外部的磁场时，磁性发生变化，从而改变传感器的电性能参数，产生电信号，电子系统把三个方向的磁场变化数据综合起来，将其转换成数字信号^[25]。

在研制低成本地磁场监测设备时，为降低设备内部通信模组和供电模组产生的电磁波对磁传感器的影响，在设备上加装了过渡杆，将磁传感器安装于过渡杆顶端作为探头，整根过渡杆和探头采用PVC管进行封装保护^[16]。地磁场监测设备主要安装部署在学校、政府和现有地震台站的屋顶，能够隔离非固定铁磁性物质的侵入，同时保证太阳能充电需求，安装方式主要有壁挂式、落地式和抱杆式，便于野外快速安装。仪器观测所得到的是X分量、Y分量、Z分量的数据，采样间隔为30 s，数据通信采用无线方式，实时采集并传输，实现了无人值守的连续观测。

相较于传统地磁观测追求高精度与长期连续记录，设备往往较为昂贵、布点稀疏，多在固定观测台站运行，低成本地磁场监测设备则强调高密度台网覆盖与快速部署，运用窄带物联网（NB-IoT）、太阳能供电与能源管理系统等新技术，在保证满足研究需求的精度前提下大幅降低成本，且安装便捷、环境适应性强；具备多参数综合监测能力，可同时采集地磁、重力、温度、气压等数据，有助于异常综合判别分析。

目前布设的低成本地磁场观测台阵中12个站点于2023年8月布设完成，运行稳定，其余10个站点于2025年2月布设完成，观测时间短，可用于分析震例的数据较少，且安装初期运行尚不稳定，数据时有突跳，因此选择前期的12个站点数据进行分析（图2）。地磁数据中的随机噪声会造成地磁信号的随机起伏和淹没，去噪效果直接或间接地影响着后续的数据处理与分析。小波变换是地磁观测数据处理中常用的一种方法，可以将频率较高的扰动变化和随机噪声分离^[26-29]，本文采用常用于处理地磁日变观测数据的db5小波对数据进行分解并剔除数据中一阶至三阶的高频信息，保留较低频的地磁日变信息，小波消噪前后数据对比见图3，利用小波分解后的第四层低频数据做后续的加卸载响应比和日变相关系数计算。

图2 临沧地区低成本地磁场观测台阵站点分布图Fig.2 Distribution of low-cost geomagnetic observation stations in Lincang region

3.1 加卸载响应比

地磁日变化的强弱用日变幅度来表达，即日变化最大值与最小值差^[10]。日变幅度前后几天的差异或者来自外空变化磁场的改变，或者来自地壳介质电导率的改变，而后者则可能与地震有关。地磁加卸载响应比的定义为：

式（1）中， R_Z ( m a x )为地磁Z分量日变化幅度极大值，该日期为加载日； R_Z ( min )为R_Z ( max )出现之后的第一个极小值，该日期为卸载日。根据前人研究经验，设定阈值为3.0，若加卸载响应比超过阈值，则认为出现异常。

3.2 日变相关性

在一个不大的范围内，磁静日Z分量日变化基本是同步的，采用相关系数R可反映两个观测站点地磁日变化的同步性，如果一个站点处于“磁异常区”，则可能会造成地磁日变畸变，站点间的相关系数R变小^[30]。本文对相关系数R的计算按照以下步骤进行：①以各站点每天北京时间00:00—03:00的Z分量均值作为当日基值；②以24个整点值减去当日基值的差值作为地磁日变值；③根据式（2）利用24个日变值计算当日相关系数R。

式（2）、（3）中，R为相关系数， 分别为两个台站的地磁日变值均值，X_i、Y_i分别为两个台站某一时段的地磁日变值。以日变相关系数的平均值减去两倍标准差（ − 2σ）为阈值，若相关系数R低于阈值，则认为出现异常。

图3 原始数据与db5小波分解后的四阶低频信号对比图Fig.3 Comparison between the original geomagnetic Z-component signal and the fourth-order low-frequency signal derived from db5 wavelet decomposition

滇西南及邻区2023年8月—2025年4月发生的4.0级以上地震距离台阵的最小震中距都超过了100 km，而3.0级地震的最小震中距在20 km左右，因此根据震级和震中距，把所选震例划分为远距离4.0级以上地震和近距离小震（图1）。本文所分析的远距离4.0级以上地震共有10次（表1），而近距离小震分别是2023年9月3日耿马3.3级地震、2023年10月20日永德3.1级地震、2024年9月23日双江3.6级地震、 2025年3月28日镇康3.0级地震，但双江3.6级地震和镇康3.0级地震前后由于距离最近的仪器故障，未能记录到观测数据，因此本文主要分析耿马3.3级地震和永德3.1级地震。

4.1 远距离4.0级以上地震

排除仪器故障、环境干扰、太阳活动等影响因素，10次远距离地震中有6次地震事件前出现加卸载响应比的异常，对应率为60%（表1），本文主要对其中4次地震的异常进行分析：2023年11月18日，10个站点的加卸载响应比同步超过阈值3.0，占比达83%，异常出现后15天发生了芒市5.0级地震（图4）；2023年12月8日，8个站点的加卸载响应比同步超过阈值3.0，占比为67%，异常出现后23天发生了缅甸5.0级地震（图4）；2024年7月29日，4个站点的加卸载响应比同步超过阈值3.0，异常出现后的22天发生了思茅4.6级地震（图5）；2025年3月19—20日，地磁观测站点数据日变幅度同步发生了不同程度的降低，其中6个站点的加卸载响应比超过阈值3.0，占比50%，异常出现后9天发生了缅甸7.9级地震（图6）。4次地震事件的原始地磁Z分量时序特征显示震前异常站点的日变幅度同步显著减小，日变趋势被“压平”，异常持续2~3天（图7）。

图4 芒市5.0级地震及缅甸5.0级地震加卸载响应比异常典型站点Fig.4 Representative stations with anomalous load-unload response ratios for the Mangshi M5.0 earthquake and Myanmar M5.0 earthquake

进一步分析发现，异常程度与震中距成反相关关系，芒市5.0级地震与缅甸5.0级地震震级相同，而芒市地震距离异常站点的最大震中距较短，但出现异常的仪器数量更多，加卸载响应比也更大；异常程度与震级成正相关关系，缅甸7.9级地震虽然距离异常站点的最大震中距达514 km，但仍有一半的仪器出现异常。

4.2 近距离小震

耿马3.3级地震和永德3.1级发生前后，震中附近观测站点的仪器记录数据连续、完整，采用地磁Z分量日变相关性方法分析两个小震。幸福站、凤翔站、孟定站分别位于台阵的不同方向，在数据选取时段内仪器运行较为稳定，选取这三个站点作为参考站；耿马站距离耿马3.3级地震震中10.5 km，德党站距离永德3.1级地震震中18.8 km，因此选取这两个站点分别作为两个小震的分析站。

排除仪器故障、环境干扰、太阳活动等影响因素，耿马站与三个参考站的Z分量日变相关系数在8月28日同步出现了低于阈值的异常现象，其中与孟定站的日变相关系数变为负值，说明两个站点的地磁日变成反相关，异常出现后的6天发生耿马3.3级地震（表2，图8）。分析耿马站的原始地磁Z分量时序特征，发现在8月28日发生了日变化的畸变，出现“反相”现象，这也是导致与参考站日变相关系数为负值的原因，从变化趋势来看，地震之前日变发生整体的下降，地震之后又发生整体的上升（图 10（a））。德党站与三个参考站的Z分量日变相关系数在10月16日同步出现了低于阈值的现象，异常出现后的4天发生了永德3.1级地震（表2，图9）。分析德党站原始地磁Z分量时序特征，发现10月16日地震前发生了日变化的畸变，出现“反相”现象，导致德党站与参考站的日变相关性降低（图 10（b））。

图5 思茅4.6级地震加卸载响应比异常典型站点Fig.5 Representative stations with anomalous load-unload response ratios for the Simao M4.6 earthquake

表1 研究区2023年8月—2025年4月4.0级以上地震加卸载响应比结算结果统计Table 1 Statistical summary of calculated load-unload response ratios for earthquakes（M≥4.0） in the study area from Aug. 2023 to Apr. 2025

图6 缅甸7.9级地震加卸载响应比异常典型站点Fig.6 Representative stations with anomalous load-unload response ratios for the Myanmar M7.9 earthquake

图7 4次地震事件原始地磁Z分量异常时序图Fig.7 Time series of original geomagnetic Z-component anomalies for the four earthquakes

本文基于临沧市地区的低成本地磁场观测台阵的观测数据，利用加卸载响应比法和相关性分析法分析了滇西南及邻区2023年8月—2025年4月显著地震事件发生前的地磁Z分量变化特征，得出以下结论：

（1）距离地磁场观测站点500 km以内的10次4.0级以上地震中有6次地震震前2~23天Z分量加卸载响应比出现异常，超过所设阈值，多个站点日变幅度出现不同程度的减小，日变趋势被“压平”。异常程度与震中距成反相关关系，与震级成正相关关系。

（2）距离地磁场观测站点20 km以内的2次3.0级小震震前4~6天Z分量日变相关性降低，分析站与参考站之间的相关系数低于所设阈值，单个站点的日变趋势出现“反相”，捕捉到了过去不曾捕捉到的小震级地震前的异常信息。

（3）低成本地磁场仪器在稳定性和抗环境干扰方面存在一定的局限性，且由于投入运行时间尚短，尚未形成长期稳定的背景参考值，能够用于分析的典型震例较少，在一定程度上制约了其预报效能的提升。

在今后的观测和研究中，将在现有低成本地磁场监测技术的基础上，建立多源长期连续的观测数据库，提出科学的地震预报指标，同时引入机器学习与深度学习等大数据方法，开展多尺度时空特征提取与异常自动识别研究，并探索多源特征融合的短临预测模型，进一步提升地磁观测在地震前兆识别与预警中的应用能力。