2018年永清MW 4.3地震前后巖石圈磁場變化特征

王朝景 劉德強 蘇樹朋 李 博 張海洋 毛豐龍 趙慧琴

（中國保定 071000 河北省地震局流動測量隊）

0 引言

地球磁場可分為內源磁場和外源磁場，內源磁場可分為主磁場和源于地殼及上地幔物質磁性的巖石圈磁場。地震的孕育及發生伴隨著地下能量的積累與釋放。而能量變化往往引起巖石圈地質結構、溫度、壓力等的改變，從而引起地下介質磁化率的改變，導致巖石圈磁場發生變化。與地震相關的地磁場變化研究已有百年之久，相關學者相繼提出壓磁效應、膨脹磁效應、感應磁效應、流變磁效應等理論，如：Stacey（1964）提出壓磁效應；祁貴仲（1978，1981）提出膨脹磁效應、感應磁效應；郝錦綺等（1992）提出流變磁效應。近年來，在震磁效應、震磁關系、震磁異常的研究上取得了良好進展，如：九江—瑞昌MS5.7 地震前在震中附近地磁基本場水平分量異常（顧左文等，2006）；自然正交分量方法在地震地磁監測中更能準確得到巖石圈磁異常場的變化信息及特征（陳斌，2011）；圍繞地震震中及附近出現“0”值線分布和高梯級帶分布等現象（倪喆等，2014a，2014b；蘇樹朋等，2016，2017）；震前震中區存在局部巖石圈磁場水平矢量的弱變化現象（宋成科等，2019）；強震震中多位于巖石圈磁場負值區，大多沿正負異常區的分界線分布，一些強震震前出現顯著的基底異常（馮麗麗等，2017，2019）。

2018 年2 月12 日，河北省永清縣發生MW4.3 地震（39.37°N，116.67°E）（下文稱永清地震），是2006 年7 月4 日文安5.1 級地震后首都圈地區發生的規模最大、震感最強的地震。此次地震震源深度約17 km，震中位于河西務斷裂附近。地震發生區域構造主要為NE 走向斷裂，穿插少量NW 走向斷裂。河西務斷裂呈NE 走向，位于此斷裂帶東緣，是廊固凹陷與武清凹陷的分界斷裂（周月玲等，2018）。文中收集整理2016—2019 年華北部分地區流動地磁矢量數據，進行日變通化、長期變化改正、主磁場剝離等處理，獲得此次永清MW4.3 地震前后區域巖石圈磁場變化模型，分析震磁異常規律，以期為震磁前兆信息提取及震情趨勢研判提供參考。

1 數據處理

華北地區每年于春季3—5 月、秋季8—9 月進行兩期流動地磁矢量測量工作，其中2016 年秋季測點較少。研究區位于（112.2°—119.6°E，37.7°—42.5°N）范圍內，共布有71 個流動地磁矢量測點（圖1），測點間距60—70 km。河北永清MW4.3地震發生在2018 年2 月，為此收集整理2016—2019 年共7 期流動地磁矢量數據資料（不含2016 年秋季期），剔除相鄰期次位置發生移動、點位差超限的測點數據，建立巖石圈磁場數值模型，分析此次地震前后巖石圈磁場變化特征。

圖1 研究區流動地磁測點分布Fig.1 Distribution of mobile geomagnetic measurement points in the study area

據陳斌（2017）流動地磁監測數據處理流程，消除地磁場中外源變化場、主磁場長期變化、主磁場等即可獲得監測區巖石圈磁場數值模型。為獲取研究區巖石圈磁場數值模型，采用以下步驟進行數據處理：①日變通化改正，以消除地磁觀測數據中的短周期變化等外源場部分，采用單臺參照法進行日變通化處理；②長期變化改正，以消除觀測數據中包含的地球主磁場長期變化成分，采用中國地區地磁基本場長期變化的6 階自然正交分量（NOC）的非線性模型（顧左文等，2009；陳斌，2011），對日變通化數據進行長期變化改正；③減去主磁場，從內源場中減去第12 代國際地磁參考場（IGRF12）模型的計算值，得到巖石圈磁場，將各期同位置測點的巖石圈磁場相減即得到巖石圈磁場變化。

2 巖石圈磁場變化分析

采取以上步驟，對于2018 年2 月12 日河北永清MW4.3 地震，建立發震前后巖石圈磁場變化模型。為此，建立了震前不同時間間隔的巖石圈磁場變化模型，時間間隔分別為：2017 年5 月到2017 年9 月、2016 年5 月到2017 年5 月、2016 年5 月到2017 年9 月，下文簡稱201705—201709、201605—201705、201605—201709 模型；建立了震后不同時間間隔的巖石圈磁場變化模型，時間間隔分別為：2018 年5 月到2018 年9 月、2018 年5 月到2019 年5 月、2019 年5 月到2019 年9 月，下文簡稱201805—201809、201805—201905、201905—201909 模型。將以上6 個模型，分別建立磁偏角D、磁傾角I、總強度F以及水平矢量H、垂直矢量Z的空間變化模型（圖2—圖6），分析此次永清MW4.3地震前后巖石圈磁場變化特征。

2.1 磁偏角空間變化

6 個模型的磁偏角D空間變化等值線見圖2，其中等值線間距為0.2′。

圖2 磁偏角D 空間變化（a）201705—201709 模型；（b）201605—201705 模型；（c）201605—201709 模型；（d）201805—201809 模型；（e）201805—201905 模型；（f）201905—201909 模型Fig.2 Spatial variation of magnetic declination D

（1）震前D值變化。由圖2(a)可見，在201705—201709 模型D值空間變化中，區域西部以正值為主，東部以負值為主，整體變化幅值在-1.2′—1.2′，且區域南、北均出現負值的高值區。永清地震位于負值區域的低值區，靠近東部獨立的零值線。由圖2(b)可見，在201605—201705 模型D值空間變化中，區域東南與西南為正值的高值區，震中處于負值區，位于南北兩條零值線中間。由圖2(c)可見，201605—201709 模型D值空間變化延續了201605—201705 模型的趨勢，D值在-1.8′—2.0′之間變化，幅值波動較大，西南與東南為2 個正值高值區，南北各2 個負值高值區，震中位于東南正值區域等值線的“脊背”上，靠近零值線位置。

由震前3 期變化可知，此次永清地震震中均位于低值區，在以上3 個時間段內，磁偏角變化趨勢相同，表現為震中東南的正值區域逐漸擴大，隨著時間遞增，在震前1.5 年期（201605—201709 模型）磁偏角變化中，震中處于正、負值交界位置的零值線附近，區域的南、北、東南、西南部皆呈現高梯級帶特征。

（2）震后D值變化。由圖2(d)可知，在震后第一個半年變化中，即201805—201809模型，區域D值以正值為主，震中位置處于正值的低值區，打亂了震前演化趨勢。由圖2(e)可知，在震后一年期，即201805—201905 模型的D值變化中，區域東南、西南部為負值高值區，中部有2 個小范圍負值區散布，震中位于正值的低值區。由圖2(f)可知，在震后201905—201909 模型的D值變化中，區域中部以負值為主，西部為正值高值區，震中位于負值區，與201805—201809、201805—201905 模型相比，變化趨勢發生較大改變。

2.2 磁傾角空間變化

6 個模型的磁傾角I空間變化等值線見圖3，其中等值線間距為0.1′。

圖3 磁傾角I 空間變化（a）201705—201709 模型；（b）201605—201705 模型；（c）201605—201709 模型；（d）201805—201809 模型；（e）201805—201905 模型；（f）201905—201909 模型Fig.3 Spatial variation of magnetic inclination I

（1）震前I值變化。由圖3(a)可見，在201705—201709 模型的I值變化中，震中位于負值區域，同時位于等值線“脊背”上靠近零值線位置，震中西北為正值高梯級帶區。由圖3(b)可見，在201605—201705 模型的I值變化中，負值區范圍較201705—201709 模型小，區域等值線分布較均勻，震中位于靠近零值線的負值區域。由圖3(c)可見，在201605—201709 模型的I值變化中，等值線基本呈NE 向展布，區域西北為正值高值區、東南為負值高值區，幅值由東南的-0.6′向西北增大到1.2′，震中位于正、負值交界的零值線上。

在震前201705—201709模型、201605—201705模型、201605—201709模型的變化中，I值均呈現出區域東南為負值，西北為正值的現象，隨著震前時間的遞增，零值線逐漸靠近震中，在震前1.5 年期（201605—201709 模型）變化中，震中處于零值線上。

（2）震后I值變化。由圖3(d)可見，震后201805—201809 模型的I值變化打破了震前變化趨勢，區域以負值為主，震中位于負值區域。由圖3(e)可見，與201805—201809 模型相比，在201805—201905 模型的I值變化中，區域由負值為主轉變為以正值主，區域西部出現正、負高梯級帶。由圖3(f)可見，在201905—201909 模型的I值變化中，呈區域東、西部為負值、中部為正值控制的特點，與201805—201905 模型相比，東、西部負值區呈擴大化。

震后與震前相比，I值變化趨勢發生重大改變。

2.3 總強度空間變化

6 個模型總強度F空間變化等值線見圖4，其中等值線間距為1 nT。

（1）震前F值變化。由圖4 中(a)、(c)圖可見，在震前201705—201709、201605—201709 模型變化中，區域總強度F均為正值；由圖4(b)可見，在201605—201705 模型變化中，僅東南角呈小范圍負值，且幅值較??；由圖4(a)可見，在201705—201709 模型變化中，震中南北部均出現正值、高幅值梯級帶，幅值在2—20 nT，尤其震中正南的高梯級帶更為顯著，同時測區西北與西南亦各有一個正值梯級帶。由圖4 中(b)、(c)圖可見，在201605—201705 模型、201605—201709 模型變化中，在震中北偏西位置均出現一個正值、高值梯級帶，震中位于由低值向高值過渡的中間地帶；由圖4(c)可見，在201605—201709 模型變化中，等值線幅值變化較大，為4—28 nT，由累積時間較長導致，證明了震前1.5年期（201605—201709模型）變化中，F值呈現不斷增大的趨勢，具有累加性。

（2）震后F值變化。由圖4(d)可見，在震后201805—201809 模型變化中，F值以正值為主，少量負值區零散分布。由圖4(e)可見，在201805—201905 模型變化中，F值亦以正值為主，負值區主要分布在北部。由圖4(f)可見，在201905—201909 模型變化中，F值則以負值為主，半年間發生了較大改變，體現了震后變化趨勢的不一致性。

圖4 總強度F 空間變化（a）201705—201709 模型；（b）201605—201705 模型；（c）201605—201709 模型；（d）201805—201809 模型；（e）201805—201905 模型；（f）201905—201909 模型Fig.4 Spatial variation of total intensity F

2.4 水平矢量空間變化

6 個模型的水平矢量H空間變化見圖5。

圖5 水平矢量H 空間變化（a）201705—201709 模型；（b）201605—201705 模型；（c）201605—201709 模型；（d）201805—201809 模型；（e）201805—201905 模型；（f）201905—201909 模型Fig.5 Spatial variation of horizontal vector H

（1）震前水平矢量H的空間變化。由圖5(a)可見，在震前201705—201709 模型變化中，在震中西北部即北京西南部出現一弱化區，震中位于弱化區東南角，位于H矢量方向即將改變位置。由圖5(b)可見，在201605—201705 模型變化中，震中處于矢量量值變小、方向即將分化的過渡地帶，異常不顯著。由圖5(c)可見，在201605—201709 模型變化中，震中位于H矢量量值明顯變小，且方向即將發生轉變的位置。

由圖5 中(a)、(b)、(c)圖可見，在水平矢量H的方向與大小變化上，震前異常較弱，區域整體及震中附近的變化具有相似性，局部變化略有差異。

（2）震后水平矢量H的空間變化。由圖5(d)可見，在震后半年201805—201809 模型變化中，區域H矢量的方向與量值較震前201705—201709 模型半年變化[圖5(a)]發生了巨大改變，震中位置附近尤為顯著，H矢量方向由震前指向西北轉變為震后指向東北。由圖5(e)可見，在201805—201905 模型變化中，與圖5(d)相比，區域內H矢量方向發生了較大改變，震中附近H矢量量值減小，方向較散亂。由圖5(f)可見，在201905—201909 模型變化中，區域中部有一貫穿中部、由北向南幅值較大的H矢量條帶，與圖5(d)、(e)相比，區域整體及震中附近H矢量的大小與方向均發生了較大變化，體現了震后變化的不一致性。

2.5 垂直矢量空間變化

6 個模型的垂直矢量Z空間變化見圖6。

圖6 垂直矢量Z 空間變化（a）201705—201709 模型；（b）201605—201705 模型；（c）201605—201709 模型；（d）201805—201809 模型；（e）201805—201905 模型；（f）201905—201909 模型Fig.6 Spatial variation of vertical vector Z

（1）震前垂直矢量Z的空間變化。由圖6 中(a)、(b)、(c)圖可見，在201705—201709、201605—201705、201605—201709模型的Z矢量空間變化中，矢量主體方向一致，均由南向北，量值由東南向西北逐漸增大，震中位于垂直矢量由小變大的過渡區域，且震中位置及附近量值較小，與整體形成鮮明對比。在圖6 中，由(a)→(b)→(c)圖可見，震前2016 年5 月—2017 年9 月的時間內，Z矢量方向總體由南向北，且量值不斷累積增加。

（2）震后垂直矢量Z的空間變化。由圖6(d)可見，在201805—201809 模型變化中，Z矢量呈方向散亂、多處弱化態勢，震中附近矢量方向由南向北，量值較小。由圖6(e)可見，在201805—201905 模型變化中，區域Z矢量主體方向由南向北，局部由北向南，局部弱化，震中位于Z矢量方向一致向北、量值變大的平穩區域。由圖6(f)可見，在201905—201909 模型變化中，Z矢量方向發生改變，轉變為由北向南為主，量值在區域內由東北向西南逐漸變小。震后演變趨勢發生了改變，呈不延續性。

3 結論

通過對2016—2019 年華北部分地區流磁矢量數據的處理研究，分析了2018 年2 月12 日永清MW4.3 地震前后，研究區域巖石圈磁場的空間變化特征，可知震前地磁D、I、F、H、Z各要素呈現不同程度的局部異?，F象，震后異常消失，且呈不同變化趨勢。

（1）永清地震前，區域巖石圈磁場變化具有同向性、增強性特征，磁偏角D、磁傾角I、總強度F的變化具有顯著震磁異?，F象，其中F值在震前不斷增大，且不同區域量值有所不同。在震前1.5 年期（201605—201709 模型），研究區巖石圈磁場變化異常顯著，震中靠近D值零值線，位于I值零值線上，位于F值由東南向西北不斷增大的中間區域。震前研究區巖石圈磁場較長時間的相同、相似變化趨勢，對研究永清MW4.3 地震的孕震時空變化具有指示意義。震后研究區巖石圈磁場變化發生較大改變，與震前的延續性變化形成鮮明對比。

（2）巖石學實驗表明，磁場矢量方向與應力有著一定關系（Jelenska，1975）。對于研究區各期巖石圈磁場變化的H矢量與Z矢量，震前H矢量的變化趨勢整體相似，Z矢量變化總體同向且量值累積增大，而震后上述2 個矢量的量值與方向均發生改變，尤其在201905—201909 模型中，變化較之前顯著。說明震前區域受主應力場的持續作用，而震后區域應力場發生了較大改變。

（3）華北地區地質構造獨特，巖石圈磁場變化規律與之密切相關。永清MW4.3 地震是華北地區的孤立型震例，應力降較?。◤堄碌?，2018），震前華北地區自身應力場逐步起主導作用，且存在逐漸增強過程（王曉山等，2018），可能是導致時間間隔越長的巖石圈磁場累積變化異常更加顯著的原因。不同時間跨度的巖石圈磁場時空變化的對比分析，對震情趨勢的分析研判具有積極的指示意義。