河北及周邊地區巖石圈磁場變化及震前異常特征

趙慧琴, 張海洋, 李 博, 王朝景, 劉德強, 毛豐龍

(河北省地震局保定地震監測中心站, 河北 保定 071000)

0 引言

地震的發生受構造運動控制,構造運動往往改變了局部巖石圈的物理特征,進而導致巖石圈磁場發生變化,巖石圈磁場異常是地球深部物理過程的重要信息來源之一[1]。

流動地磁測量的目的是研究局部地區地磁場在地震前的空間分布和時間變化特征,從而為地震預報工作服務[2]。相關專業技術人員已進行大量研究工作,并取得諸多研究成果。2004年劉高義等[3]就地震前沿地磁測線同一期各測點出現了F要素變化“同向”異常信息。陳斌等[4]分析了2009—2010年大華北地區巖石圈磁場分布情況和異常特征。顧春雷等[5]對1900年以來M4.0及以上大陸地震進行統計,探討了華北地區巖石圈磁異常場零值線分布與中強震震中位置關系,發現MS7.0以上地震震中分布與巖石圈磁異常場磁偏角、N向分量、E向分量以及垂直分量零值線的分布位置關系密切。倪喆等[6-7]通過對魯甸MS6.5、永善MS5.0地震前巖石圈磁場局部異常特征的分析,發現巖石圈磁場的異常持續時間、空間范圍與震級大小有一定關系。徐如剛等[8]對九江MS5.7地震前地磁異常進行了分析,得出九江—瑞昌震中發生于水平分量的由低值往高值變化的拐折部位附近。

本文利用2019年度大華北秋季復測156個測點的流動地磁矢量可靠資料,對其處理后獲得相鄰期的巖石圈磁場半年變化,并總結了該時段內河北及其周邊地區巖石圈磁場各要素的空間分布形態和變化特征。結合2019年12月3日河北懷安MS3.4和2019年12月5日河北豐南MS4.5地震,進一步分析了震前巖石圈磁場的局部變化和震前異常特征。這兩次地震均發生在2019年下半年,是短期內相繼發生且震中均位于大華北地區流動地磁矢量觀測的測量范圍內,震前該區域的流動地磁資料也觀測到了一定的異常,河北省地震局2019年年終會商在該區域劃定了異常區。本文對這些異常和地震的對應情況進行詳細的分析和總結,以便更好地探討流動地磁異常識別的方法,為河北省的震情跟蹤和震前會商工作提供更有利的依據和參考。

1 地磁資料與數據處理

1.1 選用資料概況

2019年度大華北秋季復測共完成156個測點,測量時段為2019年8月16日—9月27日。經數據處理,獲得“201909—201906”監測區巖石圈磁場的變化模型。在數據處理過程中刪除11個新遷測點,最終模型計算及異常分析所采用的測點個數為145個。圖1為2019年大華北地區秋季復測的156個測點分布圖,覆蓋吉林、遼寧、內蒙古、河北、北京、天津、內蒙、山西和山東等地的全部或部分區域。測區分布著陰山構造帶、秦嶺—大別山構造帶、太行山斷裂、張渤帶、山西地震帶、郯廬斷裂帶、鄂爾多斯地塊等構造與地震活動帶。2019年12月3日河北懷安MS3.4地震發生在山西地塹北緣的懷安鎮盆地南斷裂,2019年12月5日河北豐南MS4.5地震發生在薊運河斷裂的東段。這兩次地震均位于觀測區域內。

圖1 河北及其周邊地區地磁矢量測點和地震分布圖Fig.1 Distribution of geomagnetic vector measuring points and earthquakes in Hebei and its neighbouring areas

1.2 數據處理

(1) 日變通化改正。首先對野外觀測原始數據進行日變通化改正以消除地磁場的外源場部分。本期采用“地磁臺網泰勒多項式空間參考場”方法(簡稱臺網通化法)[9],利用測點周邊的地磁臺網連續觀測分鐘值數據對野外觀測數據進行日變通化改正,本期數據處理地磁日變通化零日選擇為2019年7月25日。

(2) 長期變改正。為消除流動地磁觀測數據中所包含的地球主磁場長期變化成分,將日變通化改正后的數據統一歸算至2016.0年代以消除地磁場的長期變化,其中,地磁場長期變化改正使用 “1995年1月1日—2016年9月20日中國地區地磁場非線性變化模型(NOC)”[10]。采用中國地磁參考場模型 (IGRF12) 計算研究區域的主磁場。

(3) 對201909、201906兩期《長期變化改正數據集》進行差值計算,獲取測區巖石圈磁場變化數據集。

(4) 對地磁矢量資料處理結果應用曲面樣條方法進行空間插值,并計算磁場變化H矢量和Z矢量,獲取監測區巖石圈磁場各要素變化量的空間分布圖件。

2 巖石圈磁場整體空間變化特征

2.1 水平矢量的空間變化

圖2(a)為201909—201906水平矢量H的半年空間變化分布圖。河北省外圍地區H矢量變化相對較為平緩、幅值較高,進入省內后整體變散亂,幅值明顯弱化,并呈現出分區特征,具體表現為:在河北北部地區H矢量方向以近南北向為主、幅值相對較大;中部地區H矢量方向雜亂、幅值較小;南部地區H矢量方向以近東西向為主、幅值較小。空間連續性與一致性總體較差,未出現明顯的H矢量匯聚、轉折或幅值突變現象,且與測區內的主要地震地質構造的空間相關性不強,異常表現不明顯。

圖2 201909—201906巖石圈磁場水平和垂直矢量的變化分布圖Fig.2 Variation distribution of horizontal and vertical vectors of lithospheric magnetic field (201909-201906)

2.2 垂直矢量的空間變化

圖2(b)為201909—201906垂直矢量Z的半年空間變化分布圖。在河北省北部的內蒙古、東部的遼寧地區,垂直矢量方向均呈現出自北向南的整體趨勢。在山西測區呈現出自南向北的分布趨勢,在山東測區垂直矢量方向呈現南向、北向交替出現。在河北省外圍地區變化幅值相對較高,進入省內后整體幅值明顯弱化,垂直矢量方向呈現出自北向南的整體趨勢。

2.3 總強度F的空間變化

從圖3(a)可看出,在河北省境內,總強度F的變化幅值在-8～+1 nT間,幾乎全部表現為負異常區。磁場變化總體較為平穩,僅在河北西北及南部地區出現較高梯度帶。在河北省外,除了山西測區出現了部分正異常區外,其余均表現為負異常區。

2.4 磁偏角D的空間變化

從圖3(b)可看出,在河北省境內磁偏角D的總體形態表現為正、負異常相間分布,在河北西南及東北部地區分布正異常條帶,在中部地區出現負異常條帶,變化幅值在-0.75′～+1′間。在正、負異常區交匯處的零值線附近,集中出現了多處磁場變化的高梯級帶。

圖3 201909—201906巖石圈磁場F、D、Z三要素的變化分布圖Fig.3 Variation distribution of three elements of lithospheric magnetic field (201909-201906)

2.5 Z要素的空間變化

圖3(c)中,Z要素在河北省境內分布形態與F要素較為接近,整體表現為負異常區,變化幅值在 -6～+2 nT間。除局部地區或個別孤立單點附近地區外,未出現顯著磁場變化梯級帶。

3 巖石圈磁場震前異常特征分析

豐南MS4.5地震前,從圖2(a)可看出,在震中附近的H矢量方向在豐臺—野雞坨斷裂以北呈現近似由北向南的展布,在薊運河斷裂的中段以及唐山斷裂南斷,其矢量的方向出現了轉向,并呈現近似由東向西的展布,此時的矢量方向垂直切割薊運河斷裂。在唐山斷裂南斷處水平矢量出現了顯著的轉向,向西偏移。從圖2(b)可見,垂直矢量Z在震中附近異常變現不顯著。從圖3(a)總強度F變化圖可以看出,震中發生負值區,并且是在負異常的高值區。圖3(b)可見,在震中不遠的東北方向附近有D變化零值線通過,震中發生在薊運河斷裂的東端,并且地震發生在負值的高梯級帶處。從圖3(c)可看出,震中發生在Z值的高值區,并且震中接近在薊運河斷裂和寧河—昌黎斷裂交匯的地方。

懷安MS3.4地震前,從圖2(a)可以看出,水平矢量H在懷安—萬全盆地北緣斷裂和天鎮—陽高盆地北緣斷裂處變化幅值相對較高,到懷安盆地南斷裂即震中附近,出現了H矢量幅值明顯弱化,并且在震中南側的矢量方向發生了扭轉。從圖2(b)可見,在震中附近Z矢量的異常表現不顯著。從圖3(a)可以看出,在震中附近總強度F要素異常表現不顯著。從圖3(b)可以看出,震中附近磁傾角D存在零值線,在震中西北方向其變化量值逐漸增大。從圖3(c)看到,在天鎮—陽高盆地北緣斷裂以南出現了Z要素幅值的高梯度帶,在震中以北的懷安—萬全盆地北緣斷裂以北有零值線通過,震中發生在負值區,在震中附近區域變化的量級比其他區域小。

4 結論

(1) 河北及周邊地區巖石圈磁場半年變的空間變化特征

H矢量在河北省外地區相對較為平順,變化幅值相對較高,在省內整體方向散亂,幅值明顯弱化。河北省北部地區相對中部和南部幅值變化相對較大。總體來看,河北及周邊地區H矢量未出現明顯的匯聚、轉折或幅值突變的現象。Z矢量在河北省外地區變化幅值相對較高,進入省內明顯弱化;Z矢量在山東測區呈現南向、北向交替分布。在河北省境內,F要素在整個測區范圍幾乎大部分表現為負異常區。磁場變化總體較為平穩,僅在河北西北及南部地區出現較高梯度帶。在河北省外,除了山西測區出現了部分正異常區外,其余均表現為負異常區。D要素在河北省內的總體形態表現為正負異常相間分布,在河北西南及東北部出現正異常條帶,在中部地區表現為負異常。并且在正負異常交匯的零值線附近出現了多處磁場變化的高梯級帶。Z要素在河北省內分布形態與F要素較為接近,整體變線為負異常。

(2) 河北及其周邊地區巖石圈磁場半年變的震前異常變化特征

豐南MS4.5地震前,震中發生在H矢量的轉向區,總強度F負異常的高值區,D要素負異常的高梯度帶上,Z值變化的較大區域。因為豐南MS4.5地震發生在2019年秋季復測的測區內,周邊有多個測點,并且震中與2019年度劃定的“津唐”異常區中心位置較為接近(圖4),所以豐南地震震前流動地磁各要素的異常表現較為顯著。

圖4 2019年秋季復測半年變異常區及地震分布圖Fig.4 Distribution of semiannual variation areas and earthquakes in autumn of 2019

懷安MS3.4地震前,震中發生在H矢量幅值弱化并且方向發生明顯轉向區,震中位于D要素的正值區并有零值線通過,位于Z要素負值的低值區。懷安MS3.4地震位于2019年度“晉冀蒙”異常區的東南部(圖4),雖有多個測點支撐,但因震級相對較小,因此震前個別要素雖有異常表現,但異常特征和變化幅度均不顯著。

5 認識與討論

2019年下半年發生在河北省內的這兩次地震,震前巖石圈磁場各要素均有不同程度的異常出現,但表現出的異常形式有所不同。豐南MS4.5地震震中位于水平矢量H的轉向區、總強度F的高值區、磁偏角D高梯度帶上。懷安MS3.4地震則發生在水平矢量幅值弱化并且方向發生明顯轉向區,位于磁偏角D零值線附近的正值區,Z要素幅值低值區,垂直矢量Z和總強度F異常特征不顯著,主要表現為局部量級小。其他要素在這兩次地震前未見明顯異常出現。因此,水平矢量H、磁偏角D、Z要素以及總強度F是這兩次地震前異常特征提取的重要參考要素,但不是唯一的要素[11]。 不同區域以及不同構造帶上的異常情況,其表現均會有所不同[12]。通過對中小震例的對應關系來提出地磁各異常要素的表現特征及演變過程,進而研究與中強地震的關聯度,這需要積累更多的觀測資料和實際震例,希望歸納總結更多的異常特征為震磁研究提供更好的判定依據。