河北及鄰區震前巖石圈磁場異常變化分析

張海洋, 李 博, 劉德強, 王朝景, 趙慧琴, 毛豐龍, 蘇樹朋

(河北省地震局保定地震監測中心站, 河北 保定 071000)

0 引言

河北及鄰區位于華北克拉通塊體內,自中生代開始,東部和北部地區發生強烈變形。到新生代時期,構造格局發生逆轉,應力狀態由擠壓變成拉張,從而產生大規模的斷陷活動[1-3]。第四紀以來,河北及鄰區新構造活動頻繁,地震多發,尤其在張家口—渤海斷裂帶上曾發生過多次破壞性地震,如1679年平谷8.0級、1976年唐山7.8級和1998年張北6.2級地震等。1998年以后,該地區的地震活動進入平靜期。直至近期,唐山地區于2019—2020年間,相繼發生豐南4.5級和古冶5.1級地震,兩次地震僅相隔7個月,表明該斷裂帶中東段的構造活動可能又趨于活躍。從20世紀90年代至今,國內外學者圍繞華北地區應力場、地殼和上地幔速度結構、電性結構和孕震環境等學術領域開展了大量的研究工作[4-7],在華北地區的巖石圈深部結構、地球動力學和物質組成的認識等研究方向,積累了豐富的資料和大量科研成果。但針對該區域巖石圈磁場變化特征及震磁信息進行的研究,則相對較為匱乏。

巖石圈磁場是地球磁場重要組成部分,其異常變化與地質結構、構造活動、溫度與應力狀態等因素密切相關[8]。構造磁學表明,地震活動、火山噴發等構造運動,會引起局部巖石圈磁場變化。早期學者根據震源物理過程和地球內部的物理性質,相繼提出壓磁效應、膨脹磁效應和感應磁效應等震磁關系理論,用于解釋地震前后磁場變化[9-12]。之后隨著航空磁測、衛星磁測及地面磁測的展開,數據資源日漸豐富,圍繞巖石圈磁場變化與地質構造、地震活動之間關系進行的研究活動也逐漸增多[13-14]。近年來,學者對川滇、南北天山地區的典型震例進行研究后發現,地震前一年左右,震中附近的巖石圈磁場出現明顯的異常變化,異常的產生與地質構造、巖石圈結構、應力狀態有關,異常的持續時間和空間范圍應與震級相關[15-18]。這些研究成果對于河北及鄰區震前巖石圈磁場異常變化特征的研究工作,具有重要參考意義。

自2009年開始,中國地震局流動地磁技術團隊在華北地區連續開展大規模的流動地磁矢量觀測,為相關研究工作提供了豐富的數據資源。本文收集了“2018、2019、2020年”3期河北及鄰區流動地磁矢量觀測資料,通過數據處理,得到“2018—2019”和“2019—2020”2期巖石圈磁場年變化結果,進而以2019年12月唐山豐南4.5級和2020年7月唐山古冶5.1級地震為例,系統分析震前的巖石圈磁場異常變化特征,以期對該區域的震磁異常識別工作有所幫助。

1 數據來源及處理方法

1.1 數據來源

流動地磁矢量觀測以F、D、I(地磁總強度、磁偏角、磁傾角)三要素為測量對象,通過地磁要素間的三角函數關系,可獲得其他四個要素的數值。河北及鄰區測點共有84個,平均點間距約70 km,呈網格狀均勻分布(圖1)。測點觀測環境良好,無電磁干擾,觀測數據能夠準確反映該地區的磁場特征。測量位置處設有固定測樁,每期進行6組重復測量,取其平均值作為該測點的測值。

圖1 河北及鄰區構造及測點分布示意圖Fig.1 Distribution diagram of tectonics and measuring points in Hebei and its adjacent area

地磁場總強度觀測使用儀器為GSM-19T質子旋進磁力儀,其靈敏度為0.15 nT@1 Hz,分辨率為0.01 nT,絕對精度為±0.2 nT。地磁場磁偏角和磁傾角觀測使用儀器為磁通門經緯儀,精度分別優于0.2′。測點地磁場水平和垂直梯度均小于5 nT,儀器安裝誤差小于1 cm,儀器位置變化產生的誤差可忽略。

1.2 數據處理方法

地磁場是由外源變化場、地球主磁場和巖石圈磁場等不同源磁場成分疊加而成的混合場[19]。在流動地磁數據處理過程中,需通過地磁日變通化、長期變化改正、主磁場剝離等技術手段[20-21],剝除外源磁場和地磁主磁場等成分,以獲取巖石圈磁場成分。再將兩期巖石圈磁場數據進行差分計算,建立巖石圈磁場空間變化模型。具體方法如下:

(1) 日變通化改正。本文采用臺網通化法進行日變通化,利用觀測區周邊多個地磁臺站連續觀測分鐘值的數據,進行函數擬合,獲取日變通化空間參考場,完成日變通化改正[22],來消除流動地磁觀測數據包含的地磁場日變化等外源場成分。相比于傳統的單臺通化方法,該方法可大大降低個別臺站數據異常所帶來的誤差。

(2) 長期變化改正。為消除觀測數據中的地球主磁場長期變化成分,采用IGRF13_SV模型方法,對兩期日變通化數據集進行長期變化改正,改正日期為上一期的日變通化日。如2018年觀測數據的日變通化日為2018年4月16日,就將2019年數據長期變化改正至2018年4月16日。

(3) 巖石圈磁場年變化。以IGRF-13(第13代國際地磁參考場)為觀測區域地球主參考場模型。對長期變改正數據進行曲面樣條計算,獲取空間分布均勻的點陣數據,減去IGRF-13模型數據后,即獲得當期巖石圈磁場空間分布數據模型。將相鄰兩期巖石圈磁場相減,可獲得巖石圈磁場年度變化模型,進而可依據該模型分析研究區磁異?？臻g變化分布特征。

數據處理過程中,為獲得合理可信的計算結果,對相鄰2期發生遷移和單要素異常的測點予以剔除。

2 區域巖石圈磁場年變化

本節將以總強度、磁偏角、磁傾角3要素及水平矢量為代表,討論河北及鄰區“2018—2019”和“2019—2020”巖石圈磁場變化特征,并結合唐山豐南4.5級和唐山古冶5.1級地震的震中位置,分析震中附近巖石圈磁場異常變化特征,如圖2和圖3所示。

2.1 2018—2019年度

通過2018—2019年研究區內巖石圈磁場年變化(圖2)可以看出:(1)研究區南部巖石圈磁場水平矢量的方向較為一致,以NE向為主,幅值較小;研究區北部的矢量方向則較為雜亂,無優勢方向,幅值相對較大。在唐山—天津地區,北部地區的SE方向矢量和西南地區NE方向矢量在此交匯,矢量方向發生散亂,幅值變小,形成局部水平矢量弱化區。唐山豐南4.5級地震位于此弱化區東側邊緣,震中區域的水平矢量同時具有幅值弱化和方向轉向的特征。(2)巖石圈磁場磁偏角變化范圍在-0.8′至+1.0′之間,負異常區主要位于研究區西北一側,正異常區主要位于研究區東南一側。唐山豐南4.5級地震震中位于磁偏角變化“0”值線上,且伴有高梯級帶分布。(3)巖石圈磁場磁傾角變化范圍在-0.5′至+0.6′之間,負異常區大部分位于研究區東南部及西北局部,正異常區則主要位于研究區西北部。唐山豐南4.5級地震震中位于磁傾角變化負異常區域,其北側出現局部極值區,震中處年變化量為-0.27′,距磁傾角年變化“0”值線約83 km。(4)巖石圈磁場總強度變化范圍在-6 nT至+6 nT之間,主要的正、負異常分別位于研究區的西部和東部。唐山豐南4.5級地震震中位于總強度變化的負異常區,震中處年變化量為-3 nT,且磁場變化等值線較為平順,無“0”值線和高梯級帶通過。

2.2 2019—2020年度

通過2019—2020年研究區內巖石圈磁場年變化(圖3)可以看出:(1)相比“2018—2019”年度,本期巖石圈磁場水平矢量的方向表現更為雜亂,無明顯分區特征且幅值變化較小。唐山古冶5.1級地震震中東、西兩側的水平矢量幅值較大,方向相背,震中處水平矢量同樣表現出局部弱化和方向轉向的特征。(2)巖石圈磁場磁偏角變化范圍在-0.8′至+0.8′之間,負異常區主要位于研究區東部和東北部,正異常區主要位于研究區南部和東北部區域。唐山古冶5.1級地震震中同樣位于磁偏角變化“0”值線上且附近具有高梯級帶分布,其特征與唐山豐南4.5級地震相同。(3)巖石圈磁場磁傾角變化范圍在-0.4′至+0.3′之間,正、負異常區呈相間分布,在研究區的西北部存在正、負異常的極大值。唐山古冶5.1級地震震中位于磁傾角變化正異常區域,震中處年變化量為+0.03′,距磁傾角變化“0”值線約19 km。(4)巖石圈磁場總強度變化范圍在-4 nT至+3 nT之間,負異常區主要位于研究區北部,正異常區主要分布于研究區東南部。唐山古冶5.1級地震震中位于總強度年變化的正異常區,震中處年變化量為+0.9 nT,距總強度變化“0”值線約23 km。

圖2 2018—2019年河北及鄰區巖石圈磁場變化 [黑色實心圓點表示地震;等值線中紅色線表示正值,藍色線表示負值,黑色線表示零值線,圖(b)等值線間隔為0.2′,圖(c)等值線間隔為0.1′,圖(d)等值線間隔為1 nT]Fig.2 Variation of lithospheric magnetic field in Hebei and its adjacent areas during 2018-2019 (The black solid dots represent earthquake; in the contour line,the red line represents positive value,the blue line represents negative value,and the black line represents zero value; the isoline interval in figure (b) is 0.2′,isoline interval in figure (c) is 0.1′,isoline interval in figure (d) is 1 nT)

總體來看,相對于“2018—2019”,“2019—2020”年度河北及鄰區巖石圈磁場的變化形態并不一致,不具有延續性,且“2019—2020”巖石圈磁場各要素的年變化量呈現減小的趨勢。2期巖石圈磁場年變化與研究區內主要構造帶無明顯對應關系。唐山豐南4.5級和唐山古冶5.1級地震前,震中區域巖石圈磁場異常變化具有部分相似性,主要表現在:1、巖石圈磁場水平矢量均具有局部弱化和方向轉向的特征;2、震中位于磁偏角變化“0”值線上,且有高梯級帶分布。相對而言,磁傾角、總強度2要素的異常特征不顯著,且在2次地震中的表現不一致。

3 討論

巖石圈磁場異常變化與構造活動密切相關。我國地震地磁學者在震磁關系研究過程中發現,很多震例發生前,震中區巖石圈磁場均出現一定程度的異常變化[23-26]。對近年來典型地震前的巖石圈磁場異常變化特征進行總結(表1),可以看出,震中區域巖石圈磁場水平矢量方向均存在一定程度的弱化和轉向特征,絕大部分震中區域分布有巖石圈磁場磁偏角的“0”值線或高梯級帶,其他要地磁要素的異常表現則不盡相同,這與本次研究成果具有一致性。由此可見,巖石圈磁場變化水平矢量局部弱化及轉向區、磁偏角的“0”值線及高梯級帶區,是重要的震磁前兆信息,在地震危險區研判工作中具有一定的應用價值。

圖3 2019—2020年河北及鄰區巖石圈磁場變化 [黑色實心圓點表示地震;等值線中紅色線表示正值,藍色線表示負值,黑色線表示零值線,圖(b)等值線間隔為0.2′,圖(c)等值線間隔為0.1′,圖(d)等值線間隔為1 nT]Fig.3 Variation of lithospheric magnetic field in Hebei and its adjacent areas during 2019-2020 (The black solid dots represent earthquake; in the contour line,the red line represents positive value,the blue line represents negative value,and the black line represents zero value; the isoline interval in figure (b) is 0.2′,isoline interval in figure (c) is 0.1′,isoline interval in figure (d) is 1 nT)

震前的巖石圈磁場水平矢量弱化、轉向現象,可能與發震斷裂的閉鎖程度增高有關。相關研究指出[17],巖石圈磁場變化水平矢量的幅值弱化、方向散亂的地區,可能是地殼應力水平高、深部閉鎖程度高的地區。斷裂的閉鎖程度增高與地震活動密切相關,如蘆山7.0級地震前,震源區龍門山斷裂南段應變積累速度明顯增大,應變率較小,斷層閉鎖程度增高[29-30]。1976年唐山7.8級地震后,唐山斷裂(豐南4.5級地震和古冶5.1級地震的發震斷裂)一直處于應力積累狀態,中間經過“3.11”日本地震短暫釋放后又恢復持續積累狀態,同時也加大了斷層的閉鎖程度[31]。巖石磁學實驗表明[32],巖石的磁化率會隨應力變化而變化,應力積累使得巖石磁化強度在應力方向上減小,應力釋放使得巖石磁化強度在應力方向上增大。震前巖石圈應力水平及斷層閉鎖程度的增加,可能引起了豐南4.5級地震、古冶5.1級地震震中區域的水平矢量出現弱化、轉向現象。

表1 巖石圈磁場異常變化與地震對應關系

對于震中多位于巖石圈磁場磁偏角的“0”值線或高梯級帶這一現象,目前的研究成果尚未有合理的解釋,有待于進行深入的研究。

4 結論

本文通過對河北及鄰區巖石圈磁場年變化及唐山豐南4.5級和唐山古冶5.1級地震震中區巖石圈磁場異常變化進行對應分析,得出以下結論:

(1)“2018—2019”和“2019—2020”2期河北及鄰區巖石圈磁場年變化空間分布并無一致性或繼承性特征。與“2018—2019”相比,2019—2020年石圈磁場各要素年變化在量值上具有減小的趨勢。2期巖石圈磁場年變化與研究區內主要構造帶無明顯對應關系。唐山豐南4.5級、唐山古冶5.1級地震震中區域具有巖石圈磁場水平矢量的局部弱化、方向轉向及磁偏角年變化“0”值線、高梯級帶分布的特征。

(2) 結合近年來典型地震前的巖石圈磁場異常變化特征來看,巖石圈磁場年變化中水平矢量局部弱化及轉向區和磁偏角的“0”值線及高梯級帶區,可能包含重要的震磁前兆信息,應為重點關注區。

致謝:感謝中國地震局流動地磁團隊在數據采集,處理方法和模型計算等方面做出的努力。