2021年5月22日瑪多MS 7.4地震周邊地區巖石圈磁場變化及地震前后異常特征分析

張 瑜 陳雙貴 馬輝源 閆萬生 楊 磊 雷 光 楊 龍 杜建清

1）中國蘭州 730000甘肅省地震局

2）中國甘肅 730046 蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站

0 引言

2021年5月22日青海果洛州瑪多縣發生了MS7.4地震，地震發生在瑪多—甘德斷裂帶上（詹艷等，2021），震中位于（34.59°N，98.34°E），震源深度17 km，這是自汶川MS8.0地震后中國大陸發生的震級最高的破壞性地震。震中以北為瑪多—甘德斷裂帶，以南為巴彥喀喇山主峰斷裂帶（鄧起東等，2003）。該地區近20年來發生了多次強震，是中國大陸地震活動最為強烈的區域之一（張培震等，2003）。

如何通過監測地球物理場的異常信息來預測地震是眾多學者研究的課題，地磁學者一般通過監測地磁場異常變化來研究震磁關系，其中就包括通過監測地磁場要素的變化特征與地震的相關性來預測地震。近1個世紀的研究發現，地磁異常現象與地震活動關系大體可分成2類：一類是基本磁場觀測數據中巖石在應力作用下產生的“壓磁效應”（祁貴仲，1978；郝錦綺等，1989），另一類是基于感應效應和地下電性變化出現的有關地磁異常的“感應磁效應”（祁貴仲等，1981），這些理論也被用于解釋孕震過程中各種磁異常現象。一般認為發生在巖石圈的淺源地震造成的破壞往往比同級別深源地震大（許忠淮，2014），因此，研究巖石圈的動力學過程從而對地震活動進行監測和預報有利于降低地震災害的風險。孕震區域地下巖石介質的破裂、膨脹等變化會導致局部的地磁異常變化，特別是巖石圈磁場的異常變化，同時巖石圈磁場的變化又受地質結構、構造環境、應力狀態等多種因素影響（丁鑒海等，2011）。中國地震局流動地磁技術團隊通過在監測區布設高密度重復性測點，產出豐富的地磁場（尤其是巖石圈磁場）信息，期望通過分析巖石圈磁異常信息找出孕震的機理，探究孕震的動力學過程。

本文主要利用2018—2021年瑪多MS7.4地震震中周邊區域連續4年流動地磁場矢量數據，得出2018—2019年、2019—2020年、2020—2021年連續3期巖石圈磁場空間年變化結果，總結瑪多周邊區域巖石圈磁場各要素年變化特征，為研究震磁關系提供參考。為方便討論，依次將2018—2019年、2019—2020年、2020—2021年稱為震前2期、震前1期、震后1期。

1 資料選取與數據處理

研究區域（圖1）為瑪多MS7.4地震震中周邊地區（31°—38°N，95°—102°E），研究區域共有76個測點，各期測點數略有不同，測點均為重復性測點，受限于氣候環境等因素，大部分測點測量時間均為當年7—9月，重復測量周期為一年，2021年測點測量時間均在瑪多MS7.4地震發生后，因此，可認為2020—2021年的巖石圈磁場年度變化可以反映地震前后震磁異常變化。測點測量的物理量為地磁三要素的絕對值，包括總強度F、磁偏角D、磁傾角I。測量使用GMS-19T質子旋進磁力儀、CTM-DI磁力儀、阿什泰克單頻差分儀。觀測精度要求：水平梯度≤3 nT/m，垂直梯度≤5 nT/m，2次方位角測量誤差小于6″，相鄰兩期主副點點位差的變化小于1.5 nT。

圖1 研究區域斷層與地磁測點分布Fig.1 Distribution of faults and geomagnetic stations in the study area

數據處理主要包括以下2個步驟：

（1）利用地磁臺網泰勒多項式擬合法(陳斌等，2017；蘇樹朋等，2019)對原始數據集進行日變通化，主要的目的是消除觀測數據中的規則日變場和其他外源場成分，得到地磁場數據中的內源場部分。通化后要求均方差滿足：δF≤1.5 nT，δD≤0.5′，δI≤0.5′。

（2）利用自然正交模型（NOC）（顧左文等，2009；陳斌，2011）進行長期變化改正，長期變化結果均統一改正至2020.0地磁標準年代。以“中國地磁參考場模型（CGRF）”作為研究區域的主磁場，通過對其剝離獲得巖石圈磁場，再對巖石圈磁場做差分即可獲得相鄰測期巖石圈磁場的動態變化模型。

2 巖石圈磁場各要素特征分析

通過上述步驟及地磁要素的關系，即H=FcosI，Z=FsinI（丁鑒海等，2011），可以獲取研究區域2018—2019年、2019—2020年、2020—2021年瑪多MS7.4地震前后水平矢量H、垂直矢量Z的空間變化，以及磁偏角D、磁傾角I的等變線的空間變化和總強度F、垂直分量Z等變線的空間變化，見圖2、圖3。

圖2 研究區域各期水平矢量與垂直矢量的空間分布Fig.2 Spatial distribution of horizontal and vertical vectors in each period of the study area

圖3 研究區域各期磁偏角D、磁傾角I等變線的空間分布紅色代表正值，黑色代表零線，藍色代表負值，D、I等變線間隔為0.25′Fig.3 Spatial distribution of contour lines of magnetic declination D and magnetic inclination I in each period of the study area

2.1 水平矢量H的空間變化

圖2為地震前后水平矢量H、垂直矢量Z的空間變化分布圖。從圖2中可以看出，震前，2018—2019年水平矢量優勢方向為自西向東，西部、南部幅值大于東部、北部，且東部、北部小范圍內矢量方向表現雜亂，變化各異，震中位置水平矢量方向、幅值均變化平穩。矢量在震中東南80 km處出現順時針旋轉且幅值變小的弱變化，弱變化在瑪沁周邊表現最為明顯，矢量方向與斷層走向在震中周圍200 km范圍內有較高的契合度。2019—2020年水平矢量變化趨勢與上期有很大不同，幅值整體變小，整個研究區域具有自南向北的優勢方向，巴顏喀拉地塊內部呈散亂狀態，矢量方向無規律且量級小，震中周邊100 km范圍內這種弱變化趨勢最為明顯。震后，2020—2021年水平矢量優勢方向自北向南，幅值自北至南無較大變化，但較2019—2020期顯著變大，震中位置水平矢量變化平穩。

2.2 垂直矢量Z的空間變化

從圖2可以看出，震前，2018—2019年垂直矢量變化較為復雜，優勢方向大致以巴彥喀喇山主峰斷裂為界，西南側主體向上，西北側主體向下，東昆侖斷裂帶以北至研究區域的東北角主體向上，甘孜—玉樹—風火山斷裂中部量值較大，震中西側20 km處矢量有對沖現象。2019—2020年垂直矢量大致以瑪多—甘德斷裂為界，東南側主體向上，西北側主體向下，研究區域矢量的方向大致與上一期相反，幅值并無較大變化，震中位置矢量既有對沖又有發散。震后，2020—2021年垂直矢量方向在研究區域內整體上由南向北，幅值在震中西側100 km處變大。

2.3 磁偏角 D、磁傾角I等變線的空間變化

圖3為地震前后磁偏角D、磁傾角I等變線的空間分布圖。從圖3可以看出，震前，2018—2019年磁偏角D正負值有明顯的界限，磁偏角I的變化范圍在-1′—2′之間，研究區域以正值為主，負值區域成帶狀分布于東昆侖斷裂帶、瑪多—甘德斷裂帶東北、瑪沁—西寧—門源一帶，最大值為1′，震中位于正值區，幅值為1.5′，距離“0”變線130 km。2019—2020年磁偏角D正值區大面積分布于研究區域，負值區以帶狀分布于少量區域，較上一期，負值主要區域的位置偏移至震中附近，磁偏角的變化范圍在-0.5′—1′之間，震中位于正負值交界地區，距離“0”變線僅10 km。震后，2020—2021年磁偏角D的變化范圍在-1.25′—0.75′之間，負值區以帶狀形式分布于玉樹—共和—德令哈以東，瑪沁—西寧以西區域。震中位于正值區，距離“0”變線30 km，3期“0”變線與震中的距離見表1。

表1 瑪多震中周邊巖石圈磁場各要素變化特征統計Table 1 Statistics of variation characteristics of various elements of the lithospheric magnetic field around the epicenter of Maduo earthquake

從圖3可以看出，震前，2018—2019年磁傾角I正負值大致以東昆侖斷裂帶為界，以北為負值區，以南為正值區。柴達木地塊及祁連地塊大部分區域為負值，磁傾角的變化范圍在-0.5′—0.75′之間，震中位于正負值的交界區域，距離“0”變線10 km。2019—2020年磁傾角I負值區占據大部分研究區域，正值區以點狀零星分布于震中及德令哈以北區域，磁傾角的變化范圍為-0.75′—0.25′。震中正西30 km處有小范圍正值區，震中位于正負交界地區，距離“0”變線不足10 km。震后，2020—2021年磁傾角I正負值的分布與上一期完全相反，正值區占據研究區域的大部分區域，負值區以點狀形式分布于震中東南200 km處，震中位于正值區，遠離“0”變線，磁傾角的變化范圍在-0.25′—0.1′之間。3期“0”變線與震中的距離見表1。

2.4 總強度F、垂直分量Z等變線的空間變化

圖4為地震前后總強度F、垂直分量Z等變線的空間分布圖。從圖4可以看出，震前，2018—2019年總強度F的變化范圍在-12—6 nT之間，正值分布于柴達木地塊及巴顏喀拉地塊的西部，震中位于正值區域的高梯度帶，距離“0”變線50 km。2019—2020年總強度F的變化范圍在-6—8 nT之間，正值區域分布較廣，負值區以點狀或帶狀分布于研究區域，震中位于正負值交界地帶，震中距離“0”變線20 km。震后，2020—2021年總強度F的變化范圍在-8—4 nT之間，正值區大面積分布，形成較多高梯度帶，負值區僅以點狀形式零星分布，震中西北100 km處有小范圍負值分布，震中位于負值區，距離“0”變線60 km。3期“0”變線與震中的距離見表1。

圖4 研究區域各期總強度F、垂直分量Z等變線的空間分布紅色代表正值，黑色代表零線，藍色代表負值，F、Z等變線間隔為2 nTFig.4 Spatial distribution of contour lines of total intensity F and vertical intensity component Z in each period of the study area

從圖4可以看出，震前，2018—2019年垂直分量Z的變化范圍在-10—8 nT之間，負值區主要位于研究區域的北部及中南部，分布相對較廣，正值區域主要分布于研究區域的中西部及東部，主要集中于巴顏喀喇主峰斷裂與甘孜—玉樹—風火山斷裂之間。震中位于正負交界地區，距離“0”變線20 km。2019—2020年垂直分量Z的變化范圍在-10—8 nT之間，負值區域向南部擴展，震中位于正負交界地帶，距離“0”變線僅5 km。震后，2020—2021年垂直分量Z的變化范圍在-4—10 nT之間，正負值分布區域與震前一期相比出現了置換的現象，研究區域有高梯度帶出現，震中位于負值區，距離“0”變線40 km。3期“0”變線與震中的距離見表1。

3 討論

由圖2—圖4可以看出，在瑪多MS7.4地震發生之前，巖石圈磁場各要素均發生了不同程度的變化。

從場值分布來看：震前2期（2018—2019年）巖石圈磁場水平矢量的方向與斷層的走向在瑪多震中200 km范圍內大體一致，震中東南80 km處出現順時針旋轉且幅值變小的弱變化，磁偏角等變線也在震中東南80 km及以東地區出現集中的負值區域，垂直矢量變化較為復雜，研究區域存在多個不同的優勢方向以及幅值減小的弱變化區域。震中位于磁傾角、總強度、垂直分量等變線的正負交界地帶，而且震中位于總強度、垂直分量等變線的高梯度帶，震中位于磁傾角等變線的負值區，位于磁偏角、總強度、垂直分量等變線的正值區；震前1期（2019—2020年）巖石圈磁場水平矢量的場值明顯的小于震前2期的結果，研究區域矢量的優勢方向明顯，但在震中周邊100 km范圍內呈現散亂狀態，主要表現為矢量方向無規律且量級減小的弱變化，磁偏角在該區域也出現了集中分布的負值，垂直矢量場值并無較大變化，震中周邊矢量既有對沖又有發散現象，震中位于磁傾角、總強度、垂直分量等變線的正負交界地帶，其中震中位于磁偏角等變線的負值區，位于總強度、垂直分量等變線的正值區；震后1期（2020—2021）巖石圈磁場水平矢量的場值變大，優勢方向明顯，研究區域內無明顯的轉向和幅值減小的弱變化區域，磁偏角、磁傾角、垂直分量均以正值為主，總強度以負值為主。

從震中位置響應來看：2018—2020年震前連續2期水平矢量在震中80—100 km范圍內出現了弱變化現象，震后1期弱變化現象消失。震中位于磁傾角、總強度、垂直分量等變線的“0”變線附近，2019—2020年尤為明顯，磁偏角、磁傾角、總強度、垂直分量等變線的“0”變線距離震中5—20 km，這與部分學者研究成果（楊福喜等，2010；陳斌等，2011；顧春雷等，2012；倪喆等，2014；宋成科等，2017；董超等，2021）較為一致。

4 結論

對瑪多MS7.4地震前后巖石圈磁場部分要素的變化特征進行分析，并對巖石圈磁場部分要素累計年變化特征進行總結，得到以下結論：

（1）在震前2—3年巖石圈磁場水平矢量弱變化主要位于距離震中100 km的范圍內，磁偏角在100 km范圍內集中出現了負值分布，震中位于磁傾角、總強度、垂直分量等變線的梯度帶。

（2）在震前1—2年震中位置距離巖石圈磁場磁偏角、磁傾角、總強度、垂直分量等變線的“0”變線不到20 km，盡管并不完全確定產生這種變化的原因，但瑪多地震可能是一種解釋，地震同震和震后形變釋放了該區域積累的應力和能量，造成區域應力調整，從而導致磁場的異常變化。

（3）瑪多MS7.4地震前1—2年震中附近巖石圈磁場各要素的強變化，可以為短臨預測提供異常背景。如能在監測區加密觀測或復測，或許能捕捉到更明顯的震磁信息。

（4）根據亞失穩理論，在地震發震之前的亞失穩階段，震中應力表現為平穩弱變化趨勢。反映為巖石圈磁場年度變化由強至弱再至強的演化過程，所以監測地表的巖石圈磁場變化過程及“0”變線的演化形態，可幫助探查地下是否進入震前的亞失穩階段。

（5）震前震后巖石圈磁場磁偏角、磁傾角、總強度、垂直分量等變線的“0”變線與震中的距離經歷了“遠—近—遠”的過程，巖石磁學實驗表明，巖石的磁化率會隨應力變化而變化，相當多的巖石在應力增加時磁化率降低，應力降低時磁化率升高，應力與磁場大小存在著近似反向的關系（高龍生等，1985），這也說明瑪多地震震源區地下應力與上述要素“0”變線的分布關系密切，上述磁要素異常變化特征可以作為震磁異常的佐證并為地震預測、預報服務。

本文使用的流動地磁數據由13家省級地震局共同處理完成，作者在此表示感謝。