云南地區(qū)巖石圈磁場特征及震磁特性

楊學慧 王赟輝 姚休義

摘要：利用NGDC-720模型計算云南地區(qū)巖石圈磁場X，Y，Z分量，分析巖石圈磁場分布特征，并從空間分布及強度統(tǒng)計兩方面研究1970—2019年云南省內(nèi)31次MS≥6.0地震與巖石圈磁場分布之間的關(guān)系。結(jié)果表明：云南地區(qū)主要斷裂的展布與巖石圈磁場分布有著較好的對應關(guān)系，且研究區(qū)內(nèi)MS≥6.0地震大多分布在負值異常區(qū)或正負異常區(qū)的分界處。

關(guān)鍵詞：NGDC-720模型;巖石圈磁場;震磁特性;正負異常區(qū)

中圖分類號：P315.721文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2020）04-0745-06

0引言

巖石圈磁場（Lithospheric Magnetic Field，簡稱LMF），又名為地磁異常場，作為地磁場的一個重要組成部分，其空間分布和時間變化受巖石圈物質(zhì)磁化率參數(shù)、地質(zhì)構(gòu)造及其運動歷史、巖石圈溫度和應力狀態(tài)等的影響 （徐文耀，2009）。LMF極其穩(wěn)定，其變化的時間尺度以百萬年量級計算，但在一些地質(zhì)活動劇烈時期，局部地區(qū)的巖石圈磁場則可能發(fā)生快速變化，如火山活動以及地震的孕育和發(fā)生等 （李莎，康國發(fā)，2014）。

近年來，關(guān)于地磁異常的研究一部分集中在利用模型數(shù)據(jù)分析全球或亞洲地區(qū)等大區(qū)域范圍，如徐文耀等（2000）以第十代國際參考地磁場（IGRF10）為背景，研究了20世紀的全球大尺度地磁異常的深部磁場的結(jié)構(gòu)特點;康國發(fā)等（2002）以Bloxham和Jackson（1992） 給出的BJ模型，計算和分析1690年以來地表非偶極子磁場垂直分量的異常變化;康國發(fā)等（2010）利用Champ衛(wèi)星資料分析了中國及其鄰區(qū)磁異常的分布特征。另一部分研究主要針對局部小范圍區(qū)域的地磁場長期變化和區(qū)域性磁異常，如董學斌等（1980）利用1970年中國地磁圖及正常磁場模型研究了我國東北地區(qū)大地磁異常;顧左文等（2004）以球冠諧模型研究了京津冀地區(qū)的地磁異常;張昌達（2002，2009）對西藏高原地殼的磁性特征及南中國海的2個磁異常開展研究。還有部分學者利用固定觀測臺站，通過地磁加卸載響應比、逐日比異常、諧波振幅比等方法開展研究（馮志生等，2006;李霞等，2016;倪曉寅，2017;李鴻宇等， 2013），分析得出中強地震前出現(xiàn)地磁異常變化。

由于前人研究中磁場模型所使用的資料陳舊或不夠系統(tǒng)，且受限于橫向分辨率（λ=2πREn），故現(xiàn)行大部分衛(wèi)星磁場模型階數(shù)較低（n≤300）。NGDC-720模型是由地面、航空、海洋和衛(wèi)星磁測數(shù)據(jù)綜合匯編而成，是利用球諧分析法描述巖石圈磁場精度最高的模型之一（焦立果，2014），模型的建立過程中使用了經(jīng)掃描數(shù)字化后的中國大陸地區(qū)航磁圖數(shù)據(jù)。該模型提供了n為16～720階球諧級數(shù)展開來表示地殼場，對應于56～2 500 km的空間波長范圍（馮麗麗等，2015），具有極高的空間分辨率，適用于描述地殼磁異常、推測巖石圈的組成和結(jié)構(gòu)（黃曉穎，邊少鋒，2010），為建立高精度地殼磁場模型提供了基礎（王慧琳等，2008）。

地震活動性與地磁異常之間存在著一定的相關(guān)性。隨著LMF的建模和廣泛應用，將其應用于地震活動的研究中，尤其是通過地磁異常區(qū)尋找潛在震源區(qū)，可提升對多震地區(qū)地磁異常區(qū)的認識，為實際地震預測工作提供一定的決策依據(jù)。云南地區(qū)位于青藏高原的東南邊緣，是印度板塊與歐亞大陸北東向碰撞擠壓的前沿地帶和深部物質(zhì)逃逸地帶，同時也是青藏高原與揚子地塊、印支地塊交接的過渡地帶，地質(zhì)造復雜、地震頻發(fā)。本文利用NGDC-720模型，分析云南地區(qū)巖石圈磁場分布特征，及其與研究研究區(qū)內(nèi)MS≥6.0地震之間的關(guān)系。

1資料處理

1.1地震目錄選取

選取1970—2019年震中位于云南省范圍內(nèi)（20°～30°N，97°～107°E）的MS≥6.0地震共計31個，并統(tǒng)計了這些地震震中的巖石圈磁場強度以及巖石圈磁場分布特征，見表1。

1.2NGDC-720模型計算巖石圈磁場

在地磁觀測中，主磁場和地殼磁場疊加在一起，理論上還無法將它們完全分離，但是根據(jù)地磁場能譜隨諧波階次的變化規(guī)律，通常認為球諧階次n<13階為地核場，n=14～15階是地核和地殼磁場的過渡，n>16階為地殼磁場，為地殼磁場定量計算提供了依據(jù)。在地心坐標系下計算各個地磁要素值。根據(jù)地磁場位函數(shù)理論，地磁位的球諧級數(shù)為：U（r，θ，t）=a∑Nn=1∑nm=0arn+1gmn（t）cosmλ+hmn（t）sinmλPmn（cosθ）（1）式中：λ和θ分別為經(jīng)度和余緯;a是地球半徑，計算中取6 371.2 km;gmn（t）和hmn（t）是地磁位的球諧系數(shù);pmn（cosθ）是n階m次施密特標準正交締合勒讓德函數(shù)。

在球坐標系下，地磁場北向分量X、東向分量Y和垂直分量Z可以根據(jù)位函數(shù)求導得到：X（θ，λ）=∑∞n=1∑nm=0（gmncosmλ+hmnsinmλ）

dPmn（cosθ）dθ（2）Y（θ，λ）=∑∞n=1∑nm=0（gmnsinmλ-hmncosmλ）

msinθPmn（cosθ）（3）Z（θ，λ）=-∑∞n=1∑nm=0（n+1）（gmncosmλ+

hmnsinmλ）Pmn（cosθ）（4）NGDC-720地磁場模型以球諧分析系數(shù)（g，h）的形式給出，本文以0.05°為網(wǎng)格間距，按照云南省的經(jīng)緯度要求計算磁場模型數(shù)據(jù)。

2云南地區(qū)巖石圈磁場分布特征

由于正負異常交界區(qū)沒有明確的定義，本文參考顧春雷（2010）以零值線30 km緩沖區(qū)為零值線附近區(qū)域的研究思路，以研究區(qū)內(nèi)巖石圈磁場強度變化總量的5%為緩沖區(qū)定義為正負異常分界區(qū)，即-0.13 nT≤X≤0.13 nT，-10.08 nT≤Y≤10.08 nT，-14.11 nT≤Z≤14.11 nT。

2.1X分量異常

由圖1a可見，云南地區(qū)X分量整體強度較小，介于-1.55～1.11 nT。X分量在云南大部分地區(qū)都呈現(xiàn)出磁負異常現(xiàn)象。負異常以滇西南、滇南地區(qū)為主，呈現(xiàn)為廣闊寬緩的弱負異常區(qū)，極值位于滇西大盈江斷裂附近，第二大負異常地區(qū)分布于滇東北的昭通—魯?shù)閿嗔迅浇５嵛鞅眳^(qū)域出現(xiàn)明顯的正異常，主要延伸至德欽斷裂、中甸—喬后斷裂、金沙江斷裂、怒江斷裂附近，極值分布于怒江斷裂附近，幅度達1.11 nT;滇南地區(qū)也呈現(xiàn)有小部分正異常，主要位于小江斷裂南段、曲江斷裂附近，幅度約為0.03 nT。

2.2Y分量異常

從圖1b可見，Y分量強度介于-96.57～105.08 nT，其異常分布呈現(xiàn)出較明顯的西負東正的現(xiàn)象，以麗江—小金河斷裂至紅河斷裂為界，負異常主要集中在滇西、滇西南及滇西北的中甸、麗江地區(qū)。最顯著的負異常分布于滇西怒江斷裂西支附近，極值為-96.57 nT;正異常主要分布在界線以東和東北地區(qū)，包含了部分滇西北地區(qū)，最大幅度達105.8 nT。各異常區(qū)較分散，相互聯(lián)系不多，正負異常分界較明顯，區(qū)內(nèi)較為活躍的小江斷裂、麗江—小金河斷裂、紅河斷裂、昭通斷裂的走向與正異常區(qū)的展布較一致。

2.3Z分量異常

由圖1c可見，云南地區(qū)Z分量強度介于-139～43.27 nT，存在5個較為明顯的負異常區(qū)，與區(qū)內(nèi)主要斷裂的分布有較明顯的相關(guān)性，分別為：以麗江—小金河斷裂、維西—喬后斷裂、瀾滄江斷裂為主的滇西北地區(qū)，南華—楚雄斷裂附近區(qū)域，普洱斷裂、瀾滄江斷裂附近區(qū)域，石屏—建水斷裂、小江斷裂一帶，以及昭通—魯?shù)閿嗔迅浇鼌^(qū)域。負異常極值出現(xiàn)在昭通—魯?shù)閿嗔迅浇冗_-139 nT。小江斷裂穿越了正異常區(qū)和負異常區(qū)，說明這2個異常區(qū)的基底性質(zhì)存在巨大差異，南華—楚雄斷裂附近的負異常區(qū)被包圍在正異常區(qū)中，形成一個孤島，地震活動較為劇烈，該區(qū)域的大姚、姚安歷史上曾發(fā)生過多次MS≥6.0地震。

3強震的磁異常特性分析

3.1空間展布特征

如圖1b，c所示，1970—2019年的MS≥6.0地震大多發(fā)生在麗江—小金河斷裂、普洱斷裂、南華—楚雄斷裂、小江斷裂、曲江斷裂、昭通斷裂、龍陵—瑞麗斷裂、程海斷裂附近的Y，Z分量負異常區(qū)內(nèi)，部分地震位于Z分量正負交界區(qū)。大多數(shù)地震的震中位置均有2個以上分量為負值，而1998年寧蒗6.2級地震顯得較為特殊，其震中附近的巖石圈磁場三分量均為正值。

3.2巖石圈磁場強度

由表1可見，96.77%的地震發(fā)生在X分量負異常區(qū)內(nèi)，87.1%發(fā)生在Y分量負異常區(qū)內(nèi)，77.4%發(fā)生在Z分量負異常區(qū)及正負異常分界處。

云南地區(qū)巖石圈磁場強度極值情況見表2，其中，平均強度為磁場強度取絕對值后取平均得出。表2顯示，X分量正異常最大值位于怒江斷裂附近、與西藏交界地區(qū)，強度為1.11 nT，負異常最大值在龍陵—瑞麗斷裂與緬甸接壤區(qū)域，強度為-1.55 nT;Y分量正異常最大值在大姚附近，強度為105.08 nT，負異常最大值位于麗江—小金河斷裂與德欽—中甸斷裂交界區(qū)域，強度為-96.57 nT;Z分量正異常最大值位于元謀斷裂北段，強度達143.27 nT，負異常最大值位于昭通—魯?shù)閿嗔眩瑥姸雀哌_-139 nT，該負異常區(qū)內(nèi)曾發(fā)生過1974年大關(guān)7.1級地震。

綜合表1，2可以看出，強震震中位置的巖石圈磁場強度大多遠遠低于最大正異常值或者最大負異常值，發(fā)震位置均不在區(qū)域巖石圈磁場強度最強處。

4結(jié)論

本文利用NGDC-720模型，分析了云南地區(qū)巖石圈磁場分布特征，并從空間分布及強度統(tǒng)計兩方面探討了研究區(qū)內(nèi)MS≥6.0地震震中位置與巖石圈磁場分布之間的關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)云南地區(qū)主要斷裂的展布與巖石圈磁場分布有著較好的對應關(guān)系，紅河斷裂作為云南省境內(nèi)主要的深大斷裂，主要位于Z分量負異常區(qū)及正、負磁異常分界線附近，維西—喬后斷裂、石屏—建水斷裂、曲江斷裂、麗江—小金河斷裂、南華—楚雄斷裂、昭通—魯?shù)閿嗔?、小江斷裂大部分、普洱斷裂則位于Y，Z分量負異常區(qū)內(nèi)。

1970—2019年云南地區(qū)發(fā)生的MS≥6.0強震與巖石圈磁場的關(guān)系研究表明，強震發(fā)生在負異常區(qū)及正負分界處的概率遠高于正異常區(qū)，且不在磁場強度最強處。而寧蒗6.2級地震震中距小金河—麗江斷裂僅有17 km，震中附近區(qū)域的3個巖石圈磁場分量卻均為正值，與本次研究的結(jié)論不一致，考慮到該地震的震中位置為云南與四川交界處，下一步可擴大研究范圍至川滇地區(qū)，作進一步研究。

在本次研究中，https：//geomag.us/models/ngdc720.html提供了磁場模型球諧分析系數(shù)，中國地震臺網(wǎng)中心提供了地震目錄，以及在數(shù)據(jù)處理前期作出貢獻的單位和個人，在此一并表示衷心感謝。

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Characteristics of Lithospheric Magnetic Field and Seismomagnetic

Characteristics in Yunnan Area

YANG Xuehui1，WANG Yunhui1，YAO Xiuyi2

（1.Yunnan Earthquake Agency，Kunming 650224，Yunnan，China）

（2.Catastrophic Risk Management Research Center，Yunnan University of Financeand

Economics，Kunming 650221，Yunnan，China）

Abstract

Firstly，using the NGDC-720 model，we calculated the X，Y，Z components of the lithospheric magnetic field in Yunnan area，and analyzed the distribution characteristics of the lithospheric magnetic field.Then，we studied the relationship between the epicentral location of the 31 MS≥6.0 earthquakes in Yunnan Province from 1970 to 2019 and the distribution of the lithospheric magnetic field from two aspects of spatial distribution and intensity statistics.The results show that the distribution of major faults in Yunnan area has a good correspondence with the distribution of the lithospheric magnetic field，and most MS≥6.0 earthquakes are distributed in the negative anomaly area or the boundary of the positive and negative abnormal areas in the study area.

Keywords：NGDC-720 model;lithospheric magnetic field;seismomagnetic characteristics;positive and negative anomalies area