河北永清4.3級地震重、磁異常分析

張 娜,龔燕民,蘇樹朋

(1.保定地震中心臺(tái),河北 保定 071051；2．易縣地震臺(tái),河北 易縣 071051)

0 引言

地震的孕育及發(fā)生過程中,地下能量的積累與釋放過程必然會(huì)引起質(zhì)量遷移、地殼形變、巖石圈介質(zhì)變形,從而導(dǎo)致地球重力場、巖石圈磁場的變化[1-4]。流動(dòng)重力及流動(dòng)地磁這兩種手段已經(jīng)是地震監(jiān)測預(yù)報(bào)比較成熟的手段之一,流重和巖石圈磁場矢量定期重復(fù)的測量可為中短期地震趨勢預(yù)測提供有力的依據(jù)[5]。近年來,對南北帶、新疆地區(qū)、川藏地區(qū)6級以上的地震有著較好的中期預(yù)測,特別是2008年汶川8.0級地震、2013年四川蘆山7.0級、2014年新疆于田7.3級和2017年四川九寨溝7.0級等大震均進(jìn)行了較好的年度中期預(yù)測[6-10]。

2018年2月12日河北永清發(fā)生4.3級地震,這是河北自2016年9月10日河北開平M4.7級地震后相隔17個(gè)月后又一次4.0級地震,震中位置（116.67°E、39.37°N）位于流動(dòng)重力大華北測區(qū)河北測網(wǎng)及流動(dòng)地磁河北測網(wǎng),震前重力場、巖石圈磁場觀測資料都有一定的異常反應(yīng),并在河北省地震局年度會(huì)商時(shí)給與提出,震后其趨勢已恢復(fù)正常。本報(bào)告主要對這兩種觀測資料進(jìn)行異常分析與研究,為今后地震研判積累經(jīng)驗(yàn)。

圖1 河北省流動(dòng)重力測點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of mobile gravity measuring points

1 流動(dòng)重力觀測資料的異常分析

1.1 流動(dòng)重力觀測網(wǎng)的資料概況

大華北地區(qū)流動(dòng)重力測量在1966年邢臺(tái)地震后開始的。河北省地震局流動(dòng)測量隊(duì)測網(wǎng)原為火車、文霸、邢臺(tái)、邯安4個(gè)重力測網(wǎng),2009年下半年根椐監(jiān)測范圍需擴(kuò)大的要求,在華北地區(qū)陸續(xù)增設(shè)了65個(gè)測點(diǎn)?，F(xiàn)全測網(wǎng)共有131個(gè)測點(diǎn),組成143個(gè)測段。河北流動(dòng)重力測網(wǎng)主要覆蓋河北及臨近地區(qū),測網(wǎng)每年3月、9月兩期進(jìn)行測量,現(xiàn)在河北省流動(dòng)測量隊(duì)重力測點(diǎn)空間分布見圖1。

1.2 點(diǎn)值時(shí)序曲線異常分析

選取永清附近150 km內(nèi)的唐官屯、霸州、堂二里、滿城、保定、鄚州、板家窩、大城及文安9個(gè)流動(dòng)重力測點(diǎn),以2014年第二期各測點(diǎn)的自由網(wǎng)或擬穩(wěn)網(wǎng)平差差下獲得的相對重力值,自2015年后7期重力測點(diǎn)值與其比較,得到差值變化繪圖,從圖2可以明確的看出9個(gè)測點(diǎn)重力值變化基本一致,2018年2月12日永清4.3級地震前2016年第二期開始重力值持續(xù)下降,到2017年第二期轉(zhuǎn)而上升,上升過程中發(fā)生地震。其測值震前兩期、震后一期變化的具體指標(biāo)見表1。

表1 大華北測網(wǎng)部分流動(dòng)重力點(diǎn)位震前、后的測值變化Table 1 Variations of measured values before and after earthquakes at some mobile gravity measuring points in the North China Network

圖 2 重力測點(diǎn)時(shí)序圖Fig.2 Sequence diagram of gravity measuring points

1.3 重力場空間異常分析

通過對流動(dòng)重力測網(wǎng)相鄰兩期的測點(diǎn)重力值變化,即相鄰兩期的測點(diǎn)重力值相減而得到,繪制成等值線圖來反映整個(gè)測網(wǎng)的重力場的空間變化。通過2016年9月—2017年3月相鄰兩期重力等值線圖可以清晰地看出重力測網(wǎng)自“0”重力等值線以北重力值呈現(xiàn)下降趨勢,而以南地區(qū)重力值為高異常區(qū),永清地震震中附近文安、霸州地區(qū)主要是低異常,值大約在20～35μGal；而2017年3月—2017年9月(圖3b)整個(gè)測網(wǎng)與上一期（圖3a）重力值相比,發(fā)生了反轉(zhuǎn),測網(wǎng)北部呈現(xiàn)高異常區(qū),南部呈現(xiàn)負(fù)異常區(qū),但是永清地震震中附近文安、霸州地區(qū)依舊持續(xù)低異常,因此該地區(qū)值得我們注意。永清地震前至地震發(fā)生(圖3c)整個(gè)流動(dòng)重力網(wǎng)測區(qū)在“0”重力等值線右側(cè)為正高異常,左側(cè)為負(fù)異常,永清地震震中附近地區(qū)沒有持續(xù)下降,而轉(zhuǎn)為正異常,繼而發(fā)生永清4.3級地震。

圖3 重力測網(wǎng)相鄰兩期等值線圖Fig.3 Contour maps of two adjacent periods of gravity network

2 流動(dòng)地磁數(shù)據(jù)異常分析

2.1 流動(dòng)地磁測網(wǎng)情況介紹

大華北地區(qū)流動(dòng)地磁矢量河北省相關(guān)測區(qū)共計(jì)92個(gè)測點(diǎn),涵蓋整個(gè)河北地區(qū)及鄰近地區(qū),平均點(diǎn)距約為30 km,其中2017年測區(qū)排除遷點(diǎn)、個(gè)別孤立異常測點(diǎn)后,最終數(shù)據(jù)處理模型計(jì)算及異常分析所采用的測點(diǎn)個(gè)數(shù)為67個(gè)(圖4a),測量時(shí)段為2017-08-20—2017-09-30,地磁日變通化零日選擇為2017-09-23；2018年在數(shù)據(jù)處理過程中排除5個(gè)新遷測點(diǎn),最終數(shù)據(jù)處理模型計(jì)算及異常分析所采用的測點(diǎn)個(gè)數(shù)為87個(gè)（圖4b）,測量時(shí)段為2018-03-06—2018-04-29,地磁日變通化零日選擇為2018-04-16。流動(dòng)地磁數(shù)據(jù)異常判定主要針對相鄰兩期半年長及一年長的的監(jiān)測區(qū)巖石圈磁場的變化模型計(jì)算,綜合F、H、Z、D、I要素及H、Z矢量7個(gè)要素進(jìn)行異常判定及分析。作者此次選定其中的H、Z矢量及F、D分量進(jìn)行具體分析。

圖4 流動(dòng)地磁河北及鄰區(qū)矢量測點(diǎn)分布圖（ 為矢量測點(diǎn)）Fig.4 Distribution map of vector points of mobile geomagnetic in Hebei and its adjacent areas

2.2 流動(dòng)地磁矢量數(shù)據(jù)異常分析

2.2.1H矢量異常分析

巖石圈磁場H矢量數(shù)據(jù)通過H要素模型計(jì)算出來的,通過監(jiān)測區(qū)巖石圈磁場H矢量自2017年3月—2018年4月相鄰兩期可以看出2017年3月到2017年9月（圖5a）,整個(gè)測區(qū)東、北部H矢量總體表現(xiàn)為西向方向,幅值較??；測區(qū)西部H矢量則表現(xiàn)為均勻、高幅值、西北方向,測區(qū)中部H矢量則方向較為散亂,幅值較低出現(xiàn)京西北晉、冀、蒙三省交界地區(qū)、京西南冀中地區(qū)、津南冀津交界地區(qū)（以下簡稱為“晉冀蒙”、“冀中”、“津南”異常區(qū)）。而2017年9月—2018年4月（（圖5b）,測網(wǎng)幅值較低,相對比較散亂,晉冀蒙異常比較明顯,冀中異常相對弱化,可能與2.12永清4.3級地震發(fā)生后,整體巖石圈磁場恢復(fù)有關(guān),而津南異常消失。

圖5 監(jiān)測區(qū)巖石圈磁場H分量變化矢量圖Fig.5 Vector map of H component variation of lithospheric magnetic field in monitoring area

H矢量2017年3月—2018年4月模型計(jì)算結(jié)果H要素等值線間隔為2 nT（（圖5c）可以清晰地看出測網(wǎng)整體分布形態(tài)較為散亂,幅值變化較小,與測區(qū)內(nèi)的主要地震地質(zhì)構(gòu)造的空間相關(guān)性不強(qiáng)；河北省南部的H矢量較為平順,異常表現(xiàn)弱于中、北部地區(qū)；相對明顯的異常變化出現(xiàn)在在晉冀蒙及冀中地區(qū),該2個(gè)部位均出現(xiàn)H矢量方向與幅值變化現(xiàn)象。

2.2.2Z矢量異常分析

監(jiān)測區(qū)巖石圈磁場Z矢量相鄰兩期Z要素?cái)?shù)據(jù)模型計(jì)算出來的,2017年3月到2017年9月（圖6a）,整個(gè)測區(qū)除京南及天津大部外,測區(qū)其它部位Z矢量均呈上升變化,西北部幅值較高?！皶x冀蒙異常區(qū)”部位Z矢量幅值突變,“京西南異常區(qū)”部位Z矢量反向,“津南異常區(qū)”部位則同時(shí)存在Z矢量反向與幅值突變現(xiàn)象；2017年9月—2018年4月(圖6b）,Z矢量均保持相對散亂、低幅值特征,與H矢量模型計(jì)算結(jié)果圖比較相像,在永清4.3級地震后冀中異常逐漸減弱。Z矢量自2017年3月—2018年4月（圖6c）,整體變化幅值較低,其空間分布形態(tài)與主要地震地質(zhì)構(gòu)造的相關(guān)性不強(qiáng),以測區(qū)中間為界,測區(qū)可分為總體上升區(qū)和下降區(qū)；相對而言,河北省量南部Z變化矢量較為均勻一致；晉冀蒙及冀中地區(qū)均出現(xiàn)Z矢量方向與幅值變化現(xiàn)象。

圖6 監(jiān)測區(qū)巖石圈磁場Z分量變化矢量圖Fig.6 Vector map of Z component variation of lithospheric magnetic field in monitoring area

2.2.3F要素

監(jiān)測區(qū)F要素2017年3—9月圖7a）總體呈現(xiàn)上升變化,最大值超過20 nT,僅在京南、天津一帶、京西北局部出現(xiàn)小范圍負(fù)異常區(qū)。“晉冀蒙異常區(qū)”位于F要素變化高梯級帶,“京西南異常區(qū)”位于“0”等值線上,“津南異常區(qū)”則同時(shí)具備“0”等值線與高梯級帶特征；而2017年9月—2018年4月（圖7b）晉冀蒙地區(qū)的地磁異常變化仍然存在,冀中地區(qū)的異?，F(xiàn)象則明顯消退、弱化。F要素2017年3月—2018年4月（圖7c）變化幅值較低,在+10～-10 nT之間；最顯著的異常變化集中出現(xiàn)在測區(qū)中部的西北－東南走向的高值負(fù)異常區(qū)及其周圍伴生的磁場變化高梯級帶一帶,晉冀蒙及冀中地區(qū)分別位于正、負(fù)異常區(qū)交匯處的高梯級帶及負(fù)值變化核心區(qū)。

圖8 監(jiān)測區(qū)巖石圈磁場D分量變化圖Fig.8 D component variation of lithospheric magnetic field in the monitoring area（unit：minute）

3 分析與討論

通過對2018年2月12日永清M4.3地震震前、震后流動(dòng)重力及巖石圈磁場的具體分析 ,可以清晰地得到以幾點(diǎn):

(1)永清地震震前流動(dòng)重力、巖石圈磁場的觀測資料均出現(xiàn)前兆異常,地震發(fā)生在重力場持續(xù)加速下降轉(zhuǎn)折上升的過程中,巖石圈磁場在震前該地區(qū)異常特征表現(xiàn)突出,4個(gè)要素基本同時(shí)出現(xiàn)異常。

(2)地震發(fā)生在重力場、巖石圈磁場正負(fù)變化 的“0”等值線 附近,特別是重力場震前出現(xiàn)高異常的警示區(qū)。

(3)巖石圈磁場在永清地震后“冀中地區(qū)”的異?，F(xiàn)象較為則弱化、消失,應(yīng)與永清4.3級地震的震中位置與發(fā)震時(shí)間有關(guān)。

(4)震前的流動(dòng)重力、地磁資料異常變化主要以中短期異常有關(guān),變化幅度很大,這與我們習(xí)慣性認(rèn)知的趨勢性前兆異常的有所不同。主要是因?yàn)楫a(chǎn)生前兆異常的原因復(fù)雜性,單一的流動(dòng)測量時(shí)間上、空間上、方法上具有局限性,因而前兆異常的判定,需要我們結(jié)合多種觀測資料、多種分析方法進(jìn)行綜合判定,更好的捕捉前兆信息,為地震預(yù)報(bào)添磚加瓦。