2018年冀南地區(qū)巖石圈磁場變化分析

王朝景，李博，蘇樹朋，張海洋，劉德強，趙慧琴，毛豐龍

(河北省地震局保定中心臺，河北保定 071000)

0 引 言

巖石圈磁場是地球磁場的重要組成部分，地殼介質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造活動、溫度與壓力的變化等均影響著巖石圈磁場的變化[1-3]。近年來巖石圈磁場空間變化及震磁異常的相關(guān)研究取得了良好進展[4-7]。冀南地區(qū)斷裂帶發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，是華北克拉通地塊的一個重要構(gòu)造帶，太行山隆起與華北平原坳陷區(qū)在此交匯[8-11]。區(qū)域斷裂帶以北東向、北北東向為主，主要分布有太行山山前斷裂帶、晉縣斷裂帶、廣宗斷裂帶、明化鎮(zhèn)斷裂帶及館陶西斷裂帶等；次級斷裂帶以北西向、北西西向控制為主，主要發(fā)育有橫貫東西的磁縣—大名斷裂帶，及永年斷裂帶、隆堯斷裂帶、油坊斷裂帶等(圖1)。

圖1 冀南地區(qū)流動地磁測點分布

冀南地區(qū)歷史上強震頻發(fā)，1830年磁縣發(fā)生7.5級地震，1966年邢臺發(fā)生7.2級地震。近年來冀南地區(qū)中小地震頻發(fā)，冀南地區(qū)是地震工作者與相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业闹攸c關(guān)注區(qū)域。采用2018年春、秋兩期的流動地磁矢量資料，經(jīng)過日變通化、長期變改正、消除主磁場等處理得到冀南地區(qū)的巖石圈磁場變化模型。在之后半年左右的時間內(nèi)冀南地區(qū)發(fā)生了兩次≥3.0級的地震，分別為2018年10月30日河北省隆堯縣3.0級地震和2019年4月21日河北省臨漳縣3.6級地震(以下簡稱隆堯3.0級地震、臨漳3.6級地震)，通過對該區(qū)巖石圈磁場變化和兩個震例的震磁異常特征的研究，總結(jié)了震磁異常規(guī)律。

1 資料選取與處理

本文收集了2018年冀南地區(qū)的流動地磁矢量資料。華北地區(qū)每年進行春、秋兩期測量工作，冀南地區(qū)的測量工作分別于3～4月與8～9月完成。研究區(qū)內(nèi)(35.95 °～38.75 °N,113.25 °～117.00 ° E)共計26個流動地磁矢量測點(圖1)。在測量過程中嚴格按照相關(guān)規(guī)范進行測量，兩期測量的全部測點資料符合規(guī)范要求，處理過程中全部采用。

地球磁場可分為內(nèi)源磁場和外源磁場，內(nèi)源磁場可分為主磁場和源于地殼及上地幔物質(zhì)磁性的巖石圈磁場。由于地幔的大部分和部分下地殼的溫度高于巖石磁性礦物的居里點溫度而處于無磁性狀態(tài)，巖石圈磁場由地殼物質(zhì)的磁性產(chǎn)生[12]。為了得到巖石圈磁場模型，對外源變化場、主磁場長期變化、主磁場等地磁場進行消除即可獲得監(jiān)測區(qū)巖石圈磁場的數(shù)值模型[13]。

數(shù)據(jù)處理分為3個步驟：①日變通化改正，其目的是為了消除地磁觀測數(shù)據(jù)中的日變化等外源場部分，采用單臺參照法，參照臺站為隆堯地震臺(LYH)、靜海地震臺(JIH)、太原地震臺(TAY)和泰安地震臺(TAA)，兩期通化日分別選取為2018年4月16日與9月7日。②長期變化改正，為消除觀測數(shù)據(jù)中所包含的地球主磁場長期變化成分，采用中國地區(qū)地磁基本場長期變化的6 階自然正交分量(NOC)的非線性模型[14-15]，通化至2016.0地磁年代。③減去主磁場，從內(nèi)源場中減去第12代國際地磁參考場(IGRF12)模型的計算值，即得到巖石圈磁場模型，將兩期處理數(shù)據(jù)進行差值計算，便得到巖石圈磁場變化模型。

2 巖石圈磁場變化

在2018年4～9月的磁偏角D變化中(圖2a)，冀南地區(qū)主要為正值區(qū)域所控，區(qū)域的東、西呈負值，冀南地區(qū)D的幅值在-0.7′～0.4′之間。區(qū)域的東南與西南均出現(xiàn)負值的高梯級帶，冀南地區(qū)較其周邊區(qū)域磁偏角變化相對平穩(wěn)、幅值變化較小，且以正值為主。隆堯3.0級地震位于正值區(qū)域，在等值線0.2′～0.3′之間的區(qū)域，在冀南地區(qū)處于高值區(qū)，臨漳3.6級地震位于負值區(qū)，靠近零值線的位置，且其西南有一負值的高梯級帶。

在磁傾角I變化中(圖2b)，冀南地區(qū)主要為負值所控，在區(qū)域的北部有一范圍較大正值區(qū)，南部有一范圍較小的正值區(qū)域。冀南地區(qū)磁傾角I的幅值整體變化幅值較小在-0.3′～0.2′之間，呈現(xiàn)出平穩(wěn)態(tài)勢。隆堯3.0級地震位于負值區(qū)域，靠近負值的極值區(qū)。而臨漳3.6級地震位于南部的正值區(qū)域內(nèi)，該正值區(qū)域范圍小且幅值較小，最大為0.1′，震中靠近零值線，在零值線的拐角的內(nèi)側(cè)。

圖2 磁偏角(a)、磁傾角(b)和總強度(c)空間變化

在總強度F變化中(圖2c)，區(qū)域的西北、東北有兩個負值區(qū)域，西北的負值區(qū)范圍較大且幅值變化相對較大，在-4～1 nT之間。冀南大部及其東南地區(qū)為正值所控，幅值在在1～3 nT之間,變化較小。隆堯3.0級地震位于正值區(qū)，震中附近F的變化幅值在1.7 nT左右。臨漳3.6級地震位于正值區(qū)，震中附近幅值變化在3.1 nT左右。從總強度F空間變化上來看兩個震例的震前異常較弱。

水平矢量H空間變化情況(圖3a)，冀南地區(qū)整體H矢量較為散亂。可以看出研究區(qū)的東南部水平矢量指向西北，在向西逐漸過渡過程中，在中部地區(qū)被指向東北的一組矢量條帶(即太行山山前斷裂帶中段與廣宗斷裂帶、新河斷裂帶附近的H矢量)所阻斷，再往西矢量方向則又指向西北，與東南區(qū)域的矢量有相似性。即由東往西，矢量方向的變化呈現(xiàn)“指向西北→指向東北→指向西北”的變化趨勢。而中南部的指向東北的矢量條帶在太行山山前斷裂帶的北緣附近，方向發(fā)生了改變。隆堯3.0級地震位于冀南中部指向東北的矢量條帶中，且震中附近H矢量的量值相對較大。臨漳3.6級地震位于中部矢量方向指向東北的矢量條帶南緣，震中附近矢量方向出現(xiàn)轉(zhuǎn)折與分化，且量值出現(xiàn)明顯的相對弱化。

垂直矢量Z空間變化(圖3b)，冀南地區(qū)Z矢量變化整體較為散亂，量值整體較小，局部明顯弱化。相對整體而言研究區(qū)中部地區(qū)的Z矢量量值較小，且局部方向呈現(xiàn)反向，區(qū)域北部量值較大且矢量方向不一致。隆堯3.0級地震震中附近的Z矢量出現(xiàn)反向，且量值相對較小，有明顯的弱化現(xiàn)象。臨漳3.6級地震震中處于Z矢量由南向北量值減小的過渡位置，震中附近量值相對中部區(qū)域較大，震中北部出現(xiàn)Z矢量方向相向。

圖3 水平矢量H(a)與垂直矢量Z(b)空間變化

3 討論與結(jié)論

冀南地區(qū)巖石圈磁場的變化中各個要素呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，整體來看巖石圈磁場各個要素變化的量值較小，其中D、I、F要素幅值變化較小，總體較為平穩(wěn)。冀南地區(qū)水平矢量H整體方向較為散亂，局部有明顯的弱化。垂直矢量Z在變化中整體呈現(xiàn)出方向較散亂、量值較小和局部弱化的特征。巖石圈磁場變化總體量值較小可能跟累積時間較短有關(guān)，同時跟區(qū)域應(yīng)力的集中與變化、構(gòu)造活動以及地殼介質(zhì)的性質(zhì)等有著重要的聯(lián)系，在后續(xù)的工作中將對冀南地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、殼幔結(jié)構(gòu)與巖石圈磁場的關(guān)系進行進深入的研究。

相關(guān)學(xué)者近年來的震磁異常研究發(fā)現(xiàn)，震中附近多出現(xiàn)磁傾角、磁偏角的零值線或高梯級帶[16-19]。本文中的兩個震例也出現(xiàn)類似的現(xiàn)象。隆堯3.0級地震位于磁偏角D等值線的正值高值區(qū)，位于磁傾角I等值線的負值高值區(qū)；震中附近H矢量量值相對較大，Z矢量方向反向且量值顯著弱化。而臨漳3.6級地震位于磁偏角D零值線附近，同時位于磁傾角I等值線的零值線附近，震中附近H矢量方向發(fā)生改變，且量值變小，呈弱化態(tài)勢；震中處于Z矢量量值由大變小的過渡位置，且震中北部的Z矢量方向是相向的。不同區(qū)域有著不同的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境，巖石圈磁場的變化與區(qū)域的構(gòu)造活動、應(yīng)力變化等有著密切聯(lián)系，不同時空的巖石圈磁場有著差異性與獨特性，因此不同的時空環(huán)境可能是兩個震例震磁異常有所不同的重要原因。希望通過對隆堯與臨漳兩個震例震磁異常的分析研究，能夠為今后流動地磁在中小地震的監(jiān)測預(yù)報工作中提供一定的支持。

致謝：感謝河北省地震局保定中心臺流磁組一直以來的支持與幫助。