河北唐山MS5.1地震巖石圈磁場D分量異常分布和應(yīng)力的關(guān)系

劉德強(qiáng)，王朝景，李 博，張海洋，云 萌，毛豐龍

（1. 河北省地震局流動(dòng)測量隊(duì)，河北 保定 071000；2. 雄安新區(qū)震災(zāi)預(yù)防中心，河北 雄安 071000）

0 引言

巖石圈磁場含多個(gè)場源成分，變化過程復(fù)雜，當(dāng)構(gòu)造變動(dòng)造成巖石溫度、磁化率和受力狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，會引起局部異?，F(xiàn)象[1-2]。近年來震磁關(guān)系研究成為地磁學(xué)的熱門課題，許多學(xué)者都從不同角度發(fā)現(xiàn)了震磁異常現(xiàn)象。雖然空間和震級差異帶來的震磁異常尺度特征各不相同，但震中附近和遠(yuǎn)場多存在明顯性差異。目前所取得的共識主要有震中多位于巖石圈磁場要素零值線附近或高梯度帶上、矢量弱化區(qū)等[3-9]，且震級大的震磁異常出現(xiàn)時(shí)間較早，積累時(shí)間較長，范圍較大[5-6]，巖石圈結(jié)構(gòu)和斷裂構(gòu)造等也會影響磁異常的分布[8-9]。2008年福建長泰ML4.7地震受NW向斷裂主導(dǎo)，沿此走向的流動(dòng)地磁測點(diǎn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)同步異常。構(gòu)造應(yīng)力集中的情形并不只限于發(fā)震斷層，在震區(qū)外圍某些特殊構(gòu)造也會出現(xiàn)，進(jìn)而改變巖石介質(zhì)電性參數(shù)而引起磁異常[10]。雖然巖石介質(zhì)剩余磁化強(qiáng)度受應(yīng)力的變化過程復(fù)雜，但壓磁效應(yīng)都會不同程度的改變其大小[11]，蘆山MS7.0地震時(shí)表現(xiàn)出的壓磁效應(yīng)距斷層越近越明顯[12]。2020年7月12日河北唐山古冶MS5.1地震為近年來華北地區(qū)少有的5級以上震例，據(jù)烈度分布，等震線長軸呈NEE走向。唐山地震序列的發(fā)震斷層可分為不同子段，而通過對近年來震例震源機(jī)制解研究，這些子段的主壓應(yīng)力方向均為近EW向[13]?；谝陨现T多認(rèn)識，本文將對震區(qū)巖石圈磁異常特征進(jìn)行分析，并嘗試討論異常分布和構(gòu)造應(yīng)力之間的關(guān)系，以增強(qiáng)對震磁異常的認(rèn)識。

1 觀測數(shù)據(jù)及計(jì)算方法

近年來，河北及周邊地區(qū)流動(dòng)地磁觀測除進(jìn)行每年一期的“地球物理場流動(dòng)地磁觀測項(xiàng)目”外，也會開展秋季矢量復(fù)測，每年度可取得兩期矢量監(jiān)測數(shù)據(jù)。野外觀測可獲得觀測時(shí)刻測點(diǎn)位置的總強(qiáng)度F、磁偏角D和傾角I三要素絕對數(shù)據(jù)，通過換算可得到其他分量數(shù)據(jù)。本次對2019年4—9月、2019年9月至2020年4月和2019年4月至2020年4月三期巖石圈磁場變化模型進(jìn)行計(jì)算，主要采用河北及周邊地區(qū)93個(gè)流動(dòng)地磁測點(diǎn)數(shù)據(jù)（圖1），將相鄰兩期發(fā)生點(diǎn)位變動(dòng)和可能受環(huán)境干擾的測點(diǎn)數(shù)據(jù)予以剔除，每期所用實(shí)測點(diǎn)數(shù)略有不同。

圖1 河北及周邊地區(qū)93個(gè)流動(dòng)地磁矢量測點(diǎn)分布

為得到上述三期巖石圈磁場變化成分，數(shù)據(jù)處理過程如下：對周邊地磁臺站相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，并將相鄰臺站長時(shí)段數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量；采用“地磁臺網(wǎng)泰勒多項(xiàng)式空間參考場”方法進(jìn)行日變通化，將所有測點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)一歸算至日變通化零日同一時(shí)刻；利用IGRF-SV長期變模型進(jìn)行長期變改正，以消除地球主磁場長期變化成分；將相鄰兩期長期變改正結(jié)果進(jìn)行差值計(jì)算，得到巖石圈磁場變化數(shù)據(jù)。

對震區(qū)東側(cè)巖石圈磁場D分量正異常區(qū)時(shí)間尺度進(jìn)行分析時(shí)，主要采用昌黎后土橋地磁臺站GM-4[2]和隆堯紅山基準(zhǔn)臺GM-4[1]所記錄的D分量預(yù)處理分?jǐn)?shù)據(jù)。為涵蓋異常出現(xiàn)時(shí)段，選取2019年6月1日至2019年12月31日數(shù)據(jù)，利用參考臺對比法，設(shè)置兩臺站相關(guān)數(shù)據(jù)連續(xù)曲線起始間隔為0，做曲線形態(tài)走勢對比，臺站數(shù)據(jù)處理方法同上。

2 震區(qū)巖石圈磁場變化特征

2.1 D分量變化形態(tài)

對河北及周邊地區(qū)93個(gè)測點(diǎn)2019年4月至2020年4月巖石圈磁場變化模型進(jìn)行計(jì)算，形成各要素空間分布圖，發(fā)現(xiàn)古冶MS5.1地震正好位于D要素零值線上（圖2a），且東側(cè)存在一定面積的正異常區(qū)，量值近乎全區(qū)最高，超過0.75′，異常中心區(qū)位于NEE向?qū)幒?昌黎斷裂和NW向?yàn)纯h-樂亭斷裂交匯處附近。巖石圈磁場在變化過程中會受巖石介質(zhì)異性、構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)等多種因素影響，因此空間分布極不均勻，可能導(dǎo)致其他地區(qū)類似以上顯著異常區(qū)的出現(xiàn)，未影響震例周邊的異常形態(tài)。

為進(jìn)一步分析東側(cè)正異常區(qū)出現(xiàn)時(shí)段，追加計(jì)算 了2019年4—9月 和2019年9月 至2020年4月兩期接近半年的巖石圈磁場變化模型，發(fā)現(xiàn)震區(qū)東側(cè)D要素正異常積累主要體現(xiàn)在2019年4—9月，中心區(qū)量值超過1′（圖2b），而同位置在2019年9月至2020年4月量值維穩(wěn)（圖2c）。

圖2 河北及周邊巖石圈磁場D分量變化形態(tài)

2.2 異常和構(gòu)造應(yīng)力的關(guān)系

2020年7月12日唐山古冶MS5.1地震為近年來華北地區(qū)少有的5級以上震例，震中雖位于D分量零值線上（圖2a），但東側(cè)正異常高值區(qū)出現(xiàn)較早，且異常中心區(qū)靠近寧河-昌黎斷裂和灤縣-樂亭斷裂交匯處，進(jìn)一步證明了斷裂附近會出現(xiàn)異常分布的情況[13]。據(jù)烈度分布，等震線長軸呈近EW走向（河北省地震局，2020）。唐山地震序列的發(fā)震斷層可分為不同子段，而通過對近年來震例震源機(jī)制解研究，這些子段的主壓應(yīng)力方向均為近EW向[14]，同時(shí)構(gòu)造應(yīng)力可以傳遞[15]。雖然巖石介質(zhì)剩余磁化強(qiáng)度受應(yīng)力的變化過程復(fù)雜，但壓磁效應(yīng)都會不同程度的改變其大小[11]，蘆山地震時(shí)則在斷層附近表現(xiàn)出較明顯的壓磁效應(yīng)[12]。因此考慮唐山古冶MS5.1地震在孕震時(shí)由于近EW向的主壓應(yīng)力傳遞至震區(qū)東側(cè)兩組斷裂交匯處造成應(yīng)力集中，形成壓磁效應(yīng)而引起異?，F(xiàn)象。這和前人取得的發(fā)震會造成沿?cái)嗔炎呦虻臏y點(diǎn)數(shù)據(jù)異常以及在孕震區(qū)外其他特殊構(gòu)造部位也會發(fā)生應(yīng)力和電磁參數(shù)變化的觀點(diǎn)基本一致[10]。巖石介質(zhì)磁化率主軸方向和應(yīng)變主軸方向存在吻合現(xiàn)象[16]，同時(shí)巖石圈磁場磁偏角D分量變化在空間角度上主要體現(xiàn)在EW方向，初步認(rèn)為是EW向的主壓應(yīng)力造成了D分量的異?，F(xiàn)象。但是不同類型巖石的磁化率各向異性復(fù)雜，二者之間的關(guān)系仍需進(jìn)一步探討。

2.3 昌黎后土橋地磁臺站數(shù)據(jù)變化

以上分析說明，震區(qū)東側(cè)巖石圈磁場正異常大致在2019年4月至2019年9月開始積累，限于流動(dòng)地磁觀測周期較長，不便對具體異常時(shí)段捕捉，因此借助正異常區(qū)內(nèi)昌黎后土橋地磁臺站（圖1）2019年6—12月D分量預(yù)處理分?jǐn)?shù)據(jù)走勢形態(tài)進(jìn)行分析。主要參考河北紅山基準(zhǔn)臺相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，設(shè)置兩臺數(shù)據(jù)曲線起始間隔為0，發(fā)現(xiàn)在8月11日兩曲線間隔逐漸變大，結(jié)合巖石圈磁異常區(qū)特征推斷CHL臺數(shù)據(jù)偏離正常幅度增大，至10月24日逐漸回落，12月16日和LYH臺曲線近于重合（圖3）。

圖3 2019年6—12月CHL臺和LYH臺預(yù)處理分?jǐn)?shù)據(jù)D分量連續(xù)曲線對比

綜合震區(qū)東側(cè)巖石圈磁場D分量異常出現(xiàn)時(shí)段和CHL臺數(shù)據(jù)曲線走勢，唐山MS5.1地震震磁異?，F(xiàn)象于接近震前一年開始出現(xiàn)，出現(xiàn)時(shí)間較早，積累一段時(shí)間后大致維穩(wěn)，震區(qū)東側(cè)雙向構(gòu)造交匯處可能較長時(shí)間一直處于應(yīng)力集中狀態(tài)。

3 結(jié)論和討論

通 過 計(jì) 算 河北 地區(qū)2019年4—9月、2019年9月至2020年4月和2019年4月至2020年4月三期巖石圈磁場變化模型，并對比昌黎后土橋地磁臺和河北紅山基準(zhǔn)臺2019年6—12月D分量預(yù)處理分?jǐn)?shù)據(jù)走勢形態(tài)，主要取得以下幾方面認(rèn)識：

1）2020年7月12日唐山古冶MS5.1地震正好位于2019年4月至2020年4月一年期巖石圈磁場D分量零值線上，震區(qū)東側(cè)存在較明顯的正異常區(qū)，且異常開始積累時(shí)間較早，近半年巖石圈磁場變化顯示后期異常能量大致維穩(wěn)；

2）綜合2019年6—12月震區(qū)東側(cè)CHL臺地磁相關(guān)記錄數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)D分量異常在接近震前一年開始積累，持續(xù)兩個(gè)月之多；

3）震區(qū)東側(cè)正異常中心區(qū)靠近寧河-昌黎斷裂和灤縣-樂亭斷裂交匯處，考慮孕震時(shí)近EW向的主壓應(yīng)力傳遞至兩組斷裂交匯處造成應(yīng)力集中，而產(chǎn)生異常積累現(xiàn)象，和壓磁效應(yīng)有關(guān)的可能性較大，初步認(rèn)為D分量異常和EW向的主壓應(yīng)力相關(guān)，但不同類型巖石的磁化率各向異性復(fù)雜，二者之間關(guān)系需進(jìn)一步探討；

4）對于巖石圈磁異常分布和構(gòu)造應(yīng)力的關(guān)系主要根據(jù)空間分布和前人取得的認(rèn)識進(jìn)行討論，仍需進(jìn)一步定性定量的分析。研究和構(gòu)造相關(guān)的磁異常特征是一種有益的探索震磁異常信息的途徑，對此方面的研究有待于加強(qiáng)。

致謝 感謝流動(dòng)地磁技術(shù)團(tuán)隊(duì)提供的寶貴觀測數(shù)據(jù)和中國地磁臺網(wǎng)中心的臺站數(shù)據(jù)！