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(cè)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(huì)引起局部異常現(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?，F(xiàn)象。雖然空間和震級(jí)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(shí)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(jí)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(huì)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(cè)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(huì)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(huì)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(jí)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(duì)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]。基于以上諸多認(rèn)識(shí)，本文將對(duì)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(duì)震磁異常的認(rèn)識(shí)。

1 觀測(cè)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(cè)除進(jìn)行每年一期的“地球物理場流動(dòng)地磁觀測(cè)項(xiàng)目”外，也會(huì)開展秋季矢量復(fù)測(cè)，每年度可取得兩期矢量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。野外觀測(cè)可獲得觀測(cè)時(shí)刻測(cè)點(diǎn)位置的總強(qiáng)度F、磁偏角D和傾角I三要素絕對(duì)數(shù)據(jù)，通過換算可得到其他分量數(shù)據(jù)。本次對(duì)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(cè)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(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)予以剔除，每期所用實(shí)測(cè)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(cè)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(duì)周邊地磁臺(tái)站相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，并將相鄰臺(tái)站長時(shí)段數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量；采用“地磁臺(tái)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(cè)點(diǎn)觀測(cè)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(duì)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(tái)站GM-4[2]和隆堯紅山基準(zhǔn)臺(tái)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(tái)對(duì)比法，設(shè)置兩臺(tái)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(shì)對(duì)比，臺(tái)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(duì)河北及周邊地區(qū)93個(gè)測(cè)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(huì)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(jí)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(huì)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(duì)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(huì)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(huì)造成沿?cái)嗔炎呦虻臏y(cè)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(huì)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(tái)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(cè)周期較長，不便對(duì)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(tái)站（圖1）2019年6—12月D分量預(yù)處理分?jǐn)?shù)據(jù)走勢(shì)形態(tài)進(jìn)行分析。主要參考河北紅山基準(zhǔn)臺(tái)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，設(shè)置兩臺(tái)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(tái)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(tái)曲線近于重合（圖3）。

圖3 2019年6—12月CHL臺(tái)和LYH臺(tái)預(yù)處理分?jǐn)?shù)據(jù)D分量連續(xù)曲線對(duì)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(tái)數(shù)據(jù)曲線走勢(shì)，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(duì)比昌黎后土橋地磁臺(tái)和河北紅山基準(zhǔn)臺(tái)2019年6—12月D分量預(yù)處理分?jǐn)?shù)據(jù)走勢(shì)形態(tài)，主要取得以下幾方面認(rèn)識(shí)：

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(tái)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(duì)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(shí)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(duì)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(cè)數(shù)據(jù)和中國地磁臺(tái)網(wǎng)中心的臺(tái)站數(shù)據(jù)！