華北中部主要活動(dòng)斷裂對(duì)巖石圈磁異常分布的影響

劉德強(qiáng)

1 河北省地震局，石家莊市槐中路262號(hào), 050021

研究巖石圈磁異常的構(gòu)造相關(guān)性，加強(qiáng)對(duì)多種磁異常影響因素的認(rèn)識(shí)，有助于更好地提取震磁異常信息。本文研究華北中部地區(qū)多期準(zhǔn)確可靠的流動(dòng)地磁矢量觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)巖石圈磁場(chǎng)ΔX、ΔY和ΔZ三要素梯度高值區(qū)、局部異常分布與活動(dòng)斷裂均具有一定相關(guān)性，其中，ΔY要素相對(duì)更明顯，因此本文主要以東向分量ΔY為描述對(duì)象。同時(shí)，由于受多因素共同影響，各期ΔY梯度高值區(qū)、局部異常分布具有動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)，在某些斷裂附近兩者延續(xù)性存在的可能和構(gòu)造相關(guān)性更好。

1 數(shù)據(jù)及處理

本文使用華北中部地區(qū)(34.7°～41.1°N,110.3°～119.7°E)118個(gè)流動(dòng)地磁矢量測(cè)點(diǎn)(圖1)2016～2019年的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)日變通化改正、主磁場(chǎng)長(zhǎng)期變改正、主磁場(chǎng)剝離、相鄰兩期巖石圈磁場(chǎng)數(shù)據(jù)差分等處理后，得到2016～2017年、2017～2018年和2018～2019年連續(xù)3期巖石圈磁場(chǎng)各要素年變化數(shù)據(jù)，為便于表述，對(duì)應(yīng)稱之第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期。為保證結(jié)果準(zhǔn)確可靠，剔除相鄰兩期發(fā)生點(diǎn)位變動(dòng)或其他可能受外界環(huán)境干擾的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，因此各期差值計(jì)算實(shí)用測(cè)點(diǎn)數(shù)可能略有不同。數(shù)據(jù)處理過(guò)程參考文獻(xiàn)[1-2]，其中，日變通化改正主要借助測(cè)點(diǎn)周邊7個(gè)地磁臺(tái)站相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括太原臺(tái)、呼和浩特臺(tái)、隆堯臺(tái)、靜海臺(tái)、昌黎臺(tái)、泰安臺(tái)和郯城臺(tái)。

圖1 研究區(qū)流動(dòng)地磁矢量測(cè)點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of mobile geomangetic observation points in research area

利用上述得到的巖石圈磁場(chǎng)年變化數(shù)據(jù)，可進(jìn)一步明確ΔY梯度幅值、形態(tài)等。為了對(duì)區(qū)內(nèi)ΔY梯度進(jìn)行量化描述，對(duì)其進(jìn)行賦值處理。采用以經(jīng)、緯度各0.1°為間隔的ΔY網(wǎng)格化插值數(shù)據(jù)，設(shè)某節(jié)點(diǎn)相鄰的正西側(cè)0.1°處實(shí)際數(shù)據(jù)為x1、東側(cè)為x2、南側(cè)為y1、北側(cè)為y2，T0為梯度值，且梯度結(jié)果均歸算為以1°為間隔的值，則：

巖石圈磁場(chǎng)一般在空間上表現(xiàn)出大范圍的區(qū)域性異常[3-7]。為明確局部異常形態(tài)，需將巖石圈磁場(chǎng)進(jìn)行成分分解。利用多項(xiàng)式回歸法可以較好地獲得巖石圈磁場(chǎng)區(qū)域背景場(chǎng)變化值，然后將原巖石圈磁場(chǎng)信息減去區(qū)域背景場(chǎng)成分即可得到局部異常成分[4-5]。本文根據(jù)測(cè)點(diǎn)數(shù)量并對(duì)比原巖石圈磁場(chǎng)變化系統(tǒng)性形態(tài)，發(fā)現(xiàn)利用三階多項(xiàng)式擬合提取的區(qū)域和局部異常形態(tài)最為合理。

2 梯度高值區(qū)分布

第Ⅰ期ΔY梯度高值區(qū)主要位于山西西北部、河北南部、河北山東交界處和山東西北部(圖2(a))。山西境內(nèi)高值區(qū)幾乎沿整個(gè)山西構(gòu)造帶方向延伸；河北南部高值區(qū)夾于邯鄲-磁縣斷裂和晉獲斷裂之間，中心靠近邯鄲-磁縣斷裂；河北山東交界處附近高值區(qū)面積大、能量強(qiáng)，主要沿滄東斷裂和聊城-蘭考斷裂分布，中心位于滄東斷裂附近；山東西北部環(huán)無(wú)棣-益都活動(dòng)斷裂的高值區(qū)能量最強(qiáng)。以上高值區(qū)分布和延伸都呈現(xiàn)出較好的構(gòu)造相關(guān)性。

橙色等值線代表ΔY≥10 nT區(qū)域，加粗橙色等值線為20 nT以上區(qū)域，等值線間隔為2 nT，紅色粗實(shí)線為活動(dòng)斷裂圖2 ΔY梯度高值區(qū)空間分布Fig.2 Spatial distribution of high value areas of ΔY gradient

第Ⅱ期ΔY梯度高值區(qū)主要位于山西東北部和河北山東交界地區(qū)(圖2(b))。前者主要沿口泉和天鎮(zhèn)-陽(yáng)高、懷安鎮(zhèn)盆地南緣等活動(dòng)斷裂分布，走向與一系列北東向斷裂一致；后者主要沿滄東斷裂和聊城-蘭考斷裂分布。其他影響高值區(qū)分布的活動(dòng)斷裂主要有晉獲斷裂、新河斷裂等，這些斷裂附近分布的高值區(qū)能量也相對(duì)較強(qiáng)，且斷裂靠近異常中心區(qū)。

第Ⅲ期ΔY梯度高值區(qū)主要位于山西東北部、山西河北交界中部、北京西北部、河北南部和河北山東交界南部(圖2(c))。高值區(qū)多環(huán)活動(dòng)斷裂分布或沿活動(dòng)斷裂延伸，其中河北山東交界處附近高值區(qū)能量最強(qiáng)，主要沿滄東、聊城-蘭考和巨野等活動(dòng)斷裂分布。對(duì)異常影響顯著的還有岱海南緣、天鎮(zhèn)-陽(yáng)高、懷安鎮(zhèn)盆地南緣、六棱山北麓、霍山山前、延礬盆地北緣、昌平-豐南、灤縣-東亭和邯鄲-磁縣等活動(dòng)斷裂。

以分布于梯度高值區(qū)的活動(dòng)斷裂數(shù)量占總斷裂數(shù)量之比表示ΔY異常的構(gòu)造相關(guān)程度，則3期分別為68%、76%和54%。

3 局部異常特征

第Ⅰ期ΔY局部性異常幅值主要在-15～12 nT之間(圖3(a))，顯著異常區(qū)分布零散，區(qū)內(nèi)大多都有活動(dòng)斷裂分布，且異常中心區(qū)多位于活動(dòng)斷裂附近。山西中部和東北部正異常高值區(qū)走向與活動(dòng)斷裂走向近乎一致；河北南部沿邯鄲-磁縣斷裂和新河斷裂分布負(fù)異常中心區(qū)；魯西斷隆及以東地區(qū)高值區(qū)沿聊城-蘭考斷裂和無(wú)棣-益都斷裂分布；以滄東斷裂為界兩側(cè)正負(fù)異常相對(duì)分布。

圖3 ΔY局部異常分布Fig.3 Distribution of ΔY local anomalies

第Ⅱ期范圍大、能量強(qiáng)的ΔY異常中心區(qū)均沿活動(dòng)斷裂分布，整體幅值位于-12～8 nT之間(圖3(b))。山西中部仍為正異常高值區(qū)，沿交城斷裂和太谷斷裂分布；河北南部主要表現(xiàn)為負(fù)異常，大致夾于邯鄲-磁縣斷裂、新河斷裂和晉獲斷裂之間分布，有一正異常高值中心區(qū)分布于滄東斷裂西側(cè)；山西東北部分布的顯著異常區(qū)由正轉(zhuǎn)負(fù)，但走向仍與活動(dòng)斷裂大體一致；山東西北部異常值由正轉(zhuǎn)負(fù)，山東西部顯著區(qū)主要沿聊城-蘭考斷裂分布。

第Ⅲ期ΔY異常形態(tài)同樣動(dòng)態(tài)變化，幅值位于-11～11 nT之間(圖3(c))，異常中心區(qū)基本沿活動(dòng)斷裂分布，在山西中部、河北南部及東北部和山東西部等地最為明顯。其中山西中部異常顯著區(qū)延續(xù)存在，異常值由正轉(zhuǎn)負(fù)，主要沿交城斷裂、太谷斷裂和系舟山北麓斷裂分布；河北南部正高值區(qū)沿邯鄲-磁縣斷裂和新河斷裂分布，河北東北部負(fù)異常顯著區(qū)主要沿昌平-豐南斷裂和灤縣-東亭斷裂分布；山東西部負(fù)異常顯著區(qū)沿聊城-蘭考斷裂分布，與河北南部正高值區(qū)以滄東斷裂為隔正負(fù)相對(duì)。

3期局部異常形態(tài)中，構(gòu)造相關(guān)性較好的異常中心區(qū)占總異常數(shù)之比分別為94%、80%、95%，僅個(gè)別較為明顯的異常中心區(qū)無(wú)活動(dòng)斷裂。

4 磁異常和斷裂構(gòu)造的關(guān)系

許儀西等[3,8]對(duì)福建地區(qū)巖石圈磁場(chǎng)特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)磁異常和地質(zhì)構(gòu)造的分布以及地震活動(dòng)存在一定對(duì)應(yīng)關(guān)系。2008年福建長(zhǎng)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，且構(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)，引起磁異常。蘆山MS7.0地震發(fā)生時(shí)也表現(xiàn)出一定程度壓磁效應(yīng)，且距斷層越近越明顯[9]。

限于流動(dòng)地磁測(cè)點(diǎn)的空間分辨率，有些構(gòu)造磁效應(yīng)現(xiàn)象可能不易直接提取，本文借助巖石圈磁場(chǎng)年變化數(shù)據(jù)，利用2種不同的方法發(fā)現(xiàn)，ΔY梯度高值區(qū)、局部異常和斷裂構(gòu)造的相關(guān)性均較好，進(jìn)一步豐富了構(gòu)造磁效應(yīng)的研究成果?？傮w來(lái)看，與磁異常關(guān)系密切的主要有交城、太谷、口泉、恒山北麓、六棱山北麓、天鎮(zhèn)-陽(yáng)高、晉獲、邯鄲-磁縣、新河、聊城-蘭考、滄東和無(wú)棣-益都等活動(dòng)斷裂。其中太谷、口泉、恒山北麓、六棱山北麓和天鎮(zhèn)-陽(yáng)高等活動(dòng)斷裂均為傾滑正斷層[10]，構(gòu)造區(qū)垂直運(yùn)動(dòng)明顯，屬于地震活動(dòng)關(guān)注區(qū)[11]，因此這種相關(guān)性可能和斷層應(yīng)力狀態(tài)改變有關(guān)。邯鄲-磁縣斷裂和新河斷裂均為太行山山前斷裂帶正斷層，活動(dòng)性強(qiáng)[12]，可能是影響磁異常分布的原因。晉獲斷裂是一條深大斷裂，各分段以逆沖斷層為主，變形強(qiáng)度由北向南減弱，北段屬于本地震亞帶主要活動(dòng)場(chǎng)所，可能與磁異常分布有關(guān)[13]。滄東斷裂作為一條深大斷裂，活動(dòng)性不強(qiáng)，為正斷層，對(duì)異常分布影響明顯可能和兩側(cè)地殼介質(zhì)密度差別較大有關(guān)[14]。聊城-蘭考斷裂是華北坳陷和魯西斷隆的分界斷裂，為正斷層，活動(dòng)性偏強(qiáng)，是一條影響多種地球物理異常分布的重要斷裂帶[15]。無(wú)棣-益都斷裂總體活動(dòng)性存在分段差異，以正斷層為主，控制著魯北地區(qū)地震活動(dòng)分布[16]，對(duì)磁異常分布影響也較為明顯。

綜上所述，斷裂構(gòu)造影響磁異常分布可能主要和構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)改變、深大斷裂造成地殼介質(zhì)特性明顯不同有關(guān)；除晉獲斷裂外，和磁異常分布關(guān)系密切的斷裂大多為正斷層，由于異常顯著區(qū)空間尺度較大且動(dòng)態(tài)變化明顯，磁異常是否和斷層性質(zhì)存在聯(lián)系仍需進(jìn)一步研究。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)華北中部地區(qū)連續(xù)3期巖石圈磁場(chǎng)ΔY梯度、局部異常形態(tài)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)磁異常分布和活動(dòng)斷裂之間具有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

1)ΔY梯度高值區(qū)分布和活動(dòng)斷裂相關(guān)性較好，高值區(qū)多沿一個(gè)或多個(gè)活動(dòng)斷裂延伸，或環(huán)活動(dòng)斷裂分布?？傮w看來(lái)，和梯度空間分布關(guān)系最密切的主要有霍山山前、口泉、六棱山北麓、天鎮(zhèn)-陽(yáng)高、晉獲、邯鄲-磁縣、滄東、聊城-蘭考、無(wú)棣-益都等活動(dòng)斷裂。

2)各期局部異常中心區(qū)和活動(dòng)斷裂相關(guān)程度較高，山西構(gòu)造帶顯著異常區(qū)多位于中部和東北部，中部主要沿交城和太谷等斷裂分布，東北部主要沿口泉、恒山北麓、六棱山北麓和天鎮(zhèn)-陽(yáng)高等斷裂分布；太行山山前斷裂帶顯著區(qū)主要沿邯鄲-磁縣斷裂和新河斷裂分布；魯西斷隆附近異常值顯著區(qū)主要和聊城-蘭考斷裂分布有關(guān)；滄東斷裂對(duì)異常分布影響亦較為明顯，表現(xiàn)為異常顯著區(qū)以其為界正負(fù)相隔或者異常中心區(qū)沿其分布。

3)斷裂構(gòu)造可能影響磁異常分布，這與前人的研究結(jié)果較為一致，造成這種影響的原因主要和構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)改變、深大斷裂造成地殼介質(zhì)特性不同有關(guān)。

4)巖石圈磁場(chǎng)分布具有動(dòng)態(tài)變化特征，影響因素包括地殼運(yùn)動(dòng)歷史、巖石介質(zhì)磁化率、溫度、壓力、構(gòu)造應(yīng)力等，因此各期梯度高值區(qū)和局部異常形態(tài)差異性較大，但也有高值區(qū)或異常顯著區(qū)延續(xù)性存在的特點(diǎn)，其中在某些斷裂構(gòu)造附近延續(xù)性存在的可能和構(gòu)造應(yīng)力關(guān)系更密切，據(jù)此可為判定地震關(guān)注區(qū)提供依據(jù)。

巖石圈磁場(chǎng)變化是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，本文在分析其構(gòu)造相關(guān)性時(shí)，主要結(jié)合構(gòu)造位置和異常區(qū)空間分布進(jìn)行討論，結(jié)果可能略有偏頗，今后將進(jìn)行更深入的定量研究。