有關(guān)小震震前數(shù)天震中附近巖石圈磁場(chǎng)Z分量異常特征

劉德強(qiáng)，云 萌，王朝景，李 博，張海洋，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

一般來講，巖石圈磁場(chǎng)變化時(shí)間尺度以地質(zhì)年代來計(jì)量，短期變化量相對(duì)穩(wěn)定，但在板塊活動(dòng)、火山噴發(fā)或者發(fā)震時(shí)會(huì)引起局部異常變化[1]。為了更好地研究地球物理場(chǎng)變化特征，捕捉有效震磁異常信息，對(duì)地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作進(jìn)一步提供地磁手段支撐，在中國(guó)地震局地球物理研究所的牽頭下，多家單位組成的流動(dòng)地磁團(tuán)隊(duì)開展流動(dòng)地磁監(jiān)測(cè)工作，目前測(cè)量范圍已基本覆蓋全國(guó)。通過不斷地研究，諸多專家學(xué)者增強(qiáng)了對(duì)巖石圈磁場(chǎng)特征的認(rèn)識(shí)[2-7]，多次發(fā)現(xiàn)震磁異?，F(xiàn)象并總結(jié)規(guī)律，2005年九江-瑞昌MS5.7 地震、2012年蘆山MS7.0 地震、2013年洱源MS5.5 地震、2014年魯?shù)镸S6.5 地震和永善MS5.0 地震、2015年新疆皮山MS6.5 地震等均有巖石圈磁場(chǎng)異?，F(xiàn)象對(duì)應(yīng)[4-7]。在異常判定工作中，通常以當(dāng)期巖石圈磁場(chǎng)年變化特征對(duì)之后一年地震預(yù)報(bào)工作提供意見。目前取得的共識(shí)主要有震中多位于地磁場(chǎng)要素零值線附近或者等變線高梯度帶間，同時(shí)近場(chǎng)H 矢量會(huì)出現(xiàn)一定程度弱化[3-9]。由于流動(dòng)地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)獲得周期較長(zhǎng)，對(duì)短期臨震異常有時(shí)提取不便。2020年4月13日任丘MS3.2 地震和2020年8月31日和林格爾MS3.0 地震震中鄰近測(cè)點(diǎn)測(cè)量時(shí)間距發(fā)震間隔均較短，前者為4月2日距發(fā)震11 天，后者為8月26日距發(fā)震5 天，因此考慮對(duì)兩震例震前巖石圈磁場(chǎng)變化異常特征進(jìn)行研究，主要以Z 分量為研究對(duì)象，提取有效磁異常信息。顧春雷等[9]認(rèn)為華北地區(qū)4.0～4.9 級(jí)地震震中主要和磁偏角零值線相關(guān)，5.0～5.9 級(jí)地震震中和北向分量零值線較為相關(guān)；馮麗麗[8]對(duì)南北地震帶巖石圈磁場(chǎng)變化Z 分量進(jìn)行過研究，但主要是結(jié)合5 級(jí)以上震例，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)空尺度和震級(jí)具有一定正相關(guān)聯(lián)系。因此，本次對(duì)Z 分量震磁特征的研究可增強(qiáng)對(duì)華北小震震磁異常特征的認(rèn)識(shí)。

1 觀測(cè)數(shù)據(jù)及計(jì)算方法

對(duì)2019年4月至2020年4月巖石圈磁場(chǎng)變化模型進(jìn)行計(jì)算主要采用河北及周邊地區(qū)共75 個(gè)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)；2020年華北地區(qū)秋季矢量復(fù)測(cè)范圍涵蓋首都圈和晉冀蒙關(guān)注區(qū)，共計(jì)128 個(gè)測(cè)點(diǎn)（圖1）。將相鄰兩期中有過遷點(diǎn)和形成單點(diǎn)異常的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)剔除，對(duì)2020年4—9月巖石圈磁場(chǎng)變化模型計(jì)算最終采用123 個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

圖1 2020年華北地區(qū)流動(dòng)地磁秋季矢量復(fù)測(cè)測(cè)點(diǎn)分布

數(shù)據(jù)處理流程如下：收集并修正所需地磁臺(tái)站連續(xù)觀測(cè)分鐘值數(shù)據(jù)，將相鄰兩臺(tái)站長(zhǎng)時(shí)段數(shù)據(jù)對(duì)比查看確保數(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(chǎng)”方法，利用測(cè)點(diǎn)周邊的地磁臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)對(duì)野外觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行日變通化改正，獲取日變通化數(shù)據(jù)集，日變通化零日選用接近當(dāng)期觀測(cè)中間時(shí)段的某磁靜日；采用IGRF-SV 長(zhǎng)期變模型進(jìn)行長(zhǎng)期變改正，消除地球主磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化成分，獲得長(zhǎng)期變改正數(shù)據(jù)集；將相鄰兩期長(zhǎng)期變改正結(jié)果做差獲得巖石圈磁場(chǎng)各要素變化值。

在實(shí)際巖石圈磁場(chǎng)變化空間分布中，小范圍局部性異常可能分布于區(qū)域性正負(fù)異常區(qū)內(nèi)[10-11]。因此為了更好地分析由震例引起的異常尺度，在進(jìn)行消除主磁場(chǎng)、長(zhǎng)期變化成分的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提取震中附近Z 分量局部異常成分，主要利用一階多項(xiàng)式對(duì)正?？臻g分布進(jìn)行擬合獲得較合理的趨勢(shì)性變化值，并將已得到的巖石圈磁場(chǎng)變化信息減去趨勢(shì)性變化值得到局部異常成分。設(shè)Z(X,Y)為某地實(shí)際巖石圈磁場(chǎng)Z分量變化數(shù)值，趨勢(shì)性變化值為Zi(X,Y)，Zl(X,Y)代表局部異常成分，b0、b1、b2為回歸系數(shù)，則有:

2 震例分析

2.1 巖石圈磁場(chǎng)Z分量異常分布

通過對(duì)河北及周邊地區(qū)75 個(gè)測(cè)點(diǎn)2019年4月至2020年4月巖石圈磁場(chǎng)變化模型進(jìn)行計(jì)算，形成各要素變化空間分布圖（圖2），發(fā)現(xiàn)Z分量整體幅值不高，負(fù)異常高值區(qū)主要位于區(qū)西北，正異常主要分布在東北部，較為連續(xù)。

圖2 2019年4月至2020年4月巖石圈磁場(chǎng)Z分量變化形態(tài)

2020年4月13日河北任丘發(fā)生MS3.2 地震，震前11 天獲得震中南側(cè)約45 km 鄰近測(cè)點(diǎn)野外觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合震中位置和Z 分量異常分布，發(fā)現(xiàn)震中周邊出現(xiàn)Z 分量相對(duì)高值區(qū)，正異常圈閉中心值超4 nT，測(cè)點(diǎn)位置正異常值約4 nT，造成以震中為中心方圓約50 km 范圍內(nèi)Z 分量正異常突出現(xiàn)象。

通過對(duì)2020年華北地區(qū)秋季矢量復(fù)測(cè)取得的123 個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行巖石圈磁場(chǎng)變化模型計(jì)算，形成各要素變化空間分布圖（圖3），發(fā)現(xiàn)本期Z 分量正負(fù)異?？臻g分布整體性較好，北部正異常近EW 向成條展開，在和林格爾附近存在高值圈閉區(qū)；中部大面積負(fù)異常區(qū)同樣呈條帶狀近EW 向分布，東部異常能量相對(duì)明顯，同樣在2020年4月任丘MS3.2 地震震中附近存在較明顯負(fù)異常；南部正異常高值區(qū)主要在山西中南部，范圍較大。

圖3 2020年4—9月巖石圈磁場(chǎng)Z分量變化形態(tài)

2020年8月31日和林格爾發(fā)生MS3.0 地震，震前5 天獲得震中西南約30 km 的鄰近測(cè)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)分析震中和Z 分量異?？臻g分布，震中周邊形成明顯正異常高值區(qū)，測(cè)點(diǎn)位置異常值約5 nT，高值區(qū)圈閉大致以測(cè)點(diǎn)為中心，周邊約50 km 范圍內(nèi)異常明顯，這與以上2020年4月任丘MS3.2 地震周邊Z 分量異常值和范圍大致相近。通過本期Z 分量異常形態(tài)可看出，任丘MS3.2 地震周邊形成相對(duì)明顯的負(fù)異常高值區(qū)，達(dá)到-5 nT 之多，并且可看出造成負(fù)異?，F(xiàn)象的有多個(gè)測(cè)點(diǎn)，因此可排除單點(diǎn)觀測(cè)異常影響，可能與震后地磁場(chǎng)形態(tài)發(fā)生恢復(fù)有關(guān)。

巖石圈磁場(chǎng)含有多個(gè)場(chǎng)源成分，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[12-13]。因此空間分布較為復(fù)雜，可能導(dǎo)致其他地區(qū)高量級(jí)異常區(qū)的出現(xiàn)，未影響震例周邊的異常形態(tài)。

2.2 Z 分量局部性異常形態(tài)

通過得到的巖石圈磁場(chǎng)Z分量變化形態(tài)可看出，2 個(gè)震例所引起的局部異常均位于較大范圍的正負(fù)異常區(qū)間內(nèi)。考慮存在趨勢(shì)性變化成分，為得到更合理的震磁異常值，更好地分析由震例引起的異常尺度，進(jìn)一步提取了Z 分量局部異常成分。可以看出：2020年4月任丘MS3.2 地震前Z 分量局部異常能量積累大致在2～3 nT 左右（圖4）；2020年8月31日和林格爾MS3.0 地震前局部異常能量同樣在2～3 nT 左右（圖5），異常范圍與之前分析相當(dāng)。

圖4 2019年4月至2020年4月巖石圈磁場(chǎng)Z分量局部性異常分布

圖5 2020年4—9月巖石圈磁場(chǎng)Z分量局部性異常分布

3 結(jié)論及討論

1）2020年4月13日任丘MS3.2 地震和2020年8月31日和林格爾MS3.0 地震發(fā)生前震中附近Z 分量均出現(xiàn)相對(duì)明顯的正異常高值區(qū)，因此考慮這種異常表現(xiàn)并不是由于外界其他因素造成的偶然異?，F(xiàn)象；

2）在2020年4—9月，由巖石圈磁場(chǎng)Z分量空間分布圖可看出，任丘MS3.2 震中附近出現(xiàn)相對(duì)明顯的負(fù)異常區(qū)，可能和震后地磁場(chǎng)能量恢復(fù)有關(guān)，量值與震前異常值相當(dāng)；

3）對(duì)以上2 個(gè)震例附近異常特征的研究均是建立在鄰近測(cè)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的取得時(shí)段距發(fā)震時(shí)間較近的基礎(chǔ)上，任丘震例為11 天、和林格爾震例為5 天，因此認(rèn)為Z 分量異常積累時(shí)段較短的可能性較大；

4）據(jù)以上對(duì)各期Z 分量異常分布的分析，此2 個(gè)震例Z 分量震前異常值約2～3 nT 左右，異常影響范圍約50 km 左右；

5）通過對(duì)有關(guān)小震震磁異常的分析，可為后期監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作提供一定參考性意見。

巖石圈磁場(chǎng)在變化過程中受巖石介質(zhì)異性、構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)等多種因素影響，空間分布上極不均勻，可能導(dǎo)致其他地區(qū)也有高量級(jí)異常區(qū)的出現(xiàn)，但未影響震例周邊的異常形態(tài)。本文進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析過程中，發(fā)現(xiàn)Z 分量震前異常能量最強(qiáng)，其他要素異常特征不明顯，可能和震區(qū)地質(zhì)條件、發(fā)震機(jī)制等影響因素有關(guān)，對(duì)小震震磁異常表現(xiàn)方式的研究還有待加強(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(guó)地磁臺(tái)網(wǎng)中心提供的臺(tái)站數(shù)據(jù)！