中國大陸巖石圈震磁異常年變統(tǒng)計(jì)分析*

蔡蘇蘇，陳 斌

(中國地震局地球物理研究所，北京 100081)

0 引言

地震的孕育是一個(gè)復(fù)雜的過程，其影響因素繁多，其中地磁場(chǎng)異常變化與地震孕育過程具有關(guān)聯(lián)性。我國正式開展廣泛和系統(tǒng)的震磁觀測(cè)與深入研究，始于20世紀(jì)50—60年代(丁鑒海等，2011)。許多科學(xué)家針對(duì)地震與震中附近磁異常的相關(guān)性進(jìn)行了研究，如李家發(fā)等(1992)提出地震多沿地磁異常及梯度帶、磁異常的端點(diǎn)轉(zhuǎn)折交匯處分布。研究表明地震震中與單個(gè)要素的零值線存在相關(guān)性，若干與地震相關(guān)的地球內(nèi)部磁場(chǎng)異常特征也被提出，如內(nèi)源場(chǎng)的磁偏角零值周圍區(qū)域往往易發(fā)地震(哈奇基揚(yáng)，2008；顧春雷等，2012)；巖石圈磁場(chǎng)的要素與地震具有相關(guān)性：如魏榮強(qiáng)和于磊(2012)提出中國大陸及周邊地區(qū)大多數(shù)≥5.0地震震中位于垂直分量的零值線上或附近，李琪等(2006)研究得出1998年張北6.2級(jí)地震震中基本上位于0～3 nT的分量等值線上。但Lei等(2018)分析認(rèn)為-5～-3 nT才是地震高發(fā)區(qū)，該區(qū)域聚集了2004—2007年53.2%的≥5.0地震。

巖石圈磁場(chǎng)變化量與地震對(duì)應(yīng)性的研究也呈現(xiàn)不同震例異常對(duì)應(yīng)一個(gè)或多個(gè)不同地磁要素的現(xiàn)象。比如2013年蘆山7.0地震對(duì)應(yīng)的異常要素為地磁場(chǎng)總強(qiáng)度、垂直分量、地磁場(chǎng)水平分量以及磁偏角(倪喆等，2014a，b)；2015年九江—瑞昌5.7地震震中100 km附近存在明顯的水平分量異常(顧左文等，2006)，震中對(duì)應(yīng)的異常要素為磁偏角和磁傾角(顧春雷等，2010)；湯筱麒等(2019)研究認(rèn)為甘川交界地區(qū)≥5.0地震對(duì)應(yīng)的異常應(yīng)為水平分量的磁弱變區(qū)域邊界。

總結(jié)前述研究發(fā)現(xiàn)，各震例異常分析針對(duì)的地磁要素并不完全相同，即便是對(duì)同一地磁要素的分析，異常判定指標(biāo)閾值也不盡相同。尋求與地震存在相關(guān)性較好的地磁異常對(duì)應(yīng)的地磁要素及異常的某種定量描述，是地震地磁研究需要解決的問題，也是進(jìn)一步提出異常機(jī)制解釋的基礎(chǔ)。

前人在重力、地震相關(guān)研究方面提出了一些統(tǒng)計(jì)和檢驗(yàn)方法值得借鑒：如對(duì)研究區(qū)域的目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行重力數(shù)據(jù)網(wǎng)格化(賈民育等，1995，1996，2000)，分析地震震中所在網(wǎng)格的數(shù)據(jù)特征量，得出≥5.0地震主要發(fā)生在重力變化正—負(fù)轉(zhuǎn)換的高梯度帶上(胡敏章等，2015)。在中長(zhǎng)期地震危險(xiǎn)性分析中，蔣長(zhǎng)勝等(2011)將青藏高原東北緣地區(qū)進(jìn)行了網(wǎng)格間距尺度為0.2°的劃分，并運(yùn)用算法和算法對(duì)各網(wǎng)格進(jìn)行回溯性預(yù)測(cè)。

考慮到巖石圈磁場(chǎng)分布的復(fù)雜性、地震震中位置與各個(gè)地磁要素異常特征的相關(guān)性、統(tǒng)計(jì)方法的多樣性，本文對(duì)2010—2020年中國大陸地區(qū)的巖石圈磁場(chǎng)年變數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)格化劃分，并針對(duì)網(wǎng)格中心點(diǎn)對(duì)應(yīng)的≥6.0地震相關(guān)地磁要素進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)與計(jì)算分析。

1 巖石圈磁場(chǎng)數(shù)據(jù)處理

1.1 數(shù)據(jù)來源

中國地震局流動(dòng)地磁團(tuán)隊(duì)每年進(jìn)行一次地磁矢量地面測(cè)量，測(cè)量的地磁要素為地磁總強(qiáng)度、磁偏角和磁傾角，經(jīng)過換算可以得到其他4個(gè)地磁要素的數(shù)值，即地磁場(chǎng)北向分量、東向分量、垂直分量和水平分量。測(cè)量得到的地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)包括外源場(chǎng)、主磁場(chǎng)和巖石圈磁場(chǎng)，因此需對(duì)野外獲得的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以去除巖石圈磁場(chǎng)以外的外源變化磁場(chǎng)以及主磁場(chǎng)部分的影響。本文將2010—2020年相鄰兩年的中國大陸(19.5°～44.5°N，95.5°～126.5°E)巖石圈磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)序差分獲得這一時(shí)間段內(nèi)的巖石圈磁場(chǎng)年變數(shù)據(jù)。筆者從中國地震臺(tái)網(wǎng)中心下載2010—2020年≥6.0的地震目錄，從中刪除處于地面矢量地磁測(cè)網(wǎng)有效監(jiān)測(cè)范圍之外的地震事件及所有余震事件，最終共選取15次≥6.0地震事件進(jìn)行研究。

1.2 地磁數(shù)據(jù)處理

原始觀測(cè)數(shù)據(jù)是地球磁場(chǎng)內(nèi)源場(chǎng)和外源場(chǎng)的總和，地球磁場(chǎng)內(nèi)源場(chǎng)包括起源于核幔邊界的主磁場(chǎng)以及起源于地殼居里點(diǎn)溫度以上的巖石圈磁場(chǎng)；外源場(chǎng)包括電離層場(chǎng)、磁層場(chǎng)及感應(yīng)場(chǎng)(徐文耀，2003)。要想獲得巖石圈磁場(chǎng)變化數(shù)據(jù)，需要對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，去除主磁場(chǎng)和外源場(chǎng)的影響。野外觀測(cè)數(shù)據(jù)處理一共分為3步(董超等，2021；宋成科，2021)：

(1)日變通化改正。為消除流動(dòng)地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)包含的地磁場(chǎng)日變化等外源場(chǎng)成分，利用鄰近臺(tái)站的連續(xù)觀測(cè)地磁場(chǎng)分鐘值對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行日變通化改正(陳斌等，2017)，測(cè)量時(shí)間段內(nèi)通化零時(shí)為地方時(shí)00∶00—03∶00。

(2)長(zhǎng)期變化改正。為消除觀測(cè)數(shù)據(jù)中的地球主磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化成分，采用自然正交分量模型方法(陳斌，2011)，對(duì)每期日變通化數(shù)據(jù)集進(jìn)行長(zhǎng)期變化改正，改正日期為上一期的日變通化日。

(3)主磁場(chǎng)剝離。以IGRF-13為觀測(cè)區(qū)域地球主磁場(chǎng)參考場(chǎng)模型(Alken，2021)，對(duì)應(yīng)各測(cè)點(diǎn)位置的日變通化結(jié)果減去主磁場(chǎng)部分，得到當(dāng)期巖石圈磁場(chǎng)結(jié)果。將相鄰兩期巖石圈磁場(chǎng)相減，可獲得巖石圈磁場(chǎng)空間變化模型。

1.3 地磁矢量場(chǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)格化

基于上述數(shù)據(jù)處理過程得到的巖石圈磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，收集2010—2020年的巖石圈磁場(chǎng)年變數(shù)據(jù)并運(yùn)用曲面樣條插值方法(余志偉，1987)生成0.1°×0.1°的巖石圈磁場(chǎng)年變數(shù)值。將研究區(qū)域(18°～54°N，73°～135°E)劃分為0.5°×0.5°的網(wǎng)格區(qū)域，以每個(gè)網(wǎng)格的中心點(diǎn)代表該網(wǎng)格，生成網(wǎng)格中心經(jīng)緯度數(shù)據(jù)點(diǎn)，再從中篩選出有地震的網(wǎng)格中心經(jīng)緯度數(shù)據(jù)點(diǎn)。計(jì)算巖石圈磁場(chǎng)年變數(shù)據(jù)與網(wǎng)格特征值的梯度，再挑選出≥6.0地震的震前1年的巖石圈磁場(chǎng)數(shù)據(jù)(表1)進(jìn)行研究。

分別定義水平矢量模||表示為：

(1)

水平矢量模的梯度|grad|(周建興，2008)表示為：

(2)

(3)

(4)

矢量模||表示為：

(5)

矢量模的梯度|grad|表示為：

(6)

(7)

(8)

式中：|grad|、|grad|分別為直角坐標(biāo)系下兩矢量模的梯度值；||為水平(東西)向水平矢量模的梯度值；||為垂直(南北)向水平矢量模上的梯度值；||為水平方向上矢量模的梯度值；||為垂直方向上矢量模的梯度值；Δ、Δ、Δ為北向、東向和垂直分量的年變數(shù)值；、為兩個(gè)方向的間距，此處均為0.5°。||的首列數(shù)據(jù)為原矩陣第二列與第一列數(shù)據(jù)之差除以，最后一列則為最后兩列之差除以；同理，可以得到||、||、||。

2 地震前一年巖石圈磁場(chǎng)磁異常變化特征分析

2.1 地磁矢量異常變化特征分析

2010—2020年≥6.0地震共15次，挑選網(wǎng)格中震前1年的巖石圈磁場(chǎng)年變數(shù)據(jù)(如2013年4月20日7.0蘆山地震，挑選2011—2012年的巖石圈磁場(chǎng)年變數(shù)據(jù))，繪制了所有年份對(duì)應(yīng)的巖石圈磁場(chǎng)空間等變線分布圖。本文以2011—2012年≥6.0地震的磁偏角、垂直分量、總強(qiáng)度、水平矢量模||、矢量模||及其梯度的等值線圖(0.5°×0.5°)為例進(jìn)行說明。圖1、2顯示≥5.0地震事件共8次，其中5.0～5.9地震事件6次、6.0～6.9地震事件1次(即岷縣—漳縣6.6地震)、7.0及以上地震事件1次(即蘆山7.0地震)。

圖1a、b分別為磁偏角年變率及其梯度的空間等值線分布，等值線間隔分別為0.1′、0.1′/°，圖中的黑色實(shí)線分別為磁偏角的零值線與梯度值為0.5′/°的等值線。岷縣—漳縣6.6地震(圖中紫紅色點(diǎn))與蘆山7.0地震(圖中紅色點(diǎn))的震中均位于磁偏角的零值線附近(圖1a)及磁偏角梯度值為0.5′/°的等值線附近(圖1b)。

圖1c、d分別為2011—2012年總強(qiáng)度年度變化及其梯度的等值線圖，等值線間隔分別為2 nT、2 nT/°，圖中的黑色實(shí)線分別為總強(qiáng)度的零值線與梯度值為10 nT/°的等值線。岷縣—漳縣6.6地震與蘆山7.0地震震中位于總強(qiáng)度的零變線附近(圖1c)；圖1d顯示總強(qiáng)度的梯度值介于0～42 nT/°，蘆山地震與岷縣—漳縣地震震中位于10 nT/°等值線附近，震中周圍200 km附近區(qū)域總結(jié)度梯度值比較小，屬于低值區(qū)；岷縣—漳縣地震震中東北部100 km附近的區(qū)域總結(jié)度梯度值為15～35 nT/°，屬于中高值區(qū)。

圖1e、f分別為震前垂直分量年度變化及其梯度的等值線圖，等值線間隔分別為2 nT、2 nT/°，圖中的黑色實(shí)線分別為垂直分量的零值線與梯度值為10 nT/°的等值線。岷縣—漳縣6.6地震與蘆山7.0地震的西北方向?yàn)樨?fù)值區(qū)，東南方向?yàn)檎祬^(qū)，兩片區(qū)域大致以零變線為軸線呈對(duì)稱分布，其震中位于垂直分量正負(fù)異常區(qū)交界附近(圖1e)。圖1f顯示震中位于垂直分量梯度的10 nT/°附近，蘆山7.0地震震中附近100 km仍為低梯度帶，無異常梯度帶出現(xiàn)。

圖1 2011—2012年磁偏角(a)、磁偏角梯度(b)、總強(qiáng)度(c)、總強(qiáng)度梯度(d)、垂直分量(e)和垂直分量梯度(f)等值線圖

2.2 水平矢量模與矢量模及梯度特征

圖2a、b為2011—2012年水平矢量模||及其梯度的巖石圈磁場(chǎng)等變線圖，等值線間隔分別為2 nT、2 nT/°，圖中黑色實(shí)線分別為水平矢量模||及其梯度分別為10 nT、10 nT/°的等值線。≥6.0地震震中均位于圖中黑色實(shí)線附近。水平矢量模||在蘆山7.0地震震中周圍100 km左右均大于10 nT，在小于100 km的區(qū)域小于10 nT，但震中附近并未出現(xiàn)高梯度帶。岷縣—漳縣6.6地震震中東部存在分塊的中高值區(qū)，其震中附近的水平梯度值與梯度值分別小于10 nT與10 nT/°。

圖2c、d為2011—2012年矢量模||及其梯度的等值線圖，等值線間隔分別為2 nT、2 nT/°，圖中黑色實(shí)線分別為矢量模||及其梯度分別為10 nT、10 nT/°的等值線。由圖2 c與圖2a對(duì)比可知，水平矢量模和矢量模的≥6.0地震震中附近的值均為10 nT左右，但矢量模||加入垂直分量后其高值異常區(qū)更為明顯。圖2b與圖2d顯示≥6.0地震震中附近并未出現(xiàn)高梯度帶。

圖2 2011—2012年水平矢量模(a)、水平矢量模梯度(b)、矢量模(c)和矢量模梯度(d)等值線圖

從圖2與表1的數(shù)據(jù)可以看出，統(tǒng)計(jì)10年以來的水平矢量模和矢量模梯度均值略小于10 nT/°，與對(duì)應(yīng)的2011—2012年水平矢量模和矢量模的梯度特征值有2～4 nT/°的誤差，但若單獨(dú)考慮水平矢量模和矢量模的異常梯度形態(tài)與地震震中的位置則較難統(tǒng)一量化，而圖2震中附近兩要素模大致在10 nT。

對(duì)比分析2011—2012年≥6.0地震地磁要素等值線圖，發(fā)現(xiàn)震中主要位于磁偏角、總強(qiáng)度、垂直分量的零變線附近，震中附近水平矢量模和矢量模值在10 nT左右；對(duì)應(yīng)的梯度值并未出現(xiàn)較大的高梯度帶，顯示高梯度帶與地震震中的對(duì)應(yīng)關(guān)系并不明顯。

2.3 震例統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表1為2010—2020年15次≥6.0地震的磁偏角、總強(qiáng)度、垂直分量、水平矢量模||與矢量模||及各要素梯度所對(duì)應(yīng)的震前巖石圈磁場(chǎng)年度變化(0.5°×0.5°)。

表1 2010—2020年MS≥6.0地震地磁場(chǎng)要素及梯度網(wǎng)格中心值統(tǒng)計(jì)

磁偏角的值介于-2.26′～2.02′，磁偏角梯度值介于0.29′/°～1.49′/°，均值分別為-0.31′與0.80′/°，均方差值分別為1.05′與0.33′/°。40%的磁偏角的值分布在±0.5′之間，66.67%的梯度值分布在0.5′/°～1′/°。

總強(qiáng)度的值介于-15.16～22.46 nT，其梯度值介于0.53～10.33 nT/°；53.33%的總強(qiáng)度的值分布在±4 nT之間，13.33%的總強(qiáng)度的梯度值分布在8～10 nT/°。垂直分量的值介于-16.13～12.16 nT，其梯度值介于2.13～14.63 nT/°；53.33%的垂直分量的值分布在±6 nT之間，6.67%的垂直分量的梯度值分布于8～10 nT/°。

水平矢量模||的值介于1.75～22.40 nT，其梯度值介于1.58～12.22 nT/°；20.00%的水平矢量模||分布在10～12 nT，26.67%的梯度值分布于8～10 nT/°。矢量模||介于3.78～25.49 nT，其梯度值介于3.43～13.16 nT；26.67%的矢量模||分布在12～14 nT，20.00%的梯度值分布在8～12 nT/°。

3 結(jié)論

本文選取2011—2012年中國大陸(19.5°～44.5°N，95.5°～126.5°E)的巖石圈磁場(chǎng)年變數(shù)據(jù)，基于網(wǎng)格劃分，統(tǒng)計(jì)分析各要素值的零值線以及各要素梯度值與≥6.0地震震中位置的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)地磁要素零值線與震中位置相關(guān)性各異，要素值的高梯度帶僅存在于個(gè)別震例中，主要結(jié)論如下：

(1)2011—2012年巖石圈磁場(chǎng)等變線圖中，≥6.0地震震中位于磁偏角，總強(qiáng)度，垂直分量零值線附近，水平矢量模||與矢量模||的值均為10 nT左右。

(2)15次≥6.0地震中，分布在磁偏角的值為±0.5′之間的震例占比為40%，分布在總強(qiáng)度的值為±4 nT之間的震例占比為53.33%，分布在垂直分量的值為±6 nT之間的震例占比為53.33%，分布在水平矢量模||為10～12 nT的震例占比為20.00%，分布在矢量模||為12～14 nT的震例占比為26.67%。

(3)66.67%的震例分布在磁偏角梯度值為0.5′/°～1′/°的地區(qū)，13.33%的震例分布在總強(qiáng)度梯度值為8～10 nT/°的地區(qū)，6.67%的震例分布在垂直分量梯度值為8～10 nT/°的地區(qū)，26.67%的震例分布在水平矢量||模梯度值為8～10 nT/°的地區(qū)，20.00%的震例分布在矢量模||梯度值為8～12 nT/°的地區(qū)。梯度數(shù)據(jù)分布太分散，導(dǎo)致高梯度帶與地震震中對(duì)應(yīng)并不準(zhǔn)確。

統(tǒng)計(jì)2010—2020年研究區(qū)≥6.0地震震中位置與各要素之間的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，總強(qiáng)度、磁偏角、垂直分量單個(gè)地磁要素的零值附近指標(biāo)較其他地磁要素對(duì)地震的指示更顯著，但震例比例僅為50%左右，仍不太理想，這或許與僅用網(wǎng)格中心點(diǎn)作為整個(gè)網(wǎng)格特征值的近似處理過于簡(jiǎn)單有關(guān)。與過去的認(rèn)識(shí)不同的是，高梯度帶的震例比例遠(yuǎn)較預(yù)想低，一方面可能是網(wǎng)格特征值的簡(jiǎn)單處理引起，但另一方面可能是一個(gè)客觀存在，還需要繼續(xù)分析這一現(xiàn)象。下一步將研究網(wǎng)格特征值的選取方法，并綜合多要素聯(lián)合分析以期得到更有效的異常特征指標(biāo)。

中國地震局流動(dòng)地磁觀測(cè)團(tuán)隊(duì)提供了巖石圈磁場(chǎng)數(shù)據(jù)以及開展了前期集中數(shù)據(jù)處理工作，中國地震臺(tái)網(wǎng)中心提供了地震目錄，審稿專家對(duì)本文提出了寶貴修改意見，在此一并表示感謝。