河北及鄰區(qū)震前巖石圈磁場異常變化分析

張海洋, 李 博, 劉德強(qiáng), 王朝景, 趙慧琴, 毛豐龍, 蘇樹朋

(河北省地震局保定地震監(jiān)測中心站, 河北 保定 071000)

0 引言

河北及鄰區(qū)位于華北克拉通塊體內(nèi),自中生代開始,東部和北部地區(qū)發(fā)生強(qiáng)烈變形。到新生代時期,構(gòu)造格局發(fā)生逆轉(zhuǎn),應(yīng)力狀態(tài)由擠壓變成拉張,從而產(chǎn)生大規(guī)模的斷陷活動[1-3]。第四紀(jì)以來,河北及鄰區(qū)新構(gòu)造活動頻繁,地震多發(fā),尤其在張家口—渤海斷裂帶上曾發(fā)生過多次破壞性地震,如1679年平谷8.0級、1976年唐山7.8級和1998年張北6.2級地震等。1998年以后,該地區(qū)的地震活動進(jìn)入平靜期。直至近期,唐山地區(qū)于2019—2020年間,相繼發(fā)生豐南4.5級和古冶5.1級地震,兩次地震僅相隔7個月,表明該斷裂帶中東段的構(gòu)造活動可能又趨于活躍。從20世紀(jì)90年代至今,國內(nèi)外學(xué)者圍繞華北地區(qū)應(yīng)力場、地殼和上地幔速度結(jié)構(gòu)、電性結(jié)構(gòu)和孕震環(huán)境等學(xué)術(shù)領(lǐng)域開展了大量的研究工作[4-7],在華北地區(qū)的巖石圈深部結(jié)構(gòu)、地球動力學(xué)和物質(zhì)組成的認(rèn)識等研究方向,積累了豐富的資料和大量科研成果。但針對該區(qū)域巖石圈磁場變化特征及震磁信息進(jìn)行的研究,則相對較為匱乏。

巖石圈磁場是地球磁場重要組成部分,其異常變化與地質(zhì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造活動、溫度與應(yīng)力狀態(tài)等因素密切相關(guān)[8]。構(gòu)造磁學(xué)表明,地震活動、火山噴發(fā)等構(gòu)造運(yùn)動,會引起局部巖石圈磁場變化。早期學(xué)者根據(jù)震源物理過程和地球內(nèi)部的物理性質(zhì),相繼提出壓磁效應(yīng)、膨脹磁效應(yīng)和感應(yīng)磁效應(yīng)等震磁關(guān)系理論,用于解釋地震前后磁場變化[9-12]。之后隨著航空磁測、衛(wèi)星磁測及地面磁測的展開,數(shù)據(jù)資源日漸豐富,圍繞巖石圈磁場變化與地質(zhì)構(gòu)造、地震活動之間關(guān)系進(jìn)行的研究活動也逐漸增多[13-14]。近年來,學(xué)者對川滇、南北天山地區(qū)的典型震例進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn),地震前一年左右,震中附近的巖石圈磁場出現(xiàn)明顯的異常變化,異常的產(chǎn)生與地質(zhì)構(gòu)造、巖石圈結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài)有關(guān),異常的持續(xù)時間和空間范圍應(yīng)與震級相關(guān)[15-18]。這些研究成果對于河北及鄰區(qū)震前巖石圈磁場異常變化特征的研究工作,具有重要參考意義。

自2009年開始,中國地震局流動地磁技術(shù)團(tuán)隊(duì)在華北地區(qū)連續(xù)開展大規(guī)模的流動地磁矢量觀測,為相關(guān)研究工作提供了豐富的數(shù)據(jù)資源。本文收集了“2018、2019、2020年”3期河北及鄰區(qū)流動地磁矢量觀測資料,通過數(shù)據(jù)處理,得到“2018—2019”和“2019—2020”2期巖石圈磁場年變化結(jié)果,進(jìn)而以2019年12月唐山豐南4.5級和2020年7月唐山古冶5.1級地震為例,系統(tǒng)分析震前的巖石圈磁場異常變化特征,以期對該區(qū)域的震磁異常識別工作有所幫助。

1 數(shù)據(jù)來源及處理方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

流動地磁矢量觀測以F、D、I(地磁總強(qiáng)度、磁偏角、磁傾角)三要素為測量對象,通過地磁要素間的三角函數(shù)關(guān)系,可獲得其他四個要素的數(shù)值。河北及鄰區(qū)測點(diǎn)共有84個,平均點(diǎn)間距約70 km,呈網(wǎng)格狀均勻分布(圖1)。測點(diǎn)觀測環(huán)境良好,無電磁干擾,觀測數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確反映該地區(qū)的磁場特征。測量位置處設(shè)有固定測樁,每期進(jìn)行6組重復(fù)測量,取其平均值作為該測點(diǎn)的測值。

圖1 河北及鄰區(qū)構(gòu)造及測點(diǎn)分布示意圖Fig.1 Distribution diagram of tectonics and measuring points in Hebei and its adjacent area

地磁場總強(qiáng)度觀測使用儀器為GSM-19T質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀,其靈敏度為0.15 nT@1 Hz,分辨率為0.01 nT,絕對精度為±0.2 nT。地磁場磁偏角和磁傾角觀測使用儀器為磁通門經(jīng)緯儀,精度分別優(yōu)于0.2′。測點(diǎn)地磁場水平和垂直梯度均小于5 nT,儀器安裝誤差小于1 cm,儀器位置變化產(chǎn)生的誤差可忽略。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

地磁場是由外源變化場、地球主磁場和巖石圈磁場等不同源磁場成分疊加而成的混合場[19]。在流動地磁數(shù)據(jù)處理過程中,需通過地磁日變通化、長期變化改正、主磁場剝離等技術(shù)手段[20-21],剝除外源磁場和地磁主磁場等成分,以獲取巖石圈磁場成分。再將兩期巖石圈磁場數(shù)據(jù)進(jìn)行差分計(jì)算,建立巖石圈磁場空間變化模型。具體方法如下:

(1) 日變通化改正。本文采用臺網(wǎng)通化法進(jìn)行日變通化,利用觀測區(qū)周邊多個地磁臺站連續(xù)觀測分鐘值的數(shù)據(jù),進(jìn)行函數(shù)擬合,獲取日變通化空間參考場,完成日變通化改正[22],來消除流動地磁觀測數(shù)據(jù)包含的地磁場日變化等外源場成分。相比于傳統(tǒng)的單臺通化方法,該方法可大大降低個別臺站數(shù)據(jù)異常所帶來的誤差。

(2) 長期變化改正。為消除觀測數(shù)據(jù)中的地球主磁場長期變化成分,采用IGRF13_SV模型方法,對兩期日變通化數(shù)據(jù)集進(jìn)行長期變化改正,改正日期為上一期的日變通化日。如2018年觀測數(shù)據(jù)的日變通化日為2018年4月16日,就將2019年數(shù)據(jù)長期變化改正至2018年4月16日。

(3) 巖石圈磁場年變化。以IGRF-13(第13代國際地磁參考場)為觀測區(qū)域地球主參考場模型。對長期變改正數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面樣條計(jì)算,獲取空間分布均勻的點(diǎn)陣數(shù)據(jù),減去IGRF-13模型數(shù)據(jù)后,即獲得當(dāng)期巖石圈磁場空間分布數(shù)據(jù)模型。將相鄰兩期巖石圈磁場相減,可獲得巖石圈磁場年度變化模型,進(jìn)而可依據(jù)該模型分析研究區(qū)磁異?？臻g變化分布特征。

數(shù)據(jù)處理過程中,為獲得合理可信的計(jì)算結(jié)果,對相鄰2期發(fā)生遷移和單要素異常的測點(diǎn)予以剔除。

2 區(qū)域巖石圈磁場年變化

本節(jié)將以總強(qiáng)度、磁偏角、磁傾角3要素及水平矢量為代表,討論河北及鄰區(qū)“2018—2019”和“2019—2020”巖石圈磁場變化特征,并結(jié)合唐山豐南4.5級和唐山古冶5.1級地震的震中位置,分析震中附近巖石圈磁場異常變化特征,如圖2和圖3所示。

2.1 2018—2019年度

通過2018—2019年研究區(qū)內(nèi)巖石圈磁場年變化(圖2)可以看出:(1)研究區(qū)南部巖石圈磁場水平矢量的方向較為一致,以NE向?yàn)橹?幅值較小;研究區(qū)北部的矢量方向則較為雜亂,無優(yōu)勢方向,幅值相對較大。在唐山—天津地區(qū),北部地區(qū)的SE方向矢量和西南地區(qū)NE方向矢量在此交匯,矢量方向發(fā)生散亂,幅值變小,形成局部水平矢量弱化區(qū)。唐山豐南4.5級地震位于此弱化區(qū)東側(cè)邊緣,震中區(qū)域的水平矢量同時具有幅值弱化和方向轉(zhuǎn)向的特征。(2)巖石圈磁場磁偏角變化范圍在-0.8′至+1.0′之間,負(fù)異常區(qū)主要位于研究區(qū)西北一側(cè),正異常區(qū)主要位于研究區(qū)東南一側(cè)。唐山豐南4.5級地震震中位于磁偏角變化“0”值線上,且伴有高梯級帶分布。(3)巖石圈磁場磁傾角變化范圍在-0.5′至+0.6′之間,負(fù)異常區(qū)大部分位于研究區(qū)東南部及西北局部,正異常區(qū)則主要位于研究區(qū)西北部。唐山豐南4.5級地震震中位于磁傾角變化負(fù)異常區(qū)域,其北側(cè)出現(xiàn)局部極值區(qū),震中處年變化量為-0.27′,距磁傾角年變化“0”值線約83 km。(4)巖石圈磁場總強(qiáng)度變化范圍在-6 nT至+6 nT之間,主要的正、負(fù)異常分別位于研究區(qū)的西部和東部。唐山豐南4.5級地震震中位于總強(qiáng)度變化的負(fù)異常區(qū),震中處年變化量為-3 nT,且磁場變化等值線較為平順,無“0”值線和高梯級帶通過。

2.2 2019—2020年度

通過2019—2020年研究區(qū)內(nèi)巖石圈磁場年變化(圖3)可以看出:(1)相比“2018—2019”年度,本期巖石圈磁場水平矢量的方向表現(xiàn)更為雜亂,無明顯分區(qū)特征且幅值變化較小。唐山古冶5.1級地震震中東、西兩側(cè)的水平矢量幅值較大,方向相背,震中處水平矢量同樣表現(xiàn)出局部弱化和方向轉(zhuǎn)向的特征。(2)巖石圈磁場磁偏角變化范圍在-0.8′至+0.8′之間,負(fù)異常區(qū)主要位于研究區(qū)東部和東北部,正異常區(qū)主要位于研究區(qū)南部和東北部區(qū)域。唐山古冶5.1級地震震中同樣位于磁偏角變化“0”值線上且附近具有高梯級帶分布,其特征與唐山豐南4.5級地震相同。(3)巖石圈磁場磁傾角變化范圍在-0.4′至+0.3′之間,正、負(fù)異常區(qū)呈相間分布,在研究區(qū)的西北部存在正、負(fù)異常的極大值。唐山古冶5.1級地震震中位于磁傾角變化正異常區(qū)域,震中處年變化量為+0.03′,距磁傾角變化“0”值線約19 km。(4)巖石圈磁場總強(qiáng)度變化范圍在-4 nT至+3 nT之間,負(fù)異常區(qū)主要位于研究區(qū)北部,正異常區(qū)主要分布于研究區(qū)東南部。唐山古冶5.1級地震震中位于總強(qiáng)度年變化的正異常區(qū),震中處年變化量為+0.9 nT,距總強(qiáng)度變化“0”值線約23 km。

圖2 2018—2019年河北及鄰區(qū)巖石圈磁場變化 [黑色實(shí)心圓點(diǎn)表示地震;等值線中紅色線表示正值,藍(lán)色線表示負(fù)值,黑色線表示零值線,圖(b)等值線間隔為0.2′,圖(c)等值線間隔為0.1′,圖(d)等值線間隔為1 nT]Fig.2 Variation of lithospheric magnetic field in Hebei and its adjacent areas during 2018-2019 (The black solid dots represent earthquake; in the contour line,the red line represents positive value,the blue line represents negative value,and the black line represents zero value; the isoline interval in figure (b) is 0.2′,isoline interval in figure (c) is 0.1′,isoline interval in figure (d) is 1 nT)

總體來看,相對于“2018—2019”,“2019—2020”年度河北及鄰區(qū)巖石圈磁場的變化形態(tài)并不一致,不具有延續(xù)性,且“2019—2020”巖石圈磁場各要素的年變化量呈現(xiàn)減小的趨勢。2期巖石圈磁場年變化與研究區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造帶無明顯對應(yīng)關(guān)系。唐山豐南4.5級和唐山古冶5.1級地震前,震中區(qū)域巖石圈磁場異常變化具有部分相似性,主要表現(xiàn)在:1、巖石圈磁場水平矢量均具有局部弱化和方向轉(zhuǎn)向的特征;2、震中位于磁偏角變化“0”值線上,且有高梯級帶分布。相對而言,磁傾角、總強(qiáng)度2要素的異常特征不顯著,且在2次地震中的表現(xiàn)不一致。

3 討論

巖石圈磁場異常變化與構(gòu)造活動密切相關(guān)。我國地震地磁學(xué)者在震磁關(guān)系研究過程中發(fā)現(xiàn),很多震例發(fā)生前,震中區(qū)巖石圈磁場均出現(xiàn)一定程度的異常變化[23-26]。對近年來典型地震前的巖石圈磁場異常變化特征進(jìn)行總結(jié)(表1),可以看出,震中區(qū)域巖石圈磁場水平矢量方向均存在一定程度的弱化和轉(zhuǎn)向特征,絕大部分震中區(qū)域分布有巖石圈磁場磁偏角的“0”值線或高梯級帶,其他要地磁要素的異常表現(xiàn)則不盡相同,這與本次研究成果具有一致性。由此可見,巖石圈磁場變化水平矢量局部弱化及轉(zhuǎn)向區(qū)、磁偏角的“0”值線及高梯級帶區(qū),是重要的震磁前兆信息,在地震危險區(qū)研判工作中具有一定的應(yīng)用價值。

圖3 2019—2020年河北及鄰區(qū)巖石圈磁場變化 [黑色實(shí)心圓點(diǎn)表示地震;等值線中紅色線表示正值,藍(lán)色線表示負(fù)值,黑色線表示零值線,圖(b)等值線間隔為0.2′,圖(c)等值線間隔為0.1′,圖(d)等值線間隔為1 nT]Fig.3 Variation of lithospheric magnetic field in Hebei and its adjacent areas during 2019-2020 (The black solid dots represent earthquake; in the contour line,the red line represents positive value,the blue line represents negative value,and the black line represents zero value; the isoline interval in figure (b) is 0.2′,isoline interval in figure (c) is 0.1′,isoline interval in figure (d) is 1 nT)

震前的巖石圈磁場水平矢量弱化、轉(zhuǎn)向現(xiàn)象,可能與發(fā)震斷裂的閉鎖程度增高有關(guān)。相關(guān)研究指出[17],巖石圈磁場變化水平矢量的幅值弱化、方向散亂的地區(qū),可能是地殼應(yīng)力水平高、深部閉鎖程度高的地區(qū)。斷裂的閉鎖程度增高與地震活動密切相關(guān),如蘆山7.0級地震前,震源區(qū)龍門山斷裂南段應(yīng)變積累速度明顯增大,應(yīng)變率較小,斷層閉鎖程度增高[29-30]。1976年唐山7.8級地震后,唐山斷裂(豐南4.5級地震和古冶5.1級地震的發(fā)震斷裂)一直處于應(yīng)力積累狀態(tài),中間經(jīng)過“3.11”日本地震短暫釋放后又恢復(fù)持續(xù)積累狀態(tài),同時也加大了斷層的閉鎖程度[31]。巖石磁學(xué)實(shí)驗(yàn)表明[32],巖石的磁化率會隨應(yīng)力變化而變化,應(yīng)力積累使得巖石磁化強(qiáng)度在應(yīng)力方向上減小,應(yīng)力釋放使得巖石磁化強(qiáng)度在應(yīng)力方向上增大。震前巖石圈應(yīng)力水平及斷層閉鎖程度的增加,可能引起了豐南4.5級地震、古冶5.1級地震震中區(qū)域的水平矢量出現(xiàn)弱化、轉(zhuǎn)向現(xiàn)象。

表1 巖石圈磁場異常變化與地震對應(yīng)關(guān)系

對于震中多位于巖石圈磁場磁偏角的“0”值線或高梯級帶這一現(xiàn)象,目前的研究成果尚未有合理的解釋,有待于進(jìn)行深入的研究。

4 結(jié)論

本文通過對河北及鄰區(qū)巖石圈磁場年變化及唐山豐南4.5級和唐山古冶5.1級地震震中區(qū)巖石圈磁場異常變化進(jìn)行對應(yīng)分析,得出以下結(jié)論:

(1)“2018—2019”和“2019—2020”2期河北及鄰區(qū)巖石圈磁場年變化空間分布并無一致性或繼承性特征。與“2018—2019”相比,2019—2020年石圈磁場各要素年變化在量值上具有減小的趨勢。2期巖石圈磁場年變化與研究區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造帶無明顯對應(yīng)關(guān)系。唐山豐南4.5級、唐山古冶5.1級地震震中區(qū)域具有巖石圈磁場水平矢量的局部弱化、方向轉(zhuǎn)向及磁偏角年變化“0”值線、高梯級帶分布的特征。

(2) 結(jié)合近年來典型地震前的巖石圈磁場異常變化特征來看,巖石圈磁場年變化中水平矢量局部弱化及轉(zhuǎn)向區(qū)和磁偏角的“0”值線及高梯級帶區(qū),可能包含重要的震磁前兆信息,應(yīng)為重點(diǎn)關(guān)注區(qū)。

致謝:感謝中國地震局流動地磁團(tuán)隊(duì)在數(shù)據(jù)采集,處理方法和模型計(jì)算等方面做出的努力。