山西代縣MS3.0 地震地磁異常與構(gòu)造的關(guān)系

劉德強，蘇樹朋，趙慧琴，昝書林

（1.河北紅山巨厚沉積與地震災(zāi)害國家野外科學(xué)觀測研究站, 河北 邢臺 054000；2.河北省地震局流動測量隊, 河北 保定 071000）

0 引言

地震發(fā)生前由于巖石介質(zhì)溫壓、應(yīng)力狀態(tài)、磁化率等的改變[1-3]，在近場范圍會出現(xiàn)巖石圈磁異?，F(xiàn)象，有別于遠場特征[4]，為地磁研究提供了辨別震磁異常信息的依據(jù)。目前已有許多專家學(xué)者觀測到了震磁異?，F(xiàn)象并進行了研究，近年來流動地磁監(jiān)測工作為研究巖石圈磁場變化特征和震磁異常特征提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐，據(jù)此已有的共識主要有震中多位于地磁要素零值線附近、高梯度帶間或矢量弱化區(qū)附近[4-7]。巖石圈磁場變化與巖石圈結(jié)構(gòu)具有相關(guān)性[8]，同時孕震作用會對沿發(fā)震斷層走向分布的巖石圈磁場分布造成影響，這與應(yīng)力狀態(tài)的改變有關(guān)，震區(qū)外圍特殊的地質(zhì)構(gòu)造也可能由于應(yīng)力的集中引起異?，F(xiàn)象[9]，加強對巖石圈磁異常影響因素的認(rèn)識，有助于更好地進行地磁異常判定工作。

晉北地區(qū)活動斷裂廣泛分布，構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜[10]，構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬結(jié)果顯示研究區(qū)處于高值狀態(tài)[11]，斷層活動性研究結(jié)果表明受NW 向拉張應(yīng)力影響的大同盆地有發(fā)生中強震的可能[12]。雖然巖石介質(zhì)剩余磁化強度受應(yīng)力的變化過程復(fù)雜，但壓磁效應(yīng)都會不同程度地改變其大小[13-15]。2019 年9 月13 日山西代縣發(fā)生MS3.0 地震，震源深度較淺，周邊盆地松軟沉積層較厚，因此震中附近還是有較強的震感。GNSS 數(shù)據(jù)研究結(jié)果表明，震中周邊分布的恒山北麓斷裂、恒山南麓斷裂和五臺山北麓斷裂等具有較強的活動水平[16]，說明此次發(fā)震與斷裂帶應(yīng)力積累有關(guān)。本文將利用磁測數(shù)據(jù)分析其伴隨的震磁異常現(xiàn)象并討論磁異常分布和斷裂構(gòu)造可能存在的宏觀聯(lián)系，以增強對地震地磁關(guān)系的認(rèn)識。

1 觀測數(shù)據(jù)及計算方法

近年來，中國地震局第一監(jiān)測中心和河北省地震局聯(lián)合在晉冀蒙交界及周邊地區(qū)開展著每年2 期的總強度加密監(jiān)測，本文主要利用山西東北部26 個總強度測點（圖1）2019 年2 期數(shù)據(jù)進行巖石圈磁場變化模型計算。這些測點第1 期觀測時段集中于4 月3—11 日，第2 期集中于8 月10—16 日?？倧姸纫巴庥^測使用2 臺GSM-19T 質(zhì)子旋進磁力儀分別在主副樁上取得3 組數(shù)據(jù)，每組10 個連續(xù)讀數(shù)，取算術(shù)平均值，并進行儀器差改正得到主樁觀測時刻總強度F 絕對數(shù)值。儀器分辨率為0.01 nT，每期出測前均進行儀器比測，保證測點觀測環(huán)境良好，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。

圖1 研究區(qū)流動地磁總強度測點分布Fig.1 The distribution of mobile geomagnetic total intensity measuring points in the study area

數(shù)據(jù)處理主要步驟有：①利用周邊觀測質(zhì)量較好的地磁臺站預(yù)處理分?jǐn)?shù)據(jù)對野外觀測數(shù)據(jù)進行日變通化改正以消除日變化成分，統(tǒng)一歸算至當(dāng)期觀測時段鄰近的某磁靜日0—3 時，2 期日變通化日分別為4 月15 日和8 月3 日，通化臺站包括呼和浩特臺、靜海臺和隆堯臺，主要依據(jù)距離鄰近原則分配，儀器型號分別為GM-4[2]、FHDZ-M15[1]和GM-4[1]，臺站原始數(shù)據(jù)均進行了無效數(shù)據(jù)修正和平滑連接，保證通化結(jié)果的可靠性；②利用IGRF-SV 長期變模型進行長期變改正，消除地球主磁場長期變化成分，獲得長期變改正數(shù)據(jù)集；③將相鄰兩期長期變改正數(shù)據(jù)集做差得到2019 年4—8 月巖石圈磁場總強度變化數(shù)據(jù)。震中靠近加密區(qū)西側(cè)，處理過程中借助震中西側(cè)鄰近的3 個流動地磁矢量測點數(shù)據(jù)進行計算，處理流程類似，可參考陳斌等[3]和馮麗麗[6]的處理方法。

2 巖石圈磁場F 特征

2.1 空間分布

整體上看，巖石圈磁場總強度F 變化形態(tài)在區(qū)內(nèi)基本以南正北負(fù)格局分布，代縣MS3.0 地震震中剛好位于零值線上，震中東側(cè)沿恒山北麓斷裂分布能量顯著的負(fù)異常區(qū)（圖2），走向NE，與斷裂一致。由于巖石圈磁場短期變化相對平穩(wěn)，幅度不大，若取所有測點F 變化絕對值的平均值2.25 nT 為標(biāo)準(zhǔn)判斷異常程度，則發(fā)現(xiàn)震區(qū)周邊靠近斷裂的測點均具有較強的異常能量，僅N7 測點F 變化絕對值低于平均水平，但此點形成了零散的反向正異常，表現(xiàn)出一定程度的構(gòu)造相關(guān)性。

圖2 2019 年4 月至8 月巖石圈磁場F 變化形態(tài)Fig.2 The variation of lithospheric magnetic field F from April to August 2019

2.2 震區(qū)外圍測點F 變化值

為進一步討論活動斷裂對局部異常分布的影響，選取震區(qū)外圍9 個測點，主要靠近五臺山北麓、恒山北麓、恒山南麓和六棱山北麓4 條活動斷裂，其中恒山北麓斷裂為主要發(fā)震斷層。沿恒山北麓斷裂分布的N3、N5、N8 測點距斷裂均很近，N3 測點距其垂直距離約2.3 km（表1），N5 測點約6.2 km，N8 測點約3.8 km。對測點巖石圈磁場F 實際變化值進行對比分析發(fā)現(xiàn)，3 個測點F 異常絕對值在3～5 nT 左右，也正是由此3 個測點加上N4 測點構(gòu)成了顯著負(fù)異常區(qū)。

表1 震區(qū)外圍測點F 異常值Table 1 The abnormal F value of measuring point in the periphery of the earthquake area

N1、N4、N6 和N7 測點雖距發(fā)震斷層較遠但距外圍其他斷裂較近，N1 測點距恒山南麓斷裂垂直距離約5.5 km，N4 測點距五臺山北麓斷裂約5.2 km，N6 測 點 約3.7 km，N7 測 點 距 六 棱 山 北 麓 斷 裂 僅2.3 km（表1）。此4 個測點F 幅值異常明顯，N1、N4、N6 變化絕對值同樣在3～5 nT 左右，N7 測點變化值相對不高但為負(fù)異常背景下的單個正值點，可見震區(qū)外圍斷裂也會引起異常分布。

N2 和N9 測點距鄰近的斷裂較遠，10 km 以上，F(xiàn) 變化幅度明顯較小，分別為0.45 nT 和0.98 nT，變幅與距活動斷裂的距離有明顯相關(guān)性。

2.3 巖石圈磁異常與構(gòu)造的關(guān)系

研究區(qū)位于大同盆地的邊緣，從中生代到新生代，構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)共經(jīng)歷了擠壓—伸展—擠壓—伸展4 個階段[17-18]。區(qū)內(nèi)構(gòu)造格架主要由NE-NEE 向斷裂構(gòu)成，多為高傾角正斷層，區(qū)域上主要受NW 向拉張作用影響，地殼運動也在山西斷陷帶北部表現(xiàn)出明顯的差異性，具有特殊巖橋構(gòu)造特性的恒山-太白維山地塊，成為區(qū)域地殼運動的相對不動點；北區(qū)地塊向NW 向伸展，斷塊上盤為主動塊體，而南區(qū)則向SE 向伸展；斷塊下盤為主動塊體，水平運動方向和斷裂傾向相反，給應(yīng)變能的積累提供了優(yōu)勢[10]。近年來，恒山北麓斷裂附近區(qū)域張性運動顯著[16]，周邊構(gòu)造應(yīng)力場數(shù)值模擬結(jié)果顯示處于高值狀態(tài)[11]，因此代縣MS3.0 地震的發(fā)生和應(yīng)變能積累有關(guān)的可能性較大，應(yīng)力集中形成的壓磁效應(yīng)很有可能從一定程度上改變了巖石剩磁強度[13-15]，影響了磁異常分布。

震區(qū)東側(cè)的顯著負(fù)異常區(qū)沿恒山北麓斷裂分布，鄰近發(fā)震斷層的測點異常能量較強，可見異常受斷裂控制明顯。靠近五臺山北麓、恒山北麓、恒山南麓和六棱山北麓4 條活動斷裂的測點幅值異常同樣明顯，說明震區(qū)外圍其他斷裂也存在應(yīng)力狀態(tài)變化，從而引起局部異常的出現(xiàn)。這和前人通過研究得到的“發(fā)震會造成沿斷裂走向的測點數(shù)據(jù)異常以及在孕震區(qū)外其他特殊構(gòu)造部位也會發(fā)生應(yīng)力和電磁參數(shù)變化”的觀點一致[9]。同時，外圍距鄰近斷裂較遠的測點幅值變化不明顯，表現(xiàn)出較明顯的構(gòu)造相關(guān)性。

3 結(jié)論及討論

2019 年9 月13 日山西代縣發(fā)生MS3.0 地震，利用震區(qū)及周邊26 個流動地磁總強度測點和3 個矢量測點數(shù)據(jù)，經(jīng)處理得到了2019 年4—8 月巖石圈磁場F 變化特征，并分析了異常與構(gòu)造的關(guān)系。

1）震中剛好位于巖石圈磁場變化空間分布零值線上，這與以往研究得到的結(jié)果一致，可能與震中處于粘滑失穩(wěn)前由應(yīng)力積累轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力釋放的相持階段有關(guān)，幅值變化不明顯。

2）發(fā)震斷層和震區(qū)外圍部分?jǐn)嗔丫鶎Υ女惓７植季哂忻黠@影響，說明其他斷裂也存在應(yīng)力狀態(tài)改變的現(xiàn)象，晉北局部地區(qū)存在復(fù)雜的應(yīng)力場背景。由于其本身多樣的構(gòu)造環(huán)境，因此伴隨在斷裂附近的地磁異常應(yīng)引起關(guān)注。

3）活動斷裂附近分布的明顯局部異常并不一定表現(xiàn)出正負(fù)同向，但變化幅值絕對值均較高，可能與巖石介質(zhì)磁化強度受應(yīng)力影響的復(fù)雜性有關(guān)，也可能由于不同的斷裂段應(yīng)力狀態(tài)不同，存在應(yīng)力集中、維穩(wěn)、釋放等，具體影響因素有待進一步定性研究。震區(qū)外圍距鄰近斷裂較遠的測點幅值變化不明顯，表現(xiàn)出較明顯的構(gòu)造相關(guān)性。

晉北局部地區(qū)巖石圈磁場在宏觀上表現(xiàn)出一定程度的壓磁效應(yīng)，討論構(gòu)造應(yīng)力狀態(tài)對異常分布的影響，是一種有益的探索震磁信息的途徑，尤其是和華北地區(qū)小震有關(guān)的異?，F(xiàn)象，可增強對震磁異常特征的認(rèn)識。由于觀測數(shù)據(jù)獲得周期較長等原因，對于異常尺度的研究有待加強，同時對于震中位于異常零值線附近代表何種物理意義仍需進一步討論。

致謝感謝中國地震局地球物理研究所流動地磁技術(shù)團隊提供的寶貴觀測數(shù)據(jù)和中國地磁臺網(wǎng)中心提供的臺站數(shù)據(jù)！