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

（中國(guó)保定 071000 河北省地震局流動(dòng)測(cè)量隊(duì)）

0 引言

地球磁場(chǎng)可分為內(nèi)源磁場(chǎng)和外源磁場(chǎng)，內(nèi)源磁場(chǎng)可分為主磁場(chǎng)和源于地殼及上地幔物質(zhì)磁性的巖石圈磁場(chǎng)。地震的孕育及發(fā)生伴隨著地下能量的積累與釋放。而能量變化往往引起巖石圈地質(zhì)結(jié)構(gòu)、溫度、壓力等的改變，從而引起地下介質(zhì)磁化率的改變，導(dǎo)致巖石圈磁場(chǎng)發(fā)生變化。與地震相關(guān)的地磁場(chǎng)變化研究已有百年之久，相關(guān)學(xué)者相繼提出壓磁效應(yīng)、膨脹磁效應(yīng)、感應(yīng)磁效應(yīng)、流變磁效應(yīng)等理論，如：Stacey（1964）提出壓磁效應(yīng)；祁貴仲（1978，1981）提出膨脹磁效應(yīng)、感應(yīng)磁效應(yīng)；郝錦綺等（1992）提出流變磁效應(yīng)。近年來(lái)，在震磁效應(yīng)、震磁關(guān)系、震磁異常的研究上取得了良好進(jìn)展，如：九江—瑞昌MS5.7 地震前在震中附近地磁基本場(chǎng)水平分量異常（顧左文等，2006）；自然正交分量方法在地震地磁監(jiān)測(cè)中更能準(zhǔn)確得到巖石圈磁異常場(chǎng)的變化信息及特征（陳斌，2011）；圍繞地震震中及附近出現(xiàn)“0”值線分布和高梯級(jí)帶分布等現(xiàn)象（倪喆等，2014a，2014b；蘇樹(shù)朋等，2016，2017）；震前震中區(qū)存在局部巖石圈磁場(chǎng)水平矢量的弱變化現(xiàn)象（宋成科等，2019）；強(qiáng)震震中多位于巖石圈磁場(chǎng)負(fù)值區(qū)，大多沿正負(fù)異常區(qū)的分界線分布，一些強(qiáng)震震前出現(xiàn)顯著的基底異常（馮麗麗等，2017，2019）。

2018 年2 月12 日，河北省永清縣發(fā)生MW4.3 地震（39.37°N，116.67°E）（下文稱永清地震），是2006 年7 月4 日文安5.1 級(jí)地震后首都圈地區(qū)發(fā)生的規(guī)模最大、震感最強(qiáng)的地震。此次地震震源深度約17 km，震中位于河西務(wù)斷裂附近。地震發(fā)生區(qū)域構(gòu)造主要為NE 走向斷裂，穿插少量NW 走向斷裂。河西務(wù)斷裂呈NE 走向，位于此斷裂帶東緣，是廊固凹陷與武清凹陷的分界斷裂（周月玲等，2018）。文中收集整理2016—2019 年華北部分地區(qū)流動(dòng)地磁矢量數(shù)據(jù)，進(jìn)行日變通化、長(zhǎng)期變化改正、主磁場(chǎng)剝離等處理，獲得此次永清MW4.3 地震前后區(qū)域巖石圈磁場(chǎng)變化模型，分析震磁異常規(guī)律，以期為震磁前兆信息提取及震情趨勢(shì)研判提供參考。

1 數(shù)據(jù)處理

華北地區(qū)每年于春季3—5 月、秋季8—9 月進(jìn)行兩期流動(dòng)地磁矢量測(cè)量工作，其中2016 年秋季測(cè)點(diǎn)較少。研究區(qū)位于（112.2°—119.6°E，37.7°—42.5°N）范圍內(nèi)，共布有71 個(gè)流動(dòng)地磁矢量測(cè)點(diǎn)（圖1），測(cè)點(diǎn)間距60—70 km。河北永清MW4.3地震發(fā)生在2018 年2 月，為此收集整理2016—2019 年共7 期流動(dòng)地磁矢量數(shù)據(jù)資料（不含2016 年秋季期），剔除相鄰期次位置發(fā)生移動(dòng)、點(diǎn)位差超限的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，建立巖石圈磁場(chǎng)數(shù)值模型，分析此次地震前后巖石圈磁場(chǎng)變化特征。

圖1 研究區(qū)流動(dòng)地磁測(cè)點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of mobile geomagnetic measurement points in the study area

據(jù)陳斌（2017）流動(dòng)地磁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理流程，消除地磁場(chǎng)中外源變化場(chǎng)、主磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化、主磁場(chǎng)等即可獲得監(jiān)測(cè)區(qū)巖石圈磁場(chǎng)數(shù)值模型。為獲取研究區(qū)巖石圈磁場(chǎng)數(shù)值模型，采用以下步驟進(jìn)行數(shù)據(jù)處理：①日變通化改正，以消除地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)中的短周期變化等外源場(chǎng)部分，采用單臺(tái)參照法進(jìn)行日變通化處理；②長(zhǎng)期變化改正，以消除觀測(cè)數(shù)據(jù)中包含的地球主磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化成分，采用中國(guó)地區(qū)地磁基本場(chǎng)長(zhǎng)期變化的6 階自然正交分量（NOC）的非線性模型（顧左文等，2009；陳斌，2011），對(duì)日變通化數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期變化改正；③減去主磁場(chǎng)，從內(nèi)源場(chǎng)中減去第12 代國(guó)際地磁參考場(chǎng)（IGRF12）模型的計(jì)算值，得到巖石圈磁場(chǎng)，將各期同位置測(cè)點(diǎn)的巖石圈磁場(chǎng)相減即得到巖石圈磁場(chǎng)變化。

2 巖石圈磁場(chǎng)變化分析

采取以上步驟，對(duì)于2018 年2 月12 日河北永清MW4.3 地震，建立發(fā)震前后巖石圈磁場(chǎng)變化模型。為此，建立了震前不同時(shí)間間隔的巖石圈磁場(chǎng)變化模型，時(shí)間間隔分別為：2017 年5 月到2017 年9 月、2016 年5 月到2017 年5 月、2016 年5 月到2017 年9 月，下文簡(jiǎn)稱201705—201709、201605—201705、201605—201709 模型；建立了震后不同時(shí)間間隔的巖石圈磁場(chǎng)變化模型，時(shí)間間隔分別為：2018 年5 月到2018 年9 月、2018 年5 月到2019 年5 月、2019 年5 月到2019 年9 月，下文簡(jiǎn)稱201805—201809、201805—201905、201905—201909 模型。將以上6 個(gè)模型，分別建立磁偏角D、磁傾角I、總強(qiáng)度F以及水平矢量H、垂直矢量Z的空間變化模型（圖2—圖6），分析此次永清MW4.3地震前后巖石圈磁場(chǎng)變化特征。

2.1 磁偏角空間變化

6 個(gè)模型的磁偏角D空間變化等值線見(jiàn)圖2，其中等值線間距為0.2′。

圖2 磁偏角D 空間變化（a）201705—201709 模型；（b）201605—201705 模型；（c）201605—201709 模型；（d）201805—201809 模型；（e）201805—201905 模型；（f）201905—201909 模型Fig.2 Spatial variation of magnetic declination D

（1）震前D值變化。由圖2(a)可見(jiàn)，在201705—201709 模型D值空間變化中，區(qū)域西部以正值為主，東部以負(fù)值為主，整體變化幅值在-1.2′—1.2′，且區(qū)域南、北均出現(xiàn)負(fù)值的高值區(qū)。永清地震位于負(fù)值區(qū)域的低值區(qū)，靠近東部獨(dú)立的零值線。由圖2(b)可見(jiàn)，在201605—201705 模型D值空間變化中，區(qū)域東南與西南為正值的高值區(qū)，震中處于負(fù)值區(qū)，位于南北兩條零值線中間。由圖2(c)可見(jiàn)，201605—201709 模型D值空間變化延續(xù)了201605—201705 模型的趨勢(shì)，D值在-1.8′—2.0′之間變化，幅值波動(dòng)較大，西南與東南為2 個(gè)正值高值區(qū)，南北各2 個(gè)負(fù)值高值區(qū)，震中位于東南正值區(qū)域等值線的“脊背”上，靠近零值線位置。

由震前3 期變化可知，此次永清地震震中均位于低值區(qū)，在以上3 個(gè)時(shí)間段內(nèi)，磁偏角變化趨勢(shì)相同，表現(xiàn)為震中東南的正值區(qū)域逐漸擴(kuò)大，隨著時(shí)間遞增，在震前1.5 年期（201605—201709 模型）磁偏角變化中，震中處于正、負(fù)值交界位置的零值線附近，區(qū)域的南、北、東南、西南部皆呈現(xiàn)高梯級(jí)帶特征。

（2）震后D值變化。由圖2(d)可知，在震后第一個(gè)半年變化中，即201805—201809模型，區(qū)域D值以正值為主，震中位置處于正值的低值區(qū)，打亂了震前演化趨勢(shì)。由圖2(e)可知，在震后一年期，即201805—201905 模型的D值變化中，區(qū)域東南、西南部為負(fù)值高值區(qū)，中部有2 個(gè)小范圍負(fù)值區(qū)散布，震中位于正值的低值區(qū)。由圖2(f)可知，在震后201905—201909 模型的D值變化中，區(qū)域中部以負(fù)值為主，西部為正值高值區(qū)，震中位于負(fù)值區(qū)，與201805—201809、201805—201905 模型相比，變化趨勢(shì)發(fā)生較大改變。

2.2 磁傾角空間變化

6 個(gè)模型的磁傾角I空間變化等值線見(jiàn)圖3，其中等值線間距為0.1′。

圖3 磁傾角I 空間變化（a）201705—201709 模型；（b）201605—201705 模型；（c）201605—201709 模型；（d）201805—201809 模型；（e）201805—201905 模型；（f）201905—201909 模型Fig.3 Spatial variation of magnetic inclination I

（1）震前I值變化。由圖3(a)可見(jiàn)，在201705—201709 模型的I值變化中，震中位于負(fù)值區(qū)域，同時(shí)位于等值線“脊背”上靠近零值線位置，震中西北為正值高梯級(jí)帶區(qū)。由圖3(b)可見(jiàn)，在201605—201705 模型的I值變化中，負(fù)值區(qū)范圍較201705—201709 模型小，區(qū)域等值線分布較均勻，震中位于靠近零值線的負(fù)值區(qū)域。由圖3(c)可見(jiàn)，在201605—201709 模型的I值變化中，等值線基本呈NE 向展布，區(qū)域西北為正值高值區(qū)、東南為負(fù)值高值區(qū)，幅值由東南的-0.6′向西北增大到1.2′，震中位于正、負(fù)值交界的零值線上。

在震前201705—201709模型、201605—201705模型、201605—201709模型的變化中，I值均呈現(xiàn)出區(qū)域東南為負(fù)值，西北為正值的現(xiàn)象，隨著震前時(shí)間的遞增，零值線逐漸靠近震中，在震前1.5 年期（201605—201709 模型）變化中，震中處于零值線上。

（2）震后I值變化。由圖3(d)可見(jiàn)，震后201805—201809 模型的I值變化打破了震前變化趨勢(shì)，區(qū)域以負(fù)值為主，震中位于負(fù)值區(qū)域。由圖3(e)可見(jiàn)，與201805—201809 模型相比，在201805—201905 模型的I值變化中，區(qū)域由負(fù)值為主轉(zhuǎn)變?yōu)橐哉抵?，區(qū)域西部出現(xiàn)正、負(fù)高梯級(jí)帶。由圖3(f)可見(jiàn)，在201905—201909 模型的I值變化中，呈區(qū)域東、西部為負(fù)值、中部為正值控制的特點(diǎn)，與201805—201905 模型相比，東、西部負(fù)值區(qū)呈擴(kuò)大化。

震后與震前相比，I值變化趨勢(shì)發(fā)生重大改變。

2.3 總強(qiáng)度空間變化

6 個(gè)模型總強(qiáng)度F空間變化等值線見(jiàn)圖4，其中等值線間距為1 nT。

（1）震前F值變化。由圖4 中(a)、(c)圖可見(jiàn)，在震前201705—201709、201605—201709 模型變化中，區(qū)域總強(qiáng)度F均為正值；由圖4(b)可見(jiàn)，在201605—201705 模型變化中，僅東南角呈小范圍負(fù)值，且幅值較??；由圖4(a)可見(jiàn)，在201705—201709 模型變化中，震中南北部均出現(xiàn)正值、高幅值梯級(jí)帶，幅值在2—20 nT，尤其震中正南的高梯級(jí)帶更為顯著，同時(shí)測(cè)區(qū)西北與西南亦各有一個(gè)正值梯級(jí)帶。由圖4 中(b)、(c)圖可見(jiàn)，在201605—201705 模型、201605—201709 模型變化中，在震中北偏西位置均出現(xiàn)一個(gè)正值、高值梯級(jí)帶，震中位于由低值向高值過(guò)渡的中間地帶；由圖4(c)可見(jiàn)，在201605—201709 模型變化中，等值線幅值變化較大，為4—28 nT，由累積時(shí)間較長(zhǎng)導(dǎo)致，證明了震前1.5年期（201605—201709模型）變化中，F(xiàn)值呈現(xiàn)不斷增大的趨勢(shì)，具有累加性。

（2）震后F值變化。由圖4(d)可見(jiàn)，在震后201805—201809 模型變化中，F(xiàn)值以正值為主，少量負(fù)值區(qū)零散分布。由圖4(e)可見(jiàn)，在201805—201905 模型變化中，F(xiàn)值亦以正值為主，負(fù)值區(qū)主要分布在北部。由圖4(f)可見(jiàn)，在201905—201909 模型變化中，F(xiàn)值則以負(fù)值為主，半年間發(fā)生了較大改變，體現(xiàn)了震后變化趨勢(shì)的不一致性。

圖4 總強(qiáng)度F 空間變化（a）201705—201709 模型；（b）201605—201705 模型；（c）201605—201709 模型；（d）201805—201809 模型；（e）201805—201905 模型；（f）201905—201909 模型Fig.4 Spatial variation of total intensity F

2.4 水平矢量空間變化

6 個(gè)模型的水平矢量H空間變化見(jiàn)圖5。

圖5 水平矢量H 空間變化（a）201705—201709 模型；（b）201605—201705 模型；（c）201605—201709 模型；（d）201805—201809 模型；（e）201805—201905 模型；（f）201905—201909 模型Fig.5 Spatial variation of horizontal vector H

（1）震前水平矢量H的空間變化。由圖5(a)可見(jiàn)，在震前201705—201709 模型變化中，在震中西北部即北京西南部出現(xiàn)一弱化區(qū)，震中位于弱化區(qū)東南角，位于H矢量方向即將改變位置。由圖5(b)可見(jiàn)，在201605—201705 模型變化中，震中處于矢量量值變小、方向即將分化的過(guò)渡地帶，異常不顯著。由圖5(c)可見(jiàn)，在201605—201709 模型變化中，震中位于H矢量量值明顯變小，且方向即將發(fā)生轉(zhuǎn)變的位置。

由圖5 中(a)、(b)、(c)圖可見(jiàn)，在水平矢量H的方向與大小變化上，震前異常較弱，區(qū)域整體及震中附近的變化具有相似性，局部變化略有差異。

（2）震后水平矢量H的空間變化。由圖5(d)可見(jiàn)，在震后半年201805—201809 模型變化中，區(qū)域H矢量的方向與量值較震前201705—201709 模型半年變化[圖5(a)]發(fā)生了巨大改變，震中位置附近尤為顯著，H矢量方向由震前指向西北轉(zhuǎn)變?yōu)檎鸷笾赶驏|北。由圖5(e)可見(jiàn)，在201805—201905 模型變化中，與圖5(d)相比，區(qū)域內(nèi)H矢量方向發(fā)生了較大改變，震中附近H矢量量值減小，方向較散亂。由圖5(f)可見(jiàn)，在201905—201909 模型變化中，區(qū)域中部有一貫穿中部、由北向南幅值較大的H矢量條帶，與圖5(d)、(e)相比，區(qū)域整體及震中附近H矢量的大小與方向均發(fā)生了較大變化，體現(xiàn)了震后變化的不一致性。

2.5 垂直矢量空間變化

6 個(gè)模型的垂直矢量Z空間變化見(jiàn)圖6。

圖6 垂直矢量Z 空間變化（a）201705—201709 模型；（b）201605—201705 模型；（c）201605—201709 模型；（d）201805—201809 模型；（e）201805—201905 模型；（f）201905—201909 模型Fig.6 Spatial variation of vertical vector Z

（1）震前垂直矢量Z的空間變化。由圖6 中(a)、(b)、(c)圖可見(jiàn)，在201705—201709、201605—201705、201605—201709模型的Z矢量空間變化中，矢量主體方向一致，均由南向北，量值由東南向西北逐漸增大，震中位于垂直矢量由小變大的過(guò)渡區(qū)域，且震中位置及附近量值較小，與整體形成鮮明對(duì)比。在圖6 中，由(a)→(b)→(c)圖可見(jiàn)，震前2016 年5 月—2017 年9 月的時(shí)間內(nèi)，Z矢量方向總體由南向北，且量值不斷累積增加。

（2）震后垂直矢量Z的空間變化。由圖6(d)可見(jiàn)，在201805—201809 模型變化中，Z矢量呈方向散亂、多處弱化態(tài)勢(shì)，震中附近矢量方向由南向北，量值較小。由圖6(e)可見(jiàn)，在201805—201905 模型變化中，區(qū)域Z矢量主體方向由南向北，局部由北向南，局部弱化，震中位于Z矢量方向一致向北、量值變大的平穩(wěn)區(qū)域。由圖6(f)可見(jiàn)，在201905—201909 模型變化中，Z矢量方向發(fā)生改變，轉(zhuǎn)變?yōu)橛杀毕蚰蠟橹?，量值在區(qū)域內(nèi)由東北向西南逐漸變小。震后演變趨勢(shì)發(fā)生了改變，呈不延續(xù)性。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)2016—2019 年華北部分地區(qū)流磁矢量數(shù)據(jù)的處理研究，分析了2018 年2 月12 日永清MW4.3 地震前后，研究區(qū)域巖石圈磁場(chǎng)的空間變化特征，可知震前地磁D、I、F、H、Z各要素呈現(xiàn)不同程度的局部異常現(xiàn)象，震后異常消失，且呈不同變化趨勢(shì)。

（1）永清地震前，區(qū)域巖石圈磁場(chǎng)變化具有同向性、增強(qiáng)性特征，磁偏角D、磁傾角I、總強(qiáng)度F的變化具有顯著震磁異?，F(xiàn)象，其中F值在震前不斷增大，且不同區(qū)域量值有所不同。在震前1.5 年期（201605—201709 模型），研究區(qū)巖石圈磁場(chǎng)變化異常顯著，震中靠近D值零值線，位于I值零值線上，位于F值由東南向西北不斷增大的中間區(qū)域。震前研究區(qū)巖石圈磁場(chǎng)較長(zhǎng)時(shí)間的相同、相似變化趨勢(shì)，對(duì)研究永清MW4.3 地震的孕震時(shí)空變化具有指示意義。震后研究區(qū)巖石圈磁場(chǎng)變化發(fā)生較大改變，與震前的延續(xù)性變化形成鮮明對(duì)比。

（2）巖石學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，磁場(chǎng)矢量方向與應(yīng)力有著一定關(guān)系（Jelenska，1975）。對(duì)于研究區(qū)各期巖石圈磁場(chǎng)變化的H矢量與Z矢量，震前H矢量的變化趨勢(shì)整體相似，Z矢量變化總體同向且量值累積增大，而震后上述2 個(gè)矢量的量值與方向均發(fā)生改變，尤其在201905—201909 模型中，變化較之前顯著。說(shuō)明震前區(qū)域受主應(yīng)力場(chǎng)的持續(xù)作用，而震后區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生了較大改變。

（3）華北地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造獨(dú)特，巖石圈磁場(chǎng)變化規(guī)律與之密切相關(guān)。永清MW4.3 地震是華北地區(qū)的孤立型震例，應(yīng)力降較?。◤堄碌龋?018），震前華北地區(qū)自身應(yīng)力場(chǎng)逐步起主導(dǎo)作用，且存在逐漸增強(qiáng)過(guò)程（王曉山等，2018），可能是導(dǎo)致時(shí)間間隔越長(zhǎng)的巖石圈磁場(chǎng)累積變化異常更加顯著的原因。不同時(shí)間跨度的巖石圈磁場(chǎng)時(shí)空變化的對(duì)比分析，對(duì)震情趨勢(shì)的分析研判具有積極的指示意義。