張 瑜 陳雙貴 閆萬(wàn)生 雷 光 楊 磊 楊 龍 馬輝源 肖世堂 董興洲 岳 敏

1 甘肅省地震局，蘭州市東崗西路450號(hào)，730000

流動(dòng)地磁觀測(cè)主要指應(yīng)用磁力儀在監(jiān)測(cè)區(qū)部署高密度重復(fù)性測(cè)點(diǎn)，定期獲取年度監(jiān)測(cè)資料，分析監(jiān)測(cè)區(qū)域的地磁各要素異常信息，進(jìn)而探討流動(dòng)地磁場(chǎng)要素異常變化與地震的關(guān)系，給出監(jiān)測(cè)區(qū)域的地震預(yù)測(cè)意見(jiàn)。近年來(lái)，流動(dòng)地磁觀測(cè)取得了一定的研究成果[1-4]，但部分強(qiáng)震預(yù)測(cè)效果仍不理想。例如瑪多MS7.4強(qiáng)震，該區(qū)域地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜、震中周邊地區(qū)測(cè)點(diǎn)分布密度較小、測(cè)量周期較長(zhǎng)，導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果不理想。因此有必要在小范圍內(nèi)對(duì)震中周邊連續(xù)數(shù)年的流動(dòng)地磁數(shù)據(jù)資料進(jìn)行精細(xì)化分析，深入探討地磁場(chǎng)(主要是巖石圈磁場(chǎng))分量與地震的相關(guān)性，為地區(qū)未來(lái)地震預(yù)測(cè)提供震例分析。

本文主要利用甘肅青海部分地區(qū)2019～2021年流動(dòng)地磁三分量數(shù)據(jù)，分析該區(qū)域基本磁場(chǎng)和巖石圈磁場(chǎng)的時(shí)空分布特征，并探討磁場(chǎng)與中強(qiáng)震的關(guān)系。

1 測(cè)點(diǎn)介紹

本文流動(dòng)地磁場(chǎng)矢量測(cè)點(diǎn)范圍為33°～39°N、96°～104°E，2019年和2020年有85個(gè)測(cè)點(diǎn)，2021年有90個(gè)測(cè)點(diǎn)(圖1)。研究區(qū)西部環(huán)境惡劣，測(cè)點(diǎn)較為稀疏，部分測(cè)點(diǎn)于2021-05-22瑪多MS7.4地震后布設(shè)；研究區(qū)東部測(cè)點(diǎn)較為密集，平均間距約為70 km，重復(fù)測(cè)量時(shí)間為1 a。由于受到環(huán)境、氣候等因素影響，甘肅南部、四川北部等少數(shù)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量工作在上半年完成，其余大部分測(cè)點(diǎn)的測(cè)量工作均在下半年完成，即研究區(qū)域大部分測(cè)點(diǎn)的測(cè)量工作均在2021-05-22瑪多MS7.4地震后、2022-01-09門源MS6.9地震前完成。

圖1 測(cè)點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of measuring points

2 野外地磁三分量測(cè)量及數(shù)據(jù)處理

目前流動(dòng)地磁野外測(cè)量主要針對(duì)的是測(cè)點(diǎn)地磁矢量的絕對(duì)值，包括測(cè)點(diǎn)總強(qiáng)度F、磁偏角D和磁傾角I。首先測(cè)量測(cè)點(diǎn)總強(qiáng)度梯度值；然后測(cè)量主副點(diǎn)點(diǎn)位差及儀器差；接著測(cè)量第一次GPS方位角，架設(shè)CTM-DI磁力儀及G-856質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀，人工讀取6組F、D、I測(cè)量值；最后測(cè)量第二次GPS方位角。觀測(cè)精度要求為：測(cè)點(diǎn)水平梯度值不超過(guò)3 nT/m，垂直梯度值不超過(guò)5 nT/m，相鄰2期測(cè)量的主副點(diǎn)點(diǎn)位差不超過(guò)1.5 nT，2次GPS方位角誤差小于6"，每組測(cè)量時(shí)間為4～9 min，F(xiàn)、D、I日變通化后均方差δF≤1.5 nT、δD≤0.5′、δI≤0.5′。

按照上述步驟可以得到各測(cè)點(diǎn)地磁場(chǎng)矢量F、D、I的絕對(duì)值，包括外源場(chǎng)及內(nèi)源場(chǎng)。為消除外源場(chǎng)及規(guī)則的日變化對(duì)地磁場(chǎng)的影響，將不同時(shí)間的測(cè)量結(jié)果統(tǒng)一到同一時(shí)間域上。本文采用“臺(tái)網(wǎng)參照法”對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行日變通化，該方法避免了“單臺(tái)參照法”中因通化參考臺(tái)的局部干擾以及通化參考臺(tái)周邊區(qū)域地磁場(chǎng)空間不完全連續(xù)而引起的誤差?；舅悸窞椋簻y(cè)點(diǎn)地磁要素t時(shí)刻的測(cè)量值F(t)與其通化值F之差應(yīng)該與參考臺(tái)網(wǎng)t時(shí)刻對(duì)應(yīng)的擬合值F0(t)與F0之差相等[5]，即

F(t)-F=F0(t)-F0

(1)

對(duì)日變通化改正后的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期變化改正。利用曲面樣條計(jì)算方法建立“地磁基本場(chǎng)曲面樣條模型”,用曲面樣條方法表示區(qū)域地磁基本場(chǎng)的分布函數(shù)[6-8]為：

(2)

式中，W(x,y)為(x,y)測(cè)點(diǎn)的地磁場(chǎng)要素，ε為控制曲面曲率變化的因子，r2=(xi-x)2+(yi-y)2，a0、a1、a2、Fi均為待定系數(shù)，N為地磁測(cè)點(diǎn)總數(shù)。根據(jù)磁場(chǎng)各要素之間的關(guān)系可解算出測(cè)點(diǎn)磁場(chǎng)各分量值，分量關(guān)系方程[9]為：

(3)

式中，X為北向分量，Y為東向分量，Z為垂直分量，H為水平分量，F(xiàn)為總強(qiáng)度，D為磁偏角，I為磁傾角。

圖2為使用曲面樣條函數(shù)模型計(jì)算得到的研究區(qū)地磁基本場(chǎng)部分分量連續(xù)3 a的時(shí)空分布圖(地磁圖)。由圖可見(jiàn)，整體上看，3期區(qū)域地磁圖各要素分布相似，2020年與2021年的幅值無(wú)太大差異，但2019年與2020年、2021年的幅值明顯不同，D相差0.5′、I相差0.25′、F相差200 nT。造成上述差異的原因主要是長(zhǎng)期變改正的地磁年代不同，2019年資料長(zhǎng)期變改正至2016.0年代，2020年、2021年資料長(zhǎng)期變改正至2020.0年代。研究區(qū)域的區(qū)域地磁基本場(chǎng)各分量幅值范圍統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

圖2 研究區(qū)地磁基本場(chǎng)部分分量分布Fig.2 Distribution of partial geomagnetic basic field components in research area

表1 地磁基本場(chǎng)各分量幅值范圍統(tǒng)計(jì)

3 巖石圈磁場(chǎng)年變分析

地球基本磁場(chǎng)主要包括地球外核磁流體動(dòng)力過(guò)程引起的地球主磁場(chǎng)和由地殼、上地幔等磁性物質(zhì)引起的巖石圈磁場(chǎng)。由于地球主磁場(chǎng)的變化較為平穩(wěn)，因此巖石圈磁場(chǎng)異常研究是提取震磁信息的關(guān)鍵。本文將“2020.0中國(guó)地區(qū)地磁基本場(chǎng)球冠模型”作為區(qū)域地磁正常場(chǎng)的參考模型，剝離巖石圈磁場(chǎng)后對(duì)相鄰2期巖石圈磁場(chǎng)作差，得到巖石圈磁場(chǎng)的年尺度時(shí)空分布：

(4)

3.1 2019～2020年巖石圈磁場(chǎng)差值分析

圖3、4分別為2019～2021年巖石圈磁場(chǎng)部分分量年變時(shí)空分布圖。

由圖3(a)可見(jiàn)，D分量正值變化量大面積分布，最大值為0.9′，位于天峻縣附近；負(fù)值呈點(diǎn)狀零星分布，位于肅南、蘭州、臨夏、瑪曲，量值最大為1.2′。

由圖3(c)可見(jiàn)，I分量負(fù)值變化量大面積分布，量值最大為0.5′，位于臨夏附近；正值分布在肅南、德令哈以西等少數(shù)地區(qū)，分布區(qū)域相對(duì)集中。

由圖3(e)可見(jiàn)，F(xiàn)分量負(fù)值變化量主要位于西寧-共和-平安-同仁、瑪多、金昌等地，呈點(diǎn)狀或帶狀分布，量值最大為10 nT；正值大面積分布于研究區(qū)域，最大值為6 nT。

由圖3(g)可見(jiàn)，Z分量負(fù)值變化量大面積分布，量值最大為12 nT，出現(xiàn)在門源-武威附近；正值呈點(diǎn)狀或帶狀分布，主要集中在甘南卓尼、瑪多地區(qū)，最大值為4 nT。

由圖4(a)可見(jiàn)，H矢量的幅值和方向變化集中在2個(gè)區(qū)域：1)在德令哈-肅南附近方向偏轉(zhuǎn)，部分地區(qū)發(fā)生對(duì)沖現(xiàn)象；2)瑪多MS7.4地震震中東部地區(qū)幅值弱變，方向偏轉(zhuǎn)。

3.2 2020～2021年巖石圈磁場(chǎng)差值分析

由圖3(b)可見(jiàn)，D分量正值變化量大面積分布，最大值為1.7′，位于瑪多縣附近；負(fù)值呈點(diǎn)狀或帶狀零星分布，位于德令哈-天峻、瑪沁-澤庫(kù)、都蘭及古浪等地，量值最大為0.6′。

由圖3(d)可見(jiàn)，I分量正值變化量大面積分布，最大值為1.1′，位于武威-金昌地區(qū)；負(fù)值呈片狀分布于東南地區(qū)，主要集中在武威、蘭州、臨夏、甘德、瑪曲以東地區(qū)，量值最大為0.4′。

由圖3(f)可見(jiàn)，F(xiàn)分量正值變化量主要位于武威、臨夏、瑪曲、久治以東(101°E以東)及都蘭等地，最大值為10 nT；負(fù)值主要位于101°E以西地區(qū)，量值最大為9 nT，正負(fù)值的最大值較為集中。

由圖3(h)可見(jiàn)，Z分量正值變化量大面積分布，最大值為16 nT，出現(xiàn)在門源-武威附近；負(fù)值呈點(diǎn)狀或帶狀分布，主要出現(xiàn)在瑪沁、達(dá)日、門源、德令哈等地，量值最大為7 nT。

由圖4(b)可見(jiàn)，H矢量的幅值和方向變化集中在4個(gè)區(qū)域：1)在德令哈-肅南附近方向偏轉(zhuǎn)；2)祁連-門源附近幅值弱化，方向偏轉(zhuǎn)；3)瑪多地區(qū)方向偏轉(zhuǎn)；4)甘德-瑪曲附近幅值弱化，方向偏轉(zhuǎn)，出現(xiàn)類似叢集現(xiàn)象。

4 討 論

1)由圖3可知，瑪多MS7.4、門源MS6.9、德令哈MS5.8地震震中附近巖石圈磁場(chǎng)分量年變各不相同。2期巖石圈差值結(jié)果顯示，震中位置均位于磁偏角D的正值區(qū)和高梯度帶或其邊緣地區(qū)，磁傾角I由負(fù)值區(qū)轉(zhuǎn)為正值區(qū)，總強(qiáng)度F處于正負(fù)值交界區(qū)域，垂直分量Z的負(fù)值區(qū)靠近零值線。

2)2020～2021年巖石圈磁場(chǎng)差值顯示，震中與磁偏角D的零值線距離為40～70 km，與磁傾角I和總強(qiáng)度F的零值線距離為40～170 km，與垂直分量Z的零值線距離為5～60 km。其中，瑪多地震震中距零值線5 km，門源地震震中與Z分量零值線相距僅20 km，震磁異常較2019～2020年更加明顯。上述結(jié)果與2013年蘆山MS7.0地震研究結(jié)果類似，在蘆山地震發(fā)震前1 a左右，以震中為中心的125 km范圍內(nèi)出現(xiàn)地磁異常[10]。

3)由圖4可知，瑪多MS7.4、門源MS6.9、德令哈MS5.8地震震中周邊H矢量在震前發(fā)生不同程度的方向偏轉(zhuǎn)、幅值弱變或叢集現(xiàn)象。流動(dòng)地磁團(tuán)隊(duì)在2021年年終異常分析時(shí)發(fā)現(xiàn)門源地區(qū)巖石圈磁場(chǎng)H矢量、D、I、F、Z等要素的年變異常后，將2022年強(qiáng)震危險(xiǎn)異常區(qū)劃定在青海門源東部。門源地震震后發(fā)現(xiàn)，劃定的異常區(qū)距震中僅60 km，映震效果良好。

紅色代表正值，黑色代表零值線，藍(lán)色代表負(fù)值，D、I等變線間隔為0.1′，F(xiàn)、Z等變線間隔為1 nT圖3 研究區(qū)2019～2021年巖石圈磁場(chǎng)D、I、F、Z等分量年變分布Fig.3 Annual variation distribution of D、I、F、Z components of lithospheric magnetic field in research area from 2019 to 2021

4)目前流動(dòng)地磁團(tuán)隊(duì)重復(fù)測(cè)量時(shí)間為1 a，本文研究的2次強(qiáng)震均顯示，震前一期巖石圈磁場(chǎng)各分量異常較為明顯，若能在重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)進(jìn)行加密觀測(cè)或復(fù)測(cè)，或許能捕捉到更多的短臨震磁異常信息。

5 結(jié) 語(yǔ)

1)瑪多MS7.4、門源MS6.9、德令哈MS5.8地震震中位置H矢量在幅值和方向上均有明顯變化，但變化方式不同，這可能與不同區(qū)域復(fù)雜的巖石圈結(jié)構(gòu)和地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)[11]，后續(xù)將進(jìn)一步結(jié)合當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)構(gòu)造情況有效識(shí)別弱變區(qū)域，提取震磁信息，更準(zhǔn)確地劃定異常區(qū)域。

2)瑪多MS7.4、門源MS6.9、德令哈MS5.8地震震中位置與D、I、F、Z分量零值線的距離在200 km以內(nèi)。其中，瑪多MS7.4地震震中在震前最近一期巖石圈磁場(chǎng)差值中與Z分量零值線的距離僅為30 km，在震后一期巖石圈磁場(chǎng)差值中與Z分量零值線的距離僅為5 km；門源MS6.9地震震中在震前最近一期巖石圈磁場(chǎng)差值中與Z分量零值線的距離僅為20 km。由此說(shuō)明，瑪多MS7.4、門源MS6.9地震震前一期巖石圈磁場(chǎng)Z分量均緊靠零值線，瑪多MS7.4地震震后巖石圈磁場(chǎng)Z分量也靠近零值線，震磁異常現(xiàn)象并未消失。這可能是因?yàn)?021年瑪多周邊測(cè)點(diǎn)的測(cè)量時(shí)間與地震發(fā)生時(shí)間相近，也說(shuō)明強(qiáng)震可能會(huì)引起巖石圈磁場(chǎng)Z分量的變化。

3)根據(jù)連續(xù)2期巖石圈磁場(chǎng)分量差值的分布情況可知，除磁傾角I外，總強(qiáng)度F、磁偏角D、垂直分量Z均呈現(xiàn)異常(異常特指震中與分量零值線的位置)，且上述異常在震前最近一期的結(jié)果中尤為明顯。

4)依據(jù)亞失穩(wěn)理論可知，震中應(yīng)力表現(xiàn)出的平穩(wěn)弱變趨勢(shì)，反映在巖石圈磁場(chǎng)年變中為強(qiáng)-弱-強(qiáng)的時(shí)間演化過(guò)程，因此通過(guò)監(jiān)測(cè)地表的巖石圈磁場(chǎng)變化過(guò)程及零值線的演化形態(tài)，即可輔助判斷地下是否進(jìn)入地震震前的“亞失穩(wěn)”階段[12-13]。

5)區(qū)域巖石圈磁異常場(chǎng)與巖石圈構(gòu)造、巖性和居里面埋深等因素密切相關(guān)，后續(xù)可進(jìn)一步研究震中所處區(qū)域的巖石圈磁異常場(chǎng)各分量零值線分布位置所對(duì)應(yīng)的物理意義。

致謝：本文使用的流動(dòng)地磁數(shù)據(jù)由中國(guó)地震局地球物理研究所、河北省地震局、云南省地震局、甘肅省地震局、中國(guó)地震局一測(cè)中心、安徽省地震局、內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局、青海省地震局、四川省地震局、福建省地震局、新疆維吾爾自治區(qū)地震局、吉林省地震局和黑龍江省地震局等單位共同處理完成，在此一并表示感謝。