張海洋, 李 博, 劉德強, 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,自中生代開始,東部和北部地區(qū)發(fā)生強烈變形。到新生代時期,構造格局發(fā)生逆轉,應力狀態(tài)由擠壓變成拉張,從而產生大規(guī)模的斷陷活動[1-3]。第四紀以來,河北及鄰區(qū)新構造活動頻繁,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造活動可能又趨于活躍。從20世紀90年代至今,國內外學者圍繞華北地區(qū)應力場、地殼和上地幔速度結構、電性結構和孕震環(huán)境等學術領域開展了大量的研究工作[4-7],在華北地區(qū)的巖石圈深部結構、地球動力學和物質組成的認識等研究方向,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,其異常變化與地質結構、構造活動、溫度與應力狀態(tài)等因素密切相關[8]。構造磁學表明,地震活動、火山噴發(fā)等構造運動,會引起局部巖石圈磁場變化。早期學者根據震源物理過程和地球內部的物理性質,相繼提出壓磁效應、膨脹磁效應和感應磁效應等震磁關系理論,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,數據資源日漸豐富,圍繞巖石圈磁場變化與地質構造、地震活動之間關系進行的研究活動也逐漸增多[13-14]。近年來,學者對川滇、南北天山地區(qū)的典型震例進行研究后發(fā)現,地震前一年左右,震中附近的巖石圈磁場出現明顯的異常變化,異常的產生與地質構造、巖石圈結構、應力狀態(tài)有關,異常的持續(xù)時間和空間范圍應與震級相關[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團隊在華北地區(qū)連續(xù)開展大規(guī)模的流動地磁矢量觀測,為相關研究工作提供了豐富的數據資源。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,通過數據處理,得到“2018—2019”和“2019—2020”2期巖石圈磁場年變化結果,進而以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 數據來源及處理方法

1.1 數據來源

流動地磁矢量觀測以F、D、I(地磁總強度、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關系,可獲得其他四個要素的數值。河北及鄰區(qū)測點共有84個,平均點間距約70 km,呈網格狀均勻分布(圖1)。測點觀測環(huán)境良好,無電磁干擾,觀測數據能夠準確反映該地區(qū)的磁場特征。測量位置處設有固定測樁,每期進行6組重復測量,取其平均值作為該測點的測值。

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

地磁場總強度觀測使用儀器為GSM-19T質子旋進磁力儀,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緯儀,精度分別優(yōu)于0.2′。測點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,儀器位置變化產生的誤差可忽略。

1.2 數據處理方法

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]。在流動地磁數據處理過程中,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據進行差分計算,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。本文采用臺網通化法進行日變通化,利用觀測區(qū)周邊多個地磁臺站連續(xù)觀測分鐘值的數據,進行函數擬合,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據包含的地磁場日變化等外源場成分。相比于傳統的單臺通化方法,該方法可大大降低個別臺站數據異常所帶來的誤差。

(2) 長期變化改正。為消除觀測數據中的地球主磁場長期變化成分,采用IGRF13_SV模型方法,對兩期日變通化數據集進行長期變化改正,改正日期為上一期的日變通化日。如2018年觀測數據的日變通化日為2018年4月16日,就將2019年數據長期變化改正至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。對長期變改正數據進行曲面樣條計算,獲取空間分布均勻的點陣數據,減去IGRF-13模型數據后,即獲得當期巖石圈磁場空間分布數據模型。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,進而可依據該模型分析研究區(qū)磁異常空間變化分布特征。

數據處理過程中,為獲得合理可信的計算結果,對相鄰2期發(fā)生遷移和單要素異常的測點予以剔除。

2 區(qū)域巖石圈磁場年變化

本節(jié)將以總強度、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向為主,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)東側邊緣,震中區(qū)域的水平矢量同時具有幅值弱化和方向轉向的特征。(2)巖石圈磁場磁偏角變化范圍在-0.8′至+1.0′之間,負異常區(qū)主要位于研究區(qū)西北一側,正異常區(qū)主要位于研究區(qū)東南一側。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異常區(qū)域,其北側出現局部極值區(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)巖石圈磁場總強度變化范圍在-6 nT至+6 nT之間,主要的正、負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度變化的負異常區(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、西兩側的水平矢量幅值較大,方向相背,震中處水平矢量同樣表現出局部弱化和方向轉向的特征。(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、負異常區(qū)呈相間分布,在研究區(qū)的西北部存在正、負異常的極大值。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)巖石圈磁場總強度變化范圍在-4 nT至+3 nT之間,負異常區(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度年變化的正異常區(qū),震中處年變化量為+0.9 nT,距總強度變化“0”值線約23 km。

圖2 2018—2019年河北及鄰區(qū)巖石圈磁場變化 [黑色實心圓點表示地震;等值線中紅色線表示正值,藍色線表示負值,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減小的趨勢。2期巖石圈磁場年變化與研究區(qū)內主要構造帶無明顯對應關系。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,主要表現在:1、巖石圈磁場水平矢量均具有局部弱化和方向轉向的特征;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、總強度2要素的異常特征不顯著,且在2次地震中的表現不一致。

3 討論

巖石圈磁場異常變化與構造活動密切相關。我國地震地磁學者在震磁關系研究過程中發(fā)現,很多震例發(fā)生前,震中區(qū)巖石圈磁場均出現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行總結(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用價值。

圖3 2019—2020年河北及鄰區(qū)巖石圈磁場變化 [黑色實心圓點表示地震;等值線中紅色線表示正值,藍色線表示負值,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、轉向現象,可能與發(fā)震斷裂的閉鎖程度增高有關。相關研究指出[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,如蘆山7.0級地震前,震源區(qū)龍門山斷裂南段應變積累速度明顯增大,應變率較小,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)一直處于應力積累狀態(tài),中間經過“3.11”日本地震短暫釋放后又恢復持續(xù)積累狀態(tài),同時也加大了斷層的閉鎖程度[31]。巖石磁學實驗表明[32],巖石的磁化率會隨應力變化而變化,應力積累使得巖石磁化強度在應力方向上減小,應力釋放使得巖石磁化強度在應力方向上增大。震前巖石圈應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)域的水平矢量出現弱化、轉向現象。

表1 巖石圈磁場異常變化與地震對應關系

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象,目前的研究成果尚未有合理的解釋,有待于進行深入的研究。

4 結論

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行對應分析,得出以下結論:

(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)內主要構造帶無明顯對應關系。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、方向轉向及磁偏角年變化“0”值線、高梯級帶分布的特征。

(2) 結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,應為重點關注區(qū)。

致謝:感謝中國地震局流動地磁團隊在數據采集,處理方法和模型計算等方面做出的努力。