張 瑜 陳雙貴 馬輝源 閆萬生 楊 磊 雷 光 楊 龍 杜建清

1）中國蘭州 730000甘肅省地震局

2）中國甘肅 730046 蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站

0 引言

2021年5月22日青海果洛州瑪多縣發(fā)生了MS7.4地震，地震發(fā)生在瑪多—甘德斷裂帶上（詹艷等，2021），震中位于（34.59°N，98.34°E），震源深度17 km，這是自汶川MS8.0地震后中國大陸發(fā)生的震級最高的破壞性地震。震中以北為瑪多—甘德斷裂帶，以南為巴彥喀喇山主峰斷裂帶（鄧起東等，2003）。該地區(qū)近20年來發(fā)生了多次強震，是中國大陸地震活動最為強烈的區(qū)域之一（張培震等，2003）。

如何通過監(jiān)測地球物理場的異常信息來預測地震是眾多學者研究的課題，地磁學者一般通過監(jiān)測地磁場異常變化來研究震磁關(guān)系，其中就包括通過監(jiān)測地磁場要素的變化特征與地震的相關(guān)性來預測地震。近1個世紀的研究發(fā)現(xiàn)，地磁異?，F(xiàn)象與地震活動關(guān)系大體可分成2類：一類是基本磁場觀測數(shù)據(jù)中巖石在應力作用下產(chǎn)生的“壓磁效應”（祁貴仲，1978；郝錦綺等，1989），另一類是基于感應效應和地下電性變化出現(xiàn)的有關(guān)地磁異常的“感應磁效應”（祁貴仲等，1981），這些理論也被用于解釋孕震過程中各種磁異?，F(xiàn)象。一般認為發(fā)生在巖石圈的淺源地震造成的破壞往往比同級別深源地震大（許忠淮，2014），因此，研究巖石圈的動力學過程從而對地震活動進行監(jiān)測和預報有利于降低地震災害的風險。孕震區(qū)域地下巖石介質(zhì)的破裂、膨脹等變化會導致局部的地磁異常變化，特別是巖石圈磁場的異常變化，同時巖石圈磁場的變化又受地質(zhì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造環(huán)境、應力狀態(tài)等多種因素影響（丁鑒海等，2011）。中國地震局流動地磁技術(shù)團隊通過在監(jiān)測區(qū)布設高密度重復性測點，產(chǎn)出豐富的地磁場（尤其是巖石圈磁場）信息，期望通過分析巖石圈磁異常信息找出孕震的機理，探究孕震的動力學過程。

本文主要利用2018—2021年瑪多MS7.4地震震中周邊區(qū)域連續(xù)4年流動地磁場矢量數(shù)據(jù)，得出2018—2019年、2019—2020年、2020—2021年連續(xù)3期巖石圈磁場空間年變化結(jié)果，總結(jié)瑪多周邊區(qū)域巖石圈磁場各要素年變化特征，為研究震磁關(guān)系提供參考。為方便討論，依次將2018—2019年、2019—2020年、2020—2021年稱為震前2期、震前1期、震后1期。

1 資料選取與數(shù)據(jù)處理

研究區(qū)域（圖1）為瑪多MS7.4地震震中周邊地區(qū)（31°—38°N，95°—102°E），研究區(qū)域共有76個測點，各期測點數(shù)略有不同，測點均為重復性測點，受限于氣候環(huán)境等因素，大部分測點測量時間均為當年7—9月，重復測量周期為一年，2021年測點測量時間均在瑪多MS7.4地震發(fā)生后，因此，可認為2020—2021年的巖石圈磁場年度變化可以反映地震前后震磁異常變化。測點測量的物理量為地磁三要素的絕對值，包括總強度F、磁偏角D、磁傾角I。測量使用GMS-19T質(zhì)子旋進磁力儀、CTM-DI磁力儀、阿什泰克單頻差分儀。觀測精度要求：水平梯度≤3 nT/m，垂直梯度≤5 nT/m，2次方位角測量誤差小于6″，相鄰兩期主副點點位差的變化小于1.5 nT。

圖1 研究區(qū)域斷層與地磁測點分布Fig.1 Distribution of faults and geomagnetic stations in the study area

數(shù)據(jù)處理主要包括以下2個步驟：

（1）利用地磁臺網(wǎng)泰勒多項式擬合法(陳斌等，2017；蘇樹朋等，2019)對原始數(shù)據(jù)集進行日變通化，主要的目的是消除觀測數(shù)據(jù)中的規(guī)則日變場和其他外源場成分，得到地磁場數(shù)據(jù)中的內(nèi)源場部分。通化后要求均方差滿足：δF≤1.5 nT，δD≤0.5′，δI≤0.5′。

（2）利用自然正交模型（NOC）（顧左文等，2009；陳斌，2011）進行長期變化改正，長期變化結(jié)果均統(tǒng)一改正至2020.0地磁標準年代。以“中國地磁參考場模型（CGRF）”作為研究區(qū)域的主磁場，通過對其剝離獲得巖石圈磁場，再對巖石圈磁場做差分即可獲得相鄰測期巖石圈磁場的動態(tài)變化模型。

2 巖石圈磁場各要素特征分析

通過上述步驟及地磁要素的關(guān)系，即H=FcosI，Z=FsinI（丁鑒海等，2011），可以獲取研究區(qū)域2018—2019年、2019—2020年、2020—2021年瑪多MS7.4地震前后水平矢量H、垂直矢量Z的空間變化，以及磁偏角D、磁傾角I的等變線的空間變化和總強度F、垂直分量Z等變線的空間變化，見圖2、圖3。

圖2 研究區(qū)域各期水平矢量與垂直矢量的空間分布Fig.2 Spatial distribution of horizontal and vertical vectors in each period of the study area

圖3 研究區(qū)域各期磁偏角D、磁傾角I等變線的空間分布紅色代表正值，黑色代表零線，藍色代表負值，D、I等變線間隔為0.25′Fig.3 Spatial distribution of contour lines of magnetic declination D and magnetic inclination I in each period of the study area

2.1 水平矢量H的空間變化

圖2為地震前后水平矢量H、垂直矢量Z的空間變化分布圖。從圖2中可以看出，震前，2018—2019年水平矢量優(yōu)勢方向為自西向東，西部、南部幅值大于東部、北部，且東部、北部小范圍內(nèi)矢量方向表現(xiàn)雜亂，變化各異，震中位置水平矢量方向、幅值均變化平穩(wěn)。矢量在震中東南80 km處出現(xiàn)順時針旋轉(zhuǎn)且幅值變小的弱變化，弱變化在瑪沁周邊表現(xiàn)最為明顯，矢量方向與斷層走向在震中周圍200 km范圍內(nèi)有較高的契合度。2019—2020年水平矢量變化趨勢與上期有很大不同，幅值整體變小，整個研究區(qū)域具有自南向北的優(yōu)勢方向，巴顏喀拉地塊內(nèi)部呈散亂狀態(tài)，矢量方向無規(guī)律且量級小，震中周邊100 km范圍內(nèi)這種弱變化趨勢最為明顯。震后，2020—2021年水平矢量優(yōu)勢方向自北向南，幅值自北至南無較大變化，但較2019—2020期顯著變大，震中位置水平矢量變化平穩(wěn)。

2.2 垂直矢量Z的空間變化

從圖2可以看出，震前，2018—2019年垂直矢量變化較為復雜，優(yōu)勢方向大致以巴彥喀喇山主峰斷裂為界，西南側(cè)主體向上，西北側(cè)主體向下，東昆侖斷裂帶以北至研究區(qū)域的東北角主體向上，甘孜—玉樹—風火山斷裂中部量值較大，震中西側(cè)20 km處矢量有對沖現(xiàn)象。2019—2020年垂直矢量大致以瑪多—甘德斷裂為界，東南側(cè)主體向上，西北側(cè)主體向下，研究區(qū)域矢量的方向大致與上一期相反，幅值并無較大變化，震中位置矢量既有對沖又有發(fā)散。震后，2020—2021年垂直矢量方向在研究區(qū)域內(nèi)整體上由南向北，幅值在震中西側(cè)100 km處變大。

2.3 磁偏角 D、磁傾角I等變線的空間變化

圖3為地震前后磁偏角D、磁傾角I等變線的空間分布圖。從圖3可以看出，震前，2018—2019年磁偏角D正負值有明顯的界限，磁偏角I的變化范圍在-1′—2′之間，研究區(qū)域以正值為主，負值區(qū)域成帶狀分布于東昆侖斷裂帶、瑪多—甘德斷裂帶東北、瑪沁—西寧—門源一帶，最大值為1′，震中位于正值區(qū)，幅值為1.5′，距離“0”變線130 km。2019—2020年磁偏角D正值區(qū)大面積分布于研究區(qū)域，負值區(qū)以帶狀分布于少量區(qū)域，較上一期，負值主要區(qū)域的位置偏移至震中附近，磁偏角的變化范圍在-0.5′—1′之間，震中位于正負值交界地區(qū)，距離“0”變線僅10 km。震后，2020—2021年磁偏角D的變化范圍在-1.25′—0.75′之間，負值區(qū)以帶狀形式分布于玉樹—共和—德令哈以東，瑪沁—西寧以西區(qū)域。震中位于正值區(qū)，距離“0”變線30 km，3期“0”變線與震中的距離見表1。

表1 瑪多震中周邊巖石圈磁場各要素變化特征統(tǒng)計Table 1 Statistics of variation characteristics of various elements of the lithospheric magnetic field around the epicenter of Maduo earthquake

從圖3可以看出，震前，2018—2019年磁傾角I正負值大致以東昆侖斷裂帶為界，以北為負值區(qū)，以南為正值區(qū)。柴達木地塊及祁連地塊大部分區(qū)域為負值，磁傾角的變化范圍在-0.5′—0.75′之間，震中位于正負值的交界區(qū)域，距離“0”變線10 km。2019—2020年磁傾角I負值區(qū)占據(jù)大部分研究區(qū)域，正值區(qū)以點狀零星分布于震中及德令哈以北區(qū)域，磁傾角的變化范圍為-0.75′—0.25′。震中正西30 km處有小范圍正值區(qū)，震中位于正負交界地區(qū)，距離“0”變線不足10 km。震后，2020—2021年磁傾角I正負值的分布與上一期完全相反，正值區(qū)占據(jù)研究區(qū)域的大部分區(qū)域，負值區(qū)以點狀形式分布于震中東南200 km處，震中位于正值區(qū)，遠離“0”變線，磁傾角的變化范圍在-0.25′—0.1′之間。3期“0”變線與震中的距離見表1。

2.4 總強度F、垂直分量Z等變線的空間變化

圖4為地震前后總強度F、垂直分量Z等變線的空間分布圖。從圖4可以看出，震前，2018—2019年總強度F的變化范圍在-12—6 nT之間，正值分布于柴達木地塊及巴顏喀拉地塊的西部，震中位于正值區(qū)域的高梯度帶，距離“0”變線50 km。2019—2020年總強度F的變化范圍在-6—8 nT之間，正值區(qū)域分布較廣，負值區(qū)以點狀或帶狀分布于研究區(qū)域，震中位于正負值交界地帶，震中距離“0”變線20 km。震后，2020—2021年總強度F的變化范圍在-8—4 nT之間，正值區(qū)大面積分布，形成較多高梯度帶，負值區(qū)僅以點狀形式零星分布，震中西北100 km處有小范圍負值分布，震中位于負值區(qū)，距離“0”變線60 km。3期“0”變線與震中的距離見表1。

圖4 研究區(qū)域各期總強度F、垂直分量Z等變線的空間分布紅色代表正值，黑色代表零線，藍色代表負值，F(xiàn)、Z等變線間隔為2 nTFig.4 Spatial distribution of contour lines of total intensity F and vertical intensity component Z in each period of the study area

從圖4可以看出，震前，2018—2019年垂直分量Z的變化范圍在-10—8 nT之間，負值區(qū)主要位于研究區(qū)域的北部及中南部，分布相對較廣，正值區(qū)域主要分布于研究區(qū)域的中西部及東部，主要集中于巴顏喀喇主峰斷裂與甘孜—玉樹—風火山斷裂之間。震中位于正負交界地區(qū)，距離“0”變線20 km。2019—2020年垂直分量Z的變化范圍在-10—8 nT之間，負值區(qū)域向南部擴展，震中位于正負交界地帶，距離“0”變線僅5 km。震后，2020—2021年垂直分量Z的變化范圍在-4—10 nT之間，正負值分布區(qū)域與震前一期相比出現(xiàn)了置換的現(xiàn)象，研究區(qū)域有高梯度帶出現(xiàn)，震中位于負值區(qū)，距離“0”變線40 km。3期“0”變線與震中的距離見表1。

3 討論

由圖2—圖4可以看出，在瑪多MS7.4地震發(fā)生之前，巖石圈磁場各要素均發(fā)生了不同程度的變化。

從場值分布來看：震前2期（2018—2019年）巖石圈磁場水平矢量的方向與斷層的走向在瑪多震中200 km范圍內(nèi)大體一致，震中東南80 km處出現(xiàn)順時針旋轉(zhuǎn)且幅值變小的弱變化，磁偏角等變線也在震中東南80 km及以東地區(qū)出現(xiàn)集中的負值區(qū)域，垂直矢量變化較為復雜，研究區(qū)域存在多個不同的優(yōu)勢方向以及幅值減小的弱變化區(qū)域。震中位于磁傾角、總強度、垂直分量等變線的正負交界地帶，而且震中位于總強度、垂直分量等變線的高梯度帶，震中位于磁傾角等變線的負值區(qū)，位于磁偏角、總強度、垂直分量等變線的正值區(qū)；震前1期（2019—2020年）巖石圈磁場水平矢量的場值明顯的小于震前2期的結(jié)果，研究區(qū)域矢量的優(yōu)勢方向明顯，但在震中周邊100 km范圍內(nèi)呈現(xiàn)散亂狀態(tài)，主要表現(xiàn)為矢量方向無規(guī)律且量級減小的弱變化，磁偏角在該區(qū)域也出現(xiàn)了集中分布的負值，垂直矢量場值并無較大變化，震中周邊矢量既有對沖又有發(fā)散現(xiàn)象，震中位于磁傾角、總強度、垂直分量等變線的正負交界地帶，其中震中位于磁偏角等變線的負值區(qū)，位于總強度、垂直分量等變線的正值區(qū)；震后1期（2020—2021）巖石圈磁場水平矢量的場值變大，優(yōu)勢方向明顯，研究區(qū)域內(nèi)無明顯的轉(zhuǎn)向和幅值減小的弱變化區(qū)域，磁偏角、磁傾角、垂直分量均以正值為主，總強度以負值為主。

從震中位置響應來看：2018—2020年震前連續(xù)2期水平矢量在震中80—100 km范圍內(nèi)出現(xiàn)了弱變化現(xiàn)象，震后1期弱變化現(xiàn)象消失。震中位于磁傾角、總強度、垂直分量等變線的“0”變線附近，2019—2020年尤為明顯，磁偏角、磁傾角、總強度、垂直分量等變線的“0”變線距離震中5—20 km，這與部分學者研究成果（楊福喜等，2010；陳斌等，2011；顧春雷等，2012；倪喆等，2014；宋成科等，2017；董超等，2021）較為一致。

4 結(jié)論

對瑪多MS7.4地震前后巖石圈磁場部分要素的變化特征進行分析，并對巖石圈磁場部分要素累計年變化特征進行總結(jié)，得到以下結(jié)論：

（1）在震前2—3年巖石圈磁場水平矢量弱變化主要位于距離震中100 km的范圍內(nèi)，磁偏角在100 km范圍內(nèi)集中出現(xiàn)了負值分布，震中位于磁傾角、總強度、垂直分量等變線的梯度帶。

（2）在震前1—2年震中位置距離巖石圈磁場磁偏角、磁傾角、總強度、垂直分量等變線的“0”變線不到20 km，盡管并不完全確定產(chǎn)生這種變化的原因，但瑪多地震可能是一種解釋，地震同震和震后形變釋放了該區(qū)域積累的應力和能量，造成區(qū)域應力調(diào)整，從而導致磁場的異常變化。

（3）瑪多MS7.4地震前1—2年震中附近巖石圈磁場各要素的強變化，可以為短臨預測提供異常背景。如能在監(jiān)測區(qū)加密觀測或復測，或許能捕捉到更明顯的震磁信息。

（4）根據(jù)亞失穩(wěn)理論，在地震發(fā)震之前的亞失穩(wěn)階段，震中應力表現(xiàn)為平穩(wěn)弱變化趨勢。反映為巖石圈磁場年度變化由強至弱再至強的演化過程，所以監(jiān)測地表的巖石圈磁場變化過程及“0”變線的演化形態(tài)，可幫助探查地下是否進入震前的亞失穩(wěn)階段。

（5）震前震后巖石圈磁場磁偏角、磁傾角、總強度、垂直分量等變線的“0”變線與震中的距離經(jīng)歷了“遠—近—遠”的過程，巖石磁學實驗表明，巖石的磁化率會隨應力變化而變化，相當多的巖石在應力增加時磁化率降低，應力降低時磁化率升高，應力與磁場大小存在著近似反向的關(guān)系（高龍生等，1985），這也說明瑪多地震震源區(qū)地下應力與上述要素“0”變線的分布關(guān)系密切，上述磁要素異常變化特征可以作為震磁異常的佐證并為地震預測、預報服務。

本文使用的流動地磁數(shù)據(jù)由13家省級地震局共同處理完成，作者在此表示感謝。