劉德強(qiáng)，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(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站, 河北 邢臺(tái) 054000；2.河北省地震局流動(dòng)測(cè)量隊(duì), 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(chǎng)范圍會(huì)出現(xiàn)巖石圈磁異?，F(xiàn)象，有別于遠(yuǎn)場(chǎng)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(cè)到了震磁異?，F(xiàn)象并進(jìn)行了研究，近年來(lái)流動(dòng)地磁監(jiān)測(cè)工作為研究巖石圈磁場(chǎng)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(shí)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(chǎng)變化與巖石圈結(jié)構(gòu)具有相關(guān)性[8]，同時(shí)孕震作用會(huì)對(duì)沿發(fā)震斷層走向分布的巖石圈磁場(chǎng)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(qiáng)對(duì)巖石圈磁異常影響因素的認(rèn)識(shí)，有助于更好地進(jìn)行地磁異常判定工作。

晉北地區(qū)活動(dòng)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(chǎng)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(dòng)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(qiáng)震的可能[12]。雖然巖石介質(zhì)剩余磁化強(qiáng)度受應(yīng)力的變化過(guò)程復(fù)雜，但壓磁效應(yīng)都會(huì)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(qiáng)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(tái)山北麓斷裂等具有較強(qiáng)的活動(dòng)水平[16]，說(shuō)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(cè)數(shù)據(jù)分析其伴隨的震磁異?，F(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(qiáng)對(duì)地震地磁關(guān)系的認(rèn)識(shí)。

1 觀測(cè)數(shù)據(jù)及計(jì)算方法

近年來(lái)，中國(guó)地震局第一監(jiān)測(cè)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(kāi)展著每年2 期的總強(qiáng)度加密監(jiān)測(cè)，本文主要利用山西東北部26 個(gè)總強(qiáng)度測(cè)點(diǎn)（圖1）2019 年2 期數(shù)據(jù)進(jìn)行巖石圈磁場(chǎng)變化模型計(jì)算。這些測(cè)點(diǎn)第1 期觀測(cè)時(shí)段集中于4 月3—11 日，第2 期集中于8 月10—16 日?？倧?qiáng)度野外觀測(cè)使用2 臺(tái)GSM-19T 質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀分別在主副樁上取得3 組數(shù)據(jù)，每組10 個(gè)連續(xù)讀數(shù)，取算術(shù)平均值，并進(jìn)行儀器差改正得到主樁觀測(cè)時(shí)刻總強(qiáng)度F 絕對(duì)數(shù)值。儀器分辨率為0.01 nT，每期出測(cè)前均進(jìn)行儀器比測(cè)，保證測(cè)點(diǎn)觀測(cè)環(huán)境良好，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。

圖1 研究區(qū)流動(dòng)地磁總強(qiáng)度測(cè)點(diǎn)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(cè)質(zhì)量較好的地磁臺(tái)站預(yù)處理分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)野外觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)時(shí)段鄰近的某磁靜日0—3 時(shí)，2 期日變通化日分別為4 月15 日和8 月3 日，通化臺(tái)站包括呼和浩特臺(tái)、靜海臺(tái)和隆堯臺(tái)，主要依據(jù)距離鄰近原則分配，儀器型號(hào)分別為GM-4[2]、FHDZ-M15[1]和GM-4[1]，臺(tái)站原始數(shù)據(jù)均進(jìn)行了無(wú)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(zhǎng)期變模型進(jìn)行長(zhǎng)期變改正，消除地球主磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化成分，獲得長(zhǎng)期變改正數(shù)據(jù)集；③將相鄰兩期長(zhǎng)期變改正數(shù)據(jù)集做差得到2019 年4—8 月巖石圈磁場(chǎng)總強(qiáng)度變化數(shù)據(jù)。震中靠近加密區(qū)西側(cè)，處理過(guò)程中借助震中西側(cè)鄰近的3 個(gè)流動(dòng)地磁矢量測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)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(chǎng)F 特征

2.1 空間分布

整體上看，巖石圈磁場(chǎng)總強(qiáng)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(chǎng)短期變化相對(duì)平穩(wěn)，幅度不大，若取所有測(cè)點(diǎn)F 變化絕對(duì)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(cè)點(diǎn)均具有較強(qiáng)的異常能量，僅N7 測(cè)點(diǎn)F 變化絕對(duì)值低于平均水平，但此點(diǎn)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(chǎng)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(cè)點(diǎn)F 變化值

為進(jìn)一步討論活動(dòng)斷裂對(duì)局部異常分布的影響，選取震區(qū)外圍9 個(gè)測(cè)點(diǎn)，主要靠近五臺(tái)山北麓、恒山北麓、恒山南麓和六棱山北麓4 條活動(dòng)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(cè)點(diǎn)距斷裂均很近，N3 測(cè)點(diǎn)距其垂直距離約2.3 km（表1），N5 測(cè)點(diǎn)約6.2 km，N8 測(cè)點(diǎn)約3.8 km。對(duì)測(cè)點(diǎn)巖石圈磁場(chǎng)F 實(shí)際變化值進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，3 個(gè)測(cè)點(diǎn)F 異常絕對(duì)值在3～5 nT 左右，也正是由此3 個(gè)測(cè)點(diǎn)加上N4 測(cè)點(diǎn)構(gòu)成了顯著負(fù)異常區(qū)。

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

N2 和N9 測(cè)點(diǎn)距鄰近的斷裂較遠(yuǎn)，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(dòng)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(gè)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的相對(duì)不動(dòng)點(diǎn)；北區(qū)地塊向NW 向伸展，斷塊上盤為主動(dòng)塊體，而南區(qū)則向SE 向伸展；斷塊下盤為主動(dòng)塊體，水平運(yùn)動(dòng)方向和斷裂傾向相反，給應(yīng)變能的積累提供了優(yōu)勢(shì)[10]。近年來(lái)，恒山北麓斷裂附近區(qū)域張性運(yùn)動(dòng)顯著[16]，周邊構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)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(qiáng)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(cè)點(diǎn)異常能量較強(qiáng)，可見(jiàn)異常受斷裂控制明顯?？拷迮_(tái)山北麓、恒山北麓、恒山南麓和六棱山北麓4 條活動(dòng)斷裂的測(cè)點(diǎn)幅值異常同樣明顯，說(shuō)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(guò)研究得到的“發(fā)震會(huì)造成沿?cái)嗔炎呦虻臏y(cè)點(diǎn)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(huì)發(fā)生應(yīng)力和電磁參數(shù)變化”的觀點(diǎn)一致[9]。同時(shí)，外圍距鄰近斷裂較遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)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(gè)流動(dòng)地磁總強(qiáng)度測(cè)點(diǎn)和3 個(gè)矢量測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)處理得到了2019 年4—8 月巖石圈磁場(chǎng)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(chǎng)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?duì)磁異常分布具有明顯影響，說(shuō)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(chǎng)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(dòng)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(duì)值均較高，可能與巖石介質(zhì)磁化強(qiáng)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(jìn)一步定性研究。震區(qū)外圍距鄰近斷裂較遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)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(chǎng)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(duì)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(qiáng)對(duì)震磁異常特征的認(rèn)識(shí)。由于觀測(cè)數(shù)據(jù)獲得周期較長(zhǎng)等原因，對(duì)于異常尺度的研究有待加強(qiáng)，同時(shí)對(duì)于震中位于異常零值線附近代表何種物理意義仍需進(jìn)一步討論。

致謝感謝中國(guó)地震局地球物理研究所流動(dòng)地磁技術(shù)團(tuán)隊(duì)提供的寶貴觀測(cè)數(shù)據(jù)和中國(guó)地磁臺(tái)網(wǎng)中心提供的臺(tái)站數(shù)據(jù)！