[摘要] 利用川西地區(qū)2017—2021年多期地面重力觀測和地磁觀測資料，對馬爾康MS6.0地震進行分析，并使用重磁場年變歸一化融合分析結(jié)果對地震的發(fā)震位置進行分析，獲得了融合分析結(jié)果和馬爾康地震要素之間的相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明：區(qū)域重力場異常變化與川西地區(qū)斷裂帶在空間上關(guān)系密切，馬爾康震中地區(qū)重力場變化較為微弱，變化量等值線始終在零值線左右，但在周邊地區(qū)變化劇烈；巖石圈磁場年變化結(jié)果顯示，震前巖石圈磁場水平矢量從區(qū)域整體弱變，到震中持續(xù)弱變和外圍整體趨同后反向弱變，弱變量級較小且方向散亂；融合歸一化震前一年期重磁場年變化數(shù)據(jù)，根據(jù)核密度曲線的重疊范圍和峰值差較小的條件，可以判定出強震發(fā)震的區(qū)間范圍（30°N～33°N，101°E～104°E），2022年6月蘆山MS6.1和馬爾康MS6.0地震就發(fā)生在該區(qū)間范圍內(nèi)。進一步將川西地區(qū)按1°×1°的格網(wǎng)劃分后，馬爾康地區(qū)重磁變化核密度曲線峰值差逐年減小，并在發(fā)震前重力變化和地磁變化峰值差達到最小。馬爾康地區(qū)重力場和巖石圈磁場的磁化率變化在孕震過程中逐年趨于一致，證明了區(qū)域內(nèi)存在物質(zhì)和能量的交換和動力作用，引起了活動斷層物質(zhì)變遷和構(gòu)造變形，在地表產(chǎn)生了相應的重力變化和巖石圈內(nèi)磁場變化。重磁場的年變?nèi)诤戏治鰧娬鸢l(fā)震位置的判定具有一定的指導意義。

[關(guān)鍵詞] 重力異常; 歸一化; 核密度曲線; 巖石圈磁場總強度

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2023-106

基金項目： 云南省地震局2024年度科技專項（2024X04）和武漢引力與固體潮國家野外科學觀測研究站開放基金（WHYWZ202103）項目聯(lián)合資助。

0 引言

2022年6月10日四川阿壩州馬爾康市發(fā)生MS6.0地震，震中位置（32.25°N，101.82°E），震源深度為13 km。地震發(fā)生在鮮水河斷裂和龍門山斷裂所圍繞的巴顏喀拉地塊內(nèi)部的松崗斷裂西北段，距離松崗斷裂和龍日壩斷裂交叉中心約25 km。受到印度洋板塊持續(xù)不斷的對歐亞板塊的碰撞擠壓影響，青藏高原地殼物質(zhì)整體向北向東移動擠壓，巴顏喀拉塊體在向東移動的過程中遇到古老且堅硬的四川盆地地塊阻擋，塊體地殼物質(zhì)在邊緣隆起成龍門山褶皺，往往造成大震的多發(fā)[1]，近10年來發(fā)生在四川境內(nèi)的5.5級以上地震共12次，其中6級以上地震7次。川西地區(qū)多年來盡管大震多發(fā)，但大震震中基本上分布在塊體邊緣位置，這次的馬爾康地震發(fā)生在巴顏喀拉地塊內(nèi)部，這個信號不容忽視。

地震是地球構(gòu)造活動的一種表現(xiàn)形式，地震的孕育和發(fā)生必然引起震源區(qū)和外圍地區(qū)一定范圍內(nèi)地球物理場的變化，尤其是重力場和巖石圈磁場的變化[2]。以現(xiàn)有的流動地球物理場監(jiān)測技術(shù)探尋馬爾康地震的孕震特性，總結(jié)川西地區(qū)的強震孕震機理特征，探尋該區(qū)域內(nèi)未來強震的震中位置判定方法，具有重要的研究意義。近年來，為了研究川西地區(qū)的地殼活動性、板塊應力分布情況及該地區(qū)地殼物質(zhì)遷移分布情況，實施了大量的地球物理探測和大地測量監(jiān)測技術(shù)，并且取得了很好的地殼活動性跟蹤監(jiān)測結(jié)果[3-4]。流動重力測量和絕對重力測量相結(jié)合，定期重復觀測數(shù)據(jù)可以研究強震孕震中的重力場時空變化特征[5]，區(qū)域范圍內(nèi)物質(zhì)密度變化情況。巖石圈磁場矢量觀測，能夠研究在孕震過程中由于巖石溫度、應力等的狀態(tài)改變造成的巖石圈磁場異常變化。

基于重力場異常和巖石圈磁場在孕震中的異常變化情況，對危險區(qū)域進行判斷，特別是在強震的發(fā)震震中位置要素方面，已經(jīng)取得了比較好的效果，但由于重力場和磁場作為完全不同的兩種場源，異常分析時，目前的研究都是將二者作為獨立場源異常進行分析，再各自得到獨立的區(qū)域危險區(qū)情況。在強震的孕震過程中，兩種不同的場源信息都會發(fā)生變化，將兩種不同場源異常信息進行歸一化處理，融合分析兩種場源信息在強震孕震過程中的相關(guān)性，再利用兩場源變化在震中位置的異常相關(guān)特征，聯(lián)合判斷地震震中位置。采用聯(lián)合分析的方法在云南地區(qū)近10年的強震、中強震分析中已經(jīng)取得了不錯的效果，特別是對6級以上的強震，該方法此時在震中位置、震級兩方面，都有很好的反映[6]。在此背景下，本文針對馬爾康地震，對川西地區(qū)2017—2021年的重力場和巖石圈磁場變化信息進行分析，總結(jié)在川西地區(qū)的強震孕震中重磁場融合數(shù)據(jù)的變化特征，分析重磁場異常融合分析結(jié)果和馬爾康地震之間的震中位置對應性情況。并利用巖石圈磁場的矢量變化分析巖石圈磁場磁化率變化、震中板塊應力分布變化情況，分析發(fā)生在板塊塊體內(nèi)部的馬爾康地震的發(fā)震特性。

1 數(shù)據(jù)處理數(shù)學方法

對地面重力數(shù)據(jù)依次進行零漂、潮汐等改正后，然后采用和絕對重力聯(lián)合平差，平差采用經(jīng)典最小二乘數(shù)據(jù)平差方法[7]。經(jīng)過平差計算，2017—2021年共10期數(shù)據(jù)，最大點值精度為9.7×10?8 m/s2，最小為7.0×10?8 m/s2，平均為8.59×10?8 m/s2。

巖石圈磁場數(shù)據(jù)采用最近臺站替代法的日變通化和自然正交量模型的長期變化進行改正，得到巖石圈磁場年度變化數(shù)值。日變通化主要是消除觀測數(shù)據(jù)中的規(guī)則日變場和其他外源場部分，長期變化的目的是為了獲得巖石圈磁場的年度變化[8]。

巖石圈磁場相鄰兩年的差異變化計算公式為：

（1）

式中，為某地磁要素時刻至時刻的巖石圈磁場之差；、為該地磁要素的內(nèi)源磁場（日變通化結(jié)果）、主磁場（長期規(guī)律變化）。

重磁場聯(lián)合分析的方法流程為：首先，分別對重力變化值和地磁總強度值進行相同年份格網(wǎng)化處理；其次，對各自的變化值進行歸一化處理，得到區(qū)間在[?1，1]之間的標量數(shù)據(jù)；最后，歸納統(tǒng)計重力變化值和巖石圈磁場總強度值在相同年份內(nèi)的數(shù)量分布情況，并繪制數(shù)量分布的核密度曲線。

歸一化處理和核密度計算公式如下：

（2）

式中，為變化量值，為年際變化量值中絕對值最大值。

（3）

式中，是平滑參數(shù)，是樣本點，是核密度函數(shù)，并且滿足：

（4）

常用的核函數(shù)有多種，如Linear Kernel，Polynomial Kernel，Gaussian Kernel，Exponential Kernel等。考慮到對數(shù)據(jù)噪音抗干擾能力強、保證數(shù)據(jù)不失真等因素，文中采用Gaussian Kernel作為核函數(shù)繪制重磁場年變化數(shù)量分布的核密度曲線[9]。

2 重磁場數(shù)據(jù)分析

2.1 重力場和巖石圈磁場總強度年變情況分析

強震孕震期間，區(qū)域范圍內(nèi)重力場和巖石圈磁場總強度均有較大幅度的變化。2018年7月—2022年7月間，在巴顏喀拉塊體和羌塘塊體的川西地區(qū)，發(fā)生了3次強震，分別為2017年8月8日的九寨溝7.0級地震、2022年6月1日的蘆山6.1級地震和本次的馬爾康6.0級地震。圖1為重力場年變化和巖石圈磁場總強度年變化圖。

從圖1可以看出，2017—2021年的不同時段內(nèi)，在川西地區(qū)重力場和地磁場年變化趨勢復雜多變，并且重力場年變劇烈。在2017—2018年間，九寨溝地震發(fā)生前后，九寨溝地震震中所處區(qū)域的重力正變化和磁場總強度正變化，震中西側(cè)均出現(xiàn)正變化，南側(cè)出現(xiàn)負變化，在震中附近小區(qū)域范圍內(nèi)（經(jīng)緯度均為2°的范圍內(nèi)），重力場和磁場總強度的年變化趨勢趨于一致。在2020—2021年間，重力場年變和巖石圈磁場年變在川西地區(qū)的正負區(qū)間區(qū)域形狀相似，負值區(qū)間沿鮮水河斷裂和龍門山斷裂的走向呈“V”字型展布，且重力場變化負值區(qū)間范圍更廣，占整個川西地區(qū)的范圍更大。接著在2022年6月1日和10日分別發(fā)生了蘆山6.1級地震和馬爾康6.0級地震，震中分別位于川西的中部和南部地區(qū)。

2.2 重磁場融合情況分析

根據(jù)重磁場在強震前的趨勢變化趨于一致的現(xiàn)象，對川西2017—2021年的重磁場年變化數(shù)據(jù)進行融合歸一化處理，分析二者在強震孕育過程中區(qū)域范圍內(nèi)的重磁場變化一致性分布情況，并對川西地區(qū)進行1°×1°的格網(wǎng)化分割，分析每個格網(wǎng)范圍內(nèi)的重磁場變化趨勢一致性情況，進而對川西地區(qū)未來一年內(nèi)的強震發(fā)震危險區(qū)進行判定。將2020—2021年的重磁場年變化數(shù)據(jù)進行融合分析，歸一化后的重力變化量和總強度變化量在[?1，1]區(qū)間的數(shù)量分布情況，二者的重疊情況代表了在每個格網(wǎng)區(qū)域內(nèi)，歸一化后的變化量相同的格網(wǎng)點數(shù)量。并用核密度曲線來直觀表示二者的重疊情況，核密度曲線下方所圍成的面積即為重磁場年變化趨勢一致重疊區(qū)域，區(qū)域面積越大表示二者變化量一致的格網(wǎng)點越多，變化趨勢越一致；核密度曲線峰值表示重力場或者地磁場的年變化歸一化后的集中程度，二者峰值差越接近，表示重磁場的變化趨勢越一致。

在圖2的核密度圖中，重合面積（SIA）最多或核密度曲線峰值差較小的區(qū)域集中在（32°N，101°E）、（30°N，101°E）和（30°N，103°E）3個格網(wǎng)區(qū)域范圍內(nèi)。在2022年馬爾康地震發(fā)震前一年的重磁場年變化趨勢中，重力變化和地磁變化趨勢一致性最好的區(qū)域范圍在（30°N～33°N，101°E～104°E）內(nèi)，歸一化后重力和地磁的融合曲線在峰值差重疊范圍均達到整個川西地區(qū)最好，并結(jié)合2022年蘆山地震（30.37°N，102.94°E）和馬爾康地震表明，重磁場年變化融合分析曲線能很好地反映川西地區(qū)強震的危險區(qū)情況（圖3）。

劉東等[8]分析了漾濞地震前重磁場融合特性和強震發(fā)震的震中位置關(guān)系，結(jié)合漾濞地震融合特征發(fā)現(xiàn)，發(fā)震時刻距離重力場和地磁場的觀測時間越接近，在震中附近區(qū)域?qū)母窬W(wǎng)范圍內(nèi)重疊區(qū)域范圍越大，核密度峰值差越接近。馬爾康地震震中位置重磁場核密度曲線重疊對應性不是最好區(qū)域，初步判斷是由于馬爾康地震發(fā)震的同時，巴顏喀拉板塊邊緣地帶其他地區(qū)有同等級別的強震發(fā)生，重力場和巖石圈磁場同時受到其他方向上的板塊構(gòu)造應力的影響，重力場變化和巖石圈磁場的變化受到影響，這對于重磁場融合核密度曲線的分析有一定的影響，最后對危險區(qū)位置的判定也有一定的偏差。

2.3 馬爾康地區(qū)融合情況分析

對馬爾康地震震中所在區(qū)域（32°N～33°N，101°E～102°E）的重磁場年變化歸一化核密度曲線進行分析，2017—2021年間的年變化情況如圖4所示。

馬爾康震中所在區(qū)域地區(qū)重磁場綜合分析結(jié)果表明，2017—2021年間，重力場年變和巖石圈磁場總強度年度變化，核密度曲線重疊范圍的面積變化在2017—2018年稍微較大，在其他年份中逐年降低后，在2020—2021年度回升；重磁場年變化量的核密度曲線峰值在經(jīng)歷差值小—大—小—大的劇烈變化過程，說明該區(qū)域范圍內(nèi)重力場和地磁場的年變化情況劇烈，區(qū)域內(nèi)地下物質(zhì)質(zhì)量改變和巖石圈磁場磁化率改變均劇烈。

3 川西地塊重力場和巖石圈磁場活動性分析

3.1 重力場累積差分分析

為了分析較長時間段的區(qū)域重力場累積變化特征，研究川西地區(qū)在近幾年的地殼內(nèi)物質(zhì)遷移及質(zhì)量變化的情況，因為在2017年8月發(fā)生了九寨溝7.0級地震，為了消除因九寨溝地震同震的影響，文中選擇以2018年3月的觀測時間作為基準，分別繪制了各期相對于首期2018年3月的區(qū)域重力場累積變化動態(tài)圖像（圖5）。

由圖5可知，2018年3月—2021年9月間的累積重力場異常在馬爾康地震震中位置變化較為平緩，但是在川西地區(qū)變化比較劇烈，異常量級較大，且分塊和轉(zhuǎn)折現(xiàn)象比較明顯。2018年3月—2019年3月間，重力異常變化主要集中在以西北—東南走向的鮮水河斷裂為分割的東西兩側(cè)，東側(cè)在巴顏喀拉塊體內(nèi)曼日瑪—震中位置—馬爾康—汶川—成都呈重力異常正變化，西側(cè)在羌塘塊體內(nèi)重力正變化明顯。東北—西南走向的龍門山斷裂南北兩側(cè)重力異常變化微弱。2018年3月—2020年3月間，重力異常主要仍以鮮水河斷裂分東西兩側(cè)，東側(cè)在羌塘塊體內(nèi)重力異常負變化，在班瑪—震中位置—馬爾康地區(qū)負變化明顯弱于周圍地區(qū)。龍門山斷裂帶南北兩側(cè)重力異常變化較弱。2018年3月—2021年3月間，重力異常變化劇烈區(qū)域集中在鮮水河斷裂和龍門山斷裂交匯處，小金東西兩側(cè)重力異常正負變化劇烈，震中位置—馬爾康—小金—汶川—曼日瑪區(qū)域內(nèi)，重力異常呈現(xiàn)正變化。2018年3月—2021年9月間，重力異常變化區(qū)域集中在以龍門山斷裂帶為分割的南北兩側(cè)，南側(cè)以負變化為主，北側(cè)在巴顏喀拉塊體內(nèi)以震中位置分區(qū)明顯的重力正變化。

以2018年為時間基準的一年期、兩年期的重力場累積變化都是沿鮮水河的負變化為主，三年期重力場累積變化集中在鮮水河和龍門山斷裂帶交匯處，三年半期的重力場累積變化轉(zhuǎn)變?yōu)橐札堥T山斷裂帶分布的正變化。川西地區(qū)三年半來的重力場異常反映了以鮮水河斷裂和龍門山斷裂為分界的巴顏喀拉塊體內(nèi)發(fā)生了引起地表重力變化效應的構(gòu)造運動或形變。

3.2 地磁場水平矢量分析

為獲得馬爾康地震前川西地區(qū)巖石圈磁場水平矢量逐年演化過程，分別繪制了2017—2018，2018—2019，2019—2020，2020—2021年共4期相鄰期的巖石圈水平矢量變化圖進行研究。

圖6中，2017—2021年間，川西地區(qū)出現(xiàn)多個量級較小且方向散亂的弱變區(qū)域，主要集中在龍門山斷裂帶兩側(cè)區(qū)域。2017—2018年間，在龍門山斷裂帶西側(cè)九寨溝—松潘地區(qū)弱變區(qū)量級較小且方向散亂，馬爾康地區(qū)弱變區(qū)域方向散亂但量級偏大；龍門山斷裂帶東側(cè)地區(qū)弱變區(qū)量級較小但是方向一致，2017年8月九寨溝7.0級地震就發(fā)生在九寨溝地區(qū)。2018—2019年間，弱變區(qū)域出現(xiàn)在馬爾康、成都—蘆山地區(qū)，在馬爾康地區(qū)水平矢量箭頭方向一致，且橫穿松崗斷裂，蘆山地區(qū)水平矢量如同馬爾康地區(qū)，量級較小方向一致。2019—2020年間，川西地區(qū)整體上磁場水平矢量變化較為一致。

整體上呈現(xiàn)從南向北的走向形式。2020—2021年間，川西地區(qū)整體上出現(xiàn)多處的弱變區(qū)域，其中量級較小且方向散亂的馬爾康、雅江地區(qū)，在2022年6月10日發(fā)生了馬爾康6.0級地震，6月1日發(fā)生了蘆山6.1級地震。

高龍生和李松林[10]分析了磁化率在外部磁場的作用下，磁化率和應力變化之間的關(guān)系。在外部磁場的作用下，物質(zhì)的磁化強度與磁化率之間的關(guān)系如下：

（5）

應力與巖石圈磁場變化對應的物理關(guān)系如表1所示。

2017—2021年間，馬爾康地震震中區(qū)域，巖石圈磁場水平矢量年變變化弱化區(qū)沿松崗斷裂兩側(cè)，矢量方向上呈現(xiàn)有序—有序—有序—散亂的變化，量級上呈現(xiàn)較小—較小—偏大—極小的變化，震中區(qū)域的磁化率對應有降低—降低—增大—劇烈降低的變化。根據(jù)應力與巖石圈磁場變化對應之間的關(guān)系，震中區(qū)域斷層應力在斷層兩側(cè)對應有加載—加載—卸載—急劇加載的階段。

4 分析及結(jié)論

（1）強震孕震過程中，會造成區(qū)域范圍內(nèi)重力場和巖石圈磁場的變化，且這種變化會隨著發(fā)震時刻的迫近，變化的趨勢會趨于一致。通過對2020—2021年重力場和巖石圈磁場總強度年度變化的融合分析，重磁場年變化歸一化后量值重合區(qū)域較大或峰值差較小的區(qū)域為未來強震發(fā)生的危險區(qū)范圍，可以判斷出川西地區(qū)未來一年內(nèi)危險區(qū)的位置在（30°N～33°N，101°E～104°E）范圍內(nèi)，馬爾康地震和蘆山地震均發(fā)生在這一區(qū)域。

（2）在多年期的重力場累積變化中強震震中位置處，重力變化較為緩慢，震中四周重力場變化劇烈，正負變化明顯。巖石圈磁場水平矢量弱化區(qū)的分布與震中位置關(guān)系密切，震中位置處巖石圈磁場弱化量級較小且方向散亂，震中斷層兩側(cè)應力的加卸載也對應有加卸載的轉(zhuǎn)變過程。

（3）發(fā)生在巴顏喀拉塊體內(nèi)部的馬爾康地震，孕震過程中重力場異常表現(xiàn)和巖石圈磁場的表現(xiàn)均具有規(guī)律性，相比發(fā)生在主斷裂帶上的蘆山地震，馬爾康地震孕震過程重力場異常震中趨于零附近，附近區(qū)域劇烈變化，地磁場水平矢量弱化量級較小且方向散亂。在板塊內(nèi)發(fā)生的強震，孕震中震源區(qū)所在位置構(gòu)造應力變化加卸載影響更為強烈，重磁場的影響趨勢一致性現(xiàn)象更為明顯。

（4）震源區(qū)重力場和巖石圈磁場總強度變化在孕震中滿足趨勢一致性的特征，對大范圍內(nèi)進行小尺度格網(wǎng)劃分能更精確的判定出強震震中位置，融合不同場源分析的方法對震中位置的確定具有一定的指導意義。

致謝

感謝四川省地震局地殼形變觀測中心提供川西地區(qū)的相關(guān)重力數(shù)據(jù)，感謝審稿專家及期刊編輯老師對本文提出的修改意見和建議。

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