河北及邻区震前岩石圈磁场异常变化分析

张海洋, 李 博, 刘德强, 王朝景, 赵慧琴, 毛丰龙, 苏树朋

(河北省地震局保定地震监测中心站, 河北 保定 071000)

河北及邻区位于华北克拉通块体内,自中生代开始,东部和北部地区发生强烈变形。到新生代时期,构造格局发生逆转,应力状态由挤压变成拉张,从而产生大规模的断陷活动[1-3]。第四纪以来,河北及邻区新构造活动频繁,地震多发,尤其在张家口—渤海断裂带上曾发生过多次破坏性地震,如1679年平谷8.0级、1976年唐山7.8级和1998年张北6.2级地震等。1998年以后,该地区的地震活动进入平静期。直至近期,唐山地区于2019—2020年间,相继发生丰南4.5级和古冶5.1级地震,两次地震仅相隔7个月,表明该断裂带中东段的构造活动可能又趋于活跃。从20世纪90年代至今,国内外学者围绕华北地区应力场、地壳和上地幔速度结构、电性结构和孕震环境等学术领域开展了大量的研究工作[4-7],在华北地区的岩石圈深部结构、地球动力学和物质组成的认识等研究方向,积累了丰富的资料和大量科研成果。但针对该区域岩石圈磁场变化特征及震磁信息进行的研究,则相对较为匮乏。

岩石圈磁场是地球磁场重要组成部分,其异常变化与地质结构、构造活动、温度与应力状态等因素密切相关[8]。构造磁学表明,地震活动、火山喷发等构造运动,会引起局部岩石圈磁场变化。早期学者根据震源物理过程和地球内部的物理性质,相继提出压磁效应、膨胀磁效应和感应磁效应等震磁关系理论,用于解释地震前后磁场变化[9-12]。之后随着航空磁测、卫星磁测及地面磁测的展开,数据资源日渐丰富,围绕岩石圈磁场变化与地质构造、地震活动之间关系进行的研究活动也逐渐增多[13-14]。近年来,学者对川滇、南北天山地区的典型震例进行研究后发现,地震前一年左右,震中附近的岩石圈磁场出现明显的异常变化,异常的产生与地质构造、岩石圈结构、应力状态有关,异常的持续时间和空间范围应与震级相关[15-18]。这些研究成果对于河北及邻区震前岩石圈磁场异常变化特征的研究工作,具有重要参考意义。

自2009年开始,中国地震局流动地磁技术团队在华北地区连续开展大规模的流动地磁矢量观测,为相关研究工作提供了丰富的数据资源。本文收集了“2018、2019、2020年”3期河北及邻区流动地磁矢量观测资料,通过数据处理,得到“2018—2019”和“2019—2020”2期岩石圈磁场年变化结果,进而以2019年12月唐山丰南4.5级和2020年7月唐山古冶5.1级地震为例,系统分析震前的岩石圈磁场异常变化特征,以期对该区域的震磁异常识别工作有所帮助。

1.1 数据来源

流动地磁矢量观测以F、D、I(地磁总强度、磁偏角、磁倾角)三要素为测量对象,通过地磁要素间的三角函数关系,可获得其他四个要素的数值。河北及邻区测点共有84个,平均点间距约70 km,呈网格状均匀分布(图1)。测点观测环境良好,无电磁干扰,观测数据能够准确反映该地区的磁场特征。测量位置处设有固定测桩,每期进行6组重复测量,取其平均值作为该测点的测值。

图1 河北及邻区构造及测点分布示意图Fig.1 Distribution diagram of tectonics and measuring points in Hebei and its adjacent area

地磁场总强度观测使用仪器为GSM-19T质子旋进磁力仪,其灵敏度为0.15 nT@1 Hz,分辨率为0.01 nT,绝对精度为±0.2 nT。地磁场磁偏角和磁倾角观测使用仪器为磁通门经纬仪,精度分别优于0.2′。测点地磁场水平和垂直梯度均小于5 nT,仪器安装误差小于1 cm,仪器位置变化产生的误差可忽略。

1.2 数据处理方法

地磁场是由外源变化场、地球主磁场和岩石圈磁场等不同源磁场成分叠加而成的混合场[19]。在流动地磁数据处理过程中,需通过地磁日变通化、长期变化改正、主磁场剥离等技术手段[20-21],剥除外源磁场和地磁主磁场等成分,以获取岩石圈磁场成分。再将两期岩石圈磁场数据进行差分计算,建立岩石圈磁场空间变化模型。具体方法如下:

(1) 日变通化改正。本文采用台网通化法进行日变通化,利用观测区周边多个地磁台站连续观测分钟值的数据,进行函数拟合,获取日变通化空间参考场,完成日变通化改正[22],来消除流动地磁观测数据包含的地磁场日变化等外源场成分。相比于传统的单台通化方法,该方法可大大降低个别台站数据异常所带来的误差。

(2) 长期变化改正。为消除观测数据中的地球主磁场长期变化成分,采用IGRF13_SV模型方法,对两期日变通化数据集进行长期变化改正,改正日期为上一期的日变通化日。如2018年观测数据的日变通化日为2018年4月16日,就将2019年数据长期变化改正至2018年4月16日。

(3) 岩石圈磁场年变化。以IGRF-13(第13代国际地磁参考场)为观测区域地球主参考场模型。对长期变改正数据进行曲面样条计算,获取空间分布均匀的点阵数据,减去IGRF-13模型数据后,即获得当期岩石圈磁场空间分布数据模型。将相邻两期岩石圈磁场相减,可获得岩石圈磁场年度变化模型,进而可依据该模型分析研究区磁异常空间变化分布特征。

数据处理过程中,为获得合理可信的计算结果,对相邻2期发生迁移和单要素异常的测点予以剔除。

本节将以总强度、磁偏角、磁倾角3要素及水平矢量为代表,讨论河北及邻区“2018—2019”和“2019—2020”岩石圈磁场变化特征,并结合唐山丰南4.5级和唐山古冶5.1级地震的震中位置,分析震中附近岩石圈磁场异常变化特征,如图2和图3所示。

2.1 2018—2019年度

通过2018—2019年研究区内岩石圈磁场年变化(图2)可以看出:(1)研究区南部岩石圈磁场水平矢量的方向较为一致,以NE向为主,幅值较小;研究区北部的矢量方向则较为杂乱,无优势方向,幅值相对较大。在唐山—天津地区,北部地区的SE方向矢量和西南地区NE方向矢量在此交汇,矢量方向发生散乱,幅值变小,形成局部水平矢量弱化区。唐山丰南4.5级地震位于此弱化区东侧边缘,震中区域的水平矢量同时具有幅值弱化和方向转向的特征。(2)岩石圈磁场磁偏角变化范围在-0.8′至+1.0′之间,负异常区主要位于研究区西北一侧,正异常区主要位于研究区东南一侧。唐山丰南4.5级地震震中位于磁偏角变化“0”值线上,且伴有高梯级带分布。(3)岩石圈磁场磁倾角变化范围在-0.5′至+0.6′之间,负异常区大部分位于研究区东南部及西北局部,正异常区则主要位于研究区西北部。唐山丰南4.5级地震震中位于磁倾角变化负异常区域,其北侧出现局部极值区,震中处年变化量为-0.27′,距磁倾角年变化“0”值线约83 km。(4)岩石圈磁场总强度变化范围在-6 nT至+6 nT之间,主要的正、负异常分别位于研究区的西部和东部。唐山丰南4.5级地震震中位于总强度变化的负异常区,震中处年变化量为-3 nT,且磁场变化等值线较为平顺,无“0”值线和高梯级带通过。

2.2 2019—2020年度

通过2019—2020年研究区内岩石圈磁场年变化(图3)可以看出:(1)相比“2018—2019”年度,本期岩石圈磁场水平矢量的方向表现更为杂乱,无明显分区特征且幅值变化较小。唐山古冶5.1级地震震中东、西两侧的水平矢量幅值较大,方向相背,震中处水平矢量同样表现出局部弱化和方向转向的特征。(2)岩石圈磁场磁偏角变化范围在-0.8′至+0.8′之间,负异常区主要位于研究区东部和东北部,正异常区主要位于研究区南部和东北部区域。唐山古冶5.1级地震震中同样位于磁偏角变化“0”值线上且附近具有高梯级带分布,其特征与唐山丰南4.5级地震相同。(3)岩石圈磁场磁倾角变化范围在-0.4′至+0.3′之间,正、负异常区呈相间分布,在研究区的西北部存在正、负异常的极大值。唐山古冶5.1级地震震中位于磁倾角变化正异常区域,震中处年变化量为+0.03′,距磁倾角变化“0”值线约19 km。(4)岩石圈磁场总强度变化范围在-4 nT至+3 nT之间,负异常区主要位于研究区北部,正异常区主要分布于研究区东南部。唐山古冶5.1级地震震中位于总强度年变化的正异常区,震中处年变化量为+0.9 nT,距总强度变化“0”值线约23 km。

图2 2018—2019年河北及邻区岩石圈磁场变化 [黑色实心圆点表示地震;等值线中红色线表示正值,蓝色线表示负值,黑色线表示零值线,图(b)等值线间隔为0.2′,图(c)等值线间隔为0.1′,图(d)等值线间隔为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)

总体来看,相对于“2018—2019”,“2019—2020”年度河北及邻区岩石圈磁场的变化形态并不一致,不具有延续性,且“2019—2020”岩石圈磁场各要素的年变化量呈现减小的趋势。2期岩石圈磁场年变化与研究区内主要构造带无明显对应关系。唐山丰南4.5级和唐山古冶5.1级地震前,震中区域岩石圈磁场异常变化具有部分相似性,主要表现在:1、岩石圈磁场水平矢量均具有局部弱化和方向转向的特征;2、震中位于磁偏角变化“0”值线上,且有高梯级带分布。相对而言,磁倾角、总强度2要素的异常特征不显著,且在2次地震中的表现不一致。

岩石圈磁场异常变化与构造活动密切相关。我国地震地磁学者在震磁关系研究过程中发现,很多震例发生前,震中区岩石圈磁场均出现一定程度的异常变化[23-26]。对近年来典型地震前的岩石圈磁场异常变化特征进行总结(表1),可以看出,震中区域岩石圈磁场水平矢量方向均存在一定程度的弱化和转向特征,绝大部分震中区域分布有岩石圈磁场磁偏角的“0”值线或高梯级带,其他要地磁要素的异常表现则不尽相同,这与本次研究成果具有一致性。由此可见,岩石圈磁场变化水平矢量局部弱化及转向区、磁偏角的“0”值线及高梯级带区,是重要的震磁前兆信息,在地震危险区研判工作中具有一定的应用价值。

图3 2019—2020年河北及邻区岩石圈磁场变化 [黑色实心圆点表示地震;等值线中红色线表示正值,蓝色线表示负值,黑色线表示零值线,图(b)等值线间隔为0.2′,图(c)等值线间隔为0.1′,图(d)等值线间隔为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)

震前的岩石圈磁场水平矢量弱化、转向现象,可能与发震断裂的闭锁程度增高有关。相关研究指出[17],岩石圈磁场变化水平矢量的幅值弱化、方向散乱的地区,可能是地壳应力水平高、深部闭锁程度高的地区。断裂的闭锁程度增高与地震活动密切相关,如芦山7.0级地震前,震源区龙门山断裂南段应变积累速度明显增大,应变率较小,断层闭锁程度增高[29-30]。1976年唐山7.8级地震后,唐山断裂(丰南4.5级地震和古冶5.1级地震的发震断裂)一直处于应力积累状态,中间经过“3.11”日本地震短暂释放后又恢复持续积累状态,同时也加大了断层的闭锁程度[31]。岩石磁学实验表明[32],岩石的磁化率会随应力变化而变化,应力积累使得岩石磁化强度在应力方向上减小,应力释放使得岩石磁化强度在应力方向上增大。震前岩石圈应力水平及断层闭锁程度的增加,可能引起了丰南4.5级地震、古冶5.1级地震震中区域的水平矢量出现弱化、转向现象。

表1 岩石圈磁场异常变化与地震对应关系

对于震中多位于岩石圈磁场磁偏角的“0”值线或高梯级带这一现象,目前的研究成果尚未有合理的解释,有待于进行深入的研究。

本文通过对河北及邻区岩石圈磁场年变化及唐山丰南4.5级和唐山古冶5.1级地震震中区岩石圈磁场异常变化进行对应分析,得出以下结论:

(1)“2018—2019”和“2019—2020”2期河北及邻区岩石圈磁场年变化空间分布并无一致性或继承性特征。与“2018—2019”相比,2019—2020年石圈磁场各要素年变化在量值上具有减小的趋势。2期岩石圈磁场年变化与研究区内主要构造带无明显对应关系。唐山丰南4.5级、唐山古冶5.1级地震震中区域具有岩石圈磁场水平矢量的局部弱化、方向转向及磁偏角年变化“0”值线、高梯级带分布的特征。

(2) 结合近年来典型地震前的岩石圈磁场异常变化特征来看,岩石圈磁场年变化中水平矢量局部弱化及转向区和磁偏角的“0”值线及高梯级带区,可能包含重要的震磁前兆信息,应为重点关注区。

致谢:感谢中国地震局流动地磁团队在数据采集,处理方法和模型计算等方面做出的努力。

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