河北永清4.3级地震重、磁异常分析

张 娜,龚燕民,苏树朋

(1.保定地震中心台,河北 保定 071051；2．易县地震台,河北 易县 071051)

0 引言

地震的孕育及发生过程中,地下能量的积累与释放过程必然会引起质量迁移、地壳形变、岩石圈介质变形,从而导致地球重力场、岩石圈磁场的变化[1-4]。流动重力及流动地磁这两种手段已经是地震监测预报比较成熟的手段之一,流重和岩石圈磁场矢量定期重复的测量可为中短期地震趋势预测提供有力的依据[5]。近年来,对南北带、新疆地区、川藏地区6级以上的地震有着较好的中期预测,特别是2008年汶川8.0级地震、2013年四川芦山7.0级、2014年新疆于田7.3级和2017年四川九寨沟7.0级等大震均进行了较好的年度中期预测[6-10]。

2018年2月12日河北永清发生4.3级地震,这是河北自2016年9月10日河北开平M4.7级地震后相隔17个月后又一次4.0级地震,震中位置（116.67°E、39.37°N）位于流动重力大华北测区河北测网及流动地磁河北测网,震前重力场、岩石圈磁场观测资料都有一定的异常反应,并在河北省地震局年度会商时给与提出,震后其趋势已恢复正常。本报告主要对这两种观测资料进行异常分析与研究,为今后地震研判积累经验。

图1 河北省流动重力测点分布Fig.1 Distribution of mobile gravity measuring points

1 流动重力观测资料的异常分析

1.1 流动重力观测网的资料概况

大华北地区流动重力测量在1966年邢台地震后开始的。河北省地震局流动测量队测网原为火车、文霸、邢台、邯安4个重力测网,2009年下半年根椐监测范围需扩大的要求,在华北地区陆续增设了65个测点。现全测网共有131个测点,组成143个测段。河北流动重力测网主要覆盖河北及临近地区,测网每年3月、9月两期进行测量,现在河北省流动测量队重力测点空间分布见图1。

1.2 点值时序曲线异常分析

选取永清附近150 km内的唐官屯、霸州、堂二里、满城、保定、鄚州、板家窝、大城及文安9个流动重力测点,以2014年第二期各测点的自由网或拟稳网平差差下获得的相对重力值,自2015年后7期重力测点值与其比较,得到差值变化绘图,从图2可以明确的看出9个测点重力值变化基本一致,2018年2月12日永清4.3级地震前2016年第二期开始重力值持续下降,到2017年第二期转而上升,上升过程中发生地震。其测值震前两期、震后一期变化的具体指标见表1。

表1 大华北测网部分流动重力点位震前、后的测值变化Table 1 Variations of measured values before and after earthquakes at some mobile gravity measuring points in the North China Network

图 2 重力测点时序图Fig.2 Sequence diagram of gravity measuring points

1.3 重力场空间异常分析

通过对流动重力测网相邻两期的测点重力值变化,即相邻两期的测点重力值相减而得到,绘制成等值线图来反映整个测网的重力场的空间变化。通过2016年9月—2017年3月相邻两期重力等值线图可以清晰地看出重力测网自“0”重力等值线以北重力值呈现下降趋势,而以南地区重力值为高异常区,永清地震震中附近文安、霸州地区主要是低异常,值大约在20～35μGal；而2017年3月—2017年9月(图3b)整个测网与上一期（图3a）重力值相比,发生了反转,测网北部呈现高异常区,南部呈现负异常区,但是永清地震震中附近文安、霸州地区依旧持续低异常,因此该地区值得我们注意。永清地震前至地震发生(图3c)整个流动重力网测区在“0”重力等值线右侧为正高异常,左侧为负异常,永清地震震中附近地区没有持续下降,而转为正异常,继而发生永清4.3级地震。

图3 重力测网相邻两期等值线图Fig.3 Contour maps of two adjacent periods of gravity network

2 流动地磁数据异常分析

2.1 流动地磁测网情况介绍

大华北地区流动地磁矢量河北省相关测区共计92个测点,涵盖整个河北地区及邻近地区,平均点距约为30 km,其中2017年测区排除迁点、个别孤立异常测点后,最终数据处理模型计算及异常分析所采用的测点个数为67个(图4a),测量时段为2017-08-20—2017-09-30,地磁日变通化零日选择为2017-09-23；2018年在数据处理过程中排除5个新迁测点,最终数据处理模型计算及异常分析所采用的测点个数为87个（图4b）,测量时段为2018-03-06—2018-04-29,地磁日变通化零日选择为2018-04-16。流动地磁数据异常判定主要针对相邻两期半年长及一年长的的监测区岩石圈磁场的变化模型计算,综合F、H、Z、D、I要素及H、Z矢量7个要素进行异常判定及分析。作者此次选定其中的H、Z矢量及F、D分量进行具体分析。

图4 流动地磁河北及邻区矢量测点分布图（ 为矢量测点）Fig.4 Distribution map of vector points of mobile geomagnetic in Hebei and its adjacent areas

2.2 流动地磁矢量数据异常分析

2.2.1H矢量异常分析

岩石圈磁场H矢量数据通过H要素模型计算出来的,通过监测区岩石圈磁场H矢量自2017年3月—2018年4月相邻两期可以看出2017年3月到2017年9月（图5a）,整个测区东、北部H矢量总体表现为西向方向,幅值较小；测区西部H矢量则表现为均匀、高幅值、西北方向,测区中部H矢量则方向较为散乱,幅值较低出现京西北晋、冀、蒙三省交界地区、京西南冀中地区、津南冀津交界地区（以下简称为“晋冀蒙”、“冀中”、“津南”异常区）。而2017年9月—2018年4月（（图5b）,测网幅值较低,相对比较散乱,晋冀蒙异常比较明显,冀中异常相对弱化,可能与2.12永清4.3级地震发生后,整体岩石圈磁场恢复有关,而津南异常消失。

图5 监测区岩石圈磁场H分量变化矢量图Fig.5 Vector map of H component variation of lithospheric magnetic field in monitoring area

H矢量2017年3月—2018年4月模型计算结果H要素等值线间隔为2 nT（（图5c）可以清晰地看出测网整体分布形态较为散乱,幅值变化较小,与测区内的主要地震地质构造的空间相关性不强；河北省南部的H矢量较为平顺,异常表现弱于中、北部地区；相对明显的异常变化出现在在晋冀蒙及冀中地区,该2个部位均出现H矢量方向与幅值变化现象。

2.2.2Z矢量异常分析

监测区岩石圈磁场Z矢量相邻两期Z要素数据模型计算出来的,2017年3月到2017年9月（图6a）,整个测区除京南及天津大部外,测区其它部位Z矢量均呈上升变化,西北部幅值较高。“晋冀蒙异常区”部位Z矢量幅值突变,“京西南异常区”部位Z矢量反向,“津南异常区”部位则同时存在Z矢量反向与幅值突变现象；2017年9月—2018年4月(图6b）,Z矢量均保持相对散乱、低幅值特征,与H矢量模型计算结果图比较相像,在永清4.3级地震后冀中异常逐渐减弱。Z矢量自2017年3月—2018年4月（图6c）,整体变化幅值较低,其空间分布形态与主要地震地质构造的相关性不强,以测区中间为界,测区可分为总体上升区和下降区；相对而言,河北省量南部Z变化矢量较为均匀一致；晋冀蒙及冀中地区均出现Z矢量方向与幅值变化现象。

图6 监测区岩石圈磁场Z分量变化矢量图Fig.6 Vector map of Z component variation of lithospheric magnetic field in monitoring area

2.2.3F要素

监测区F要素2017年3—9月图7a）总体呈现上升变化,最大值超过20 nT,仅在京南、天津一带、京西北局部出现小范围负异常区。“晋冀蒙异常区”位于F要素变化高梯级带,“京西南异常区”位于“0”等值线上,“津南异常区”则同时具备“0”等值线与高梯级带特征；而2017年9月—2018年4月（图7b）晋冀蒙地区的地磁异常变化仍然存在,冀中地区的异常现象则明显消退、弱化。F要素2017年3月—2018年4月（图7c）变化幅值较低,在+10～-10 nT之间；最显著的异常变化集中出现在测区中部的西北－东南走向的高值负异常区及其周围伴生的磁场变化高梯级带一带,晋冀蒙及冀中地区分别位于正、负异常区交汇处的高梯级带及负值变化核心区。

图8 监测区岩石圈磁场D分量变化图Fig.8 D component variation of lithospheric magnetic field in the monitoring area（unit：minute）

3 分析与讨论

通过对2018年2月12日永清M4.3地震震前、震后流动重力及岩石圈磁场的具体分析 ,可以清晰地得到以几点:

(1)永清地震震前流动重力、岩石圈磁场的观测资料均出现前兆异常,地震发生在重力场持续加速下降转折上升的过程中,岩石圈磁场在震前该地区异常特征表现突出,4个要素基本同时出现异常。

(2)地震发生在重力场、岩石圈磁场正负变化 的“0”等值线 附近,特别是重力场震前出现高异常的警示区。

(3)岩石圈磁场在永清地震后“冀中地区”的异常现象较为则弱化、消失,应与永清4.3级地震的震中位置与发震时间有关。

(4)震前的流动重力、地磁资料异常变化主要以中短期异常有关,变化幅度很大,这与我们习惯性认知的趋势性前兆异常的有所不同。主要是因为产生前兆异常的原因复杂性,单一的流动测量时间上、空间上、方法上具有局限性,因而前兆异常的判定,需要我们结合多种观测资料、多种分析方法进行综合判定,更好的捕捉前兆信息,为地震预报添砖加瓦。