华北中部岩石圈磁场变化与岩石圈结构间的关系

刘德强 王朝景 苏树朋 李 博 赵慧琴 张海洋 毛丰龙

（中国河北 071000 河北省地震局保定中心台 ）

0 引言

岩石圈磁场变化过程复杂，空间分布受地壳运动历史、地质构造、岩石物质磁化率参数等影响（中国科学院地球物理研究所第十研究室一组，1977；徐文耀，2009；陈斌等，2011）。地震前岩石温度、压力状态等因素会造成岩石圈磁场发生局部性异常变化，近年来，一些研究者利用不同方法均观测到了震磁异常现象（杨涛等，2005；顾春雷等，2012；苏树朋等，2017；郭明瑞等，2018；宋成科等，2020）。若从岩石圈磁场中提取有效震前磁异常信息，有必要加深对于磁异常分布影响因素的认识。芦山MS7.0地震前，震中周边岩石圈磁场水平矢量方向散乱且有弱化现象，但近场整体趋势一致；而景谷MS6.6地震前，震中周边水平矢量散乱，近场附近依然散乱，这可能与震中附近复杂的岩石圈结构和地质构造有关（倪喆等，2014；宋成科等，2017）。许仪西等（2017）在对福建地区岩石圈磁场特征进行研究时发现，磁异常与地质构造的分布以及地震活动间存在一定对应关系。在华北地区，岩石圈导电性结构划分与浅表构造、地貌地形基本对应（邓晋福等，2003；魏文博等，2006），根据壳幔导电性和岩石圈厚度可以将华北地区中部划分为4个电性区域，即太行山隆起以西、临清坳陷、鲁西断隆和鲁西断隆以东地区（魏文博等，2006，2008）。为进一步探究华北中部岩石圈磁场的构造相关性，本文将研究范围定在华北中部地区（34.7°—41.1°N，110.3°—119.7°E），利用覆盖以上3大结构单元的流动地磁测点矢量监测数据，分析岩石圈磁场水平矢量H和东向分量ΔY的空间分布特征与岩石圈结构间的关系。

1 数据处理

目前，流动地磁技术团队已积累了多期华北地区地磁矢量监测数据，包括观测时刻测点位置处地磁总强度F、磁偏角D、磁倾角I等三要素绝对数据，通过换算可得到其他各分量数据。本文采用2016—2019年华北中部地区（34.7°—41.1°N，110.3°—119.7°E）118个流动地磁测点（图1）的矢量观测数据，经处理得到连续3期岩石圈磁场年变化数据。对相邻2期发生过点位变动和观测中发现点位差超限可能受外界环境干扰的测点数据进行剔除，其他予以采用，因此各期差值计算中实用测点数可能略有不同。数据处理时借助测点周边7个地磁台站相关数据进行了日变通化改正以消除日变化成分，这7个台站分别是太原台、呼和浩特台、隆尧台、静海台、昌黎台、泰安台和郯城台，具体处理方法参考陈斌等（2017）、冯丽丽（2019），由此得到2016—2017、2017—2018、2018—2019年连续3期岩石圈磁场各要素年变化数据，为便于表述，对应称之第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ期。

图1 研究区流动地磁矢量测点分布Fig.1 Distribution of mobile geomagnetic observatories in the research area

2 岩石圈导电性结构特征

华北地区岩石圈导电性结构分区与浅表构造、地貌地形基本对应，盆地和平原导电性良好，造山带地区电阻率较大，地壳介质以刚性构造为主，导电性较差。通过山西文水—日照的电磁测深二维导电性剖面图（图2），可以看出各区间壳幔导电性特点和岩石圈厚度，据此可以将其划分为4个电性区域，即太行山隆起以西、临清坳陷、鲁西断隆和鲁西断隆以东地区（魏文博等，2008）。由于鲁西断隆以东地壳厚度差异不大，为更好地对比岩石圈磁场分布差异，将鲁西断隆及以东归为1个结构分区。

图2 文水—日照电磁测深二维导电性剖面（改自魏文博等，2008）Fig.2 The 2D inversion model of the Wenshui—Rizhao resistivity sounding profile

3 岩石圈磁场分布

3.1 水平矢量空间分布

图3为各期H矢量空间分布。由图3可见，第Ⅰ期H矢量在太行山隆起以西整体基本为EN向，靠近太行山隆起时方向明显反转，临清坳陷地区整体向西且能量较强，太行山山前断裂带中南部幅值高于北部，这可能与地壳厚度差异有关（徐杰等，2000），向东至鲁西断隆地区方向再次发生反转，整体转向EN，能量显著，各结构单元H矢量在空间形态上存在分区性特征，表明H矢量分布可能与岩石圈结构间有一定相关性。第Ⅱ期H矢量在空间形态上分区性特征同样较明显，在太行山隆起以西基本为EN向，靠近太行山隆起方向发生反转，太行山隆起以东临清坳陷地区能量明显较弱，整体转向WN，太行山山前断裂带中南部的趋势与北部不太一致，这可能与地壳厚度差异有关（徐杰等，2000），鲁西断隆及以东地区能量较强，整体向西，与岩石圈结构分区间对应性较好。第Ⅲ期H矢量分区性特征仍然延续，太行山隆起以西能量最强，整体趋势为WN向，靠近太行山隆起方向再次反转，临清坳陷地区整体转向EN，至鲁西断隆地区能量有所加强，方向相对散乱但整体反转。

图3 各期H矢量空间分布（a）第Ⅰ期；（b）第Ⅱ期；（c）第Ⅲ期Fig.3 Spatial distribution of the horizontal vector of 2016—2017,2017—2018,2018—2019

综上所述，3期H矢量空间分布与岩石圈结构间相关性较好。总体来说，能量高值区多位于太行山隆起以西和鲁西断隆及以东地区，太行山隆起以东临清坳陷地区能量时强时弱，靠近岩石圈结构分界附近方向多发生反转。

3.2 文水—日照ΔY剖面幅值

为对应分析各分区ΔY幅值变化特征，制作文水—日照ΔY剖面幅值变化曲线图（图4）。由图4可见，第Ⅰ期ΔY幅值从文水向东先减小后增大，在临清坳陷地区出现明显波谷即显著负异常区，正异常高值区在山西构造带中部和鲁西断隆及以东地区；第Ⅱ期ΔY在太行山隆起以东临清坳陷地区出现较小的波峰，幅值接近0，正异常高值区出现在山西构造带中部，显著负异常区出现在鲁西断隆西部，靠近2个单元分界处；第Ⅲ期整体趋势为增大—减小—增大，山西构造带中部为显著负异常区，在临清坳陷区出现明显波峰，为正异常区，但幅值不高，向东明显减小，鲁西断隆地区幅值中等，临清坳陷区向鲁西断隆过渡时出现一波谷，鲁西断隆由西向东幅值逐渐增大。总体来看，在各岩石圈结构分区ΔY幅值变化具有特征性差异，结构分界附近具有变化幅度增大或出现反转的特点，说明ΔY幅值与构造单元、岩石圈结构之间存在一定相关性。

图4 文水—日照ΔY剖面幅值分布Fig.4 The amplitude distribution of component ΔY of Wenshui—Rizhao section

3.3 主要结构单元ΔX、ΔY、ΔZ要素异常幅值统计

对3大结构单元ΔX、ΔY、ΔZ各要素克里金插值网格化数据进行统计（表1）。由表1 可见，第Ⅰ期ΔX低值出现在太行山隆起以西和临清坳陷地区，二者幅值相当，极大值出现在鲁西断隆及以东地区，高达17.50 nT，均值达10.85 nT，幅值明显高于其他地区；ΔY极大值出现在太行山隆起以西，高达15.10 nT，极小值出现在临清坳陷地区，为-16.41 nT；ΔZ极小值出现在鲁西断隆及以东地区，为-8.93 nT，极大值出现在太行山隆起以西，高达20.27 nT，均值也高于其他结构单元。第Ⅱ期ΔX极小值出现在太行山隆起以西，为-13.76 nT，异常幅度较大，极大值也出现在太行山隆起以西，相对不明显；ΔY极大值出现在太行山隆起以西，达14.28 nT，极小值出现在鲁西断隆及以东地区，为-15.47 nT，高低值均十分显著；ΔZ极小值为21.75 nT，出现在太行山隆起以西，低值相对不明显。第Ⅲ期ΔX极大值和极小值均出现在太行山隆起以西，高达13.48 nT，低至-7.25 nT，较显著；ΔY极小值同样出现在太行山隆起以西，为-19.12 nT，高值相对不明显；ΔZ极大值达21.30 nT，出现在太行山隆起以西，低值相对不明显，均值也显示太行山隆起以西异常能量最高。

表1 主要结构单元异常幅值统计（单位：nT）Table 1 Statistics of amplitude anomaly for the main structural units

3个结构单元相比，较明显的异常极大值、极小值（幅值绝对值＞5.00 nT）出现在太行山隆起以西10次，临清坳陷地区2次，鲁西断隆及以东地区4次；各区均值异常幅度明显高于其他单元的出现在太行山隆起以西5次，鲁西断隆及以东地区2次，未在临清坳陷地区出现。统计结果在一定程度上说明，太行山隆起以西近3期岩石圈磁场变化幅度最大，异常能量最强，其次为鲁西断隆及以东地区，而临清坳陷地区磁场变化相对最平稳。

4 讨论与结论

通过对3期华北中部岩石圈磁场H矢量空间分布形态、ΔY剖面幅值和主要结构单元ΔX、ΔY、ΔZ各要素异常幅值统计分析，发现岩石圈磁异常分布与岩石圈结构之间存在一定相关性，H矢量分区性明显，与结构单元间对应性较强，在结构分界位置多发生方向反转；ΔY幅值与结构单元间有一定对应关系，结构分界附近具有变化幅度增大或出现反转的特点。各结构单元ΔX、ΔY、ΔZ各要素异常幅值统计结果可在一定程度上说明近期山西构造带岩石圈磁场变化幅度较大，其次为鲁西断隆及以东地区，而临清坳陷地区相对稳定。

讨论岩石圈磁异常与岩石圈结构、地质构造间的相关性，加强对异常影响因素的认识，有助于更好地提取震磁前兆信息。岩石圈磁场变化过程复杂，在分析其相关性时，主要依据空间分布进行直观讨论，可能存在一定片面性，今后有待进一步开展定性定量的分析。