河北及周边地区岩石圈磁场变化及震前异常特征

赵慧琴, 张海洋, 李 博, 王朝景, 刘德强, 毛丰龙

(河北省地震局保定地震监测中心站, 河北 保定 071000)

0 引言

地震的发生受构造运动控制,构造运动往往改变了局部岩石圈的物理特征,进而导致岩石圈磁场发生变化,岩石圈磁场异常是地球深部物理过程的重要信息来源之一[1]。

流动地磁测量的目的是研究局部地区地磁场在地震前的空间分布和时间变化特征,从而为地震预报工作服务[2]。相关专业技术人员已进行大量研究工作,并取得诸多研究成果。2004年刘高义等[3]就地震前沿地磁测线同一期各测点出现了F要素变化“同向”异常信息。陈斌等[4]分析了2009—2010年大华北地区岩石圈磁场分布情况和异常特征。顾春雷等[5]对1900年以来M4.0及以上大陆地震进行统计,探讨了华北地区岩石圈磁异常场零值线分布与中强震震中位置关系,发现MS7.0以上地震震中分布与岩石圈磁异常场磁偏角、N向分量、E向分量以及垂直分量零值线的分布位置关系密切。倪喆等[6-7]通过对鲁甸MS6.5、永善MS5.0地震前岩石圈磁场局部异常特征的分析,发现岩石圈磁场的异常持续时间、空间范围与震级大小有一定关系。徐如刚等[8]对九江MS5.7地震前地磁异常进行了分析,得出九江—瑞昌震中发生于水平分量的由低值往高值变化的拐折部位附近。

本文利用2019年度大华北秋季复测156个测点的流动地磁矢量可靠资料,对其处理后获得相邻期的岩石圈磁场半年变化,并总结了该时段内河北及其周边地区岩石圈磁场各要素的空间分布形态和变化特征。结合2019年12月3日河北怀安MS3.4和2019年12月5日河北丰南MS4.5地震,进一步分析了震前岩石圈磁场的局部变化和震前异常特征。这两次地震均发生在2019年下半年,是短期内相继发生且震中均位于大华北地区流动地磁矢量观测的测量范围内,震前该区域的流动地磁资料也观测到了一定的异常,河北省地震局2019年年终会商在该区域划定了异常区。本文对这些异常和地震的对应情况进行详细的分析和总结,以便更好地探讨流动地磁异常识别的方法,为河北省的震情跟踪和震前会商工作提供更有利的依据和参考。

1 地磁资料与数据处理

1.1 选用资料概况

2019年度大华北秋季复测共完成156个测点,测量时段为2019年8月16日—9月27日。经数据处理,获得“201909—201906”监测区岩石圈磁场的变化模型。在数据处理过程中删除11个新迁测点,最终模型计算及异常分析所采用的测点个数为145个。图1为2019年大华北地区秋季复测的156个测点分布图,覆盖吉林、辽宁、内蒙古、河北、北京、天津、内蒙、山西和山东等地的全部或部分区域。测区分布着阴山构造带、秦岭—大别山构造带、太行山断裂、张渤带、山西地震带、郯庐断裂带、鄂尔多斯地块等构造与地震活动带。2019年12月3日河北怀安MS3.4地震发生在山西地堑北缘的怀安镇盆地南断裂,2019年12月5日河北丰南MS4.5地震发生在蓟运河断裂的东段。这两次地震均位于观测区域内。

图1 河北及其周边地区地磁矢量测点和地震分布图Fig.1 Distribution of geomagnetic vector measuring points and earthquakes in Hebei and its neighbouring areas

1.2 数据处理

(1) 日变通化改正。首先对野外观测原始数据进行日变通化改正以消除地磁场的外源场部分。本期采用“地磁台网泰勒多项式空间参考场”方法(简称台网通化法)[9],利用测点周边的地磁台网连续观测分钟值数据对野外观测数据进行日变通化改正,本期数据处理地磁日变通化零日选择为2019年7月25日。

(2) 长期变改正。为消除流动地磁观测数据中所包含的地球主磁场长期变化成分,将日变通化改正后的数据统一归算至2016.0年代以消除地磁场的长期变化,其中,地磁场长期变化改正使用 “1995年1月1日—2016年9月20日中国地区地磁场非线性变化模型(NOC)”[10]。采用中国地磁参考场模型 (IGRF12) 计算研究区域的主磁场。

(3) 对201909、201906两期《长期变化改正数据集》进行差值计算,获取测区岩石圈磁场变化数据集。

(4) 对地磁矢量资料处理结果应用曲面样条方法进行空间插值,并计算磁场变化H矢量和Z矢量,获取监测区岩石圈磁场各要素变化量的空间分布图件。

2 岩石圈磁场整体空间变化特征

2.1 水平矢量的空间变化

图2(a)为201909—201906水平矢量H的半年空间变化分布图。河北省外围地区H矢量变化相对较为平缓、幅值较高,进入省内后整体变散乱,幅值明显弱化,并呈现出分区特征,具体表现为:在河北北部地区H矢量方向以近南北向为主、幅值相对较大;中部地区H矢量方向杂乱、幅值较小;南部地区H矢量方向以近东西向为主、幅值较小。空间连续性与一致性总体较差,未出现明显的H矢量汇聚、转折或幅值突变现象,且与测区内的主要地震地质构造的空间相关性不强,异常表现不明显。

图2 201909—201906岩石圈磁场水平和垂直矢量的变化分布图Fig.2 Variation distribution of horizontal and vertical vectors of lithospheric magnetic field (201909-201906)

2.2 垂直矢量的空间变化

图2(b)为201909—201906垂直矢量Z的半年空间变化分布图。在河北省北部的内蒙古、东部的辽宁地区,垂直矢量方向均呈现出自北向南的整体趋势。在山西测区呈现出自南向北的分布趋势,在山东测区垂直矢量方向呈现南向、北向交替出现。在河北省外围地区变化幅值相对较高,进入省内后整体幅值明显弱化,垂直矢量方向呈现出自北向南的整体趋势。

2.3 总强度F的空间变化

从图3(a)可看出,在河北省境内,总强度F的变化幅值在-8～+1 nT间,几乎全部表现为负异常区。磁场变化总体较为平稳,仅在河北西北及南部地区出现较高梯度带。在河北省外,除了山西测区出现了部分正异常区外,其余均表现为负异常区。

2.4 磁偏角D的空间变化

从图3(b)可看出,在河北省境内磁偏角D的总体形态表现为正、负异常相间分布,在河北西南及东北部地区分布正异常条带,在中部地区出现负异常条带,变化幅值在-0.75′～+1′间。在正、负异常区交汇处的零值线附近,集中出现了多处磁场变化的高梯级带。

图3 201909—201906岩石圈磁场F、D、Z三要素的变化分布图Fig.3 Variation distribution of three elements of lithospheric magnetic field (201909-201906)

2.5 Z要素的空间变化

图3(c)中,Z要素在河北省境内分布形态与F要素较为接近,整体表现为负异常区,变化幅值在 -6～+2 nT间。除局部地区或个别孤立单点附近地区外,未出现显著磁场变化梯级带。

3 岩石圈磁场震前异常特征分析

丰南MS4.5地震前,从图2(a)可看出,在震中附近的H矢量方向在丰台—野鸡坨断裂以北呈现近似由北向南的展布,在蓟运河断裂的中段以及唐山断裂南断,其矢量的方向出现了转向,并呈现近似由东向西的展布,此时的矢量方向垂直切割蓟运河断裂。在唐山断裂南断处水平矢量出现了显著的转向,向西偏移。从图2(b)可见,垂直矢量Z在震中附近异常变现不显著。从图3(a)总强度F变化图可以看出,震中发生负值区,并且是在负异常的高值区。图3(b)可见,在震中不远的东北方向附近有D变化零值线通过,震中发生在蓟运河断裂的东端,并且地震发生在负值的高梯级带处。从图3(c)可看出,震中发生在Z值的高值区,并且震中接近在蓟运河断裂和宁河—昌黎断裂交汇的地方。

怀安MS3.4地震前,从图2(a)可以看出,水平矢量H在怀安—万全盆地北缘断裂和天镇—阳高盆地北缘断裂处变化幅值相对较高,到怀安盆地南断裂即震中附近,出现了H矢量幅值明显弱化,并且在震中南侧的矢量方向发生了扭转。从图2(b)可见,在震中附近Z矢量的异常表现不显著。从图3(a)可以看出,在震中附近总强度F要素异常表现不显著。从图3(b)可以看出,震中附近磁倾角D存在零值线,在震中西北方向其变化量值逐渐增大。从图3(c)看到,在天镇—阳高盆地北缘断裂以南出现了Z要素幅值的高梯度带,在震中以北的怀安—万全盆地北缘断裂以北有零值线通过,震中发生在负值区,在震中附近区域变化的量级比其他区域小。

4 结论

(1) 河北及周边地区岩石圈磁场半年变的空间变化特征

H矢量在河北省外地区相对较为平顺,变化幅值相对较高,在省内整体方向散乱,幅值明显弱化。河北省北部地区相对中部和南部幅值变化相对较大。总体来看,河北及周边地区H矢量未出现明显的汇聚、转折或幅值突变的现象。Z矢量在河北省外地区变化幅值相对较高,进入省内明显弱化;Z矢量在山东测区呈现南向、北向交替分布。在河北省境内,F要素在整个测区范围几乎大部分表现为负异常区。磁场变化总体较为平稳,仅在河北西北及南部地区出现较高梯度带。在河北省外,除了山西测区出现了部分正异常区外,其余均表现为负异常区。D要素在河北省内的总体形态表现为正负异常相间分布,在河北西南及东北部出现正异常条带,在中部地区表现为负异常。并且在正负异常交汇的零值线附近出现了多处磁场变化的高梯级带。Z要素在河北省内分布形态与F要素较为接近,整体变线为负异常。

(2) 河北及其周边地区岩石圈磁场半年变的震前异常变化特征

丰南MS4.5地震前,震中发生在H矢量的转向区,总强度F负异常的高值区,D要素负异常的高梯度带上,Z值变化的较大区域。因为丰南MS4.5地震发生在2019年秋季复测的测区内,周边有多个测点,并且震中与2019年度划定的“津唐”异常区中心位置较为接近(图4),所以丰南地震震前流动地磁各要素的异常表现较为显著。

图4 2019年秋季复测半年变异常区及地震分布图Fig.4 Distribution of semiannual variation areas and earthquakes in autumn of 2019

怀安MS3.4地震前,震中发生在H矢量幅值弱化并且方向发生明显转向区,震中位于D要素的正值区并有零值线通过,位于Z要素负值的低值区。怀安MS3.4地震位于2019年度“晋冀蒙”异常区的东南部(图4),虽有多个测点支撑,但因震级相对较小,因此震前个别要素虽有异常表现,但异常特征和变化幅度均不显著。

5 认识与讨论

2019年下半年发生在河北省内的这两次地震,震前岩石圈磁场各要素均有不同程度的异常出现,但表现出的异常形式有所不同。丰南MS4.5地震震中位于水平矢量H的转向区、总强度F的高值区、磁偏角D高梯度带上。怀安MS3.4地震则发生在水平矢量幅值弱化并且方向发生明显转向区,位于磁偏角D零值线附近的正值区,Z要素幅值低值区,垂直矢量Z和总强度F异常特征不显著,主要表现为局部量级小。其他要素在这两次地震前未见明显异常出现。因此,水平矢量H、磁偏角D、Z要素以及总强度F是这两次地震前异常特征提取的重要参考要素,但不是唯一的要素[11]。 不同区域以及不同构造带上的异常情况,其表现均会有所不同[12]。通过对中小震例的对应关系来提出地磁各异常要素的表现特征及演变过程,进而研究与中强地震的关联度,这需要积累更多的观测资料和实际震例,希望归纳总结更多的异常特征为震磁研究提供更好的判定依据。