有关小震震前数天震中附近岩石圈磁场Z分量异常特征

刘德强，云 萌，王朝景，李 博，张海洋，毛丰龙

（1.河北省地震局流动测量队,河北 保定 071000；2.雄安新区震灾预防中心,河北 雄安071000）

0 引言

一般来讲，岩石圈磁场变化时间尺度以地质年代来计量，短期变化量相对稳定，但在板块活动、火山喷发或者发震时会引起局部异常变化[1]。为了更好地研究地球物理场变化特征，捕捉有效震磁异常信息，对地震监测预报工作进一步提供地磁手段支撑，在中国地震局地球物理研究所的牵头下，多家单位组成的流动地磁团队开展流动地磁监测工作，目前测量范围已基本覆盖全国。通过不断地研究，诸多专家学者增强了对岩石圈磁场特征的认识[2-7]，多次发现震磁异常现象并总结规律，2005年九江-瑞昌MS5.7 地震、2012年芦山MS7.0 地震、2013年洱源MS5.5 地震、2014年鲁甸MS6.5 地震和永善MS5.0 地震、2015年新疆皮山MS6.5 地震等均有岩石圈磁场异常现象对应[4-7]。在异常判定工作中，通常以当期岩石圈磁场年变化特征对之后一年地震预报工作提供意见。目前取得的共识主要有震中多位于地磁场要素零值线附近或者等变线高梯度带间，同时近场H 矢量会出现一定程度弱化[3-9]。由于流动地磁观测数据获得周期较长，对短期临震异常有时提取不便。2020年4月13日任丘MS3.2 地震和2020年8月31日和林格尔MS3.0 地震震中邻近测点测量时间距发震间隔均较短，前者为4月2日距发震11 天，后者为8月26日距发震5 天，因此考虑对两震例震前岩石圈磁场变化异常特征进行研究，主要以Z 分量为研究对象，提取有效磁异常信息。顾春雷等[9]认为华北地区4.0～4.9 级地震震中主要和磁偏角零值线相关，5.0～5.9 级地震震中和北向分量零值线较为相关；冯丽丽[8]对南北地震带岩石圈磁场变化Z 分量进行过研究，但主要是结合5 级以上震例，发现异常时空尺度和震级具有一定正相关联系。因此，本次对Z 分量震磁特征的研究可增强对华北小震震磁异常特征的认识。

1 观测数据及计算方法

对2019年4月至2020年4月岩石圈磁场变化模型进行计算主要采用河北及周边地区共75 个测点观测数据；2020年华北地区秋季矢量复测范围涵盖首都圈和晋冀蒙关注区，共计128 个测点（图1）。将相邻两期中有过迁点和形成单点异常的测点数据剔除，对2020年4—9月岩石圈磁场变化模型计算最终采用123 个测点数据。

图1 2020年华北地区流动地磁秋季矢量复测测点分布

数据处理流程如下：收集并修正所需地磁台站连续观测分钟值数据，将相邻两台站长时段数据对比查看确保数据质量；采用“地磁台网泰勒多项式空间参考场”方法，利用测点周边的地磁台网数据对野外观测数据进行日变通化改正，获取日变通化数据集，日变通化零日选用接近当期观测中间时段的某磁静日；采用IGRF-SV 长期变模型进行长期变改正，消除地球主磁场长期变化成分，获得长期变改正数据集；将相邻两期长期变改正结果做差获得岩石圈磁场各要素变化值。

在实际岩石圈磁场变化空间分布中，小范围局部性异常可能分布于区域性正负异常区内[10-11]。因此为了更好地分析由震例引起的异常尺度，在进行消除主磁场、长期变化成分的基础上，进一步提取震中附近Z 分量局部异常成分，主要利用一阶多项式对正常空间分布进行拟合获得较合理的趋势性变化值，并将已得到的岩石圈磁场变化信息减去趋势性变化值得到局部异常成分。设Z(X,Y)为某地实际岩石圈磁场Z分量变化数值，趋势性变化值为Zi(X,Y)，Zl(X,Y)代表局部异常成分，b0、b1、b2为回归系数，则有:

2 震例分析

2.1 岩石圈磁场Z分量异常分布

通过对河北及周边地区75 个测点2019年4月至2020年4月岩石圈磁场变化模型进行计算，形成各要素变化空间分布图（图2），发现Z分量整体幅值不高，负异常高值区主要位于区西北，正异常主要分布在东北部，较为连续。

图2 2019年4月至2020年4月岩石圈磁场Z分量变化形态

2020年4月13日河北任丘发生MS3.2 地震，震前11 天获得震中南侧约45 km 邻近测点野外观测数据，结合震中位置和Z 分量异常分布，发现震中周边出现Z 分量相对高值区，正异常圈闭中心值超4 nT，测点位置正异常值约4 nT，造成以震中为中心方圆约50 km 范围内Z 分量正异常突出现象。

通过对2020年华北地区秋季矢量复测取得的123 个测点数据进行岩石圈磁场变化模型计算，形成各要素变化空间分布图（图3），发现本期Z 分量正负异常空间分布整体性较好，北部正异常近EW 向成条展开，在和林格尔附近存在高值圈闭区；中部大面积负异常区同样呈条带状近EW 向分布，东部异常能量相对明显，同样在2020年4月任丘MS3.2 地震震中附近存在较明显负异常；南部正异常高值区主要在山西中南部，范围较大。

图3 2020年4—9月岩石圈磁场Z分量变化形态

2020年8月31日和林格尔发生MS3.0 地震，震前5 天获得震中西南约30 km 的邻近测点观测数据，对应分析震中和Z 分量异常空间分布，震中周边形成明显正异常高值区，测点位置异常值约5 nT，高值区圈闭大致以测点为中心，周边约50 km 范围内异常明显，这与以上2020年4月任丘MS3.2 地震周边Z 分量异常值和范围大致相近。通过本期Z 分量异常形态可看出，任丘MS3.2 地震周边形成相对明显的负异常高值区，达到-5 nT 之多，并且可看出造成负异常现象的有多个测点，因此可排除单点观测异常影响，可能与震后地磁场形态发生恢复有关。

岩石圈磁场含有多个场源成分，在变化过程中会受岩石介质异性、构造应力状态等多种因素影响[12-13]。因此空间分布较为复杂，可能导致其他地区高量级异常区的出现，未影响震例周边的异常形态。

2.2 Z 分量局部性异常形态

通过得到的岩石圈磁场Z分量变化形态可看出，2 个震例所引起的局部异常均位于较大范围的正负异常区间内。考虑存在趋势性变化成分，为得到更合理的震磁异常值，更好地分析由震例引起的异常尺度，进一步提取了Z 分量局部异常成分。可以看出：2020年4月任丘MS3.2 地震前Z 分量局部异常能量积累大致在2～3 nT 左右（图4）；2020年8月31日和林格尔MS3.0 地震前局部异常能量同样在2～3 nT 左右（图5），异常范围与之前分析相当。

图4 2019年4月至2020年4月岩石圈磁场Z分量局部性异常分布

图5 2020年4—9月岩石圈磁场Z分量局部性异常分布

3 结论及讨论

1）2020年4月13日任丘MS3.2 地震和2020年8月31日和林格尔MS3.0 地震发生前震中附近Z 分量均出现相对明显的正异常高值区，因此考虑这种异常表现并不是由于外界其他因素造成的偶然异常现象；

2）在2020年4—9月，由岩石圈磁场Z分量空间分布图可看出，任丘MS3.2 震中附近出现相对明显的负异常区，可能和震后地磁场能量恢复有关，量值与震前异常值相当；

3）对以上2 个震例附近异常特征的研究均是建立在邻近测点观测数据的取得时段距发震时间较近的基础上，任丘震例为11 天、和林格尔震例为5 天，因此认为Z 分量异常积累时段较短的可能性较大；

4）据以上对各期Z 分量异常分布的分析，此2 个震例Z 分量震前异常值约2～3 nT 左右，异常影响范围约50 km 左右；

5）通过对有关小震震磁异常的分析，可为后期监测预报工作提供一定参考性意见。

岩石圈磁场在变化过程中受岩石介质异性、构造应力状态等多种因素影响，空间分布上极不均匀，可能导致其他地区也有高量级异常区的出现，但未影响震例周边的异常形态。本文进行数据处理分析过程中，发现Z 分量震前异常能量最强，其他要素异常特征不明显，可能和震区地质条件、发震机制等影响因素有关，对小震震磁异常表现方式的研究还有待加强。

致谢感谢流动地磁技术团队提供的宝贵观测数据和中国地磁台网中心提供的台站数据！