山西代县MS3.0 地震地磁异常与构造的关系

刘德强，苏树朋，赵慧琴，昝书林

（1.河北红山巨厚沉积与地震灾害国家野外科学观测研究站, 河北 邢台 054000；2.河北省地震局流动测量队, 河北 保定 071000）

0 引言

地震发生前由于岩石介质温压、应力状态、磁化率等的改变[1-3]，在近场范围会出现岩石圈磁异常现象，有别于远场特征[4]，为地磁研究提供了辨别震磁异常信息的依据。目前已有许多专家学者观测到了震磁异常现象并进行了研究，近年来流动地磁监测工作为研究岩石圈磁场变化特征和震磁异常特征提供了可靠的数据支撑，据此已有的共识主要有震中多位于地磁要素零值线附近、高梯度带间或矢量弱化区附近[4-7]。岩石圈磁场变化与岩石圈结构具有相关性[8]，同时孕震作用会对沿发震断层走向分布的岩石圈磁场分布造成影响，这与应力状态的改变有关，震区外围特殊的地质构造也可能由于应力的集中引起异常现象[9]，加强对岩石圈磁异常影响因素的认识，有助于更好地进行地磁异常判定工作。

晋北地区活动断裂广泛分布，构造应力状态复杂[10]，构造应力场数值模拟结果显示研究区处于高值状态[11]，断层活动性研究结果表明受NW 向拉张应力影响的大同盆地有发生中强震的可能[12]。虽然岩石介质剩余磁化强度受应力的变化过程复杂，但压磁效应都会不同程度地改变其大小[13-15]。2019 年9 月13 日山西代县发生MS3.0 地震，震源深度较浅，周边盆地松软沉积层较厚，因此震中附近还是有较强的震感。GNSS 数据研究结果表明，震中周边分布的恒山北麓断裂、恒山南麓断裂和五台山北麓断裂等具有较强的活动水平[16]，说明此次发震与断裂带应力积累有关。本文将利用磁测数据分析其伴随的震磁异常现象并讨论磁异常分布和断裂构造可能存在的宏观联系，以增强对地震地磁关系的认识。

1 观测数据及计算方法

近年来，中国地震局第一监测中心和河北省地震局联合在晋冀蒙交界及周边地区开展着每年2 期的总强度加密监测，本文主要利用山西东北部26 个总强度测点（图1）2019 年2 期数据进行岩石圈磁场变化模型计算。这些测点第1 期观测时段集中于4 月3—11 日，第2 期集中于8 月10—16 日。总强度野外观测使用2 台GSM-19T 质子旋进磁力仪分别在主副桩上取得3 组数据，每组10 个连续读数，取算术平均值，并进行仪器差改正得到主桩观测时刻总强度F 绝对数值。仪器分辨率为0.01 nT，每期出测前均进行仪器比测，保证测点观测环境良好，数据质量可靠。

图1 研究区流动地磁总强度测点分布Fig.1 The distribution of mobile geomagnetic total intensity measuring points in the study area

数据处理主要步骤有：①利用周边观测质量较好的地磁台站预处理分数据对野外观测数据进行日变通化改正以消除日变化成分，统一归算至当期观测时段邻近的某磁静日0—3 时，2 期日变通化日分别为4 月15 日和8 月3 日，通化台站包括呼和浩特台、静海台和隆尧台，主要依据距离邻近原则分配，仪器型号分别为GM-4[2]、FHDZ-M15[1]和GM-4[1]，台站原始数据均进行了无效数据修正和平滑连接，保证通化结果的可靠性；②利用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；③将相邻两期长期变改正数据集做差得到2019 年4—8 月岩石圈磁场总强度变化数据。震中靠近加密区西侧，处理过程中借助震中西侧邻近的3 个流动地磁矢量测点数据进行计算，处理流程类似，可参考陈斌等[3]和冯丽丽[6]的处理方法。

2 岩石圈磁场F 特征

2.1 空间分布

整体上看，岩石圈磁场总强度F 变化形态在区内基本以南正北负格局分布，代县MS3.0 地震震中刚好位于零值线上，震中东侧沿恒山北麓断裂分布能量显著的负异常区（图2），走向NE，与断裂一致。由于岩石圈磁场短期变化相对平稳，幅度不大，若取所有测点F 变化绝对值的平均值2.25 nT 为标准判断异常程度，则发现震区周边靠近断裂的测点均具有较强的异常能量，仅N7 测点F 变化绝对值低于平均水平，但此点形成了零散的反向正异常，表现出一定程度的构造相关性。

图2 2019 年4 月至8 月岩石圈磁场F 变化形态Fig.2 The variation of lithospheric magnetic field F from April to August 2019

2.2 震区外围测点F 变化值

为进一步讨论活动断裂对局部异常分布的影响，选取震区外围9 个测点，主要靠近五台山北麓、恒山北麓、恒山南麓和六棱山北麓4 条活动断裂，其中恒山北麓断裂为主要发震断层。沿恒山北麓断裂分布的N3、N5、N8 测点距断裂均很近，N3 测点距其垂直距离约2.3 km（表1），N5 测点约6.2 km，N8 测点约3.8 km。对测点岩石圈磁场F 实际变化值进行对比分析发现，3 个测点F 异常绝对值在3～5 nT 左右，也正是由此3 个测点加上N4 测点构成了显著负异常区。

表1 震区外围测点F 异常值Table 1 The abnormal F value of measuring point in the periphery of the earthquake area

N1、N4、N6 和N7 测点虽距发震断层较远但距外围其他断裂较近，N1 测点距恒山南麓断裂垂直距离约5.5 km，N4 测点距五台山北麓断裂约5.2 km，N6 测 点 约3.7 km，N7 测 点 距 六 棱 山 北 麓 断 裂 仅2.3 km（表1）。此4 个测点F 幅值异常明显，N1、N4、N6 变化绝对值同样在3～5 nT 左右，N7 测点变化值相对不高但为负异常背景下的单个正值点，可见震区外围断裂也会引起异常分布。

N2 和N9 测点距邻近的断裂较远，10 km 以上，F 变化幅度明显较小，分别为0.45 nT 和0.98 nT，变幅与距活动断裂的距离有明显相关性。

2.3 岩石圈磁异常与构造的关系

研究区位于大同盆地的边缘，从中生代到新生代，构造应力状态共经历了挤压—伸展—挤压—伸展4 个阶段[17-18]。区内构造格架主要由NE-NEE 向断裂构成，多为高倾角正断层，区域上主要受NW 向拉张作用影响，地壳运动也在山西断陷带北部表现出明显的差异性，具有特殊岩桥构造特性的恒山-太白维山地块，成为区域地壳运动的相对不动点；北区地块向NW 向伸展，断块上盘为主动块体，而南区则向SE 向伸展；断块下盘为主动块体，水平运动方向和断裂倾向相反，给应变能的积累提供了优势[10]。近年来，恒山北麓断裂附近区域张性运动显著[16]，周边构造应力场数值模拟结果显示处于高值状态[11]，因此代县MS3.0 地震的发生和应变能积累有关的可能性较大，应力集中形成的压磁效应很有可能从一定程度上改变了岩石剩磁强度[13-15]，影响了磁异常分布。

震区东侧的显著负异常区沿恒山北麓断裂分布，邻近发震断层的测点异常能量较强，可见异常受断裂控制明显。靠近五台山北麓、恒山北麓、恒山南麓和六棱山北麓4 条活动断裂的测点幅值异常同样明显，说明震区外围其他断裂也存在应力状态变化，从而引起局部异常的出现。这和前人通过研究得到的“发震会造成沿断裂走向的测点数据异常以及在孕震区外其他特殊构造部位也会发生应力和电磁参数变化”的观点一致[9]。同时，外围距邻近断裂较远的测点幅值变化不明显，表现出较明显的构造相关性。

3 结论及讨论

2019 年9 月13 日山西代县发生MS3.0 地震，利用震区及周边26 个流动地磁总强度测点和3 个矢量测点数据，经处理得到了2019 年4—8 月岩石圈磁场F 变化特征，并分析了异常与构造的关系。

1）震中刚好位于岩石圈磁场变化空间分布零值线上，这与以往研究得到的结果一致，可能与震中处于粘滑失稳前由应力积累转变为应力释放的相持阶段有关，幅值变化不明显。

2）发震断层和震区外围部分断裂均对磁异常分布具有明显影响，说明其他断裂也存在应力状态改变的现象，晋北局部地区存在复杂的应力场背景。由于其本身多样的构造环境，因此伴随在断裂附近的地磁异常应引起关注。

3）活动断裂附近分布的明显局部异常并不一定表现出正负同向，但变化幅值绝对值均较高，可能与岩石介质磁化强度受应力影响的复杂性有关，也可能由于不同的断裂段应力状态不同，存在应力集中、维稳、释放等，具体影响因素有待进一步定性研究。震区外围距邻近断裂较远的测点幅值变化不明显，表现出较明显的构造相关性。

晋北局部地区岩石圈磁场在宏观上表现出一定程度的压磁效应，讨论构造应力状态对异常分布的影响，是一种有益的探索震磁信息的途径，尤其是和华北地区小震有关的异常现象，可增强对震磁异常特征的认识。由于观测数据获得周期较长等原因，对于异常尺度的研究有待加强，同时对于震中位于异常零值线附近代表何种物理意义仍需进一步讨论。

致谢感谢中国地震局地球物理研究所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！