河北唐山MS5.1地震岩石圈磁场D分量异常分布和应力的关系

刘德强，王朝景，李 博，张海洋，云 萌，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

岩石圈磁场含多个场源成分，变化过程复杂，当构造变动造成岩石温度、磁化率和受力状态发生改变时，会引起局部异常现象[1-2]。近年来震磁关系研究成为地磁学的热门课题，许多学者都从不同角度发现了震磁异常现象。虽然空间和震级差异带来的震磁异常尺度特征各不相同，但震中附近和远场多存在明显性差异。目前所取得的共识主要有震中多位于岩石圈磁场要素零值线附近或高梯度带上、矢量弱化区等[3-9]，且震级大的震磁异常出现时间较早，积累时间较长，范围较大[5-6]，岩石圈结构和断裂构造等也会影响磁异常的分布[8-9]。2008年福建长泰ML4.7地震受NW向断裂主导，沿此走向的流动地磁测点数据出现同步异常。构造应力集中的情形并不只限于发震断层，在震区外围某些特殊构造也会出现，进而改变岩石介质电性参数而引起磁异常[10]。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的改变其大小[11]，芦山MS7.0地震时表现出的压磁效应距断层越近越明显[12]。2020年7月12日河北唐山古冶MS5.1地震为近年来华北地区少有的5级以上震例，据烈度分布，等震线长轴呈NEE走向。唐山地震序列的发震断层可分为不同子段，而通过对近年来震例震源机制解研究，这些子段的主压应力方向均为近EW向[13]。基于以上诸多认识，本文将对震区岩石圈磁异常特征进行分析，并尝试讨论异常分布和构造应力之间的关系，以增强对震磁异常的认识。

1 观测数据及计算方法

近年来，河北及周边地区流动地磁观测除进行每年一期的“地球物理场流动地磁观测项目”外，也会开展秋季矢量复测，每年度可取得两期矢量监测数据。野外观测可获得观测时刻测点位置的总强度F、磁偏角D和倾角I三要素绝对数据，通过换算可得到其他分量数据。本次对2019年4—9月、2019年9月至2020年4月和2019年4月至2020年4月三期岩石圈磁场变化模型进行计算，主要采用河北及周边地区93个流动地磁测点数据（图1），将相邻两期发生点位变动和可能受环境干扰的测点数据予以剔除，每期所用实测点数略有不同。

图1 河北及周边地区93个流动地磁矢量测点分布

为得到上述三期岩石圈磁场变化成分，数据处理过程如下：对周边地磁台站相关数据进行修正，并将相邻台站长时段数据进行对比，确保数据质量；采用“地磁台网泰勒多项式空间参考场”方法进行日变通化，将所有测点观测数据统一归算至日变通化零日同一时刻；利用IGRF-SV长期变模型进行长期变改正，以消除地球主磁场长期变化成分；将相邻两期长期变改正结果进行差值计算，得到岩石圈磁场变化数据。

对震区东侧岩石圈磁场D分量正异常区时间尺度进行分析时，主要采用昌黎后土桥地磁台站GM-4[2]和隆尧红山基准台GM-4[1]所记录的D分量预处理分数据。为涵盖异常出现时段，选取2019年6月1日至2019年12月31日数据，利用参考台对比法，设置两台站相关数据连续曲线起始间隔为0，做曲线形态走势对比，台站数据处理方法同上。

2 震区岩石圈磁场变化特征

2.1 D分量变化形态

对河北及周边地区93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，形成各要素空间分布图，发现古冶MS5.1地震正好位于D要素零值线上（图2a），且东侧存在一定面积的正异常区，量值近乎全区最高，超过0.75′，异常中心区位于NEE向宁河-昌黎断裂和NW向滦县-乐亭断裂交汇处附近。岩石圈磁场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，因此空间分布极不均匀，可能导致其他地区类似以上显著异常区的出现，未影响震例周边的异常形态。

为进一步分析东侧正异常区出现时段，追加计算 了2019年4—9月 和2019年9月 至2020年4月两期接近半年的岩石圈磁场变化模型，发现震区东侧D要素正异常积累主要体现在2019年4—9月，中心区量值超过1′（图2b），而同位置在2019年9月至2020年4月量值维稳（图2c）。

图2 河北及周边岩石圈磁场D分量变化形态

2.2 异常和构造应力的关系

2020年7月12日唐山古冶MS5.1地震为近年来华北地区少有的5级以上震例，震中虽位于D分量零值线上（图2a），但东侧正异常高值区出现较早，且异常中心区靠近宁河-昌黎断裂和滦县-乐亭断裂交汇处，进一步证明了断裂附近会出现异常分布的情况[13]。据烈度分布，等震线长轴呈近EW走向（河北省地震局，2020）。唐山地震序列的发震断层可分为不同子段，而通过对近年来震例震源机制解研究，这些子段的主压应力方向均为近EW向[14]，同时构造应力可以传递[15]。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的改变其大小[11]，芦山地震时则在断层附近表现出较明显的压磁效应[12]。因此考虑唐山古冶MS5.1地震在孕震时由于近EW向的主压应力传递至震区东侧两组断裂交汇处造成应力集中，形成压磁效应而引起异常现象。这和前人取得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基本一致[10]。岩石介质磁化率主轴方向和应变主轴方向存在吻合现象[16]，同时岩石圈磁场磁偏角D分量变化在空间角度上主要体现在EW方向，初步认为是EW向的主压应力造成了D分量的异常现象。但是不同类型岩石的磁化率各向异性复杂，二者之间的关系仍需进一步探讨。

2.3 昌黎后土桥地磁台站数据变化

以上分析说明，震区东侧岩石圈磁场正异常大致在2019年4月至2019年9月开始积累，限于流动地磁观测周期较长，不便对具体异常时段捕捉，因此借助正异常区内昌黎后土桥地磁台站（图1）2019年6—12月D分量预处理分数据走势形态进行分析。主要参考河北红山基准台相关数据进行对比，设置两台数据曲线起始间隔为0，发现在8月11日两曲线间隔逐渐变大，结合岩石圈磁异常区特征推断CHL台数据偏离正常幅度增大，至10月24日逐渐回落，12月16日和LYH台曲线近于重合（图3）。

图3 2019年6—12月CHL台和LYH台预处理分数据D分量连续曲线对比

综合震区东侧岩石圈磁场D分量异常出现时段和CHL台数据曲线走势，唐山MS5.1地震震磁异常现象于接近震前一年开始出现，出现时间较早，积累一段时间后大致维稳，震区东侧双向构造交汇处可能较长时间一直处于应力集中状态。

3 结论和讨论

通 过 计 算 河北 地区2019年4—9月、2019年9月至2020年4月和2019年4月至2020年4月三期岩石圈磁场变化模型，并对比昌黎后土桥地磁台和河北红山基准台2019年6—12月D分量预处理分数据走势形态，主要取得以下几方面认识：

1）2020年7月12日唐山古冶MS5.1地震正好位于2019年4月至2020年4月一年期岩石圈磁场D分量零值线上，震区东侧存在较明显的正异常区，且异常开始积累时间较早，近半年岩石圈磁场变化显示后期异常能量大致维稳；

2）综合2019年6—12月震区东侧CHL台地磁相关记录数据，发现D分量异常在接近震前一年开始积累，持续两个月之多；

3）震区东侧正异常中心区靠近宁河-昌黎断裂和滦县-乐亭断裂交汇处，考虑孕震时近EW向的主压应力传递至两组断裂交汇处造成应力集中，而产生异常积累现象，和压磁效应有关的可能性较大，初步认为D分量异常和EW向的主压应力相关，但不同类型岩石的磁化率各向异性复杂，二者之间关系需进一步探讨；

4）对于岩石圈磁异常分布和构造应力的关系主要根据空间分布和前人取得的认识进行讨论，仍需进一步定性定量的分析。研究和构造相关的磁异常特征是一种有益的探索震磁异常信息的途径，对此方面的研究有待于加强。

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的台站数据！