2022年青海门源6.9级地震前岩石圈磁场异常变化分析

张海洋,苏树朋,赵慧琴

(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.河北省地震局保定地震监测中心站,河北 保定 071000)

0 引言

根据中国地震台网测定,2022年1月8日1时45分,青海省海北藏族自治州门源回族自治县发生6.9级地震(以下简称门源地震),震中位于37.77°N,101.26°E,震源深度10 km,当地震感强烈。门源地震发生在北祁连山活动断裂带,具体位于冷龙岭断裂西北缘与托莱山断裂、肃南—祁连断裂 (俄堡段) 交汇处南部,震中距交汇处约3.7 km。历史上在该断裂带上发生过1927年古浪8.0级地震、1986年门源6.4级地震和2016年门源6.4级地震。前人研究表明,地磁场的变化与构造运动有关,随着构造应力的变化,地壳介质的磁性也会产生变化,从而引起岩石圈磁场的异常变化[1-3]。如国外地磁学者在研究震磁异常变化时发现,距离North Palm SpringsML5.9震中3 km处的地磁观测仪器记录到的同震地磁变化量为1.2 nT[4];距Loma PrietaML7.1地震30 km和50 km 的观测仪器记录到的同震地磁变化量分别为1.1 nT和0.6 nT[5],并认为该变化是由地震破裂产生的应力变化导致的。近年来,中国地震局流动地磁技术团队通过对流动地磁观测数据的精细处理和深入分析,获得了诸多震磁关系的研究成果,如地震发生前,岩石圈磁场年度变化中水平矢量的弱化区及转向区,岩石圈磁场磁偏角、总强度及磁倾角的零变线、梯度带和磁化率正、负异常变化交汇区,往往与地震震中位置有较好的对应关系[6-11]。随着越来越多的震磁异常现象被发现,地磁学者尝试利用多种震磁效应来对其进行解释。学者对2021年青海玛多MS7.4地震地磁场变化进行研究时发现,玛多地震震中位于巴颜喀拉地块地下高导体与低导体交界区的高导体区域且地下应力一直处于变化状态,表明该区域可能存在压磁效应及感应磁效应;此外,地下的裂隙水和热熔物质等的存在与否也会引起不同的震磁效应,因此推断玛多地震受多种震磁效应的综合影响,各种震磁效应的影响占比各不相同[12]。另有学者通过公式定量计算了2021年云南漾濞MS6.4地震前后压磁效应和动电效应引起的地磁场变化,发现两种磁异常机制均不能完全解释实测的磁场变化,认为可能还有其他震磁效应影响了地磁场的变化[13]。通过以上研究成果可以看出,不同地震引起的岩石圈磁场变化的异常特征并不相同,成因机制也存在较大差异。

本文以2022年门源地震为研究对象,利用青海及甘肃部分地区2020年8月、2021年8月2期的流动地磁观测资料,经数据处理获得“2020—2021”年度岩石圈磁场变化结果,通过研究各个岩石圈磁场分量的变化特征,系统分析并总结门源地震震前岩石圈磁场的变化特征,并对可能导致该变化的原因进行探讨。

1 资料来源及数据处理

1.1 数据来源

目前,中国地震局流动地磁技术团队在全国各地区每年开展一次流动地磁测量,观测数据为地磁场三分量数据(磁偏角D,磁倾角I,总强度F),并通过地磁要素间的三角函数关系获得水平分量H、东向分量Y、北向分量X及垂直分量Z的数值。计算公式为[12]:

Z=FsinI

(1)

H=FcosI

(2)

Y=HsinD

(3)

X=HcosD

(4)

青海及甘肃部分测点覆盖了北祁连山活动断裂带及其周边地区,部分测点分布如图1所示。地磁场总强度观测仪器为GSM-19T质子旋进磁力仪,其灵敏度为0.15 nT@1 Hz,分辨率为0.01 nT,绝对精度为±0.2 nT。地磁场磁偏角和磁倾角观测使用仪器为磁通门经纬仪,精度均优于0.2′。测点观测环境良好,所处场地水平和垂直梯度均小于5 nT,无电磁干扰,观测数据能够准确反映该地区的磁场特征。测点处设有固定标识,每期进行6组重复测量,取其平均值作为该测点的测值。

红色实心五角星表示地震;灰色实线表示活动断裂,红色实线表示震中附近断裂,蓝色实心圆点表示流动地磁测点.SQF:肃南—祁连断裂;TLSF:托莱山断裂;LLLF:冷龙岭断裂图1 青海及甘肃部分地区流动地磁测点及构造分布图Fig.1 Distribution of structures and geomagnetic measuring points in some areas of Qinghai and Gansu

1.2 数据处理方法

地面磁场的测量值主要包含稳定变化的主磁场、地壳磁场和随时间变化较快的变化磁场。为消除规律性变化磁场和外源磁场的影响,需要对地磁重复观测数据进行统一处理。主要的数据处理过程如下:

(1) 日变通化改正。为消除流动地磁观测数据包含的地磁场日变化等外源场影响,使测量数据能够统一进行分析,需将不同测点的观测数据通化至同一天的同一时刻。本文采用台网通化法进行日变通化,利用观测区周边多个地磁台站连续观测分钟值的数据进行函数拟合,获取日变通化空间参考场[14-15],降低了通化台选择带来的通化误差。计算公式为[12]

(5)

(2) 长期变化改正。为消除地球主磁场和研究区域磁场的变化成分,本文采用 “中国地区地磁基本场长期变化 6 阶 NOC 非线性模型”进行长期变化改正,将2期日变通化后的数据统一归算至2020.0地磁标准年代。该模型基于1995年1月1日至今的中国地区36个台站的地磁场要素H、D、Z绝对连续观测时均值作为NOC方法的目标数据,分析各能量对应的时间-空间分布特征,并确定前6阶能量成分共同表征地磁场的长期变化过程,建立该变化NOC模型[16]。计算公式为[12]:

(6)

(3) 岩石圈磁场年变化。对2020年和2021年2期长期变化改正后的数据进行差值计算,即可获得“2020—2021”岩石圈磁场年度变化数据。为获得合理可信的计算结果,对2期发生迁移和单要素异常的测点予以剔除。

结果误差主要来源于仪器安装误差、日变通化误差和长期变化误差[13,17]。每个测点均埋设永久标石,以保证每期测量在同一点位开展,在实际观测中仪器安装位置偏差不超过5 cm,因此仪器安装误差小于0.25 nT。日变通化误差可用观测点日变通化均方差表示[13],其中D的最小、最大均方差分别为0.03′和0.27′,平均为0.09′;I的最小、最大均方差分别为0.01′和0.18′,平均为0.05′;F的最小、最大均方差分别为0.06 nT和2.22 nT,平均为0.39 nT。前人使用NOC模型分析了玛多地震周边地区地磁观测长期变化误差,其中D、I和F的误差分别为0.08′、0.1′和0.75 nT[18]。本文使用该结果作为长期变化的误差。因此D、I和F结果的总误差分别为0.17′、0.15′和1.4 nT。

2 区域岩石圈磁场年变化

2.1 岩石圈磁场异常变化分析

本节以岩石圈磁场变化的水平矢量、垂直矢量及岩石圈磁场磁偏角、磁倾角、垂直分量及总强度等要素的年度变化为代表,并分别给出岩石圈磁场变化图像,系统分析并总结门源地震震前的岩石圈磁场变化特征,如图2和图3所示。

图2 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

(1) 水平矢量

由图2(a)可以看出,2020—2021年研究区内岩石圈磁场水平矢量变化幅值整体较小,仅围绕震中区域出现幅值变化增大的现象。岩石圈磁场水平矢量变化方向具有一定的分区现象,即研究区西部水平矢量变化方向较为平顺,主要以南北向和南西向为主,幅值变化较弱;研究区中部地区水平矢量变化方向稍显杂乱,由北往南看,水平矢量变化方向呈现由近东西向-南东向-近南北向逐渐转变的特征,幅值变化也由北向南增大;研究区东部地区水平矢量变化方向最为杂乱,方向变化最为集中的区域位于甘青交界处的东边缘区。

(2) 垂直矢量

由图2(b)可以看出,2020—2021年研究区内岩石圈磁场垂直矢量变化幅值也整体较小,在震中东部出现幅值变化较大现象。研究区内空间连续性或一致性较差,整体表现为南向、北向相间分布的异常特征,且西部及北部幅值变化较弱于东部和南部地区。在甘青川交界区及于甘青交界处的东边缘区出现垂直矢量幅值变化的突变区。

(3) 磁偏角

由图3(a)可以看出,2020—2021年研究区内岩石圈磁场磁偏角正、负异常变化幅值整体较大,在-0.75至+2.0′之间,在甘蒙交界处中部地区及甘青交界处西边缘南部地区分别分布有正、负异常的极值区。研究区内磁偏角正、负异常变化具有明显的分区特征,磁偏角“0”变线贯穿南北,作为正、负异常变化的分界线,在其西部主要以负异常变化为主,变化相对平缓;在其东部主要以正异常分布为主,但有零星的负异常嵌入其中,并围绕这些负异常形成磁偏角的正、负异常变化高梯级带。

图3 岩石圈磁场磁偏角、磁倾角、总强度及垂直分量等要素变化分布图Fig3 Variation distribution of magnetic declination,inclination,total intensity,and vertical component of lithosphere magnetic field

(4) 磁倾角

由图3(b)可以看出,2020—2021年研究区内岩石圈磁场磁倾角正、负异常变化幅值整体较小,在-0.5′至+1.0′之间,在甘青交界处东边缘北部地区及甘青川交界处西部地区分别分布有正、负异常的极值区。研究区内磁偏角主要以正异常变化分布为主,仅在东南部有小范围负异常分布。并围绕这些负异常形成磁倾角小规模的正、负异常变化高梯级带。

(5) 地磁总强度

由图3(c)可以看出,2020—2021年研究区内岩石圈磁场总强度正、负异常变化幅值整体较大,在-10 nT至+8 nT之间,在甘蒙交界处东边缘北部地区及甘青川交界处西部地区分别分布有正、负异常的极值区。研究区内总强度主要以负异常变化分布为主,仅在东部及北部区域有小范围正异常分布,基本沿甘青交界区分布有总强度的“0”变线,并围绕这些“0”变线形成一定规模的正、负异常变化高梯级带。

(6) 垂直分量

由图3(d)可以看出,2020—2021年研究区内岩石圈磁场垂直分量正、负异常变化幅值整体较大,在-8 nT至+12 nT之间,在甘青交界处东边缘地区及甘青川交界处西部地区分别分布有正、负异常的极值区。研究区内垂直分量正、负异常变化具有明显的分区特征,其分布形态与岩石圈磁场偏角分布类似,在其西部主要以负异常变化分布为主,变化相对平缓;在其东部主要以正异常分布为主,但有零星的负异常嵌入其中,并围绕这些负异常形成垂直分量的正、负异常变化高梯级带。

2.2 岩石圈磁场变化与门源地震的关系

由门源地震岩石圈磁场变化图像(图2～图3)可以看出:(1)震中附近岩石圈磁场水平矢量方向发生较为显著的转向特征,沿冷龙岭断裂由西向东分析,在冷龙岭断裂北部岩石圈磁场水平矢量方向主要呈现近东西向展布,在其南部岩石圈磁场水平矢量方向主要呈现近南北向展布,震中就位于水平矢量方向转换的过渡区,主要以南东向为主。岩石圈水平矢量幅值变化由北向南逐渐减小,在震中南部出现明显的弱化现象。(2)震中附近岩石圈磁场垂直矢量方向出现明显的南向、北向对冲的异常现象,并在震中东部出现幅值较大程度增大的异常变化。(3)震中位于岩石圈磁场磁偏角正异常区内,变化值约+0.35′,且在震中东部的冷龙岭断裂附近分布有磁偏角“0”变线和高梯级带分布。震中距离磁偏角“0”变线最近处48 km左右。(4)震中位于岩石圈磁场磁倾角正异常区内,变化值约+0.4′,震中东部分布有磁倾角“0”变线和正异常极值区。震中距离东部“0”变线最近74 km左右。(5)震中位于岩石圈磁场总强度负异常区内,变化值约-4.5 nT。其东部和西部均分布有总强度“0”变线,并向震中发生弯曲,在震中东部的冷龙岭断裂形成四象限分布特征。震中距离东部“0”变线最近49 km左右。(6)震中基本位于岩石圈磁场垂直分量负异常区内,变化值约-0.5 nT。震中附近分布有垂直分量“0”变线,并在震中南部处发生弯曲,在震中东部的冷龙岭断裂形成垂直分量高梯级带,震中距离“0”变线最近15 km左右。总体来看,震中附近的岩石圈磁场分量均发生了不同程度的变化,这与先前的一些研究结果一致。相对而言,震中附近岩石圈磁场水平矢量和垂直矢量的方向转变区、磁偏角、地磁总强度及垂直分量的正、负异常交界区大都集中于震中东部的冷龙岭断裂。这或许表明冷龙岭断裂为本次地震的发震断裂。

2.3 2016年门源6.4级地震与本次地震对比分析

2016年1月21日门源县区域发生了一次6.4级地震,震中位于37.65°N、101.62°E,构造上位于冷龙岭断裂西段,距本次门源6.9级地震震中约40 km。2016年门源6.4级地震发震断裂为冷龙岭断裂西北端的一条伴生断裂[19],前人依据该断裂区域岩石圈磁场小波分解研究表明,冷龙岭断裂南、北两侧磁性结构的磁化强度与埋藏深度并不均匀,东、西两段两侧磁性结构存在较大差异,相较于东段,西段两侧磁性构造差异更为显著,2016年门源6.4级地震震中位于冷龙岭断裂西段的岩石圈磁场垂直分量的正、负值转换区域的负异常区内[20]。与2016年门源6.4级地震相比,本次门源6.9级地震震中同样位于岩石圈磁场垂直分量的正、负值转换区负异常区内,岩石圈磁场水平矢量、总强度以及垂直分量在冷龙岭断裂南、北及东、西两侧表现出了显著不同的磁异常变化分布特征,这也证明了冷龙岭断裂南、北两侧及东、西两段磁性结构存在明显的非均匀性与差异性,或许说明这两次地震引起的岩石圈磁场变化由同一机制控制。

3 结论与讨论

地震通常被认为是地下应力的积累和释放所致,因此,地下介质应力状态及其变化是地震发生的关键因素[21]。门源地震震中所在的北祁连山活动断裂带作为青藏高原东北缘的边界带,受青藏地块向北东推挤的影响,祁连山整体向北东方向俯冲,同时受到北部阿拉善地块的阻挡,促使断裂带附近处于一种强烈挤压变形的构造环境,并积累了较高的地壳应力[19]。大地电磁剖面揭示出祁连—海原断裂带中西段冷龙岭断裂以北的北部祁连区域均表现为完整的不易变形的高阻结构,断裂南部为中祁连和南祁连的中低阻混合构造带[22]。在青藏高原东北缘NE向挤压作用下,同时受到北侧完整的高阻结构的阻挡作用,在冷龙岭断裂附近转化为持续、剧烈的侧向逃逸现象,导致断裂南北两侧应力、应变显著不同。GPS应变场数据研究表明,冷龙岭断裂及邻区整体向NE向移动,跨过冷龙岭断裂以北,GPS速度矢量减小,运动方向也转变为NNW向,断裂整体表现为左旋走滑运动[23]。

岩石磁学的实验室结果表明,在单轴应力作用下,岩石样品磁化强度变化与应力变化存在相反的关系,应力积累使得岩石磁化强度在应力方向上减小,应力释放使得岩石磁化强度在应力方向上增大[24]。由岩石圈磁场变化图像(图2和图3)可以看出,此次门源地震震中区域存在冷龙岭断裂北部岩石圈磁场增大,南部岩石圈磁场减小的分布特征。基于压磁效应分析,冷龙岭断裂北部应力变化主要以释放为主,其南部应力变化主要以积累为主。相关学者对龙门山断裂南段的地应力实测结果与岩石圈磁场变化量关系研究表明,应力水平变化的大小与岩石圈磁场变化量同样存在近似反向关系[25]。所以在岩石圈磁场幅值变化大的地方,如冷龙岭断裂北部地区应力变化应处于较低水平;而在岩石圈磁场幅值变化小的地方,如冷龙岭断裂南部地区应力变化应处于较高水平。本次门源地震发生于冷龙岭断裂南部地区,可能就是由于断裂南部构造应力一直处于积累状态,达到较高应力水平后,断裂滑动引起的一次地震事件。而门源地震前,冷龙岭断裂构造应力调整引起的压磁效应可能是造成震中区域岩石圈磁场异常变化的主要原因。

本文利用青海及甘肃部分地区2020年8月、2021年8月2期的流动地磁观测资料,通过分析岩石圈磁场变化的水平矢量、垂直矢量及岩石圈磁场磁偏角、磁倾角、垂直分量及总强度等要素的年度变化特征,并对导致该变化的可能性原因进行简单探讨,得出以下结论:

(1) 门源地震前,震中区域岩石圈磁场各分量具有较为明显的异常显示。具体表现为:震中区域附近岩石圈磁场变化的水平矢量具有方向转向及幅值弱化的异常现象;垂直矢量方向出现明显的南向、北向对冲的异常现象;磁偏角在震中附近具有“0”变线和高梯级带分布;总强度和垂直分量震中附近具有“0”变线分布,并在震中附近发生弯曲。岩石圈磁场异常变化现象较为集中于震中东部冷龙岭断裂或许为本次地震的发震断裂。

(2) 依据压磁效应分析,冷龙岭断裂北部岩石圈磁场强度增大,应力变化主要以释放为主,应力变化应处于较低水平;冷龙岭断裂南部岩石圈磁场强度减小,应力变化主要以积累为主,应力变化应处于较高水平。门源地震前,冷龙岭断裂构造应力调整引起的压磁效应可能是造成震中区域岩石圈磁场异常变化的主要原因。

本文仅开展了压磁效应的定性分析,门源地震前地磁场的异常变化是否完全由压磁效应产生尚需开展定量研究。因此本文尚不能排除该变化是由其他机理产生,例如是否存在深部地壳或上地幔物质的上涌侵入导致的热磁效应[26]或流体运动产生的电磁效应[27]。

致谢:本文使用了国家地磁台网中心的地磁观测数据和中国地震局流动地磁观测技术团队的数据结果,在此一并表示感谢！