南北地震带北段及周边地区岩石圈磁场时空变化特征对地震活动的指示意义

杨 磊 陈双贵 闫万生 张 瑜 雷 光 杨 龙

1 甘肃省地震局,兰州市东岗西路450号,730000 2 兰州地球物理国家野外科学观测研究站,兰州市东岗西路450号,730000

南北地震带北段被认为是青藏高原东北缘的地壳边界[1],45 Ma以来印度板块和欧亚板块的陆-陆碰撞导致青藏高原东缘构造变形强烈,活动断裂发育,活动构造块体极为复杂。南北地震带北段是青藏高原抬升向欧亚大陆延伸的前沿部位,是高原物质向东流动的重要区域之一,也是中国大陆内部强震发生的主要地区之一,地震活动非常活跃[2]。

研究表明,岩石圈磁场变化可在一定程度上反映岩石圈介质性质的变化,如地质构造活动、温度、应力、岩石颗粒度等各种地球物理过程的改变[3],在某种意义上,岩石圈磁场的异常变化和地下能量的积累与释放过程紧密联系[4-5]。近年来,部分学者利用岩石圈磁场测量来研究局部和区域性地质块体的地壳稳定性,并结合其他地球物理信息来了解地质过程,评估岩石圈地震活动性,建立大陆地球动力学模型[6-7]。相关研究表明,地震活动发生前后岩石圈磁场会产生相应的磁异常变化,2005年九江-瑞昌MS5.7地震和2008年汶川MS8.0地震震中位于岩石圈磁场磁偏角D和磁倾角I的0值线附近[8],2013年芦山MS7.0地震震中位于岩石圈磁场总强度F和垂直分量Z的0值线附近[9],2021年玛多MS7.4地震与岩石圈磁场垂直分量Z也有较为密切的联系[10]。此外,有学者也提出强震主要发生在岩石圈磁场磁异常较弱的区域[11]。这些研究成果对于南北地震带北段及邻区地震前后岩石圈磁场异常变化特征的分析研究工作具有重要的参考和指导意义。

本文将采用2020～2022年2期南北地震带北段岩石圈磁场年变化结果,对该区域岩石圈磁场异常变化特征和震磁异常识别进行分析探讨。

1 数据采集与处理

通过测定南北地震带北段2020～2022年90余个流动地磁测点的地磁基本要素(磁偏角D、磁倾角I和磁场总强度F),根据地磁要素间的三角函数关系可获得地磁场的其他4个要素:水平分量H、东向分量Y、北向分量X及垂直分量Z,计算公式见文献[12]。结合研究区5个地磁台站的数据(图1),分析该区域磁场分布特点及其与时间的变化关系,进而研究该区域岩石圈磁场的时空变化特征。

图1 研究区流动地磁测点及台站分布

1.1 数据采集

本次研究采用分辨率为0.01 nT、灵敏度为0.05 nT、绝对精度为±0.2 nT的GSM-19T标准质子旋进磁力仪测量磁场总强度,每次测量前后采用“交换同步测量法”对磁力仪进行校准[5],以确保仪器的稳定性和可靠性。采用分辨率为0.1′、精度为0.2′的CTM-DI型磁通门经纬仪测定磁偏角D和磁倾角I,测量前后采用高精度静态差分GPS(水平定位精度为0.005 m+1 ppm,垂直定位精度为0.01 m+2 ppm,方位角测量精度为6″)对测点和标志点的地理方位角、经度、纬度及海拔等进行测量,以前后两次方位角差小于0.1′为最大误差限定。

1.2 数据处理

为获得更为合理、精确的岩石圈磁场数据,在原始地磁观测数据处理过程中要尽可能剔除外源场及主磁场成分,对采集的数据进行日变通化改正、长期变改正、主磁场剥离等处理来获得当期岩石圈磁场,通过连续2期数据结果得到岩石圈磁场数据。在此基础上,将2期长期变改正数据集进行差分计算,建立岩石圈磁场年变化模型。

本文采用的消除测量数据中规律的日变场和其他外源场成分的日变通化方法[3]可表示为:

Fsta_int_Ti=Fsta_mea_Ti-(Fobs_mea_Ti-Fobs_mea_T0)

(1)

式中,Fsta_int_Ti表示地磁要素的日变通化结果;Fsta_mea_Ti表示该地磁要素的测量值;Fobs_mea_Ti表示距测量位置最近的地磁通化参考台该地磁要素的测量值;Fobs_mea_T0表示该地磁要素日变通化日地方时00:00～03:00距测量位置最近的地磁通化参考台的测量均值(子夜均值)。其中,通化日需选取距测量日期较近的磁场平静日,一般不宜超过测量日30 d。

此外,为消除采集的地磁数据集中地球主磁场长期变化成分,采用第13代国际地磁参考场模型(IGRF13)作为研究区的主参考场,利用“2015.0～2022.8中国地区地磁场非线性变化模型(NOC)”将日变通化后的数据结果统一归算至2020.0地磁标准年代[13]。长期变化改正计算方法可表示为[12]:

Fint_Ti=Fsta_int_Ti-Δmin _Ti

(2)

式中,Fint_Ti表示地磁要素经过长期变化改正归算至标准地磁年代的结果;Δmin _Ti表示该时间段内地磁场的长期变化值。

在上述基础上,对2020～2022年3期相邻数据进行差值计算,获得2020～2021和2021～2022年岩石圈磁场变化模型,计算公式可表示为:

ΔFlith_int_Ti=Fint_Ti-Fint_nor

(3)

式中,ΔFlith_int_Ti表示地磁要素经地磁正常场剥离后所获得的岩石圈磁场数值。

2 岩石圈磁场时空变化特征

2.1 磁偏角D

研究区2020～2022年岩石圈磁场磁偏角D值时空变化分布如图2(a)～(b)所示,其中等值线间距为0.25′。2020～2021年磁偏角D值正、负异常变化具有明显的分区特征,幅值变化在-1.0′～2.0′之间,研究区以正异常为主,仅在陕西北部、甘肃东部等地区存在负异常,作为划分正、负异常的0值线主要分布在宁夏中部、甘肃东部和陕西西北部等地区。2021～2022年磁偏角D值幅值变化在-1.75′～0.75′之间,0值线穿过宁夏中南部,近东西向呈S型划分研究区,磁偏角D的负异常变化高梯度带主要分布在0值线北部,少量分布在研究区南部,正异常变化集中分布在0值线南部。

图2 南北地震带北段2020～2022年岩石圈磁场D、I、F、Z要素时空变化分布

2.2 磁倾角I

研究区2020～2022年岩石圈磁场磁倾角I值时空变化分布如图2(c)～(d)所示,正、负异常幅值变化较小,等值线间距为0.25′。两期磁倾角I值变化梯度带较小,正、负异常均零星分布在研究区北部和南部。2020～2021年磁倾角I的0值线穿过宁夏中部,主要呈环状近东西向分布。2021～2022年磁倾角I的0值线以宁夏中部为发散点,向研究区东、北、西3个方向呈环状展布,负异常逐渐向北扩散。

2.3 总强度F

研究区2020～2022年岩石圈磁场总强度F值时空变化分布如图2(e)～(f)所示,等值线间距为2 nT。2020～2021年总强度F值正、负异常变化具有明显的分区特征,幅值变化在-10～10 nT之间。研究区以正异常为主,0值线沿宁夏东部、甘肃东部和南部在研究区内呈半封闭环状分布,负异常变化在0值线内部呈高梯度带,主要位于甘肃东部。2021～2022年总强度F幅值变化在-12～8 nT之间,正异常变化主要位于宁夏大部及其东西两侧,高梯度带处于甘蒙宁交界处。总强度F的负异常变化高梯度带主要集中在内蒙古地区,最大值为12 nT。此外,总强度F的0值线分布范围较广,主要在宁夏北部呈近东西向展布,以及遍布整个研究区南部。

2.4 垂直分量Z

研究区2020～2022年岩石圈磁场垂直分量Z值时空变化分布如图2(g)～(h)所示,等值线间距为2 nT。2020～2021年垂直分量Z值正、负异常幅值变化在-8～12 nT之间。正异常变化分布在研究区大部,0值线沿宁夏中东部、甘肃东部和甘陕交界在研究区内呈半封闭环状分布,负异常变化主要位于0值线半封闭环状内部,高梯度带处于甘肃东部。2021～2022年垂直分量Z幅值变化在-8～6 nT之间,正异常变化主要位于宁夏大部及其东西两侧,高梯度带处于甘蒙宁交界处。垂直分量Z的负异常变化高梯度带主要集中在内蒙古地区,最大值为8 nT。此外,垂直分量Z的0值线呈半弧状分布在研究区中部和南部,主要穿过内蒙古南部、甘肃东部和南部。

2.5 水平矢量

研究区2020～2022年岩石圈磁场水平矢量时空变化分布如图3(a)～(b)所示,其分布特点在研究区内大致以宁夏中部东西方向为界分为上下两个半区。2020～2021年研究区上半区水平矢量变化相对较为平缓,幅值较高且较为稳定,矢量优势方向以南西西、近东西向为主,在宁夏北部地区存在少量的方向偏转和幅值弱化现象;下半区水平矢量的空间连续性与一致性相对较差,整体较为散乱,无明显优势方向,在宁夏中部及东西两侧地区存在“对冲”现象,在宁夏南部及周边地区幅值局部弱化明显。2021～2022年研究区上半区水平矢量幅值较高,水平矢量的优势方向以近南北、近东西向为主,在甘肃中部和内蒙古交界地区矢量呈“对冲”状态,方向回转至东西方向;下半区水平矢量的空间连续性与一致性相对较差,幅值较低,在宁夏中部及东西两侧水平矢量汇聚、转折,幅值突变现象明显,在宁夏与甘肃交界地区幅值局部弱化明显,水平矢量的优势方向在下半区中东部以近南北、北北东向为主,在下半区西部水平矢量方向杂乱,幅值降低趋势明显。

图3 南北地震带北段2020～2022年岩石圈磁场水平和垂直矢量时空变化分布

2.6 垂直矢量

研究区2020～2022年岩石圈磁场垂直矢量时空变化分布如图3(c)～(d)所示。2020～2021年研究区垂直矢量的主体方向较为一致,均为由南向北,在宁夏中部、甘肃东部及南部地区矢量方向发生局部反转。研究区垂直矢量幅值变化整体较小,在甘肃南部幅值弱化明显,在宁夏中部和内蒙古中部存在局部弱化现象。2021～2022年研究区垂直矢量的主体方向较为散乱,在研究区北部和南部为由北向南,在研究区中部为由南向北,矢量方向在宁夏北部和南部及东西两侧发生明显反转。研究区垂直矢量幅值变化整体较小,在甘肃中南部与宁夏交界地区幅值弱化明显,在甘肃中部、宁夏北部和内蒙古中部局部地区存在幅值弱化现象。

3 讨 论

南北地震带北段所在区域的断裂构造主要沿大陆活动地块边界分布,其中沿祁连造山带、西秦岭造山带以及青藏高原东北缘地带等构造线展布的断裂构造大致为北西、北西西、近东西向走向,其断层性质以走滑断层为主,部分断层在鄂尔多斯地块西缘汇集后向南侧发生折转。此外,沿阿拉善地块和鄂尔多斯地块分布的断裂构造,其断层性质以正断层为主,主要环鄂尔多斯地块西缘呈半圆形展布(图4)。南北地震带北段2020～2022年岩石圈磁场各要素特征显示,磁偏角D、总强度F和垂直分量Z的正异常变化高梯度带均转为负异常变化高梯度带,并且这些正负异常高梯度带以及线性转折端主要分布在地块边界和断裂构造密集处。磁倾角I的0值线在研究区大面积展布,其展布方式大致与地块边界走向线一致。由此可以推断,岩石圈磁场内因磁性物质产生、破坏和转移而引起的磁异常变化,与研究区存在的大量复杂地质构造体,地质活动过程中地下介质特性(如孔隙度、含水量、电导率等)的改变紧密联系。

图4 南北地震带北段大地构造、断裂构造及历史震中分布

南北地震带北段位于青藏高原在中国大陆东北向突出的弧形拐弯处,其主应力方向与印度板块以东北向楔入青藏高原的方向一致,而北部塔里木地块对青藏高原东北向推移的阻挡作用,使得应力方向逐渐转变为近东西向,这是该区域最显著的构造背景。研究区2020～2022年岩石圈磁场矢量要素特征显示,水平矢量幅值局部弱化及方向转变区主要分布在阿拉善地块南缘及以南区域,垂直矢量幅值局部弱化及方向转变区主要分布在青藏地块东北缘、鄂尔多斯地块西缘和西北缘。矢量幅值和方向在地块边界、断裂带及周边区域以及断裂带两侧存在明显差异,但在断裂带同侧具有较好的整体趋势。岩石磁学研究表明,磁化强度会随应力加载变化而改变,应力积累会使岩石磁化强度在应力方向上减小[14]。因此,研究区岩石圈磁场变化矢量幅值局部弱化及方向转变区在一定程度上代表该区域地壳应力水平增强、断裂活动极为复杂的地质条件。

通过统计近20 a以来南北地震带北段发生的4.5级及以上浅源地震发现,这些地震基本都发生在区域内断裂构造带和大陆活动地块边界带上,其中走滑断层型地震占地震数量的一半以上,主要分布在青藏地块内部的次级断裂和次级构造单元界线、阿拉善地块边界带上;其次为具有一定走滑分量的正断层型和少量逆断层型地震,主要分布在鄂尔多斯地块与阿拉善地块的汇聚接触带上。而根据2020～2022年岩石圈磁场成果期内发生的8起3.5级以上地震显示(图4),震中主要分布在阿拉善地块中东部、青藏地块东北缘、鄂尔多斯地块以西以及板块交界区域等,震中区域岩石圈磁场年变化异常特征主要表现为:磁场总强度F、磁偏角D、磁倾角I、垂直分量Z的0值线展布,水平矢量和垂直矢量的局部弱化及方向突变等。此外,内蒙古阿拉善盟地区发生的数起地震,其震中位置皆位于磁场各分量的高梯度带上(表1)。由此可以看出,地震活动与该区域岩石圈磁场的磁异常特征具有紧密联系,岩石圈磁异常变化对于地震活动的分析和预测具有一定的参考价值。

地球岩石圈磁场的主要特征为磁性较弱,在磁场测量中也多与其他来源的磁场重叠,磁异常的解释不具有唯一性。因此,磁异常的完整性描述仍然需要大量地球表面和各种高度的空间密集测量来支撑岩石圈磁场数据的真实性和可靠性。

4 结 语

本文分析2020～2022年南北地震带北段岩石圈磁场年变化特征,结合区域地质背景和地震活动,对研究区岩石圈磁场时空分布和磁异常变化进行初步探讨,得出以下结论:

1)研究区岩石圈磁场磁偏角D、总强度F和垂直分量Z的正、负异常高梯度带主要分布在地块边界和断裂构造密集处,磁倾角I的0值线空间展布方向与地块边界走向一致,水平矢量和垂直矢量的幅值局部弱化及方向转变区主要分布在地块边缘、断裂带及周边区域。上述磁异常趋势很可能与地质活动过程中地下介质特性的改变有关。

2)研究区2020～2022年发生的3.5级及以上地震的震中区域岩石圈磁场年变化异常特征表现为磁场总强度F、磁偏角D、磁倾角I、垂直分量Z的0值线展布和高梯度带、水平矢量和垂直矢量的局部弱化及方向突变等。

3)青藏地块东北缘、阿拉善地块东南缘、鄂尔多斯地块西北缘及以北地区岩石圈磁场异常特征明显,对于这些地区的地震活动性应予以重点关注。

致谢：感谢中国地震局流动地磁团队提供的技术支持。