2020年唐山古冶5.1級地震前后巖石圈磁場異常變化分析

張海洋, 毛豐龍, 王朝景, 劉德強, 李 博

(1. 河北紅山巨厚沉積與地震災害國家野外科學觀測研究站, 河北 邢臺 054000;2. 河北省地震局保定地震監測中心站, 河北 保定 071000)

0 引言

根據中國地震臺網測定,2020年7月12日河北唐山古冶區(39.78°N,118.44°E)發生5.1級地震,震源深度10 km,當地震感強烈,北京、天津等地均有震感。震源機制解顯示,該地震具有走滑型破裂性質[1],震中位于唐山地區NE向的寧河-昌黎斷裂、豐臺-野雞坨斷裂,以及NW向的灤縣-樂亭斷裂、薊河斷裂構成的菱形斷裂體系東北部,內部發育唐山斷裂及一些隱伏斷裂,構造較為復雜[2]。1976年7月28日唐山7.8級強烈地震就發生在該斷裂體系內。許多學者利用地磁場和重力場資料對該地區的地球物理場進行了大量研究,如張永仙等[3]在唐山7.8級地震前發現了持續的重力正變化;蔣邦本等[4]利用多期野外觀測資料,觀測到唐山7.8級地震前后地磁場具有顯著的差異。

巖石圈磁場與地質結構和構造活動有關,強烈地震的孕育及發生導致地殼介質的磁性產生變化,從而引起巖石圈磁場的異常變化[5-6]。通過對巖石圈磁場的動態變化特征進行深入分析,有可能捕獲地震前兆的震磁信息。近年來,中國地震局流動地磁技術團隊在全國各地區開展流動地磁測量,并對觀測數據和測量成果進行精細處理和深入分析,獲得了很多震磁關系的研究成果:如巖石圈磁場在地震前具有一定的異常變化[7-10];巖石圈磁場異?？臻g分布與中強地震的發震地點和區域巖石圈結構相關,孕震區與非孕震區相比具有顯著的磁場差異特征[11-12];區域構造分布一定程度上控制了巖石圈磁場的變化和分布形態[13-15]。以上可以看出,基于流動地磁觀測資料分析做出的巖石圈異常變化模型與眾多地區的震例、構造具有良好的對應關系。

本文利用唐山及周邊地區2019年9月、2020年4月、2020年9月和2021年4月連續4期的流動地磁觀測資料,通過數據處理獲得“2019-09-2020-04”、“2020-04-2020-09”和“2020-09-2021-04”3期(分別對應震前、同震、震后)半年尺度的巖石圈磁場變化結果,以此系統分析古冶5.1級地震前后不同時期研究區巖石圈磁場異常變化過程及震磁關系。這對于該地區及其他地區震磁異常信息識別和地震中短期預報都具有一定的參考意義。

1 數據來源及處理方法

1.1 數據來源

目前,河北省地震局流動地磁技術團隊在每年的4月份和9月份對唐山及周邊地區開展流動地磁矢量三要素(地磁總強度F、磁偏角D、磁傾角I)測量,并通過地磁要素間的三角函數關系,獲得水平分量H、東向分量Y、北向分量X及垂直分量Z的四個要素數值。震中區域測點共有14個,平均間距約70 km,基本呈網格狀均勻分布(圖1)。測點處設有固定標識,每期進行6組重復測量,取平均值作為該測點的測值。測點觀測環境良好,無電磁干擾,觀測數據能夠準確反映該地區的磁場特征。

圖1 研究區構造及測點分布示意圖

1.2 數據處理方法

野外流動地磁觀測數據是由不同來源磁場成分疊加而成的混合場,若想獲取巖石圈磁場變化,需對觀測數據進行以下處理:

(1) 日變通化改正。為消除流動地磁觀測數據包含的地磁場日變化等外源場成分,本文利用地磁臺網通化法對數據進行日變通化改正[16],通化值選取某一磁靜日的午夜(00:00-03:00)均值。

(2) 長期變化改正。為消除觀測數據中的地球主磁場長期變化成分,采用IGRF13_SV模型方法,對兩期日變通化數據集進行長期變化改正,改正日期為上一期的日變通化日。

(3) 主磁場剝離。以IGRF-13為觀測區域地球主磁場參考場模型,用長期變化改正后數據減去相同空間坐標的主磁場模型數據,以此消除地磁內源場中的主磁場成分,從而得到當期巖石圈磁場空間分布數據模型。將相鄰兩期巖石圈磁場相減,可獲得巖石圈磁場空間變化模型。

2 區域巖石圈磁場年變化

2.1 巖石圈磁場異常變化分析

本節以巖石圈磁場變化的水平矢量(東向分量變化ΔY與北向分量變化ΔX的合成)及巖石圈磁場磁偏角、磁傾角、總強度等要素的多期半年變化為代表,分別給出其在唐山古冶5.1級地震前后的巖石圈磁場變化圖像,討論在震前、同震及震后不同時期震中區域巖石圈磁場各要素的演化過程,如圖2～5所示。

圖2 唐山古冶5.1級地震前后巖石圈磁場水平矢量變化

(1) 水平矢量

由圖2(a)可以看出,震前巖石圈磁場變化的水平矢量在震中附近出現由南向北的方向分散、轉向和小幅度的幅值弱化現象。沿灤縣-樂亭斷裂由南向北看,水平矢量方向與灤縣-樂亭斷裂走向基本一致,呈NNW向的整體趨勢;在震中附近,唐山斷裂、寧河-昌黎斷裂和灤縣-樂亭斷裂交匯處水平矢量方向發生改變,由NW向逐漸轉變為近EW向,且幅值也在震中處出現逐漸減小的特征。

由圖2(b)可以看出,同震時期巖石圈磁場變化的水平矢量在震中附近出現由南向北的匯聚現象。與震前相比,同震時期水平矢量方向在沿灤縣-樂亭斷裂走向上繼續保持NNW向的整體趨勢不變,但在唐山斷裂和豐臺-野雞坨斷裂交匯處方向由震前的NW向、近EW轉變為近SN向,在震中處出現方向匯聚的特征,這也許意味著唐山古冶5.1級地震的發震構造主要受唐山斷裂和豐臺-野雞坨斷裂控制。幅值變化也由南向北逐漸減小,震中則處于幅值變化的過渡帶。

由圖2(c)可以看出,震后時期巖石圈磁場變化的水平矢量在震中附近整體表現出方向由西向東平順展布和幅值逐漸增大的現象。與震前和同震時期相比,震后時期水平矢量方向在沿灤縣-樂亭斷裂走向上出現反轉現象,由原來的NNW向轉變為近EW向和SE向,在唐山斷裂、寧河-昌黎斷裂和灤縣-樂亭斷裂交匯處也由近EW向和近SN向逐漸向SE向轉變,在震中處水平矢量方向出現由西向東的整體趨勢及幅值逐漸增大的特征。

(2) 磁偏角

由圖3(a)可以看出,震前震中位于磁偏角減小(負)異常變化區域。研究區內磁偏角出現南負北正的分布特征,正負異常變化范圍在-0.7′ ～ +0.35′,變化均值為-0.12′,在研究區的中部和北部分別出現磁偏角的負異常變化極值區和正異常變化極值區。磁偏角“0”變線在灤縣-樂亭斷裂和寧河-昌黎斷裂交匯處向震中發生彎曲。震中位于磁偏角持續負異常變化范圍內,變化值為-0.23′,距離最近“0”變線26 km左右,周邊無高梯級帶分布。

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由圖3(b)可以看出,同震時期震中附近有磁偏角“0”變線和高梯級帶通過。從西北向東南看,研究區內磁偏角呈現正負異常變化相間分布的特點,正負異常變化范圍在-0.7′ ～ +0.45′,變化均值為-0.13′,在研究區的中部和東南部分別出現磁偏角的正異常變化極值區和負異常變化極值區。與震前相比,同震時期磁偏角變化具有減小的趨勢,在灤縣-樂亭斷裂和豐臺-野雞坨斷裂交匯處分布有磁偏角“0”變線及高梯級帶。震中位于磁偏角“0”變線附近,變化值為-0.04′,距離最近“0”變線僅4 km左右,且附近有高梯級帶分布。

由圖3(c)可以看出,震后震中位于磁偏角增大(正)異常變化區域。從西向東看,研究區內磁偏角同樣呈現正負異常變化相間分布的特點,負異常變化區主要分布于研究區的東、西兩部,正異常變化區主要分布于研究區的中部。正負異常變化范圍在-0.5′ ～ +0.7′,變化均值為+0.12′,在研究區的南部和東部分別出現磁偏角的正異常變化極值區和負異常變化極值區。與震前和同震時期相比,震后磁偏角變化具有增大的趨勢。磁偏角“0”變線在薊河斷裂處向西發生彎曲,并在其兩側形成磁偏角的正負異常變化的極值區。震中位于磁偏角持續正異常變化范圍內,變化值為+0.53′,距離最近“0”變線52 km左右,周邊無高梯級帶分布。

(3) 磁傾角

由圖4(a)可以看出,震前震中附近有磁傾角“0”變線和高梯級帶通過。研究區內磁傾角呈現西正東負的分布特征,正負異常變化范圍在-0.26′～+0.32′,變化均值為-0.03′,在研究區的西部和中部分別出現磁傾角的正異常變化極值區和負異常變化極值區。磁傾角“0”變線在唐山斷裂和豐臺-野雞坨斷裂交匯處附近向震中發生彎曲。震中位于磁傾角“0”變線附近,變化值為-0.03′,距離最近“0”變線僅6 km左右,且附近有高梯級帶分布。

由圖4(b)可以看出,同震時期震中位于磁傾角負異常變化區域。研究區內磁傾角主要分布負異常變化,異常變化范圍在-0.4′～+0.0′,變化均值為-0.19′,在研究區的東南部出現磁傾角的負異常變化極值區。與震前相比,同震時期磁傾角變化具有減小的趨勢。震中位于磁傾角負異常變化區域內,變化值為-0.16′,周邊無磁傾角“0”變線和高梯級帶分布。

由圖4(c)可以看出,震后震中位于磁傾角正異常變化區域。研究區內磁傾角主要分布正異常變化,異常變化范圍在0.0′～+0.4′,變化均值為+0.25′,在研究區的西部出現磁傾角的正異常變化極值區。與震前和同震時期相比,震后磁傾角變化具有增大的趨勢。震中位于磁傾角正異常變化區域內,變化值為+0.15′,周邊無磁傾角“0”變線和高梯級帶分布。

(4) 磁場總強度

由圖5(a)可以看出,震前震中位于磁場總強度減小(負)異常變化區域。研究區內磁場總強度主要以負異常為主,僅在研究區的西北部和東南部分布小范圍正異常,正負異常變化范圍在-4.3～+2.2 nT,變化均值為-1.23 nT,在研究區的西北部出現磁偏角的正異常變化極值區和負異常變化極值區。震中位于磁場總強度負異常變化區域內,變化值為-0.66 nT,周邊無磁場總強度“0”變線和高梯級帶分布。

圖5 唐山古冶5.1級地震前后巖石圈磁場總強度變化

由圖5(c)可以看出,震中附近具有磁場總強度“0”變線和高梯級帶通過。研究區內磁場總強度呈現東負西正的分布特征,正負異常變化范圍在-3.4～+1.8 nT,變化均值為-0.59 nT,在研究區的中部和東部分別出現磁場總強度的正異常變化極值區和負異常變化極值區。與震前和同震時期相比,震后磁場總強度變化具有減小的趨勢。磁場總強度“0”變線在灤縣-樂亭斷裂和寧豐臺-野雞坨斷裂交匯處附近向震中發生彎曲。震中位于磁場總強度“0”變線附近,變化值為+0.46 nT,距離最近“0”變線9 km左右,且附近有高梯級帶分布。

2.2 巖石圈磁場變化與古冶地震的關系

由唐山古冶5.1級地震前后半年期巖石圈磁場變化圖像(圖2～5)可以看出:(1)震中區附近地震前巖石圈磁場變化的水平矢量具有方向轉向及幅值弱化的異常變化現象,同震及震后時期水平矢量方向發生反轉,呈現“震前由震中向周邊分散→同震時期由周邊向震中匯聚發震→震后方向反轉”的時空演化過程;(2)震中區附近巖石圈磁場磁偏角存在“震前減小(負)變化→同震時期分布有磁偏角高梯級帶和“0”變線→震后增大(正)變化”的異?，F象,磁偏角“0”變線在地震前后具有逐漸向西偏移的特征;(3)震中區附近磁傾角在震前具有“0”變線和高梯級帶通過的異?，F象,同震及震后時期具有先減小后增大的變化特征;(4)震中區附近磁場總強度呈現“震前先減小-同震時期增大-震后再減小”的變化特征,震后時期有“0”變線和高梯級帶通過。

相對而言,震中附近巖石圈磁場水平矢量及巖石圈總強度在地震前后具有相對明顯的異常變化特征。

2.3 震中附近測點時序變化

為了分析唐山古冶地震前后震中附近測點的巖石圈磁場時序變化,如圖6(a)所示,選取震中周邊5個測點,對經日變通化改正、長期變化改正、主磁場剝離后的剩余的巖石圈磁場總強度值進行分析。以2019年9月總強度值為基準,各測點的數值變化時間序列如圖6(b)所示。

由圖6可以看出,震中附近各測點巖石圈磁場總強度值在地震前后的變化具有規律性,呈現“震前緩慢減小→同震時期急劇增大→震后急劇減小”的特征,變化均值在8 nT以下。2019年9月-2020年4月,震前震中附近各測點總強度值出現緩慢減小的趨勢;2020年4月-2020年9月,同震時期震中附近各測點總強度值出現急劇增大的趨勢;2020年9月-2021年4月,地震發生后震中附近各測點總強度值又出現急劇減小的反向變化,最大變化幅值達10 nT。

3 結語

本文利用唐山及周邊地區2019年9月、2020年4月、2020年9月和2021年4月連續4期的流動地磁觀測資料,分析了唐山古冶5.1級地震前后半年期的巖石圈磁場異常動態變化特征,獲得以下認識:

(1) 2020年唐山古冶5.1級地震前后震中處巖石圈磁場具有不同的異常變化特征,主要表現為:地震前巖石圈磁場變化的水平矢量具有方向轉向及幅值弱化的異常變化現象;隨著地震發生,同震及震后時期地磁場發生了恢復性的反向調整變化,在唐山斷裂和豐臺-野雞坨斷裂交匯處出現巖石圈磁場水平矢量方向轉向及幅值增大的現象?？偟膩碚f,呈現“震前由震中向周邊分散→同震時期由周邊向震中匯聚發震→震后方向反轉”的時空演化過程。

(2) 震中附近各測點巖石圈磁場總強度值在地震前后具有規律性的時序變化,均呈現“震前緩慢減小→同震時期急劇增大→震后急劇減小”的變化特征。

(3) 依據壓磁效應和斷層壓失穩模型分析,地震前后巖石圈磁場的異常變化或許是由震中附近斷裂在震前、同震及震后不同時期地應力的積累和釋放所致。

由于震中附近流動地磁測點之間的距離較大(約70 km),觀測時間間隔較長(0.5 年),所得到的信息難以全面反映出唐山古冶5.1級地震孕育和發生的過程。但本文通過對典型地震半年尺度的巖石圈磁場異常變化的研究,捕捉與孕震、發震有關的巖石圈磁場時空演化特征及震磁關系,對震磁異常信息識別和中短期預報具有一定的參考意義。

4 討論

構造磁學表明,地震活動、火山噴發等構造運動會引起局部巖石圈磁場變化。有學者通過對諸多震例震磁關系的總結分析,發現地震前巖石圈磁場變化的水平矢量在震中附近出現方向轉向和幅值弱化的現象[17],這與本文水平矢量在震中的表現具有相似性。斷層亞失穩模型指出[18],地震發生前,斷層應處于穩態,以應力積累為主;同震變形時期,斷層進入亞失穩階段,斷層整體逐漸由以應力積累為主轉變為以應力釋放為主;地震發生后一段時間內,斷層進入失穩狀態,應力在此階段快速釋放。依據壓磁效應[5,19],巖石的磁化率會隨應力變化而變化,應力積累使得巖石磁化強度在應力方向上減小,應力釋放使得巖石磁化強度在應力方向上增大。

在唐山古冶5.1級地震孕震時期,唐山斷裂、寧河-昌黎斷裂、豐臺-野雞坨斷裂和灤縣-樂亭斷裂交匯處應力一直處于積累的狀態,使得巖石磁化強度在應力方向上減小,從而造成震中區域巖石圈磁場變化的水平矢量出現方向分散、轉向和幅值弱化的現象;同震時期,隨著地震發生,應力得到釋放,地震主控斷裂唐山斷裂和豐臺-野雞坨斷裂處應力首先發生調整,巖石磁化強度在主控斷裂區域增大,導致水平矢量在這兩個斷裂交匯處轉變為方向匯聚且幅值略微增大;地震發生后,隨著應力的進一步釋放,應力調整區域增大,巖石磁化強度也進一步增大,造成灤縣-樂亭斷裂處水平矢量也出現了方向反轉、幅值變大的現象。其他巖石圈磁場變化要素與水平矢量均有一定的對應關系,猜測其他要素在地震前后的異常變化同樣與震中附近斷裂的應力變化有關。因此,震中附近主控斷裂區域應力的積累和釋放可能是導致古冶5.1級地震前后巖石圈磁場異常變化的主要原因。

致謝：本文使用了國家地磁臺網中心的地磁觀測數據、IAGA-V5的IGRF主磁場模型和中國地震局流動地磁觀測技術團隊的數據結果,在此一并表示感謝!