南北地震帶北段及周邊地區巖石圈磁場時空變化特征對地震活動的指示意義

楊 磊 陳雙貴 閆萬生 張 瑜 雷 光 楊 龍

1 甘肅省地震局,蘭州市東崗西路450號,730000 2 蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站,蘭州市東崗西路450號,730000

南北地震帶北段被認為是青藏高原東北緣的地殼邊界[1],45 Ma以來印度板塊和歐亞板塊的陸-陸碰撞導致青藏高原東緣構造變形強烈,活動斷裂發育,活動構造塊體極為復雜。南北地震帶北段是青藏高原抬升向歐亞大陸延伸的前沿部位,是高原物質向東流動的重要區域之一,也是中國大陸內部強震發生的主要地區之一,地震活動非?；钴S[2]。

研究表明,巖石圈磁場變化可在一定程度上反映巖石圈介質性質的變化,如地質構造活動、溫度、應力、巖石顆粒度等各種地球物理過程的改變[3],在某種意義上,巖石圈磁場的異常變化和地下能量的積累與釋放過程緊密聯系[4-5]。近年來,部分學者利用巖石圈磁場測量來研究局部和區域性地質塊體的地殼穩定性,并結合其他地球物理信息來了解地質過程,評估巖石圈地震活動性,建立大陸地球動力學模型[6-7]。相關研究表明,地震活動發生前后巖石圈磁場會產生相應的磁異常變化,2005年九江-瑞昌MS5.7地震和2008年汶川MS8.0地震震中位于巖石圈磁場磁偏角D和磁傾角I的0值線附近[8],2013年蘆山MS7.0地震震中位于巖石圈磁場總強度F和垂直分量Z的0值線附近[9],2021年瑪多MS7.4地震與巖石圈磁場垂直分量Z也有較為密切的聯系[10]。此外,有學者也提出強震主要發生在巖石圈磁場磁異常較弱的區域[11]。這些研究成果對于南北地震帶北段及鄰區地震前后巖石圈磁場異常變化特征的分析研究工作具有重要的參考和指導意義。

本文將采用2020～2022年2期南北地震帶北段巖石圈磁場年變化結果,對該區域巖石圈磁場異常變化特征和震磁異常識別進行分析探討。

1 數據采集與處理

通過測定南北地震帶北段2020～2022年90余個流動地磁測點的地磁基本要素(磁偏角D、磁傾角I和磁場總強度F),根據地磁要素間的三角函數關系可獲得地磁場的其他4個要素:水平分量H、東向分量Y、北向分量X及垂直分量Z,計算公式見文獻[12]。結合研究區5個地磁臺站的數據(圖1),分析該區域磁場分布特點及其與時間的變化關系,進而研究該區域巖石圈磁場的時空變化特征。

圖1 研究區流動地磁測點及臺站分布

1.1 數據采集

本次研究采用分辨率為0.01 nT、靈敏度為0.05 nT、絕對精度為±0.2 nT的GSM-19T標準質子旋進磁力儀測量磁場總強度,每次測量前后采用“交換同步測量法”對磁力儀進行校準[5],以確保儀器的穩定性和可靠性。采用分辨率為0.1′、精度為0.2′的CTM-DI型磁通門經緯儀測定磁偏角D和磁傾角I,測量前后采用高精度靜態差分GPS(水平定位精度為0.005 m+1 ppm,垂直定位精度為0.01 m+2 ppm,方位角測量精度為6″)對測點和標志點的地理方位角、經度、緯度及海拔等進行測量,以前后兩次方位角差小于0.1′為最大誤差限定。

1.2 數據處理

為獲得更為合理、精確的巖石圈磁場數據,在原始地磁觀測數據處理過程中要盡可能剔除外源場及主磁場成分,對采集的數據進行日變通化改正、長期變改正、主磁場剝離等處理來獲得當期巖石圈磁場,通過連續2期數據結果得到巖石圈磁場數據。在此基礎上,將2期長期變改正數據集進行差分計算,建立巖石圈磁場年變化模型。

本文采用的消除測量數據中規律的日變場和其他外源場成分的日變通化方法[3]可表示為:

Fsta_int_Ti=Fsta_mea_Ti-(Fobs_mea_Ti-Fobs_mea_T0)

(1)

式中,Fsta_int_Ti表示地磁要素的日變通化結果;Fsta_mea_Ti表示該地磁要素的測量值;Fobs_mea_Ti表示距測量位置最近的地磁通化參考臺該地磁要素的測量值;Fobs_mea_T0表示該地磁要素日變通化日地方時00:00～03:00距測量位置最近的地磁通化參考臺的測量均值(子夜均值)。其中,通化日需選取距測量日期較近的磁場平靜日,一般不宜超過測量日30 d。

此外,為消除采集的地磁數據集中地球主磁場長期變化成分,采用第13代國際地磁參考場模型(IGRF13)作為研究區的主參考場,利用“2015.0～2022.8中國地區地磁場非線性變化模型(NOC)”將日變通化后的數據結果統一歸算至2020.0地磁標準年代[13]。長期變化改正計算方法可表示為[12]:

Fint_Ti=Fsta_int_Ti-Δmin _Ti

(2)

式中,Fint_Ti表示地磁要素經過長期變化改正歸算至標準地磁年代的結果;Δmin _Ti表示該時間段內地磁場的長期變化值。

在上述基礎上,對2020～2022年3期相鄰數據進行差值計算,獲得2020～2021和2021～2022年巖石圈磁場變化模型,計算公式可表示為:

ΔFlith_int_Ti=Fint_Ti-Fint_nor

(3)

式中,ΔFlith_int_Ti表示地磁要素經地磁正常場剝離后所獲得的巖石圈磁場數值。

2 巖石圈磁場時空變化特征

2.1 磁偏角D

研究區2020～2022年巖石圈磁場磁偏角D值時空變化分布如圖2(a)～(b)所示,其中等值線間距為0.25′。2020～2021年磁偏角D值正、負異常變化具有明顯的分區特征,幅值變化在-1.0′～2.0′之間,研究區以正異常為主,僅在陜西北部、甘肅東部等地區存在負異常,作為劃分正、負異常的0值線主要分布在寧夏中部、甘肅東部和陜西西北部等地區。2021～2022年磁偏角D值幅值變化在-1.75′～0.75′之間,0值線穿過寧夏中南部,近東西向呈S型劃分研究區,磁偏角D的負異常變化高梯度帶主要分布在0值線北部,少量分布在研究區南部,正異常變化集中分布在0值線南部。

圖2 南北地震帶北段2020～2022年巖石圈磁場D、I、F、Z要素時空變化分布

2.2 磁傾角I

研究區2020～2022年巖石圈磁場磁傾角I值時空變化分布如圖2(c)～(d)所示,正、負異常幅值變化較小,等值線間距為0.25′。兩期磁傾角I值變化梯度帶較小,正、負異常均零星分布在研究區北部和南部。2020～2021年磁傾角I的0值線穿過寧夏中部,主要呈環狀近東西向分布。2021～2022年磁傾角I的0值線以寧夏中部為發散點,向研究區東、北、西3個方向呈環狀展布,負異常逐漸向北擴散。

2.3 總強度F

研究區2020～2022年巖石圈磁場總強度F值時空變化分布如圖2(e)～(f)所示,等值線間距為2 nT。2020～2021年總強度F值正、負異常變化具有明顯的分區特征,幅值變化在-10～10 nT之間。研究區以正異常為主,0值線沿寧夏東部、甘肅東部和南部在研究區內呈半封閉環狀分布,負異常變化在0值線內部呈高梯度帶,主要位于甘肅東部。2021～2022年總強度F幅值變化在-12～8 nT之間,正異常變化主要位于寧夏大部及其東西兩側,高梯度帶處于甘蒙寧交界處?？倧姸菷的負異常變化高梯度帶主要集中在內蒙古地區,最大值為12 nT。此外,總強度F的0值線分布范圍較廣,主要在寧夏北部呈近東西向展布,以及遍布整個研究區南部。

2.4 垂直分量Z

研究區2020～2022年巖石圈磁場垂直分量Z值時空變化分布如圖2(g)～(h)所示,等值線間距為2 nT。2020～2021年垂直分量Z值正、負異常幅值變化在-8～12 nT之間。正異常變化分布在研究區大部,0值線沿寧夏中東部、甘肅東部和甘陜交界在研究區內呈半封閉環狀分布,負異常變化主要位于0值線半封閉環狀內部,高梯度帶處于甘肅東部。2021～2022年垂直分量Z幅值變化在-8～6 nT之間,正異常變化主要位于寧夏大部及其東西兩側,高梯度帶處于甘蒙寧交界處。垂直分量Z的負異常變化高梯度帶主要集中在內蒙古地區,最大值為8 nT。此外,垂直分量Z的0值線呈半弧狀分布在研究區中部和南部,主要穿過內蒙古南部、甘肅東部和南部。

2.5 水平矢量

研究區2020～2022年巖石圈磁場水平矢量時空變化分布如圖3(a)～(b)所示,其分布特點在研究區內大致以寧夏中部東西方向為界分為上下兩個半區。2020～2021年研究區上半區水平矢量變化相對較為平緩,幅值較高且較為穩定,矢量優勢方向以南西西、近東西向為主,在寧夏北部地區存在少量的方向偏轉和幅值弱化現象;下半區水平矢量的空間連續性與一致性相對較差,整體較為散亂,無明顯優勢方向,在寧夏中部及東西兩側地區存在“對沖”現象,在寧夏南部及周邊地區幅值局部弱化明顯。2021～2022年研究區上半區水平矢量幅值較高,水平矢量的優勢方向以近南北、近東西向為主,在甘肅中部和內蒙古交界地區矢量呈“對沖”狀態,方向回轉至東西方向;下半區水平矢量的空間連續性與一致性相對較差,幅值較低,在寧夏中部及東西兩側水平矢量匯聚、轉折,幅值突變現象明顯,在寧夏與甘肅交界地區幅值局部弱化明顯,水平矢量的優勢方向在下半區中東部以近南北、北北東向為主,在下半區西部水平矢量方向雜亂,幅值降低趨勢明顯。

圖3 南北地震帶北段2020～2022年巖石圈磁場水平和垂直矢量時空變化分布

2.6 垂直矢量

研究區2020～2022年巖石圈磁場垂直矢量時空變化分布如圖3(c)～(d)所示。2020～2021年研究區垂直矢量的主體方向較為一致,均為由南向北,在寧夏中部、甘肅東部及南部地區矢量方向發生局部反轉。研究區垂直矢量幅值變化整體較小,在甘肅南部幅值弱化明顯,在寧夏中部和內蒙古中部存在局部弱化現象。2021～2022年研究區垂直矢量的主體方向較為散亂,在研究區北部和南部為由北向南,在研究區中部為由南向北,矢量方向在寧夏北部和南部及東西兩側發生明顯反轉。研究區垂直矢量幅值變化整體較小,在甘肅中南部與寧夏交界地區幅值弱化明顯,在甘肅中部、寧夏北部和內蒙古中部局部地區存在幅值弱化現象。

3 討 論

南北地震帶北段所在區域的斷裂構造主要沿大陸活動地塊邊界分布,其中沿祁連造山帶、西秦嶺造山帶以及青藏高原東北緣地帶等構造線展布的斷裂構造大致為北西、北西西、近東西向走向,其斷層性質以走滑斷層為主,部分斷層在鄂爾多斯地塊西緣匯集后向南側發生折轉。此外,沿阿拉善地塊和鄂爾多斯地塊分布的斷裂構造,其斷層性質以正斷層為主,主要環鄂爾多斯地塊西緣呈半圓形展布(圖4)。南北地震帶北段2020～2022年巖石圈磁場各要素特征顯示,磁偏角D、總強度F和垂直分量Z的正異常變化高梯度帶均轉為負異常變化高梯度帶,并且這些正負異常高梯度帶以及線性轉折端主要分布在地塊邊界和斷裂構造密集處。磁傾角I的0值線在研究區大面積展布,其展布方式大致與地塊邊界走向線一致。由此可以推斷,巖石圈磁場內因磁性物質產生、破壞和轉移而引起的磁異常變化,與研究區存在的大量復雜地質構造體,地質活動過程中地下介質特性(如孔隙度、含水量、電導率等)的改變緊密聯系。

圖4 南北地震帶北段大地構造、斷裂構造及歷史震中分布

南北地震帶北段位于青藏高原在中國大陸東北向突出的弧形拐彎處,其主應力方向與印度板塊以東北向楔入青藏高原的方向一致,而北部塔里木地塊對青藏高原東北向推移的阻擋作用,使得應力方向逐漸轉變為近東西向,這是該區域最顯著的構造背景。研究區2020～2022年巖石圈磁場矢量要素特征顯示,水平矢量幅值局部弱化及方向轉變區主要分布在阿拉善地塊南緣及以南區域,垂直矢量幅值局部弱化及方向轉變區主要分布在青藏地塊東北緣、鄂爾多斯地塊西緣和西北緣。矢量幅值和方向在地塊邊界、斷裂帶及周邊區域以及斷裂帶兩側存在明顯差異,但在斷裂帶同側具有較好的整體趨勢。巖石磁學研究表明,磁化強度會隨應力加載變化而改變,應力積累會使巖石磁化強度在應力方向上減小[14]。因此,研究區巖石圈磁場變化矢量幅值局部弱化及方向轉變區在一定程度上代表該區域地殼應力水平增強、斷裂活動極為復雜的地質條件。

通過統計近20 a以來南北地震帶北段發生的4.5級及以上淺源地震發現,這些地震基本都發生在區域內斷裂構造帶和大陸活動地塊邊界帶上,其中走滑斷層型地震占地震數量的一半以上,主要分布在青藏地塊內部的次級斷裂和次級構造單元界線、阿拉善地塊邊界帶上;其次為具有一定走滑分量的正斷層型和少量逆斷層型地震,主要分布在鄂爾多斯地塊與阿拉善地塊的匯聚接觸帶上。而根據2020～2022年巖石圈磁場成果期內發生的8起3.5級以上地震顯示(圖4),震中主要分布在阿拉善地塊中東部、青藏地塊東北緣、鄂爾多斯地塊以西以及板塊交界區域等,震中區域巖石圈磁場年變化異常特征主要表現為:磁場總強度F、磁偏角D、磁傾角I、垂直分量Z的0值線展布,水平矢量和垂直矢量的局部弱化及方向突變等。此外,內蒙古阿拉善盟地區發生的數起地震,其震中位置皆位于磁場各分量的高梯度帶上(表1)。由此可以看出,地震活動與該區域巖石圈磁場的磁異常特征具有緊密聯系,巖石圈磁異常變化對于地震活動的分析和預測具有一定的參考價值。

地球巖石圈磁場的主要特征為磁性較弱,在磁場測量中也多與其他來源的磁場重疊,磁異常的解釋不具有唯一性。因此,磁異常的完整性描述仍然需要大量地球表面和各種高度的空間密集測量來支撐巖石圈磁場數據的真實性和可靠性。

4 結 語

本文分析2020～2022年南北地震帶北段巖石圈磁場年變化特征,結合區域地質背景和地震活動,對研究區巖石圈磁場時空分布和磁異常變化進行初步探討,得出以下結論:

1)研究區巖石圈磁場磁偏角D、總強度F和垂直分量Z的正、負異常高梯度帶主要分布在地塊邊界和斷裂構造密集處,磁傾角I的0值線空間展布方向與地塊邊界走向一致,水平矢量和垂直矢量的幅值局部弱化及方向轉變區主要分布在地塊邊緣、斷裂帶及周邊區域。上述磁異常趨勢很可能與地質活動過程中地下介質特性的改變有關。

2)研究區2020～2022年發生的3.5級及以上地震的震中區域巖石圈磁場年變化異常特征表現為磁場總強度F、磁偏角D、磁傾角I、垂直分量Z的0值線展布和高梯度帶、水平矢量和垂直矢量的局部弱化及方向突變等。

3)青藏地塊東北緣、阿拉善地塊東南緣、鄂爾多斯地塊西北緣及以北地區巖石圈磁場異常特征明顯,對于這些地區的地震活動性應予以重點關注。

致謝：感謝中國地震局流動地磁團隊提供的技術支持。