甘肅青海部分地區(qū)流動地磁場時空分布特征

張 瑜 陳雙貴 閆萬生 雷 光 楊 磊 楊 龍 馬輝源 肖世堂 董興洲 岳 敏

1 甘肅省地震局，蘭州市東崗西路450號，730000

流動地磁觀測主要指應用磁力儀在監(jiān)測區(qū)部署高密度重復性測點，定期獲取年度監(jiān)測資料，分析監(jiān)測區(qū)域的地磁各要素異常信息，進而探討流動地磁場要素異常變化與地震的關系，給出監(jiān)測區(qū)域的地震預測意見。近年來，流動地磁觀測取得了一定的研究成果[1-4]，但部分強震預測效果仍不理想。例如瑪多MS7.4強震，該區(qū)域地下結(jié)構(gòu)復雜、震中周邊地區(qū)測點分布密度較小、測量周期較長，導致預測結(jié)果不理想。因此有必要在小范圍內(nèi)對震中周邊連續(xù)數(shù)年的流動地磁數(shù)據(jù)資料進行精細化分析，深入探討地磁場(主要是巖石圈磁場)分量與地震的相關性，為地區(qū)未來地震預測提供震例分析。

本文主要利用甘肅青海部分地區(qū)2019～2021年流動地磁三分量數(shù)據(jù)，分析該區(qū)域基本磁場和巖石圈磁場的時空分布特征，并探討磁場與中強震的關系。

1 測點介紹

本文流動地磁場矢量測點范圍為33°～39°N、96°～104°E，2019年和2020年有85個測點，2021年有90個測點(圖1)。研究區(qū)西部環(huán)境惡劣，測點較為稀疏，部分測點于2021-05-22瑪多MS7.4地震后布設；研究區(qū)東部測點較為密集，平均間距約為70 km，重復測量時間為1 a。由于受到環(huán)境、氣候等因素影響，甘肅南部、四川北部等少數(shù)測點的測量工作在上半年完成，其余大部分測點的測量工作均在下半年完成，即研究區(qū)域大部分測點的測量工作均在2021-05-22瑪多MS7.4地震后、2022-01-09門源MS6.9地震前完成。

圖1 測點分布Fig.1 Distribution of measuring points

2 野外地磁三分量測量及數(shù)據(jù)處理

目前流動地磁野外測量主要針對的是測點地磁矢量的絕對值，包括測點總強度F、磁偏角D和磁傾角I。首先測量測點總強度梯度值；然后測量主副點點位差及儀器差；接著測量第一次GPS方位角，架設CTM-DI磁力儀及G-856質(zhì)子旋進磁力儀，人工讀取6組F、D、I測量值；最后測量第二次GPS方位角。觀測精度要求為：測點水平梯度值不超過3 nT/m，垂直梯度值不超過5 nT/m，相鄰2期測量的主副點點位差不超過1.5 nT，2次GPS方位角誤差小于6"，每組測量時間為4～9 min，F(xiàn)、D、I日變通化后均方差δF≤1.5 nT、δD≤0.5′、δI≤0.5′。

按照上述步驟可以得到各測點地磁場矢量F、D、I的絕對值，包括外源場及內(nèi)源場。為消除外源場及規(guī)則的日變化對地磁場的影響，將不同時間的測量結(jié)果統(tǒng)一到同一時間域上。本文采用“臺網(wǎng)參照法”對原始數(shù)據(jù)進行日變通化，該方法避免了“單臺參照法”中因通化參考臺的局部干擾以及通化參考臺周邊區(qū)域地磁場空間不完全連續(xù)而引起的誤差。基本思路為：測點地磁要素t時刻的測量值F(t)與其通化值F之差應該與參考臺網(wǎng)t時刻對應的擬合值F0(t)與F0之差相等[5]，即

F(t)-F=F0(t)-F0

(1)

對日變通化改正后的觀測數(shù)據(jù)進行長期變化改正。利用曲面樣條計算方法建立“地磁基本場曲面樣條模型”,用曲面樣條方法表示區(qū)域地磁基本場的分布函數(shù)[6-8]為：

(2)

式中，W(x,y)為(x,y)測點的地磁場要素，ε為控制曲面曲率變化的因子，r2=(xi-x)2+(yi-y)2，a0、a1、a2、Fi均為待定系數(shù)，N為地磁測點總數(shù)。根據(jù)磁場各要素之間的關系可解算出測點磁場各分量值，分量關系方程[9]為：

(3)

式中，X為北向分量，Y為東向分量，Z為垂直分量，H為水平分量，F(xiàn)為總強度，D為磁偏角，I為磁傾角。

圖2為使用曲面樣條函數(shù)模型計算得到的研究區(qū)地磁基本場部分分量連續(xù)3 a的時空分布圖(地磁圖)。由圖可見，整體上看，3期區(qū)域地磁圖各要素分布相似，2020年與2021年的幅值無太大差異，但2019年與2020年、2021年的幅值明顯不同，D相差0.5′、I相差0.25′、F相差200 nT。造成上述差異的原因主要是長期變改正的地磁年代不同，2019年資料長期變改正至2016.0年代，2020年、2021年資料長期變改正至2020.0年代。研究區(qū)域的區(qū)域地磁基本場各分量幅值范圍統(tǒng)計見表1。

圖2 研究區(qū)地磁基本場部分分量分布Fig.2 Distribution of partial geomagnetic basic field components in research area

表1 地磁基本場各分量幅值范圍統(tǒng)計

3 巖石圈磁場年變分析

地球基本磁場主要包括地球外核磁流體動力過程引起的地球主磁場和由地殼、上地幔等磁性物質(zhì)引起的巖石圈磁場。由于地球主磁場的變化較為平穩(wěn)，因此巖石圈磁場異常研究是提取震磁信息的關鍵。本文將“2020.0中國地區(qū)地磁基本場球冠模型”作為區(qū)域地磁正常場的參考模型，剝離巖石圈磁場后對相鄰2期巖石圈磁場作差，得到巖石圈磁場的年尺度時空分布：

(4)

3.1 2019～2020年巖石圈磁場差值分析

圖3、4分別為2019～2021年巖石圈磁場部分分量年變時空分布圖。

由圖3(a)可見，D分量正值變化量大面積分布，最大值為0.9′，位于天峻縣附近；負值呈點狀零星分布，位于肅南、蘭州、臨夏、瑪曲，量值最大為1.2′。

由圖3(c)可見，I分量負值變化量大面積分布，量值最大為0.5′，位于臨夏附近；正值分布在肅南、德令哈以西等少數(shù)地區(qū)，分布區(qū)域相對集中。

由圖3(e)可見，F(xiàn)分量負值變化量主要位于西寧-共和-平安-同仁、瑪多、金昌等地，呈點狀或帶狀分布，量值最大為10 nT；正值大面積分布于研究區(qū)域，最大值為6 nT。

由圖3(g)可見，Z分量負值變化量大面積分布，量值最大為12 nT，出現(xiàn)在門源-武威附近；正值呈點狀或帶狀分布，主要集中在甘南卓尼、瑪多地區(qū)，最大值為4 nT。

由圖4(a)可見，H矢量的幅值和方向變化集中在2個區(qū)域：1)在德令哈-肅南附近方向偏轉(zhuǎn)，部分地區(qū)發(fā)生對沖現(xiàn)象；2)瑪多MS7.4地震震中東部地區(qū)幅值弱變，方向偏轉(zhuǎn)。

3.2 2020～2021年巖石圈磁場差值分析

由圖3(b)可見，D分量正值變化量大面積分布，最大值為1.7′，位于瑪多縣附近；負值呈點狀或帶狀零星分布，位于德令哈-天峻、瑪沁-澤庫、都蘭及古浪等地，量值最大為0.6′。

由圖3(d)可見，I分量正值變化量大面積分布，最大值為1.1′，位于武威-金昌地區(qū)；負值呈片狀分布于東南地區(qū)，主要集中在武威、蘭州、臨夏、甘德、瑪曲以東地區(qū)，量值最大為0.4′。

由圖3(f)可見，F(xiàn)分量正值變化量主要位于武威、臨夏、瑪曲、久治以東(101°E以東)及都蘭等地，最大值為10 nT；負值主要位于101°E以西地區(qū)，量值最大為9 nT，正負值的最大值較為集中。

由圖3(h)可見，Z分量正值變化量大面積分布，最大值為16 nT，出現(xiàn)在門源-武威附近；負值呈點狀或帶狀分布，主要出現(xiàn)在瑪沁、達日、門源、德令哈等地，量值最大為7 nT。

由圖4(b)可見，H矢量的幅值和方向變化集中在4個區(qū)域：1)在德令哈-肅南附近方向偏轉(zhuǎn)；2)祁連-門源附近幅值弱化，方向偏轉(zhuǎn)；3)瑪多地區(qū)方向偏轉(zhuǎn)；4)甘德-瑪曲附近幅值弱化，方向偏轉(zhuǎn)，出現(xiàn)類似叢集現(xiàn)象。

4 討 論

1)由圖3可知，瑪多MS7.4、門源MS6.9、德令哈MS5.8地震震中附近巖石圈磁場分量年變各不相同。2期巖石圈差值結(jié)果顯示，震中位置均位于磁偏角D的正值區(qū)和高梯度帶或其邊緣地區(qū)，磁傾角I由負值區(qū)轉(zhuǎn)為正值區(qū)，總強度F處于正負值交界區(qū)域，垂直分量Z的負值區(qū)靠近零值線。

2)2020～2021年巖石圈磁場差值顯示，震中與磁偏角D的零值線距離為40～70 km，與磁傾角I和總強度F的零值線距離為40～170 km，與垂直分量Z的零值線距離為5～60 km。其中，瑪多地震震中距零值線5 km，門源地震震中與Z分量零值線相距僅20 km，震磁異常較2019～2020年更加明顯。上述結(jié)果與2013年蘆山MS7.0地震研究結(jié)果類似，在蘆山地震發(fā)震前1 a左右，以震中為中心的125 km范圍內(nèi)出現(xiàn)地磁異常[10]。

3)由圖4可知，瑪多MS7.4、門源MS6.9、德令哈MS5.8地震震中周邊H矢量在震前發(fā)生不同程度的方向偏轉(zhuǎn)、幅值弱變或叢集現(xiàn)象。流動地磁團隊在2021年年終異常分析時發(fā)現(xiàn)門源地區(qū)巖石圈磁場H矢量、D、I、F、Z等要素的年變異常后，將2022年強震危險異常區(qū)劃定在青海門源東部。門源地震震后發(fā)現(xiàn)，劃定的異常區(qū)距震中僅60 km，映震效果良好。

紅色代表正值，黑色代表零值線，藍色代表負值，D、I等變線間隔為0.1′，F(xiàn)、Z等變線間隔為1 nT圖3 研究區(qū)2019～2021年巖石圈磁場D、I、F、Z等分量年變分布Fig.3 Annual variation distribution of D、I、F、Z components of lithospheric magnetic field in research area from 2019 to 2021

4)目前流動地磁團隊重復測量時間為1 a，本文研究的2次強震均顯示，震前一期巖石圈磁場各分量異常較為明顯，若能在重點監(jiān)測區(qū)內(nèi)進行加密觀測或復測，或許能捕捉到更多的短臨震磁異常信息。

5 結(jié) 語

1)瑪多MS7.4、門源MS6.9、德令哈MS5.8地震震中位置H矢量在幅值和方向上均有明顯變化，但變化方式不同，這可能與不同區(qū)域復雜的巖石圈結(jié)構(gòu)和地質(zhì)構(gòu)造有關[11]，后續(xù)將進一步結(jié)合當?shù)氐刭|(zhì)構(gòu)造情況有效識別弱變區(qū)域，提取震磁信息，更準確地劃定異常區(qū)域。

2)瑪多MS7.4、門源MS6.9、德令哈MS5.8地震震中位置與D、I、F、Z分量零值線的距離在200 km以內(nèi)。其中，瑪多MS7.4地震震中在震前最近一期巖石圈磁場差值中與Z分量零值線的距離僅為30 km，在震后一期巖石圈磁場差值中與Z分量零值線的距離僅為5 km；門源MS6.9地震震中在震前最近一期巖石圈磁場差值中與Z分量零值線的距離僅為20 km。由此說明，瑪多MS7.4、門源MS6.9地震震前一期巖石圈磁場Z分量均緊靠零值線，瑪多MS7.4地震震后巖石圈磁場Z分量也靠近零值線，震磁異?，F(xiàn)象并未消失。這可能是因為2021年瑪多周邊測點的測量時間與地震發(fā)生時間相近，也說明強震可能會引起巖石圈磁場Z分量的變化。

3)根據(jù)連續(xù)2期巖石圈磁場分量差值的分布情況可知，除磁傾角I外，總強度F、磁偏角D、垂直分量Z均呈現(xiàn)異常(異常特指震中與分量零值線的位置)，且上述異常在震前最近一期的結(jié)果中尤為明顯。

4)依據(jù)亞失穩(wěn)理論可知，震中應力表現(xiàn)出的平穩(wěn)弱變趨勢，反映在巖石圈磁場年變中為強-弱-強的時間演化過程，因此通過監(jiān)測地表的巖石圈磁場變化過程及零值線的演化形態(tài)，即可輔助判斷地下是否進入地震震前的“亞失穩(wěn)”階段[12-13]。

5)區(qū)域巖石圈磁異常場與巖石圈構(gòu)造、巖性和居里面埋深等因素密切相關，后續(xù)可進一步研究震中所處區(qū)域的巖石圈磁異常場各分量零值線分布位置所對應的物理意義。

致謝：本文使用的流動地磁數(shù)據(jù)由中國地震局地球物理研究所、河北省地震局、云南省地震局、甘肅省地震局、中國地震局一測中心、安徽省地震局、內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局、青海省地震局、四川省地震局、福建省地震局、新疆維吾爾自治區(qū)地震局、吉林省地震局和黑龍江省地震局等單位共同處理完成，在此一并表示感謝。