2023, Vol. 43
流动地磁观测主要指应用磁力仪在监测区部署高密度重复性测点，定期获取年度监测资料，分析监测区域的地磁各要素异常信息，进而探讨流动地磁场要素异常变化与地震的关系，给出监测区域的地震预测意见。近年来，流动地磁观测取得了一定的研究成果[1-4]，但部分强震预测效果仍不理想。例如玛多MS7.4强震，该区域地下结构复杂、震中周边地区测点分布密度较小、测量周期较长，导致预测结果不理想。因此有必要在小范围内对震中周边连续数年的流动地磁数据资料进行精细化分析，深入探讨地磁场(主要是岩石圈磁场)分量与地震的相关性，为地区未来地震预测提供震例分析。
本文主要利用甘肃青海部分地区2019~2021年流动地磁三分量数据，分析该区域基本磁场和岩石圈磁场的时空分布特征，并探讨磁场与中强震的关系。
1 测点介绍本文流动地磁场矢量测点范围为33°~39°N、96°~104°E，2019年和2020年有85个测点，2021年有90个测点(图 1)。研究区西部环境恶劣，测点较为稀疏，部分测点于2021-05-22玛多MS7.4地震后布设；研究区东部测点较为密集，平均间距约为70 km，重复测量时间为1 a。由于受到环境、气候等因素影响，甘肃南部、四川北部等少数测点的测量工作在上半年完成，其余大部分测点的测量工作均在下半年完成，即研究区域大部分测点的测量工作均在2021-05-22玛多MS7.4地震后、2022-01-09门源MS6.9地震前完成。
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图 1 测点分布 Fig. 1 Distribution of measuring points |
目前流动地磁野外测量主要针对的是测点地磁矢量的绝对值，包括测点总强度F、磁偏角D和磁倾角I。首先测量测点总强度梯度值；然后测量主副点点位差及仪器差；接着测量第一次GPS方位角，架设CTM-DI磁力仪及G-856质子旋进磁力仪，人工读取6组F、D、I测量值；最后测量第二次GPS方位角。观测精度要求为：测点水平梯度值不超过3 nT/m，垂直梯度值不超过5 nT/m，相邻2期测量的主副点点位差不超过1.5 nT，2次GPS方位角误差小于6"，每组测量时间为4~9 min，F、D、I日变通化后均方差δF≤1.5 nT、δD≤0.5′、δI≤0.5′。
按照上述步骤可以得到各测点地磁场矢量F、D、I的绝对值，包括外源场及内源场。为消除外源场及规则的日变化对地磁场的影响，将不同时间的测量结果统一到同一时间域上。本文采用“台网参照法”对原始数据进行日变通化，该方法避免了“单台参照法”中因通化参考台的局部干扰以及通化参考台周边区域地磁场空间不完全连续而引起的误差。基本思路为：测点地磁要素t时刻的测量值F(t)与其通化值F之差应该与参考台网t时刻对应的拟合值F0(t)与F0之差相等[5]，即
| $ F_{(t)}-F=F_{0(t)}-F_0 $ | (1) |
对日变通化改正后的观测数据进行长期变化改正。利用曲面样条计算方法建立“地磁基本场曲面样条模型”, 用曲面样条方法表示区域地磁基本场的分布函数[6-8]为：
| $ \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}} {W(x, y) = {a_0} + {a_1}x + {a_2}y + }\\ {\;\;\;\;\sum\limits_{i = 1}^N {{F_i}} r_i^2\ln \left( {r_i^2 + \varepsilon } \right)}\\ {\sum\limits_{i = 1}^N {{F_i}} = \sum\limits_{i = 1}^N {{a_i}} {F_i} = \sum\limits_{i = 1}^N {{x_i}} {F_i} = 0} \end{array}} \right. $ | (2) |
式中，W(x, y) 为(x, y) 测点的地磁场要素，ε为控制曲面曲率变化的因子，r2=(xi－x)2+(yi－y)2，a0、a1、a2、Fi均为待定系数，N为地磁测点总数。根据磁场各要素之间的关系可解算出测点磁场各分量值，分量关系方程[9]为：
| $ \left\{\begin{array}{l} X=H \cos D, Y=H \sin D, Z=H \tan I \\ H^2=X^2+Y^2, F^2=H^2+Z^2 , \\ \quad F=H \sec I=Z \csc I \\ \tan D=\frac{Y}{X} \end{array}\right. $ | (3) |
式中，X为北向分量，Y为东向分量，Z为垂直分量，H为水平分量，F为总强度，D为磁偏角，I为磁倾角。
图 2为使用曲面样条函数模型计算得到的研究区地磁基本场部分分量连续3 a的时空分布图(地磁图)。由图可见，整体上看，3期区域地磁图各要素分布相似，2020年与2021年的幅值无太大差异，但2019年与2020年、2021年的幅值明显不同，D相差0.5′、I相差0.25′、F相差200 nT。造成上述差异的原因主要是长期变改正的地磁年代不同，2019年资料长期变改正至2016.0年代，2020年、2021年资料长期变改正至2020.0年代。研究区域的区域地磁基本场各分量幅值范围统计见表 1。
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图 2 研究区地磁基本场部分分量分布 Fig. 2 Distribution of partial geomagnetic basic field components in research area |
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表 1 地磁基本场各分量幅值范围统计 Tab. 1 Amplitude range statistics of geomagnetic basic field components |
地球基本磁场主要包括地球外核磁流体动力过程引起的地球主磁场和由地壳、上地幔等磁性物质引起的岩石圈磁场。由于地球主磁场的变化较为平稳，因此岩石圈磁场异常研究是提取震磁信息的关键。本文将“2020.0中国地区地磁基本场球冠模型”作为区域地磁正常场的参考模型，剥离岩石圈磁场后对相邻2期岩石圈磁场作差，得到岩石圈磁场的年尺度时空分布：
| $ F_P=F_P^V-F_P^N, \Delta F_P=F_P^{t_1}-F_P^{t_2} $ | (4) |
式中，FP为P点岩石圈磁场分量，FPV为经长期变改正至标准年代的结果，FPN为P点地磁正常场的参考值，FPt1、FPt2分别为t1、t2时刻岩石圈磁场分量，ΔFP为岩石圈磁场分量的变化值。
3.1 2019~2020年岩石圈磁场差值分析图 3、4分别为2019~2021年岩石圈磁场部分分量年变时空分布图。
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红色代表正值, 黑色代表零值线, 蓝色代表负值, D、I等变线间隔为0.1', F、Z等变线间隔为1 nT 图 3 研究区2019~2021年岩石圈磁场D、I、F、Z等分量年变分布 Fig. 3 Annual variation distribution of D、I、F、Z components of lithospheric magnetic field in research area from 2019 to 2021 |
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图 4 研究区2期岩石圈磁场H矢量分布 Fig. 4 H-vector distribution of lithospheric magnetic field in research area in two phases |
由图 3(a)可见，D分量正值变化量大面积分布，最大值为0.9′，位于天峻县附近；负值呈点状零星分布，位于肃南、兰州、临夏、玛曲，量值最大为1.2′。
由图 3(c)可见，I分量负值变化量大面积分布，量值最大为0.5′，位于临夏附近；正值分布在肃南、德令哈以西等少数地区，分布区域相对集中。
由图 3(e)可见，F分量负值变化量主要位于西宁-共和-平安-同仁、玛多、金昌等地，呈点状或带状分布，量值最大为10 nT；正值大面积分布于研究区域，最大值为6 nT。
由图 3(g)可见，Z分量负值变化量大面积分布，量值最大为12 nT，出现在门源-武威附近；正值呈点状或带状分布，主要集中在甘南卓尼、玛多地区，最大值为4 nT。
由图 4(a)可见，H矢量的幅值和方向变化集中在2个区域：1)在德令哈-肃南附近方向偏转，部分地区发生对冲现象；2)玛多MS7.4地震震中东部地区幅值弱变，方向偏转。
3.2 2020~2021年岩石圈磁场差值分析由图 3(b)可见，D分量正值变化量大面积分布，最大值为1.7′，位于玛多县附近；负值呈点状或带状零星分布，位于德令哈-天峻、玛沁-泽库、都兰及古浪等地，量值最大为0.6′。
由图 3(d)可见，I分量正值变化量大面积分布，最大值为1.1′，位于武威-金昌地区；负值呈片状分布于东南地区，主要集中在武威、兰州、临夏、甘德、玛曲以东地区，量值最大为0.4′。
由图 3(f)可见，F分量正值变化量主要位于武威、临夏、玛曲、久治以东(101°E以东)及都兰等地，最大值为10 nT；负值主要位于101°E以西地区，量值最大为9 nT，正负值的最大值较为集中。
由图 3(h)可见，Z分量正值变化量大面积分布，最大值为16 nT，出现在门源-武威附近；负值呈点状或带状分布，主要出现在玛沁、达日、门源、德令哈等地，量值最大为7 nT。
由图 4(b)可见，H矢量的幅值和方向变化集中在4个区域：1)在德令哈-肃南附近方向偏转；2)祁连-门源附近幅值弱化，方向偏转；3)玛多地区方向偏转；4)甘德-玛曲附近幅值弱化，方向偏转，出现类似丛集现象。
4 讨论1) 由图 3可知，玛多MS7.4、门源MS6.9、德令哈MS5.8地震震中附近岩石圈磁场分量年变各不相同。2期岩石圈差值结果显示，震中位置均位于磁偏角D的正值区和高梯度带或其边缘地区，磁倾角I由负值区转为正值区，总强度F处于正负值交界区域，垂直分量Z的负值区靠近零值线。
2) 2020~2021年岩石圈磁场差值显示，震中与磁偏角D的零值线距离为40~70 km，与磁倾角I和总强度F的零值线距离为40~170 km，与垂直分量Z的零值线距离为5~60 km。其中，玛多地震震中距零值线5 km，门源地震震中与Z分量零值线相距仅20 km，震磁异常较2019~2020年更加明显。上述结果与2013年芦山MS7.0地震研究结果类似，在芦山地震发震前1 a左右，以震中为中心的125 km范围内出现地磁异常[10]。
3) 由图 4可知，玛多MS7.4、门源MS6.9、德令哈MS5.8地震震中周边H矢量在震前发生不同程度的方向偏转、幅值弱变或丛集现象。流动地磁团队在2021年年终异常分析时发现门源地区岩石圈磁场H矢量、ΔD、I、F、Z等要素的年变异常后，将2022年强震危险异常区划定在青海门源东部。门源地震震后发现，划定的异常区距震中仅60 km，映震效果良好。
4) 目前流动地磁团队重复测量时间为1 a，本文研究的2次强震均显示，震前一期岩石圈磁场各分量异常较为明显，若能在重点监测区内进行加密观测或复测，或许能捕捉到更多的短临震磁异常信息。
5 结语1) 玛多MS7.4、门源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显变化，但变化方式不同，这可能与不同区域复杂的岩石圈结构和地质构造有关[11]，后续将进一步结合当地地质构造情况有效识别弱变区域，提取震磁信息，更准确地划定异常区域。
2) 玛多MS7.4、门源MS6.9、德令哈MS5.8地震震中位置与ΔD、I、F、Z分量零值线的距离在200 km以内。其中，玛多MS7.4地震震中在震前最近一期岩石圈磁场差值中与Z分量零值线的距离仅为30 km，在震后一期岩石圈磁场差值中与Z分量零值线的距离仅为5 km；门源MS6.9地震震中在震前最近一期岩石圈磁场差值中与Z分量零值线的距离仅为20 km。由此说明，玛多MS7.4、门源MS6.9地震震前一期岩石圈磁场Z分量均紧靠零值线，玛多MS7.4地震震后岩石圈磁场Z分量也靠近零值线，震磁异常现象并未消失。这可能是因为2021年玛多周边测点的测量时间与地震发生时间相近，也说明强震可能会引起岩石圈磁场Z分量的变化。
3) 根据连续2期岩石圈磁场分量差值的分布情况可知，除磁倾角I外，总强度F、磁偏角D、垂直分量Z均呈现异常(异常特指震中与分量零值线的位置)，且上述异常在震前最近一期的结果中尤为明显。
4) 依据亚失稳理论可知，震中应力表现出的平稳弱变趋势，反映在岩石圈磁场年变中为强-弱-强的时间演化过程，因此通过监测地表的岩石圈磁场变化过程及零值线的演化形态，即可辅助判断地下是否进入地震震前的“亚失稳”阶段[12-13]。
5) 区域岩石圈磁异常场与岩石圈构造、岩性和居里面埋深等因素密切相关，后续可进一步研究震中所处区域的岩石圈磁异常场各分量零值线分布位置所对应的物理意义。
致谢: 本文使用的流动地磁数据由中国地震局地球物理研究所、河北省地震局、云南省地震局、甘肃省地震局、中国地震局一测中心、安徽省地震局、内蒙古自治区地震局、青海省地震局、四川省地震局、福建省地震局、新疆维吾尔自治区地震局、吉林省地震局和黑龙江省地震局等单位共同处理完成，在此一并表示感谢。
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