2024, Vol. 44
岩石圈磁场是研究地震及地质构造特征的重要窗口。研究发现，岩石圈磁场中的磁偏角零变线、水平矢量弱化区等与震中位置有较好的对应关系[1-3]。不同区域的岩石圈磁场变化特征不同，尤其是特殊的构造单元，其与岩石圈的结构及地质构造有着重要关系[4]，而岩石圈磁场异常变化可能与由构造活动引起的岩石矿物磁性变化有关[5-6]。
张家口-渤海地震带(张渤带)是华北地区重要的地震活动带，也是一条重要的断裂构造带。该地震带位于华北平原地块和燕山地块边界，由20多条NWW向具有正断兼左旋走滑性质的断裂组成，是一条具相当规模的活动构造带[7]。张渤带由西北向东南发育有西北段张家口、新保安-沙城及施庄断裂、中段南口-孙河断裂和东段蓟运河断裂等，断裂带对其两侧不同演化阶段的沉积、岩浆活动和构造发育起到一定的控制作用，两侧的构造格局、地球物理场明显不同，其中东北侧构造走向均为NEE-近EW向，西南侧构造走向均沿NNE-NE向展布[8]。张渤带历史上地震多发，许多学者对张渤带的地壳深部结构、活动构造特征及构造应力场等进行了大量研究[9-10]，但对张渤带岩石圈磁场及震磁特征的研究较少。本文利用2015-05~2021-05流动地磁矢量资料，结合该区MS3.0以上地震数据，对张渤带岩石圈磁场总强度变化进行对比分析，认为该区总强度年变有一定的趋势性和特殊性，且与地震活动有密切关系。
1 数据处理本文选取38.0°~42°N、113.0°~120.0°E为研究范围，包含张渤带及其周边地区。利用2015~2021年7 a的流磁矢量资料，选用张渤带及其周边地区59个测点数据(图 1)，建立该区岩石圈磁场总强度年变的空间分布模型，在每期数据处理中剔除了测点位置迁移、单点异常等不合格数据。
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F1:怀安-万全盆地北缘断裂；F2:天镇-阳高盆地北缘断裂；F3:张家口断裂；F4:新保安-沙城断裂带；F5:施庄断裂；F6:孙河-南口断裂；F7:黄庄-高丽营断裂；F8:顺义-良乡断裂；F9:永定河断裂；F10:大兴-通县断裂；F11:宝坻断裂；F12:丰台-野鸡坨断裂；F13:蓟运河断裂；F14:唐山断裂；F15:滦县-乐亭断裂；F16:宁河-昌黎断裂 图 1 研究区流动地磁矢量测点分布 Fig. 1 Distribution of mobile geomagnetic vector measurement points in the research area |
数据处理主要包括日变通化改正、长期变改正及差值计算等[2, 11]，其中日变通化参照台站为隆尧台、静海台、锡林浩特台、呼和浩特台及昌黎台。对差值得到的岩石圈磁场变化数据进行曲面样条插值，具体计算方法参考文献[11]，生成0.1°×0.1°网格的岩石圈磁场总强度年变数据，并计算得到总强度年变数据的梯度值。
对0.1°×0.1°网格的岩石圈磁场总强度年变数据进行梯度计算，计算公式为：
| $ \begin{array}{c} {\mathop{\rm grad}\nolimits} \;F = \sqrt {F_x^2 + F_y^2} \\ {F_x} = \frac{{F(x + 1, y) - F(x - 1, y)}}{{2{\rm{d}}x}}\\ F_y=\frac{F(x, y+1)-F(x, y-1)}{2 \mathrm{~d} y} \end{array} $ |
式中，gradF为梯度值；Fx、Fy分别为EW向和NS向梯度值；F(x－1，y)、F(x+1，y)为EW向总强度年变值；F(x，y－1)、F(x，y+1)为NS向总强度年变值；dx、dy为两方向的间距，本文取0.1°。
2 特征分析张渤带由西北向东南分别与NNE-NE向山西断陷盆地带(北部尾端)、黄庄-高丽营和夏垫断裂、唐山-河间-磁县断裂带等构造带交汇[12]，使张渤带陆地段呈张北-怀来、南口-三河、天津-塘沽3个构造交汇段，分别简称为西段、中段及东段[13](图 1)。研究区的测量时间为每年3~5月，本文建立了2015-05~2016-05、2016-05~2017-05、2017-05~2018-05、2018-05~2019-05、2019-05~2020-05、2020-05~2021-05共计6 a的岩石圈磁场总强度变化、总强度变化梯度与之后1 a的MS≥3.0地震空间分布(图 2和3)。
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图 2 张渤带总强度年变分布 Fig. 2 Annual variation distribution of total strength in Zhangjiakou-Bohai belt |
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图 3 张渤带总强度年变梯度分布 Fig. 3 Annual gradient distribution of total strength in Zhangjiakou-Bohai belt |
由图 2可以看出，研究区各时段总强度年变分别为-1.2~14.2 nT、-5.9~15.2 nT、-1.4~15.4 nT、-3.0~10.8 nT、-2.8~6.2 nT及-4.4~6.3 nT，其中2015-05~2016-05、2016-05~2017-05、2017-05~2018-05、2018-05~2019-05研究区总强度年变几乎全为正异常所控，仅极小范围的负异常分布于张渤带东段，且正异常极值多分布在张渤带西段。从张渤带各分段的总强度变化量可以看出，由西到东，总强度变化量绝对值逐渐减小(表 1，单位nT)。相较于前3个时段的年度变化，2018-05~2019-05总强度年变中张渤带整体的变化量相对较小，同样为正异常所控，但正异常极值出现在张渤带西段及中段交界位置，张渤带西段及中段的变化量相当，东段变化量最小。2019-05~2020-05变化趋势发生改变，负异常占据研究区的绝大部分，几乎涵盖了整个张渤带，同时以张渤带为中心向南北两侧延伸，负异常极值位于张渤带中段，西段、中段及东段的变化量相当；在张渤带东段零值线几乎沿蓟运河断裂展布，唐山菱形块体呈正异常分布，此后1 a内发生3次地震，其中2020-07-12唐山MS5.1地震是张渤带2006-07-04文安MS5.1地震以来又一次5级以上地震。2020-05~2021-05研究区正、负异常相间分布，较为破碎，与上一年度负异常控制的张渤带相比，中段与西段西缘呈负异常分布，西段零值线以天镇-阳高盆地北缘断裂、怀安-万全盆地北缘断裂为南部边界，形成独立的负异常区；中段及东段负异常控制着黄庄-高丽营断裂、顺义-良乡断裂、大兴-通县断裂、孙河-南口断裂及永定河断裂，零值线基本以宝坻断裂、丰台-野鸡坨断裂、滦县-乐亭断裂为南部界线，呈北负南正特征；西段总强度变化量明显大于中段及东段，此后1 a内发生8次MS3.0以上地震，震例多靠近零值线分布。
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表 1 张渤带西、中、东段总强度变化统计 Tab. 1 Statistics of total intensity changes in the western, central and eastern sections of Zhangjiakou-Bohai belt |
2015-05~2016-05研究区总强度变化梯度(图 3(a))幅值为0.1~22.3 nT/°，均值为4.9 nT/°，极值出现在研究区北部，张渤带整体梯度值均相对较小。2016-05~2017-05总强度变化梯度(图 3(b))幅值为0.2~17.6 nT/°，均值为5.0 nT/°，极值出现在研究区中北部及东南部，张渤带西中段交界及东段呈高梯度特征，最大梯度值分别为14.3 nT/°及17.8 nT/°。2017-05~2018-05总强度变化梯度(图 3(c))幅值为0.3~22.8 nT/°，均值为5.1 nT/°，极值位于研究区北部小范围高值区，张渤带总强度变化梯度等变线分布整体较为平缓，无高梯度带出现。2018-05~2019-05总强度变化梯度(图 3(d))幅值为0.1~22.1 nT/°，均值为4.2 nT/°，极值位于研究区西南及东北部；张渤带中段与西段交界处出现小范围高梯度带，最大值为14.2 nT/°，其他地区等变线分布较为平稳，梯度较小。2019-05~2020-05总强度变化梯度(图 3(e))幅值为0~16.9 nT/°，均值为3.8 nT/°，极值位于研究区西北部，范围较小，其余区域梯度值较小；张渤带西段西缘呈高梯度特征，量值约为16.8 nT/°。2020-05~2021-05总强度变化梯度(图 3(f))幅值为0.1~13.7 nT/°，均值为4.2 nT/°，高梯度主要分布于研究区北部及中部，较为分散，极值为研究区东北部小范围高梯度带；张渤带中西段交界处出现高梯度带，最大值为13.2 nT/°，其余区域梯度较小。
可以看出，2016-05~2017-05、2018-05~2019-05、2019-05~2020-05、2020-05~2021-05年变中张渤带局部出现高梯度带分布特征，但各年度变化的延续性、演化趋势性较差，这可能与区域应力演化背景下局部应力变化及地下介质磁化率结构差异密切相关，还需进一步研究。
2.3 震磁特征2016-05~2022-05研究区共发生35次MS≥3.0地震，在统计过程中对相邻时间、相邻地点发生的地震选用首发震例，统计得到30次震例(表 2)。其中，最大震级为2020-07-12唐山MS5.1地震，追溯震前1 a岩石圈磁场总强度变化，震中变化量为1.5 nT，梯度值为5.6 nT/°。由表 2可知，MS4.0~4.9地震共5次，震中总强度变化量均为正值，除2016-06-23河北尚义MS4.0地震震中变化量为13.1 nT外，其余地震震中变化量在0.5~5.1 nT之间，震中梯度值在2.3~5.6 nT/°之间；MS3.0~3.9地震共24次，其中5次地震震中位于负异常区，总强度变化量在－2.5~-0.8 nT之间，梯度值在4.1~9.4 nT/°之间，19次地震震中位于正异常区，总强度变化量在0.2~13.5 nT之间，梯度值在1.4~13.3 nT/°之间。
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表 2 张渤带2016~2022年MS≥3.0地震震中总强度年变统计 Tab. 2 Annual variation statistics of total epicenter strength for earthquakes with MS≥3.0 in Zhangjiakou-Bohai belt from 2016 to 2022 |
研究区MS≥3.0地震中有83.33%位于正异常区，位于负异常区的震例主要发生于2021-05~2022-05。全部震例的震中总强度变化量绝对值平均为3.6 nT，其中73.33%震例的震中变化量绝对值在0~4.0 nT之间，量值较小。全部震例的梯度均值为5.2 nT/°，其中70.00%震例在0~5.0 nT/°之间，可见震中的梯度值相对较低。全部震例中，距离零值线小于30 km的震例共9个，占总量的30.00%，有5个震例发生于2021-05~2022-05之间。2015~2019年各时段研究区总强度以正异常分布为主，零值线分布范围小。
2.4 讨论倪喆等[14]对2014-08-03云南鲁甸6.5级、08-17永善5.0级地震的岩石圈磁场异常特征进行研究发现，鲁甸6.5级地震岩石圈磁场异常大约持续1~2 a，异常范围大，而永善5.0级地震异常持续时间大约有0.5~1 a且范围小，认为异常持续时间、空间范围与震级大小有一定关系。陈政宇等[15]对2018~2021年4期岩石圈磁场水平矢量年度变化进行对比分析认为，在2021年漾濞MS6.4地震孕震过程中，云南地区受到不同方向的应力及其相互作用的影响，造成弱变区域及其外围区域不断地相互转换，出现弱变现象与其他现象共存的差异特性。然而，不同震级呈现的异常范围大小与异常特征的定量研究尚无准确定论。任何震源体都不是孤立的，应力在区域地壳块体应变积累过程中会产生多个应力集中区，这些应力集中区哪个发生地震或先发生地震，取决于该区的应力状况及介质情况。震磁现象也是同样的，在研究分析震磁现象时，除了对震源附近的地震现象加以分析研究外，对与此相连的外围地区，尤其是已被揭示的在地质构造上密切相关的地区也应进行详细研究，这样才能更全面地认识地震过程及伴随其产生的震磁现象[16]。因此，针对一个构造带岩石圈磁场进行系统分析，对震磁异常研究尤为重要。
岩石圈磁场是由地球岩石在地磁场磁化作用下产生的磁场，岩石的磁学特性是决定岩石圈磁场异常的根本原因[17]。吴萍萍等[9]基于VP/VS波速比模型约束大地电磁二维反演得到张渤带地壳电性结构，电阻率结构表现出明显的横向不均匀性，与地表各构造相呼应。于湘伟等[18]利用近震层析成像研究发现，在北京西部、廊坊、滦县西断裂西部与南部、宁河断裂带北部、延庆怀来盆地北部与西南部、张家口和黄骅地区为明显低速异常区，北京北侧的燕山隆起为高速异常区，这充分说明张渤带西、中、东段地壳介质具有不均匀性，张渤带地壳介质的不均匀性可能是张渤带同一年度西、中、东段总强度年变呈现差异性的重要因素。
华北地区的应力场特征存在整体一致性，亦存在局部的非均匀性[19-20]。张渤带构造应力场具有较好的一致性和连续性，最大主应力轴方位由西部NEE向向东部近EW向呈顺时针旋转，应力类型整体为走滑型[13, 21]。而王晓山[22]使用综合震源机制解方法反演地壳应力场认为，张渤带从西向东应力状态分为正断层型-走滑型-正断层型。利用跨断层GPS剖面分析得到张渤带各分段断裂均表现出左旋走滑兼挤压的运动特征[10]，马广庆等[23]通过综合分析张渤带GNSS资料和震源机制解认为，张渤带区域应变场应力状态自西向东依次为拉张-挤压-拉张-挤压-拉张-挤压，主应变由西向东逐步增大。可以看出，张渤带应力场存在整体性特征及局部的非均匀性特征，具有复杂性。2015~2021年张渤带总强度年变呈正异常-正异常-正异常-正异常-负异常-正负异常相间分布的演化趋势，2020-07-12唐山MS5.1地震前1 a总强度年变趋势发生显著改变，震后1 a演化趋势又发生改变。高龙生等[5]在实验室及天然场对岩石圈磁场与应力的关系进行研究，根据岩石磁学实验理论发现，介质的磁剩磁和磁化率与其应力成反比。Wang等[24]在呼图壁储气库注气与采气过程中对局部岩石圈磁场进行研究发现，储气库注气加压时局部岩石圈磁场总强度呈负变化，采气卸压则呈正变化。根据上述研究可知，2015~2019年张渤带总强度年变为正异常所控，这种相似、连续的演化趋势可能与区域应力场整体缓慢变化有关，且区域应力场占主导地位。但2018-05~2019-05总强度年变量值较前3个时段明显变小，2019-05~2020-05发生了10次MS≥3.0地震，且在张渤带西、中、东段皆有分布，震例相较于之前显著增多，可能暗示着区域应力的累积，导致总强度年变量减小，并发生多次地震。2019-05~2020-05张渤带总强度年变演化趋势转变为以负异常为主，2020-07-12发生了唐山MS5.1地震，在震中西侧约50 km出现大范围的负异常，可能暗示区域应力场背景下张渤带应力积累到一定程度，同时伴随着局部应力的集中，从而出现大范围负异常特征，正、负异常的分界区距唐山MS5.1地震震中较近。在唐山MS5.1地震后1 a(2020-05~2021-05)总强度年变呈正、负异常相间分布，较为破碎，2021-05~2022-05发生8次MS3.0及以上地震，暗示张渤带仍存在局部应力的集中，且占主导地位，导致多次小震的发生。从总强度年变等演化趋势及变线分布特征来看，2018-05~2019-05总强度年变量值较前3个年度减小，暗示区域应力的积累，在唐山MS5.1地震前1 a(2019-05~2020-05)张渤带总强度演化趋势的突然转变可能与区域应力场缓慢变化背景下局部应力的变化与集中有着密切关系，最终发生唐山MS5.1地震。
3 结语本文利用2015-05~2021-05流磁矢量数据，结合2016-05~2022-05发生的30次MS≥3.0地震，对张渤带及邻区总强度年变演化特征和震磁特征进行分析，结果表明：
1) 30次MS≥3.0地震中83.33%的震例位于正异常区。震中总强度变化量绝对值的平均为3.6 nT，其中73.33%震例的震中总强度变化量绝对值在0~4.0 nT之间，量值小。震中梯度均值为5.2 nT/°，其中70.00%的震例在0~5.0 nT/°之间，梯度值相对较低。
2) 在总强度年变中，张渤带局部出现高梯度带分布特征，但延续性和演化趋势性较差，这可能与区域应力演化背景下，局部应力的变化及地下介质磁化率结构差异有着密切关系。张渤带总强度年变的西、中、东段差异可能与该构造带地壳的不均一性及应力的非均匀性有关。2015-05~2019-05总强度年变张渤带以正异常为主，其中2018-05~2019-05总强度年变量值较前3个年度明显减小，2019-05~2020-05为负异常所控，2020-05~2021-05呈正负异常相间分布，张渤带总强度年变趋势可能与区域应力场缓慢变化背景下局部应力的变化与集中有关。同时，2019-05~2020-05张渤带总强度年变趋势的突然变化可能与之后唐山MS5.1地震的发生有着密切关系。在今后的震磁异常研判中，这种岩石圈磁场变化趋势的突然转变应当引起重视。
3) 岩石圈磁场的时空变化具有复杂性，结合MS3.0以上地震，对张渤带总强度年变的演化趋势及震磁特征进行定性分析，为华北少震地区的震磁研究提供一定支持。后续将进一步完善数学物理模型，建立科学的震磁异常指标体系。
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