2020, Vol. 63
2. 中国地震台网中心, 北京 100045;
3. 江苏省地震局, 南京 210014
2. China Earthquake Network Center, Beijing 100045, China;
3. Jiangsu Earthquake Agency, Nanjing 210014, China
青藏高原东南缘区域构造活动强烈、强地震多发，近十几年以来发生了多次破坏性地震.作为青藏高原向东南挤出的前缘(阚荣举等，1977)，GPS观测到该区域地表运动整体向南移动，而在川滇块体内部呈现出旋转的趋势(Gan et al., 2007).为了研究强地震发生的过程和深部结构的联系，在青藏高原东南缘设立了大量的地球物理观测台网，如测震台、地磁台等，试图从更准确的地球物理数据和更精细的角度反映青藏高原东南缘深部结构，细致了解强震发生的构造要素.
青藏高原东南缘是否存在深部地壳物质流(简称“地壳流”)是一个研究热点，在地质学、地震学、电磁学和地表运动观测方面都有深入的研究(England and Molnar, 2005; Copley and McKenzie, 2007; Bai et al., 2010; Liu et al., 2014；Bao et al., 2015).青藏高原东南缘存在地壳流的模式能够解释地表运动和变形特征，近年来在地震学和大地电磁测深研究中被广泛讨论.Klemperer(2006)研究认为，青藏高原东南缘存在地壳流需要满足3方面的共同作用：中下地壳有软弱层分布、横向压力梯度起作用、脆性上地壳相对于软弱层的运动.Liu等(2014)基于川西地区几百个宽频地震台站的数据，使用了随机噪声和接收函数联合反演方法得到地壳和上地幔的S波速结构，结果认为在川滇块体北部的中下地壳存在大范围低波速异常，且低速异常区穿过了金河断裂延伸到川滇块体内部.Bao等(2015)使用了ChinArray计划布设在川滇块体及其周边地区的宽频带资料，使用面波和接收函数联合反演的方法，结果发现川滇地区下方存在埋深20~30 km的低速层；另外基于反演结果勾勒出两个地壳流区域，并认为其源是青藏高原东缘的下地壳融熔体.但是对于地壳流的讨论也存在其他观点，Wang等(2010)通过提取P波接收函数，并计算出地壳厚度和波速比，认为青藏高原东缘壳内低速层区域可能仅出现在下地壳局部，不存在大范围的下地壳流.
青藏高原东缘地壳流的存在性是根据地壳速度的横向变化提出来的(Clark et al., 2005)，但是其合理性需要得到更多地球物理证据支持，其中电磁学方法在研究深部地壳流中有重要发现.Bai等(2010)使用了布设在青藏高原东南缘的多条大地电磁剖面数据的反演结果，综合分析给出青藏高原东南缘A、B两条地壳流的可能位置.Dong等(2016)反演了青藏高原东南部多条大地电磁剖面，联合地球动力学给出了该区域地壳运动模型，该结果认为大范围地壳流存疑，甚至认为Bai等(2010)给出的两条低阻通道也存疑.王绪本等(2017)集合当前青藏高原东缘区域已有的大地电磁剖面结果，总结了龙门山断裂带到川滇块体的深部电性异常，认为强地震的发生部位与电性分界带有关.电磁学方法的结果不仅能反映深部电性结构及地质意义，还可能与发震构造相联系，探索地震多发区域与电性分界带是否一致(张乐天等，2012；Zhao et al., 2012; 王绪本等, 2013, 2017).Ye等(2018)在滇西高黎贡山及其邻区开展了3-D的大地电磁反演，得出的电性结构模型不仅揭示了腾冲火山的深部电性信息，也给出了深部(10~30 km)地壳流的电性证据和可能位置.上述研究有两个关注点：一是地壳流存在的可能性和存在的方式；二是地壳流的存在与川滇块体及其邻区强地震发生的关系.若能发现其他电磁学证据佐证地壳流具有运动迹象，则将大大增加地壳流存在的论据支撑.
地磁(Z分量)日变化短时畸变现象是指两个大区域之间的极小值时间明显不同，而各自区域内部的极小值时间一致，两个区域之间有突变分界线，而水平分量H无明显差异.其中最显著的特征是Z分量在每日变化的最低点处发生了反向的地磁日变化短时畸变.张学民等(2008)对低点位移畸变时段进行频谱分析，认为低点位移异常的源可能来源于空间电磁层—岩石圈的电磁现象的耦合效应；并且根据趋肤效应推断，根本原因可能是岩石圈下方或上地幔的物质上涌或横向迁移.一些学者的研究(丁鉴海等，2004；袁桂平等，2015；张建国，2017)也基本支持内源电流解释，推断认为存在地下强电流，尤其是在青藏高原边缘等构造强烈区域(章鑫等，2017).因此可通过电流感应磁场的反演方法来量化源电流，同时使用大地电磁的研究结果予以佐证.2018年7月31日在川滇地区出现了大面积的地磁场Z分量低点位移异常，此后8—10月在川滇地区发生了4次5级以上地震.本文基于这一次大范围地磁Z分量日变化畸变数据，通过电磁感应定理和大地电磁模型反演地下电流的分布状态和深度.建立产生深部电流的模型，探讨地磁畸变源电流与青藏高原东南缘深部地壳流的关系，进一步讨论这4次地震的可能动力过程.
1 数据分析和正反演方法 1.1 地磁日变化短时畸变研究地区的地磁台站整体上分布不均匀(图 1)，主要分布在川滇菱形地块周边，而西侧台站较少.图 1中三条剖面分别为景谷—江油、察隅—富源以及盈江—马关连线，分别包含了连线附近0.5°范围内的地磁台10个、6个和7个.图 1中白色箭头为Bai等(2010)给出的两条地壳流位置，分为南侧A流和北侧B流.A流经过察隅南侧，流向盈江台和澜沧江断裂之间；B流从青藏高原内部开始向SE，穿过金河断裂流入川滇块体内部.
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图 1 研究区域的地磁站分布及地震构造要素 白色箭头表示前人通过大地电磁反演给出的地壳流位置，修改自Bai等(2010). Fig. 1 Distribution of geomagnetic stations and seismic structural elements in the study area The white arrow represents the position of crustal current inversed by MT method (Bai et al., 2010). |
2018年7月31日在川滇地区出现了大面积的地磁场Z分量日变化短时异常，涉及台站24个.8月13—14日，即地磁畸变后13天，云南地区通海县连续发生两次MS5.0地震，震源深度分别为14和6 km.26天后，云南墨江发生MS5.9地震，震源深度17 km；53天后，四川西昌发生MS5.1地震(表 1).根据地震部门预测经验绘制的低点位移分界线基本围绕川滇菱形块体的边界，这4次地震可能与本次Z分量畸变异常有关.
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表 1 川滇块体周边4次MS≥ 5.0地震参数 Table 1 Parameters of 4 earthquakes (MS≥5.0) around the Sichuan-Yunnan block |
地磁台站观测中有两种仪器，GM4磁通门仪(秒采样)测量磁场水平分量H、磁偏角D、垂直分量Z；FHD质子磁力仪(分钟采样)测量总场强度F、水平分量和磁偏角H、D.在本文的数据处理中均使用分钟数据(或秒采样转化为分值)，单位为nT.本次畸变的台站数量为24个(图 1)，另外在研究区域外的我国西藏狮泉河台以及越南DLT台也出现了类似同一时段的畸变(图 2a，有相位校正)，意味着畸变具有广域性.图 2中展示了畸变的形态(b)和变化量信息(c)，畸变量处于5~15 nT之间.从形态上看，除其中3个台站有小的偏离外，其余均是W字形的反相位叠加，不同经度的台站之间相位差很小.
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图 2 2018年7月31日的地磁Z分量反相位畸变(a, b)及幅度(c) Fig. 2 The inverse phase distortion (a, b) and amplitudes (c) of geomagnetic Z component on July 31, 2018 |
图 2c中数据获取采用幅度计算方法，即量取和计算W形中间的倒V的变化量.获取的时间范围在图 2b中红色框标识，即在图 2b中曲线的200~350 min内获取曲线的幅度.另外需要说明，对于地磁垂直分量Z而言，其方向仅有正和负.本次地磁日变化短时畸变仅出现W形，几乎没有其他形态，因此计算的结果取正，作为本次地磁Z分量日变化短时畸变的变化量.
1.2 源电流正反演的方法和模型量化深部电流需要对电流所在深度和电流强度进行反演.目前对于电流的反演研究多见于电磁法勘探中，所使用的数据采样点密集，模型尺度小且精细.由于地下电性结构资料并不能全空间覆盖，且在地表连续观测的地磁场观测点很稀疏，反演多维度地下电流分布存在困难.当前对于大尺度地下电流的反演工作很少见，可借鉴的方法也不多，本研究是地下电流反演方面一种新的探索.
根据电磁场理论(郭硕鸿，2008)，若出现大范围地磁日变化短时畸变，则存在使之畸变的源电流.地磁日变化短时畸变的变化量较小(< 15 nT)，且持续时间接近2 h，近似于直流，故采用似稳电磁场方法处理这种畸变.为了避免带入复杂的计算，使用Biot-Savart定理构建源电流模型.正演中分别计算了线电流、竖直面电流和水平面电流的感应磁场，并根据大地电磁测深给出的电性结构建立可能产生源电流的模型.使用该模型对电流的形态及深度进行约束，正演计算该电流引起的磁场，并关注该磁场叠加在正常地磁Z分量上之后的特点.正演的模型和效果分析在章鑫等(2019)的研究中已有详述，不再重复.
缓慢变化的电流，在大的导电体中流动时也是趋于表面分布的，导体中心电流密度远小于表面，因此计算中主要考虑面电流模型.模型需要考虑面电流的空间角度，比如水平面电流、倾斜一定角度的面电流和竖直面电流.根据Biot-Savart定理，微电流元产生磁场关系为
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(1) |
其中B为感应磁场，μ0为真空中磁导率(非铁磁性媒质中均可近似为磁导率)，I为电流大小.距离r和l的空间右手螺旋关系决定了感应磁场的方向和空间分布情况.由此，我们可以得出一段深度为d的线电流的磁场表达式：
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(2) |
式中
对于有限长面电流的磁场，需要对上述cosθ1、cosθ2和r中x0、y0进行积分，解析的结果很难给出.下面给出宽为a、埋深为d的无限长竖直面电流的垂向磁场：
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(3) |
对式(3)旋转可以得到其他角度的面电流感应磁场计算公式，如水平面电流的垂向感应磁场为
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(4) |
其中
本文反演基于水平面电流的正演结果和模型，反演两个参数，即电流深度和电流大小.反演方法参考了范国华等(1994)关于短周期磁测的理论和李培(2011)关于面波频散曲线参数的反演，他们都使用了基于SVD分解的广义逆阻尼最小二乘法.即假设地下存在一系列的水平面电流，流向垂直于剖面走向.因地磁Z分量仅有正负表示方向，在模型中仅考虑源电流引起磁场Z分量畸变的大小.先对(4)式在d0处作一阶泰勒展开，进一步求出雅可比矩阵A.
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(5) |
把Bs按照泰勒一阶展开，求得雅可比矩阵
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(6) |
A为m×n阶雅可比矩阵.由此可以进一步得到
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(7) |
ΔB为地磁畸变测量值与模型之间的差值，Δd为初始深度与模型深度之差.
对于地球物理中线性反演问题，目标函数可以表示为：
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(8) |
根据阻尼最小二乘法将式(7)代入式(8)中，就可把目标函数改为相应的矩阵形式：
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(9) |
其中W是加权矩阵，‖x‖2是向量L2范数，u是阻尼因子.进一步简化表示方式可以得到反演方程：
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(10) |
其中I为单位矩阵.从反演方程可以看出，求解问题就是要满足约束条件‖Δx‖ < ε(ε为给定阈值)情况下，逐步改进模型参数的修正量，使得目标函数极小.
在反演计算时，通常先建立反问题的线性方程组，进一步解出方程组系数矩阵的逆矩阵，最后求解方程.但是有时候方程组的系数矩阵条件数很差，甚至会出现“病态”的状况.通过构造系数矩阵的广义逆矩阵，可以进一步求得适合反问题的解.首先使用SVD分解来求广义逆矩阵，矩阵A的奇异值分解式为
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(11) |
式中U是对称矩阵ATA的特征向量组成的m×m阶矩阵；V是对称矩阵ATA的特征向量组成的n×n阶矩阵；Λ是ATA或AAT特征值的正根组成的m×m阶对角矩阵.将式(11)代入式(10)中化简并整理，求得反演目标值的修正量为：
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(12) |
在反演过程中，定义模型参数的相对误差为
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(13) |
式中h为反演结果，h0为原始值，k为点位数.反演测试给出了所使用的模型的拟合结果，效果符合预期.表 2中是一条11个点的剖面经过60次迭代的结果，初始电流4750 A.表中原始值和拟合结果的相差很小，拟合的效果较好.得到理论值与反演结果的平均差值为0.05554，平均相对误差为0.005049，即5%.从图 3中看出，反演迭代了30次左右后，平均差值不再下降，迭代精度已经足够.
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表 2 反演的测试结果 Table 2 The result of inversion testing |
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图 3 模型反演的下降速度和误差分析 Fig. 3 The descent speed of inversion and the error analysis |
反演过程对于初始电流值的要求较高，本文根据正演效果最好的情况给出初始电流值.就反演过程而言，需要满足电流大小、深度和地磁日变化短时畸变的空间范围，这3个条件限定下开展一维反演得到的电流深度是稳定的.另外，结果的可靠性还可通过研究区域已有的电性结构的信息来验证，因为高导体所在的位置更适合产生大的电流，即在区域内高导体的深度分布是否与反演得到的电流深度相近.
2 地磁畸变源电流与地壳流 2.1 地磁畸变源电流正反演结果研究中先获取Z分量反相位部分的变化量，然后根据地下面电流感应产生磁场的分布规律，对地磁Z分量畸变的空间分布进行正演.计算开始前对产生畸变Z的电流进行拟合，采用了50 km深度的垂直面电流模型，拟合结果如图 4b.即要使地下50 km处电流产生某一点处的反相位地磁场，以观测点距离电流在地面上投影的最佳距离为圆的半径.由此我们把所有的24个观测点得出的最佳距离叠加，圆周重合最多的区域可能就是下方存在电流的区域.重叠最多的区域与Z分量反向畸变最大的区域基本一致(图 4a)，说明了使用的电流模型具有可靠性.即源电流最可能分布在察隅—云龙—景谷沿线，以及巴塘—西昌—马边沿线，其中巴塘到察隅都处于高值区域，是面电流的源区.
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图 4 地磁Z分量反相位畸变正演拟合结果 (a)原始地磁Z分量畸变幅度；(b)拟合的最佳面电流距离；(c)线电流拟合结果. Fig. 4 Forward fitting result of geomagnetic Z component inverse phase distortion (a) Distortion amplitudes of original geomagnetic Z component; (b) The optimum distance of surface current fitting; (c) The fitting results of line current. |
对比原始畸变和拟合结果(图 5a, b)，地磁畸变异常的反相位幅度具有分区差异.为了简化模型，使用有限长的线电流对该结果进行模拟.图 5c中给出了不同位置的线电流感应产生磁场的叠加结果，其中设定电流的回路为水平向的电流，且电流线之间的距离极小，不同电流产生的感应磁场相互叠加使回路外侧磁场方向一致，所以观测到的地磁畸变都是回路外侧的磁场.
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图 5 景谷—江油剖面(a)反演的电流深度(b) Fig. 5 Inversed depth (b) of current from Jinggu-Jiangyou profile (a) |
在正演计算的基础上，采用水平面电流模型，开展3条剖面的源电流埋深反演.图 5a表示了景谷—江油剖面的情况，这一剖面包含了两侧0.5°以内的地磁台站，总共为10个台.沿剖面地磁畸变在景谷和西昌—马边最大(11 nT)，景谷到西昌之间约为9 nT，马边以北逐渐减小，江油附近畸变量仅为4 nT.反演前先将10个台的畸变数据均匀内插到等间隔的17×17个点上，基于对角线的17个点初始水平面电流，面电流宽度设置为0.25°，后续的两条剖面类似.反演采用SVD分解的阻尼最小二乘最优化迭代方法，经过约80次迭代达到给定精度.由于直接采用经纬度为单位，拟合最优的电流面密度约为5000A/°×°.拟合结果如图 5b所示.
图 5b中显示景谷附近和西昌附近的面电流最浅，均浅于50 km，意味着对剖面地磁畸变的贡献最大；其他段的电流深度很大，甚至达到200 km以下，对Z分量反相位畸变的贡献小.进一步可以认为引起地磁畸变的主要源电流来自于景谷和西昌下方50 km以上，可能存在垂直于剖面走向的面电流，面电流密度小于5000A/°×°.其余段在更深处若存在电流，在这样的电流强度和深度下，它对地面的地磁畸变贡献基本可以忽略.
另一条剖面为察隅—富源的连线，包含了6个地磁台站(图 1，图 6a)，剖面的走向基本与景谷—江油剖面垂直.先把6个台的畸变数据内插到11×11个均匀分布的点上，选取11个对角元素，迭代次数约为50次达到预定精度，最优的电流面密度为3750 A/°×°(图 6b).剖面之间的空间关系决定了它们具有共同的台站(平地台、南山台，102°E，26°N附近)，而反演的结果也能够互为验证，即两台站所处位置下方的电流深度约为60~80 km，处于较深的深度.察隅—富源剖面的源电流深度反演结果说明，对畸变磁场贡献最大的电流为25~50 km的深度，即为察隅附近的下方；深度超过50 km后，可以近似地认为电流的影响不存在，因为即使存在电流也很难在地磁观测中被直接验证.
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图 6 察隅—富源剖面(a)反演的电流深度(b) Fig. 6 Inversed depth (b) of current from Chayu-Fuyuan profile (a) |
第3条剖面为盈江—马关的连线，包含了沿线7个地磁台(图 7a)，其中云龙台畸变量最大，约为13 nT，马关台最小为4.8 nT.反演采用的内插点为11×11，选取11个对角元素迭代80次左右达到预定精度，反演的最优电流大小约为4000A/°×°.结果显示云龙下方的电流深度最浅(图 7b)，约为30 km，云龙向两侧逐步加深，但在西昌附近仍处于60 km以上，马边—马关附近则大于100 km.说明本剖面跨越台站下方电流对地磁畸变的贡献差异不是很大，但云龙附近的电流深度非常浅，与前述剖面中察隅附近的电流深度接近，两者可能具有相同属性.
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图 7 盈江—马关剖面(a)反演的电流深度(b) Fig. 7 Inversed depth (b) of current from Yingjiang-Maguan profile (a) |
通过地磁畸变的数值模型来讨论地下源电流的分布，是基于地磁观测的数值拟合结果，若探讨其存在的真实性，则需参考更多的地球物理观测结果和区域地质构造情况.在本文的研究区域，前人开展了大量的地球物理观测和地质学研究，其中重要的观点之一就是青藏高原东南缘存在深部地壳流(图 1).目前对地壳流的争论还很多，即便是支持其存在的论据中，对于其空间分布的厘定也具有较大分歧.本文基于一次大范围地磁日变化短时畸变异常正反演拟合，支持了引起地磁异常的源电流可能处于景谷下方以及西昌—马边下方(图 8)，其深度约为25~50 km.这一结果接近于前人(Bai et al., 2010; Ye et al., 2018)给出的两条低阻通道流所在位置，其一是北侧地壳流B深入滇中地块下方，其二是南侧地壳流A基本沿澜沧江断裂带走向、川滇块体南部外侧.
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图 8 地磁畸变源电流约束下的地壳流可能分布 Fig. 8 Distribution of crustal current limited by source currents of geomagnetic distortion |
图 8给出了基于地磁畸变源电流的可能地壳流的范围，其基本依据是地磁场Z分量变化来源于地下电性结构横向不均匀性，地磁场Z分量在时间上的畸变则来源于地球内部的电流畸变.地下空间能够产生电流的构造体中，可能性较大的为部分熔融体(低阻体)，而在大尺度大范围下熔融体组成的地壳流也是最适合的电流源.因此，根据3条剖面反演的电流深度和大小，结合图 1和图 8可知，南侧地壳流A可能经过景谷下方澜沧江断裂带北侧到红河断裂之间，其顶部深度约为25~50 km，也可能更深至60 km左右.根据察隅—富源剖面的反演结果，其地壳流(面电流)深度从察隅到丽江可能是逐渐加深的，也就是察隅附近的地壳流顶端深度为25 km，与壳内低阻体的位置相近.丽江附近的深度则可能达到60 km，对地表磁畸变的贡献很小.另外在盈江—马关的剖面中，云龙下方的电流深度也仅为25 km左右，符合图 1中地壳流A的位置，即处于澜沧江断裂带外侧(图 1).根据Ye等(2018)在腾冲附近的MT反演结果，地壳流在保山地块下方的深度约为10~30 km，深度上与云龙下方电流的最小深度接近.
据大地电磁的探测结果，怒江断裂带与澜沧江断裂带之间为保山地块，5~10 km深度的上地壳为高阻层，15 km以下的地壳存在一规模较大的低阻带，低阻带在深部具有向西倾斜的趋势(于常青等，2017；王绪本等，2017).上述结果可能预示低阻体之间在NW—SE方向具有连续性，从而使面电流能够形成.Wang和Gao(2014)使用宽频带地震台连续地震背景噪声数据反演成像，结果主要反映中下地壳结构16~26 s周期内川滇菱形块体内部呈现大范围的低速异常，而在该周期内，红河断裂西侧并没有出现低速区，这一结果与王苏等(2015)推测下地壳流没有跨过红河断裂的结果相吻合.在本文的结果中，50 km深度以上的面电流也没有跨越红河断裂带，仅在景谷附近跨过澜沧江断裂，深度为25 km左右.
北侧地壳流B经过了西昌—马边一带的下方，深度约为25~50 km.与前人(Bai et al., 2010; 于常青等，2017)给出的结果稍有不同(图 1)，地壳流并未继续往SE向延伸，只从青藏高原内部到西昌—马边一带为止.当然也可能是一次地磁Z分量畸变的源电流并未完全由整条地壳流引发.与本剖面近似的盐源—永善大地电磁剖面反演结果认为(Zhang et al., 2015)，康滇地块和大凉山地块地壳中存在向上拱起的高导层，厚度大约15~25 km；轴部西昌地区(攀西构造带)地壳上部表现为巨厚的高阻块体，该高阻体纵向上从地表至中下地壳；在约55 km深度以下为上地幔普遍发育的高阻块体.该结果给出的高导层深度与本文结果显示的面电流深度有约10 km的差异，但位置基本相同，都处于西昌到马边之间.根据孙洁等(2003)对川滇北部地区3条大地电磁剖面的反演结果，认为鲜水河断裂带中上地壳均为高阻层，中下地壳至100 km左右广泛存在低阻体.本文的结果显示鲜水河断裂带西侧的电流是集中的，且分布较浅，这对应了孙洁等(2003)给出的结论，即鲜水河断裂下地壳可能存在大范围能够产生面电流的电性低阻体.另外，本文结果还显示强电流并未进一步穿过西昌附近的则木河断裂甚至小江断裂，这一点与Bai等(2010)和Bao等(2015)给出的地壳流模式不一致.西昌—马边区域是川滇块体与四川盆地和龙门山构造带的交汇地带，深部断裂非常发育，电流可能在此发生分散，难以在地面引起大范围地磁畸变.另外，反演的电流深度仅能够反映地壳流的上边界，对其下边界的确认需要参照其他资料.
3 讨论对青藏高原东北缘的深部地壳流多以地震方法和大地电磁测深为基础展开讨论的，其结果佐证了可能存在低速通道或低阻通道.若能够发现地壳流偶然运动的迹象，则可增强地壳流存在的论断.地壳流如果偶然运动，可能触发高强度大范围的电流，直接观测或间接论证这种突发性畸变电流就是监测地壳流存在的手段之一.另外，电性高导带也是重要的参考依据，侯作中和史铁生(1984)就依据云南地区地磁日变化短时畸变给出了存在地下高导带的推断，存在高导带是存在强地下电流的佐证.本文中电流深度越浅，对地磁日变化短时畸变的贡献越大.
地下电流的来源可能与地壳流的微小移动有关.根据Klemperer(2006)提出的地壳流要素，中下横向压力梯度促使了脆性上地壳相对于软弱层的运动.触发地下电流仅需要地下介质轻微错位导致电荷重新集中产生电流，而青藏高原东南缘地壳流的存在和川滇地区表面运动决定了其具有触发短时电流的可能性.地磁日变化短时畸变一般发生在地方时正午，此时潮汐力最大，潮汐力和空间电流系的共同作用下(张国民等，2001)，可能诱发了地壳流出现这种短期或瞬间的运动.
2008年以来，我国学者在南北地震带开展了大量深部电性探测工作，这些工作为本文在震源区建立电性结构模型提供了可能.其中一些工作研究了强地震与地下电性结构的可能联系，如2008年的汶川8.0级地震和2013年的芦山7.0级地震(赵国泽等，2008；詹艳等，2013；王绪本等，2017)、2014年的景谷6.6级地震(程远志等，2015).这些工作为开展震源区异常源电流分布的正反演初步研究及讨论地震发生提供了良好的基础资料.前人研究把震源位置投影到大地电磁测深的反演剖面上(张乐天等，2012；Zhao et al., 2012; 王绪本等, 2013, 2017)，认为青藏高原东缘的强地震大多发生在高阻体与低阻体之间的梯度位置，且主要出现在高阻体一侧. 王绪本等(2017)将其解释为刚性高阻体内容易接受到低阻软弱带的能量传递，后出现孕震状态直至发震破裂.
地壳流的短时移动也可能是地震应力累积的原因之一，可能触发远端脆性带的地震.张建国(2017)认为内、外源等效电流的变化与低点位移异常之间有联系，大范围和大尺度的内、外源磁场相互耦合形成低点位移突变异常.Han等(2015)根据日本东北9.0级地震前的地磁畸变数据，推断认为深部应力推动下震源附近流体活动可能造成地面地磁日变化发生短时畸变，可能导致断裂带的应力加强，使孕震区域附近的感应电流急剧增强，加强临震的不稳定状态，对地震的发生是一种调制或触发作用.在地壳流所在位置，地壳物质状态趋于塑性，难以发生大尺度破裂并导致地震，但是地壳流的微小移动也可能传递应力，引起远端应力集中区域发生脆性破裂.这一过程可总结为：地壳流短时(瞬时)运动→触发电流(准实时的电荷重新分布)→引起地磁Z分量日变化短时畸变(实时感应场)→触发应力集中带发生地震(滞后).
对于本次地磁日变化短时畸变而言，其后在附近区域发生了4次5级以上地震，其中地磁畸变后与每次地震之间的间隔分别为13天、26天和53天，符合对数倍增关系(图 9).在空间分布上，通海两次MS5.0地震发生在小江断裂的分支上，空间上处于川滇块体东南角；中国地震台网中心给出的震源深度分别为6 km和17 km(表 1)，王光明等(2018)经过双差方法重定位给出的震源深度分别为11.08和9.24 km.墨江MS5.9地震发生在普洱市墨江县，处于思茅地块中无量山断裂带附近，震源深度11 km.西昌MS5.1地震处于川滇块体北部、则木河断裂附近，震源深度20 km.墨江地震震中处于通海地震西南部，距离通海震中R1=157 km；两者的发震构造不同，甚至处于不同构造地块，但是时间上非常相近，且都处于1次大范围地磁畸变后的40天内，两者之间是否有触发效应值得探讨.此外，西昌地震的震中与通海地震距离R2=385 km，是R1的2.5倍；与墨江地震距离R3=486 km，约为R1的3倍.距离之间增加关系与时间上呈对数增加的趋势不相同，但这并未考虑震源之间的构造位置关系.若考虑应力沿断裂带(小江断裂—则木河断裂)或地块之间某种路径传递(川滇块体—思茅块体)，则可能出现不一样的情况，但是量化这种相对距离的关系基于现阶段观测技术难以完成.
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图 9 川滇块体周边4次大于5级地震的时间空间相对关系 Fig. 9 The temporal-spatial relationship of 4 earthquakes (MS≥5) around Sichuan-Yunnan block |
地震应力传递的途径和方向都是很复杂的过程，显然不能简单地以震中之间的距离来量化.再者，地下构造环境的复杂程度远大于地表线状勾画的断层分布，这样简单地用地表线状断裂带分布的长短来量化也不合适.前人(Crampin and Gao, 2012, 2018)研究发现可能存在超级敏感的应力传递过程，在10500 km以外的冰岛也能观测到苏门答腊MW9.2地震的剪切应力异常，当然该地震的能量足够大且处于冰岛的观测足够敏感.对于川滇块体而言，GPS观测的地表运动整体向南移动，而在川滇块体内部呈现出旋转的趋势(Gan et al., 2007)，因此川滇块体很可能作为一个整体与外部发生剪切，块体周边与内部的强地震之间可能存在触发关系，但这种关系目前还不能简单地量化.
4 结论本文基于青藏高原东南缘大范围的地磁场日变化短时畸变数据，通过求解SVD分解的广义逆方法，对引起地磁Z分量畸变的内源电流进行反演拟合.结果在很大程度上与大地电磁给出的青藏高原东南缘两条地壳流的范围吻合，也初步解释了地磁日变化短时畸变后的地震过程.得出以下结论：
(1) 以研究区域大地电磁测深的电性模型作为初始条件，反演得到的该区域电流强度为3700~5000 A，面电流的深度为25~60 km；
(2)地下源电流的反演结果表明，深部电流位置与前人给出的地壳流位置基本吻合，且与当地电性高导带深度一致；地壳流偶然的微小移动可能引起了大范围源电流，这种短时存在的高强度电流沿高导带分布，突发性的强电流是地磁Z分量日变化短时畸变的原因；
(3) 地下源电流反演的结果显示北侧B地壳流仅到达西昌西侧，未穿过则木河断裂深入川滇块体中部，南侧A地壳流可能穿过了澜沧江断裂带，进入思茅地块下方，但未穿过红河断裂带；
(4) 本次地磁日变化短时畸变后13天连续发生了2次通海MS5.0地震，其后川滇块体周边100天内发生了3次5级以上地震，推测深部地壳流的运动变化具有传递应力作用，可能参与诱发短期内多次地震.
Bai D H, Unsworth M J, Meju M A, et al. 2010. Crustal deformation of the eastern Tibetan plateau revealed by magnetotelluric imaging. Nature Geoscience, 3(5): 358-362. DOI:10.1038/ngeo830 |
Bao X W, Sun X X, Xu M J, et al. 2015. Two crustal low-velocity channels beneath SE Tibet revealed by joint inversion of Rayleigh wave dispersion and receiver functions. Earth and Planetary Science Letters, 415: 16-24. DOI:10.1016/j.epsl.2015.01.020 |
Cheng Y Z, Tang J, Chen X B, et al. 2015. Electrical structure and seismogenic environment along the border region of Yunnan, Sichuan and Guizhou in the south of the North-South seismic belt. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 58(11): 3965-3981. DOI:10.6038/cjg20151107 |
Clark M K, Bush J W M, Royden L H. 2005. Dynamic topography produced by lower crustal flow against rheological strength heterogeneities bordering the Tibetan Plateau. Geophysical Journal International, 162(2): 575-590. DOI:10.1111/j.1365-246X.2005.02580.x |
Copley A, McKenzie D. 2007. Models of crustal flow in the India-Asia collision zone. Geophysical Journal International, 169(2): 683-698. DOI:10.1111/j.1365-246X.2007.03343.x |
Crampin S, Gao Y. 2012. Plate-wide deformation before the Sumatra-Andaman Earthquake. Journal of Asian Earth Sciences, 46: 61-69. DOI:10.1016/j.jseaes.2011.10.015 |
Crampin S, Gao Y. 2018. Evidence supporting New Geophysics. Earth and Planetary Physics, 2(3): 3-18. |
Ding J H, Liu J, Yu S R, et al. 2004. Geomagnetic diurnal-variation anomalies and their relation to strong earthquakes. Acta Seismologica Sinica (in Chinese), 26(S1): 79-87. |
Dong H, Wei W B, Jin S, et al. 2016. Extensional extrusion:Insights into south-eastward expansion of Tibetan Plateau from Magnetotelluric array data. Earth and Planetary Science Letters, 454: 78-85. DOI:10.1016/j.epsl.2016.07.043 |
England P, Molnar P. 2005. Late Quaternary to decadal velocity fields in Asia. Journal of Geophysical Research:Solid Earth, 110(B12): B12401. DOI:10.1029/2004JB003541 |
Fan G H, Yao T Q, Gu Z W, et al. 1994. Characteristics and analysis of the geomagnetic variations in regions around the Qiongzhou Strait. Acta Seismologica Sinica (in Chinese), 16(2): 220-226. |
Gan W J, Zhang P Z, Shen Z K, et al. 2007. Present-day crustal motion within the Tibetan Plateau inferred from GPS measurements. Journal of Geophysical Research:Solid Earth, 112(B8): B08416. DOI:10.1029/2005JB004120 |
Guo S H. 2008. Electrodynamics (in Chinese). 3rd ed. Beijing: Higher Education Press: 14-18.
|
Han P, Hattori K, Xu G J, et al. 2015. Further investigations of geomagnetic diurnal variations associated with the 2011 off the Pacific coast of Tohoku earthquake (Mw9.0). Journal of Asian Earth Sciences, 114: 321-326. DOI:10.1016/j.jseaes.2015.02.022 |
Hou Z Z, Shi T S. 1984. Short-period geomagnetic variation anomaly in Yunnan province. Acta Seismologica Sinica (in Chinese), 6(3): 287-293. |
Kan R J, Zhang S C, Yan F T, et al. 1977. Present tectonic stress field and its relation to the characteristics of recent tectonic activity in southwestern China. Chinese Journal of Geophysics (Acta Geophysica Sinica) (in Chinese), 20(2): 96-109. |
Klemperer S L. 2006. Crustal flow in Tibet:Geophysical evidence for the physical state of Tibetan lithosphere, and inferred patterns of active flow. Geological Society, London, Special Publications, 268(1): 39-70. DOI:10.1144/GSL.SP.2006.268.01.03 |
Li P. 2011. The inversion of damping least square method of Rayleigh wave with weighting matrix based on the singular value decomposition technique[Master's thesis] (in Chinese). Changsha: Central South University, 27-32.
|
Liu Q Y, van der Hilst R D, Li Y, et al. 2014. Eastward expansion of the Tibetan Plateau by crustal flow and strain partitioning across faults. Nature Geoscience, 7(5): 361-365. DOI:10.1038/ngeo2130 |
Sun J, Jin G W, Bai D H, et al. 2003. Sounding of electrical structure of the crust and upper mantle along the eastern border of Qinghai-Tibet Plateau and its tectonic significance. Science in China Series D: Earth Sciences, 46(2): 243-253. |
Wang C Y, Lou H, Silver P G, et al. 2010. Crustal structure variation along 30°N in the eastern Tibetan Plateau and its tectonic implications. Earth and Planetary Science Letters, 289(3-4): 367-376. DOI:10.1016/j.epsl.2009.11.026 |
Wang G M, Liu Z F, Zhao X Y, et al. 2018. Relocation of Tonghai MS5.0 earthquake sequence in 2018 and discussion of its seismogenic fault. Journal of Seismological Research (in Chinese), 41(4): 503-510. |
Wang Q, Gao Y. 2014. Rayleigh wave phase velocity tomography and strong earthquake activity on the southeastern front of the Tibetan Plateau. Science China Earth Sciences, 57(10): 2532-2542. DOI:10.1007/s11430-014-4908-2 |
Wang S, Xu X Y, Hu J F. 2015. Review on the study of crustal structure and geodynamic models for the southeast margin of the Tibetan Plateau. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 58(11): 4235-4253. DOI:10.6038/cjg20151129 |
Wang X B, Luo W, Zhang G, et al. 2013. Electrical resistivity structure of Longmenshan crust-mantle under sector boundary. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 56(8): 2718-2727. DOI:10.6038/cjg20130820 |
Wang X B, Yu N, Gao S, et al. 2017. Research progress in research on electrical structure of crust and upper mantle beneath the eastern margin of the Tibetan plateau. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 60(6): 2350-2370. DOI:10.6038/cjg20170626 |
Ye T, Huang Q H, Chen X B, et al. 2018. Magma chamber and crustal channel flow structures in the Tengchong volcano area from 3-D MT inversion at the intracontinental block boundary southeast of the Tibetan Plateau. Journal of Geophysical Research:Solid Earth, 123(12): 11112-11126. DOI:10.1029/2018JB015936 |
Yu C Q, Zhang G, Wang X B, et al. 2017. Deep electrical resistivity structure of Sanjiang Area of west Yunnan and its significance. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 60(6): 2385-2396. DOI:10.6038/cjg20170628 |
Yuan G P, Zhang X M, Wu Y Y, et al. 2015. Minimum point shift of the geomagnetic vertical component in diurnal variation and the internal-external equivalent current system Sq before the 2008 Wenchuan MS8.0 earthquake. Earthquake (in Chinese), 35(3): 102-112. |
Zhan Y, Zhao G Z, Unsworth M, et al. 2013. Deep structure beneath the southwestern section of the Longmenshan fault zone and seimogenetic context of the 4.20 Lushan MS7.0 earthquake. Chinese Science Bulletin, 58(28-29): 3467-3474. DOI:10.1007/s11434-013-6013-x |
Zhang G M, Li L, Li K W, et al. 2001. Group strong earthquakes and triggering by tidal stress. Earthquake Research in China (in Chinese), 17(2): 110-120. |
Zhang J G. 2017. Research on anomaly characteristics of electromagnetic radiation signal and mechanism before strong earthquakes[Ph. D. thesis] (in Chinese). Hefei: University of Science and Technology of China, 91-98.
|
Zhang L T, Jin S, Wei W B, et al. 2012. Electrical structure of crust and upper mantle beneath the eastern margin of the Tibetan plateau and the Sichuan basin. Chinese Journal of Geophysics (in Chinese), 55(12): 4126-4137. DOI:10.6038/j.issn.0001-5733.2012.12.025 |
Zhang X, Du X B, Wang L, et al. 2017. The spatial distribution of telluric currents and its relationship with earthquake activities in North-South Seismic Belt. Earth Science Frontiers (in Chinese), 24(2): 202-211. |
Zhang X, Feng Z S, Yuan G P. 2019. Calculating the distortion current based on the anti-phase phenomena of the geomagnetic vertical component. Journal of Geodesy and Geodynamics (in Chinese), 39(6): 596-601. |
Zhang X M, Qian J D, Wang Y L, et al. 2008. Spectral features of geomagnetic low point displacement and discussion on its mechanism. Acta Seismologica Sinica (in Chinese), 30(5): 474-483. |
Zhang G, Wang X B, Fang H, et al. 2015. Crust and upper mantle electrical resistivity structure in the Panxi region of the eastern Tibetan plateau and its significance. Acta Geologica Sinica (English Edition), 89(2): 531-541. DOI:10.1111/1755-6724.12445 |
Zhao G Z, Chen X B, Wang L F, et al. 2008. Evidence of crustal 'channel flow' in the eastern margin of Tibetan Plateau from MT measurements. Chinese Science Bulletin, 53(12): 1887-1893. |
Zhao G Z, Unsworth M, Zhan Y, et al. 2012. Crustal structure and rheology of the Longmenshan and Wenchuan MW7.9 earthquake epicentral area from magnetotelluric data. Geology, 40(12): 1139-1142. DOI:10.1130/G33703.1 |
程远志, 汤吉, 陈小斌, 等. 2015. 南北地震带南段川滇黔接壤区电性结构特征和孕震环境. 地球物理学报, 58(11): 3965-3981. DOI:10.6038/cjg20151107 |
丁鉴海, 刘杰, 余素荣, 等. 2004. 地磁日变化异常与强震的关系. 地震学报, 26(S1): 79-87. |
范国华, 姚同起, 顾左文, 等. 1994. 琼州海峡地区地磁变化特征及其分析. 地震学报, 16(2): 220-226. |
郭硕鸿. 2008. 电动力学. 3版. 北京: 高等教育出版社: 14-18.
|
侯作中, 史铁生. 1984. 云南省的地磁短周期变化异常. 地震学报, 6(3): 287-293. |
阚荣举, 张四昌, 晏凤桐, 等. 1977. 我国西南地区现代构造应力场与现代构造活动特征的探讨. 地球物理学报, 20(2): 96-109. |
李培. 2011.基于奇异值分解的瑞雷面波加权阻尼最小二乘反演[硕士论文].长沙: 中南大学, 27-32.
|
孙洁, 晋光文, 白登海, 等. 2003. 青藏高原东缘地壳、上地幔电性结构探测及其构造意义. 中国科学:地球科学, 33(增刊): 173-180. |
王光明, 刘自凤, 赵小艳, 等. 2018. 2018年云南通海MS5.0地震序列重定位及发震构造讨论. 地震研究, 41(4): 503-510. |
王苏, 徐晓雅, 胡家富. 2015. 青藏高原东南缘的地壳结构与动力学模式研究综述. 地球物理学报, 58(11): 4235-4253. DOI:10.6038/cjg20151129 |
王绪本, 罗威, 张刚, 等. 2013. 扇形边界条件下的龙门山壳幔电性结构特征. 地球物理学报, 56(8): 2718-2727. DOI:10.6038/cjg20130820 |
王绪本, 余年, 高嵩, 等. 2017. 青藏高原东缘地壳上地幔电性结构研究进展. 地球物理学报, 60(6): 2350-2370. DOI:10.6038/cjg20170626 |
于常青, 张刚, 王绪本, 等. 2017. 滇西三江地区深部电性结构特征及其意义. 地球物理学报, 60(6): 2385-2396. DOI:10.6038/cjg20170628 |
袁桂平, 张学民, 吴迎燕, 等. 2015. 汶川8.0级地震前地磁低点位移与内外源Sq等效电流体系关系的研究. 地震, 35(3): 102-112. |
詹艳, 赵国泽, Unsworth M, 等. 2013. 龙门山断裂带西南段4.20芦山7.0级地震区的深部结构和孕震环境. 科学通报, 58(20): 1917-1924. |
张国民, 李丽, 黎凯武, 等. 2001. 强震成组活动与潮汐力调制触发. 中国地震, 17(2): 110-120. |
张建国. 2017.强震前电磁辐射异常演化特征及其机理探索研究[博士论文].合肥: 中国科学技术大学, 91-98.
|
张乐天, 金胜, 魏文博, 等. 2012. 青藏高原东缘及四川盆地的壳幔导电性结构研究. 地球物理学报, 55(12): 4126-4137. DOI:10.6038/j.issn.0001-5733.2012.12.025 |
章鑫, 杜学彬, 王丽, 等. 2017. 南北地震带大地电流分布与地震活动关系探讨. 地学前缘, 24(2): 202-211. |
章鑫, 冯志生, 袁桂平. 2019. 基于地磁垂直分量反相位现象的地下畸变电流正演计算. 大地测量与地球动力学, 39(6): 596-601. DOI:10.14075/j.jgg.2019.06.000 |
张学民, 钱家栋, 王亚丽, 等. 2008. 地磁低点位移频谱特征及机理探讨. 地震学报, 30(5): 474-483. |
赵国泽, 陈小斌, 王立凤, 等. 2008. 青藏高原东边缘地壳"管流"层的电磁探测证据. 科学通报, 53(3): 345-350. |