0 引言

地球磁场可分为内源磁场和外源磁场，内源磁场可分为主磁场和源于地壳及上地幔物质磁性的岩石圈磁场。地震的孕育及发生伴随着地下能量的积累与释放。而能量变化往往引起岩石圈地质结构、温度、压力等的改变，从而引起地下介质磁化率的改变，导致岩石圈磁场发生变化。与地震相关的地磁场变化研究已有百年之久，相关学者相继提出压磁效应、膨胀磁效应、感应磁效应、流变磁效应等理论，如：Stacey（1964）提出压磁效应；祁贵仲(1978, 1981)提出膨胀磁效应、感应磁效应；郝锦绮等（1992）提出流变磁效应。近年来，在震磁效应、震磁关系、震磁异常的研究上取得了良好进展，如：九江-瑞昌M_S 5.7地震前在震中附近地磁基本场水平分量异常（顾左文等，2006）；自然正交分量方法在地震地磁监测中更能准确得到岩石圈磁异常场的变化信息及特征（陈斌，2011）；围绕地震震中及附近出现“0”值线分布和高梯级带分布等现象（倪喆等, 2014a, 2014b；苏树朋等, 2016, 2017）；震前震中区存在局部岩石圈磁场水平矢量的弱变化现象（宋成科等，2019）；强震震中多位于岩石圈磁场负值区，大多沿正负异常区的分界线分布，一些强震震前出现显著的基底异常（冯丽丽等, 2017, 2019）。

2018年2月12日，河北省永清县发生M_W 4.3地震（39.37°N，116.67°E）（下文称永清地震），是2006年7月4日文安5.1级地震后首都圈地区发生的规模最大、震感最强的地震。此次地震震源深度约17 km，震中位于河西务断裂附近。地震发生区域构造主要为NE走向断裂，穿插少量NW走向断裂。河西务断裂呈NE走向，位于此断裂带东缘，是廊固凹陷与武清凹陷的分界断裂（周月玲等，2018）。文中收集整理2016-2019年华北部分地区流动地磁矢量数据，进行日变通化、长期变化改正、主磁场剥离等处理，获得此次永清M_W 4.3地震前后区域岩石圈磁场变化模型，分析震磁异常规律，以期为震磁前兆信息提取及震情趋势研判提供参考。

1 数据处理

华北地区每年于春季3-5月、秋季8-9月进行两期流动地磁矢量测量工作，其中2016年秋季测点较少。研究区位于（112.2°-119.6°E，37.7°-42.5°N）范围内，共布有71个流动地磁矢量测点（图 1），测点间距60-70 km。河北永清M_W 4.3地震发生在2018年2月，为此收集整理2016-2019年共7期流动地磁矢量数据资料（不含2016年秋季期），剔除相邻期次位置发生移动、点位差超限的测点数据，建立岩石圈磁场数值模型，分析此次地震前后岩石圈磁场变化特征。

据陈斌（2017）流动地磁监测数据处理流程，消除地磁场中外源变化场、主磁场长期变化、主磁场等即可获得监测区岩石圈磁场数值模型。为获取研究区岩石圈磁场数值模型，采用以下步骤进行数据处理：①日变通化改正，以消除地磁观测数据中的短周期变化等外源场部分，采用单台参照法进行日变通化处理；②长期变化改正，以消除观测数据中包含的地球主磁场长期变化成分，采用中国地区地磁基本场长期变化的6阶自然正交分量（NOC）的非线性模型（顾左文等，2009；陈斌，2011），对日变通化数据进行长期变化改正；③减去主磁场，从内源场中减去第12代国际地磁参考场（IGRF12）模型的计算值，得到岩石圈磁场，将各期同位置测点的岩石圈磁场相减即得到岩石圈磁场变化。

2 岩石圈磁场变化分析

采取以上步骤，对于2018年2月12日河北永清M_W 4.3地震，建立发震前后岩石圈磁场变化模型。为此，建立了震前不同时间间隔的岩石圈磁场变化模型，时间间隔分别为：2017年5月到2017年9月、2016年5月到2017年5月、2016年5月到2017年9月，下文简称201705-201709、201605-201705、201605-201709模型；建立了震后不同时间间隔的岩石圈磁场变化模型，时间间隔分别为：2018年5月到2018年9月、2018年5月到2019年5月、2019年5月到2019年9月，下文简称201805-201809、201805-201905、201905-201909模型。将以上6个模型，分别建立磁偏角D、磁倾角I、总强度F以及水平矢量H、垂直矢量Z的空间变化模型（图 2-图 6），分析此次永清M_W 4.3地震前后岩石圈磁场变化特征。

2.1 磁偏角空间变化

6个模型的磁偏角D空间变化等值线见图 2，其中等值线间距为0.2′。

（1）震前D值变化。由图 2(a)可见，在201705-201709模型D值空间变化中，区域西部以正值为主，东部以负值为主，整体变化幅值在-1.2′-1.2′，且区域南、北均出现负值的高值区。永清地震位于负值区域的低值区，靠近东部独立的零值线。由图 2(b)可见，在201605-201705模型D值空间变化中，区域东南与西南为正值的高值区，震中处于负值区，位于南北两条零值线中间。由图 2(c)可见，201605-201709模型D值空间变化延续了201605-201705模型的趋势，D值在-1.8′-2.0′之间变化，幅值波动较大，西南与东南为2个正值高值区，南北各2个负值高值区，震中位于东南正值区域等值线的“脊背”上，靠近零值线位置。

由震前3期变化可知，此次永清地震震中均位于低值区，在以上3个时间段内，磁偏角变化趋势相同，表现为震中东南的正值区域逐渐扩大，随着时间递增，在震前1.5年期（201605-201709模型）磁偏角变化中，震中处于正、负值交界位置的零值线附近，区域的南、北、东南、西南部皆呈现高梯级带特征。

（2）震后D值变化。由图 2(d)可知，在震后第一个半年变化中，即201805-201809模型，区域D值以正值为主，震中位置处于正值的低值区，打乱了震前演化趋势。由图 2(e)可知，在震后一年期，即201805-201905模型的D值变化中，区域东南、西南部为负值高值区，中部有2个小范围负值区散布，震中位于正值的低值区。由图 2(f)可知，在震后201905-201909模型的D值变化中，区域中部以负值为主，西部为正值高值区，震中位于负值区，与201805-201809、201805-201905模型相比，变化趋势发生较大改变。

2.2 磁倾角空间变化

6个模型的磁倾角I空间变化等值线见图 3，其中等值线间距为0.1′。

（1）震前I值变化。由图 3(a)可见，在201705-201709模型的I值变化中，震中位于负值区域，同时位于等值线“脊背”上靠近零值线位置，震中西北为正值高梯级带区。由图 3(b)可见，在201605-201705模型的I值变化中，负值区范围较201705-201709模型小，区域等值线分布较均匀，震中位于靠近零值线的负值区域。由图 3(c)可见，在201605-201709模型的I值变化中，等值线基本呈NE向展布，区域西北为正值高值区、东南为负值高值区，幅值由东南的-0.6′向西北增大到1.2′，震中位于正、负值交界的零值线上。

在震前201705-201709模型、201605-201705模型、201605-201709模型的变化中，I值均呈现出区域东南为负值，西北为正值的现象，随着震前时间的递增，零值线逐渐靠近震中，在震前1.5年期（201605-201709模型）变化中，震中处于零值线上。

（2）震后I值变化。由图 3(d)可见，震后201805-201809模型的I值变化打破了震前变化趋势，区域以负值为主，震中位于负值区域。由图 3(e)可见，与201805-201809模型相比，在201805-201905模型的I值变化中，区域由负值为主转变为以正值主，区域西部出现正、负高梯级带。由图 3(f)可见，在201905-201909模型的I值变化中，呈区域东、西部为负值、中部为正值控制的特点，与201805-201905模型相比，东、西部负值区呈扩大化。

震后与震前相比，I值变化趋势发生重大改变。

2.3 总强度空间变化

6个模型总强度F空间变化等值线见图 4，其中等值线间距为1 nT。

（1）震前F值变化。由图 4中(a)、(c)图可见，在震前201705-201709、201605-201709模型变化中，区域总强度F均为正值；由图 4(b)可见，在201605-201705模型变化中，仅东南角呈小范围负值，且幅值较小；由图 4(a)可见，在201705-201709模型变化中，震中南北部均出现正值、高幅值梯级带，幅值在2-20 nT，尤其震中正南的高梯级带更为显著，同时测区西北与西南亦各有一个正值梯级带。由图 4中(b)、(c)图可见，在201605-201705模型、201605-201709模型变化中，在震中北偏西位置均出现一个正值、高值梯级带，震中位于由低值向高值过渡的中间地带；由图 4(c)可见，在201605-201709模型变化中，等值线幅值变化较大，为4-28 nT，由累积时间较长导致，证明了震前1.5年期（201605-201709模型）变化中，F值呈现不断增大的趋势，具有累加性。

（2）震后F值变化。由图 4(d)可见，在震后201805-201809模型变化中，F值以正值为主，少量负值区零散分布。由图 4(e)可见，在201805-201905模型变化中，F值亦以正值为主，负值区主要分布在北部。由图 4(f)可见，在201905-201909模型变化中，F值则以负值为主，半年间发生了较大改变，体现了震后变化趋势的不一致性。

2.4 水平矢量空间变化

6个模型的水平矢量H空间变化见图 5。

（1）震前水平矢量H的空间变化。由图 5(a)可见，在震前201705-201709模型变化中，在震中西北部即北京西南部出现一弱化区，震中位于弱化区东南角，位于H矢量方向即将改变位置。由图 5(b)可见，在201605-201705模型变化中，震中处于矢量量值变小、方向即将分化的过渡地带，异常不显著。由图 5(c)可见，在201605-201709模型变化中，震中位于H矢量量值明显变小，且方向即将发生转变的位置。

由图 5中(a)、(b)、(c)图可见，在水平矢量H的方向与大小变化上，震前异常较弱，区域整体及震中附近的变化具有相似性，局部变化略有差异。

（2）震后水平矢量H的空间变化。由图 5(d)可见，在震后半年201805-201809模型变化中，区域H矢量的方向与量值较震前201705-201709模型半年变化[图 5(a)]发生了巨大改变，震中位置附近尤为显著，H矢量方向由震前指向西北转变为震后指向东北。由图 5(e)可见，在201805-201905模型变化中，与图 5(d)相比，区域内H矢量方向发生了较大改变，震中附近H矢量量值减小，方向较散乱。由图 5(f)可见，在201905-201909模型变化中，区域中部有一贯穿中部、由北向南幅值较大的H矢量条带，与图 5(d)、(e)相比，区域整体及震中附近H矢量的大小与方向均发生了较大变化，体现了震后变化的不一致性。

2.5 垂直矢量空间变化

6个模型的垂直矢量Z空间变化见图 6。

（1）震前垂直矢量Z的空间变化。由图 6中(a)、(b)、(c)图可见，在201705-201709、201605-201705、201605-201709模型的Z矢量空间变化中，矢量主体方向一致，均由南向北，量值由东南向西北逐渐增大，震中位于垂直矢量由小变大的过渡区域，且震中位置及附近量值较小，与整体形成鲜明对比。在图 6中，由(a)→(b)→(c)图可见，震前2016年5月-2017年9月的时间内，Z矢量方向总体由南向北，且量值不断累积增加。

（2）震后垂直矢量Z的空间变化。由图 6(d)可见，在201805-201809模型变化中，Z矢量呈方向散乱、多处弱化态势，震中附近矢量方向由南向北，量值较小。由图 6(e)可见，在201805-201905模型变化中，区域Z矢量主体方向由南向北，局部由北向南，局部弱化，震中位于Z矢量方向一致向北、量值变大的平稳区域。由图 6(f)可见，在201905-201909模型变化中，Z矢量方向发生改变，转变为由北向南为主，量值在区域内由东北向西南逐渐变小。震后演变趋势发生了改变，呈不延续性。

3 结论

通过对2016-2019年华北部分地区流磁矢量数据的处理研究，分析了2018年2月12日永清M_W 4.3地震前后，研究区域岩石圈磁场的空间变化特征，可知震前地磁D、I、F、H、Z各要素呈现不同程度的局部异常现象，震后异常消失，且呈不同变化趋势。

（1）永清地震前，区域岩石圈磁场变化具有同向性、增强性特征，磁偏角D、磁倾角I、总强度F的变化具有显著震磁异常现象，其中F值在震前不断增大，且不同区域量值有所不同。在震前1.5年期（201605-201709模型），研究区岩石圈磁场变化异常显著，震中靠近D值零值线，位于I值零值线上，位于F值由东南向西北不断增大的中间区域。震前研究区岩石圈磁场较长时间的相同、相似变化趋势，对研究永清M_W 4.3地震的孕震时空变化具有指示意义。震后研究区岩石圈磁场变化发生较大改变，与震前的延续性变化形成鲜明对比。

（2）岩石学实验表明，磁场矢量方向与应力有着一定关系（Jelenska，1975）。对于研究区各期岩石圈磁场变化的H矢量与Z矢量，震前H矢量的变化趋势整体相似，Z矢量变化总体同向且量值累积增大，而震后上述2个矢量的量值与方向均发生改变，尤其在201905-201909模型中，变化较之前显著。说明震前区域受主应力场的持续作用，而震后区域应力场发生了较大改变。

（3）华北地区地质构造独特，岩石圈磁场变化规律与之密切相关。永清M_W 4.3地震是华北地区的孤立型震例，应力降较小（张勇等，2018），震前华北地区自身应力场逐步起主导作用，且存在逐渐增强过程（王晓山等，2018），可能是导致时间间隔越长的岩石圈磁场累积变化异常更加显著的原因。不同时间跨度的岩石圈磁场时空变化的对比分析，对震情趋势的分析研判具有积极的指示意义。