0 引言

根据中国地震台网正式测定，2021年4月16日16时唐山滦州市发生M_S 4.3地震（以下简称滦州地震），震中位于（39.75°N，118.71°E），震源深度9 km。滦州地震发生于唐山地区NW向滦州—乐亭断裂北段与NE向卢龙断裂交会处，该断裂与南部的NE向宁河—昌黎断裂、北部的NE向丰台—野鸡坨断裂以及西部的NW向蓟河断裂构成菱形断裂体系，构造较为复杂（李传友等，2007；宫猛等，2016）。近期该断裂体系内发生多次M_S 4以上地震，如2019年12月5日丰南M_S 4.5地震、2020年7月12日古冶M_S 5.1地震。

相关研究表明，地震的孕育及发生可导致地壳介质的磁性产生变化，从而引起磁场的异常变化（Hao et al，1982；Yamazaki，2013；Wang et al，2018），而地磁场变化与地质构造分布密切相关。早期地质学者依据卫星岩石圈磁场数据判别大地构造单元的演化过程，并为板块构造、地壳及地幔之间的相互作用提供了依据（Blakely，1995；杜劲松等，2015）。后期随着地面地磁场测量工作的开展，越来越多的地磁场异常现象被用于构造解释。苏树朋等（2017）依据大华北流动地磁观测资料分析了该地区岩石圈磁场空间分布与地震地质特征，发现岩石圈磁场空间分布形态与主要板块具有一定程度的对应关系，而历史地震多发生于一些特殊的岩石圈磁场部位； 宋成科等（2017）通过对岩石圈磁场水平矢量异常变化与岩石圈结构的关系进行分析，认为岩石圈磁场异常变化可能与该区域复杂的岩石圈结构和地质构造有关；储飞等（2019）通过对大别山地区东段岩石圈磁场异常与相关构造的研究，认为区域构造的演化在一定程度上控制了岩石圈磁场的结构、分布及大小；刘德强等（2021）通过研究华北中部岩石圈磁场变化与岩石圈结构间的关系，认为磁异常分布在不同构造单元中表现出不同程度的差异性，但在各自构造单元内呈现出较好的整体性。通过以上研究成果可以看出，岩石圈磁场异常变化与研究区内主要构造的结构、走向及分布关系密切。本文利用此次滦州地震前后16 d内流动地磁重复测点观测资料，通过数据处理获得地震前后地磁场变化信息。由于流动地磁2期测量时间相隔较短，地震发生于16 d内，因此将地震前后16 d的地磁场变化看做同震异常，以此研究滦州地震同震地磁场异常变化的特征以及与相关构造的关系。

1 数据来源

目前，河北省地震局流动地磁技术团队在每年的4月和8月对唐山及周边地区开展流动地磁矢量三分量测量，每年可获得2期数据。2021年滦州地震发生后，河北省地震局流动地磁技术团队迅速对震中周边7个流动地磁测点进行复测（图 1），获得了震后地磁场变化的最新数据，为同震地磁场异常变化分析提供了宝贵资料。此次地震前的观测时间为2021年4月10日—4月14日，震后复测时间为2021年4月24日—4月27日，测点重复观测的最长时间间隔为16 d，最短间隔时间为10 d。

测点均为重复性观测，为保证定位精度，所有测点处均埋藏无磁标桩。测点所处场地水平梯度不大于4 nT/m，垂直梯度不大于5 nT/m，所有测点均回避了各种人工电磁干扰源，保证数据的可靠性和精度。使用ΣK_p描述地磁场扰动，数据来自世界地磁数据中心（http://wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp）。ΣK_p为每日8个K_p（3 h磁情指数）指数之和，ΣK_p越大时段地磁场扰动越明显（宋成科等，2020）。测点详细信息见表 1，可见观测日磁情较好，适合开展地磁场观测。

2 数据处理及结果

地面磁场的测量值主要包含稳定变化的主磁场、地壳磁场和随时间变化较快的变化磁场。为消除地磁场日变化等外源场和主磁场长期变化的影响，使测量数据统一，需要对地磁重复观测数据进行统一处理，主要数据处理过程如下：①日变通化改正，利用与测点相邻台站的连续观测分钟均值数据对野外观测数据进行日变通化，将观测数据通化改正至地磁场较为平静时刻（00:00—03:00），常用计算方法为直接差值法（陈斌等，2017）；②长期变化改正，采用“中国地区地磁场基本场长期变6阶NOC非线性模型”对2期日变化改正通化后的观测数据集进行长期变化改正通化，消除主磁场长期变化成分；③地磁场变化计算，对长期变化改正后的2期观测结果做差值计算，即可获得2期地磁场变化。

选择距离震中29 km的昌黎后土桥地磁台（CHL）作为通化台，对野外观测数据进行日变通化改正。选择静海地磁基准台（JIH）作为参考台，进行同步观测资料对比。CHL和JIH为国家地磁基准台，常年进行地磁矢量观测，地磁观测环境良好。将2021年4月1日—4月30日CHL和JIH地磁矢量（H、D、Z）的连续观测分钟均值数据进行对比，结果见图 2。可以看出，2个台站地磁场H、D、Z的变化一致，说明CHL地磁台观测无异常，可以使用。

通过计算均方误差(σ)来判断日变通化结果的有效性和可靠性。根据流动地磁技术规范，地磁总强度、磁偏角和磁倾角日变通化的均方误差应不超过1.5 nT、0.5′和0.3′。由图 2（d）可见，2021年4月22日磁场扰动较小，因此本次数据处理选取2021年4月22日午夜（00:00—03:00）均值作为通化值，对流动地磁测点野外观测数据进行日变通化改正，结果见表 2。滦州地震前后7个测点的地磁总强度最大均方误差为0.47 nT，最小均方误差为0.06 nT，平均均方误差为0.20 nT；磁偏角最大均方误差为0.11′，最小均方误差为0.03′，平均均方误差为0.07′；磁倾角最大均方误差为0.06′，最小均方误差为0.02′，平均均方误差为0.03′。由表 2可知，日变改正后三要素的均方误差均符合规范要求，说明野外测量结果精确可靠。

3 地磁场异常变化 3.1 同震地磁场异常变化

基于以上数据处理流程，获得滦州同震地磁场变化特征。以地磁场水平矢量、地磁场总强度、磁偏角及磁倾角为代表，分别给出滦州地震同震地磁场变化图像，讨论研究区地磁变化分布特征，结果见图 3。

图 3（a）为滦州地震同震地磁场水平矢量变化图像。由图可见，研究区地磁场水平矢量变化整体较为平缓，幅值较弱，并受断裂控制呈现出分区特征。具体表现为：测区内地磁场水平矢量以NE向宁河—昌黎断裂（F₃）为界，在其东南部矢量主要呈EW向和SW向，幅值相对较大，在NE向西南庄断裂（F₆）和NW向柏各庄断裂（F₇）交会处，水平矢量发生转向；在其西北部，水平矢量主要呈近EW向和NW向，幅值相对较小，在NE向宁河—昌黎断裂（F₃）和NW向滦县—乐亭断裂（F₄）交会处发生转向。震中即位于水平矢量幅值变化及方向转变的过渡带。

图 3（b）为滦州地震同震地磁场总强度变化图像。由图可见，研究区地磁场总强度变化较小，同样受断裂控制呈现分区特征。具体表现为：在研究区西北部主要呈现地磁场总强度增大（正）异常变化，在研究区东南部呈现地磁场总强度减小（负）异常变化，正、负异常变化范围在-1.2 nT至+1.2 nT之间。地磁场总强度的“0”变线基本沿NE向宁河—昌黎断裂（F₃）南段和NE向卢龙断裂分布，并在滦县—乐亭断裂（F₄）北段与卢龙断裂（F₅）交会处发生弯曲。震中就位于地磁总强度“0”变线弯曲处附近的正异常区内。

图 3（c）为滦州地震同震地磁场磁偏角变化图像。由图可以看出，研究区地磁场磁偏角大致以NE向宁河—昌黎断裂（F₃）与NW向滦县—乐亭断裂（F₄）交会处东南为中心区域，呈现四象限分布特征，在测区北部和南部呈现地磁场磁偏角减小（负）异常变化，并具有“0”变线分布特征；在测区东部和西部呈现地磁场磁偏角增大（正）异常变化；正负异常变化范围在-0.4′至+0.4′之间。震中位于四象限中心附近，测区北部地磁场磁偏角“0”变线弯曲处附近负异常区内。

图 3（d）为滦州地震同震地磁场磁倾角变化图像。由图可见，研究区地磁场磁倾角与磁偏角分布具有一定相似性，同样存在以NE向宁河—昌黎断裂（F₃）与NW向滦县—乐亭断裂（F₄）交会处为中心区域的四象限分布特征。在测区北部和南部呈现地磁场磁偏角减小（负）异常变化；在测区东部和西部呈现地磁场磁偏角增大（正）异常变化，并具有“0”变线；正负异常变化范围在-0.1′至+0.1′之间。震中位于四象限中心附近，测区北部负异常区内。

3.2 滦州地震前后地磁场异常变化

为进一步分析地震发生对地磁场异常变化的影响，追加计算滦州地震发生前1期（2020年9月—2021年4月）和震后1期（2021年4月—2021年9月）共2期的地磁场变化图像（图 4，图 5），结合同震地磁场异常变化，对比分析有震和无震情况下地磁场变化与构造的关系。

由滦州地震前地磁场变化图像（图 4）可以看出：①与同震时期相比，研究区域内水平矢量变化[图 4（a）]方向整体较为平顺，以EW向和NS向为主。测区内地磁场水平矢量变化受断裂影响不大，在主要断裂构造内无明显转向或幅值变化。②与同震时期相比，研究区域地磁总强度变化[图 4（b）]总体较大，变化幅值为-2.5 nT至+2.0 nT，同样具有一定分区现象，但受断裂构造影响不大，在研究区西部呈现地磁场总强度增大（正）异常变化，东部呈现地磁场总强度减小（负）异常变化，“0”变线呈NW向贯穿测区南北，震中位于地磁总强度“0”变线附近。③与同震时期相比，研究区域磁偏角变化[图 4（c）]略有增大，变化幅值为-0.6′至+0.5′，测区内磁偏角变化分布无明显分区和受断裂构造影响的现象，震中位于磁偏角正异常变化的核心区域。④与同震时期相比，研究区域磁倾角变化[图 4（d）]基本保持不变，变化幅值为-0.1′至+0.1′，测区内磁倾角变化呈现东南部正异常西北部负异常分布特征，无明显受断裂构造影响现象，震中位于磁倾角正异常变化区域。

由滦州地震后地磁场变化图像（图 5）可以看出：①与同震时期相比，研究区域内水平矢量变化[图 5（a）]方向整体较为平顺，以EW向和NE向为主。测区内地磁场水平矢量变化受断裂影响不大，在主要断裂构造附近无明显转向或幅值变化。②与同震时期相比，研究区域地磁总强度变化[图 5（b）]总体较大，变化幅值为-2.5 nT至+2.0 nT。其分布特征与震前相似，同样具有正、负异常东、西分布特征。在研究区西部呈现地磁场总强度减小（负）异常变化，东部呈现地磁场总强度增大（正）异常变化，震中位于地磁总强度负异常变化区域。③与同震时期相比，研究区域磁偏角变化[图 5（c）]略有减小，变化幅值为-0.2 ′至+0.3 ′，其分布具有一定分区特征，在研究区西南部呈现地磁场总强度减小（负）异常变化，东北部呈现地磁场总强度增大（正）异常变化。其分布特征受断裂构造影响不大，震中位于磁偏角负异常变化区域。④与同震时期相比，研究区域磁倾角变化[图 5（d）]基本保持不变，变化幅值为-0.1 ′至+0.2 ′，测区内磁倾角变化呈现北部正异常、南部负异常分布特征，无明显受断裂构造影响现象，震中位于磁倾角“0”变线附近。

3.3 地磁场异常变化与构造关系

由地磁场异常变化图像（图 3—图 5）及构造分布可知，同震时期地磁场变化与构造关系较为密切，地震前和地震后地磁场变化受构造影响不大。滦州地震前后研究区内地磁场各要素变化较为平顺，在主要断裂构造附近无明显转向、幅值弱化或“0”变线分布等异常变化特征。同震时期，宁河—昌黎断裂（F₃）和滦县—乐亭断裂（F₄）基本控制着地磁场异常变化的分布，围绕2条断裂交会处，地磁场变化分布具有明显的差异性。在滦县—乐亭断裂上半段出现地磁场水平矢量方向变化的转向区及幅值变化的弱化区，而在滦县—乐亭断裂下半段地磁场水平矢量方向及幅值变化较为平顺；地磁总强度和地磁偏角也表现出在滦县—乐亭断裂上、下半段出现正、负异常区相间分布的特征。

从震前—同震—震后演化过程来看，与震前相比，震后研究区域的地磁场变化形态呈现出典型的“反向”特征，同震时期地磁场变化处于震前、震后2期变化的过渡形态。主要表现为，水平矢量变化方向具有“从西向东、从北向南”—“北西向”—“从东向西、从南到北”的时空演化过程，且在同震时期水平矢量具有一定的弱化现象。地磁总强度、磁偏角、磁倾角“0”变线的位置在地震前、后基本吻合，但其两侧正、负异常区的位置反置。且地震前后研究区的2期累积变化基本为0，亦表明地震前后该地区的地磁场变化方向相反，且幅度接近，基本相抵。因此，可初步认定为震后该地区的地磁场发生了恢复性的反向调整变化。陈政宇等（2021）基于断层亚失稳模型和岩石学实验结果的研究表明，研究区断层应力的积累和释放可导致地磁场产生相反的变化特征。因此，可以说明研究区地磁场变化形态的“反向”特征与地震前后应力的反向变化有关。

相关研究指出，唐山地区基底破碎地质构造复杂，复杂的断裂结构相互作用会导致应力场变化的非均匀性（杨雅琼等，2016）。构造磁学同时表明，随着构造应力的变化，地壳介质的磁性也会产生变化，从而引起地磁场的变化。同震时期，研究区内地磁场变化的分区性特征，应与宁河—昌黎断裂和滦县—乐亭断裂的相互作用导致应力场变化的非均匀性有关。

本次滦州地震发生于NW向滦州断裂上半段与NE向卢龙断裂形成的闭锁处，相关研究认为唐山区域地壳介质较为破碎，其地壳闭锁段的静摩擦强度较小，不易积累较大地壳应力（王想等，2021）。因此，地震发生时震中区域断裂构造产生较小的应力变化，或许是滦州地震同震地磁场异常变化较小的主要原因。

4 结论

利用滦州地震前后16 d内流动地磁重复测点观测资料，分析了滦州地震引起的地磁场同震变化，并追加计算了滦州地震发生前1期和地震发生后1期的地磁场变化，对比分析了有震和无震情况下地磁场变化与研究区内断裂构造关系。

（1）滦州地震地磁场同震变化总体较小，这可能与震中区域地壳介质较为破碎，不易积累较大地壳应力有关。震中位于地磁场水平矢量方向变化的转向区及幅值变化的弱化区，并在震中附近分布有地磁总强度、地磁偏角、地磁倾角的“0”变线。

（2）从地磁场变化及断裂构造分布来看，同震时期地磁场变化与构造关系较为密切，在地震前和地震后地磁场变化受断裂构造影响不大。同震时期，宁河—昌黎断裂和滦县—乐亭断裂基本控制着地磁场异常变化的分布，围绕2条断裂交会处，地磁场变化分布具有明显的差异性，可能与宁河—昌黎断裂和滦县—乐亭断裂的相互作用导致应力场变化的非均匀性有关。

文中使用了国家地磁台网中心的地磁观测数据和中国地震局流动地磁观测技术团队的数据结果，在此一并表示感谢。