0 引言

地磁场是由主磁场、变化磁场、感应磁场和岩石圈磁场组成的（徐文耀，2009）。其中，岩石圈磁场是地磁场的一个重要组成部分，其变化受构造地质环境、温度与应力等因素的影响。19世纪，科学家即开始关注地磁场与地震的有关变化，而我国应用地磁信息开展地震前兆观测与地震预测的实践则始于1966年邢台M_S 6.8地震后（郝锦绮等，1989）。在多年研究探索中，一些学者发现，应力扰动引起了磁场变化的压磁效应（Bhattacharyya et al，1964）；郝锦绮等（1992）发现，通过岩石样品进行单轴压力实验，在恒载结束、应力降至零后的最初阶段，剩磁及应变亦仍有变化“岩石流变磁效应”等理论，并将其用于解释震前地磁场异常变化；祁贵仲（1978）提出，震源区由于岩石介质微破裂、膨胀液体扩散引起地磁场变化设想的“膨胀”磁效应。随着观测数据的不断积累，很多学者对震兆异常展开研究，如：倪喆等（2014）在分析芦山M_S 7.0地震前岩石圈地磁总强度发生变化，震中位于地磁总强度的零值线附近；倪喆（2014）得出洱源M_S 5.5地震震中位于正值高梯度带的边缘；张娜等（2020）对河北永清M_S 4.8地震前岩石圈磁场进行分析，发现该地区岩石圈磁场在震前异常特征表现突出，F、D、Z、I四个地磁要素同时出现异常。

唐山地区地质构造复杂，本区基底破碎，被多组NE向、NW向断裂切割（刘亢等，2015；王想等，2021）。自2019年12月5日河北丰南M_S 4.5地震发生，该区3级地震平静超7个月，后被2020年7月12日唐山古冶M_S 5.1地震打破。笔者针对唐山地区2次显著地震进行岩石圈磁场震兆异常分析，以便为今后河北及邻近地区岩石圈磁场异常判断提供可靠依据。

1 古冶M_S 5.1地震研究背景

唐山地区位于张家口—渤海地震带（下文简称张渤地震带）和河北平原地震带交会部位。张渤地震带西起晋冀蒙交界，向东南延伸至渤海；河北平原地震带自滦州市向西南延伸至河南新乡，长达600 km，宽数十千米（王想等，2021），位于京津冀地区，是大华北地区地震多发区。

2019年12月5日河北丰南发生M_S 4.5地震，此后唐山地区3级地震活动进入平静，7个月后，于2020年7月12日在唐山古冶发生M_S 5.1地震，京、津、冀震感明显，社会公众反应强烈（王想等，2021）。此次地震的发生，打破了自2006年文安M_S 5.1地震发生以来河北及邻近地区5级地震长达15年的平静。丰南M_S 4.5、唐山古冶M_S 5.1地震均发生在唐山地区中部（图 1），震中位置相距约40 km，且均位于NE向唐山—古冶断裂与滦县—乐亭断裂交而不会区域，2次地震的发生可能具有一定相关性。

选取中国地震台网2014—2020年河北及邻近地区（113°—120°E，36°—43°N）M_S 4.0以上地震，及河北及邻近地区2019—2020年流动地磁观测数据，即2019年3月28日—4月26日、2019年8月2日—9月27日、2020年4月2日—5月4日、2020年8月18日—10月4日共4期流动地磁观测数据，对2次中强地震发生前后岩石圈磁场变化特征进行分析。

2 监测区流动地磁测网及数据处理

从2009年开始，多家测量单位联合在全国多地区持续开展了大规模流动地磁矢量测量工作，积累了丰富的观测资料（苏树朋等，2017）。大华北流动地磁监测区覆盖河北、辽宁、内蒙古、山西等地区，开展地磁矢量监测和地磁总场F监测，其中地磁矢量测网有156个测点，地磁总场F测点共85个（冀鲁豫地磁总强度加密区35个测点、晋冀蒙地区50个测点）。文中以河北及邻近地区流磁测网监测区为研究区，研究区位于大华北测区东部，区内流动地磁矢量测点120个、地磁总场强度F测点75个。选取2019—2020年，即2019年3月28日—4月26日、2019年8月2日—9月27日、2020年4月2日—5月4日、2020年8月18日—10月4日共4期流动地磁观测数据，基于岩石圈磁场变化模型，对相隔2期数据进行计算及异常分析。其中2019年4—9月流动地磁监测区矢量变化图件绘制共采用145个地磁矢量测点数据，2019年9月—2020年5月流动地磁监测区矢量变化图件绘制共采用74个地磁矢量测点数据，2020年5—10月流动地磁监测区矢量变化图件绘制共采用123个地磁矢量测点数据（图 2），得到3期流动地磁矢量变化图。另外，4期流动地磁观测数据异常分析处理需要进行各测点地磁日变通化，需要选取磁日变通化零日，即观测周期内磁情变化相对最平静日，4期地磁日变通化零日分别选择：2019年4月16日、2019年8月25日、2020年4月19日、2020年9月17日。

地磁数据处理流程如下：①采用苏树朋等（2017）“地磁台网泰勒多项式空间参考场”方法，利用测点周边地磁台网连续观测分钟值采样数据，对野外流动观测数据进行日变通化改正，以消除流动地磁观测数据中所包含的地磁场日变化；②采用NOC长期变模型，对日变通化改正观测数据集进行长期变化通化改正；③对前后2期长期变化通化改正数据进行差值计算，获取测区岩石圈磁场变化数据集；④对地磁矢量资料处理结果应用曲面样条方法进行空间插值，计算磁场变化H矢量要素和Z矢量，获取监测区岩石圈磁场各要素变化量的空间分布图像（苏树朋等，2017）。

3 河北及邻近地区岩石圈磁场中强地震震兆异常

在地震孕育和发生过程中，由于压磁效应、热磁效应等原因，震源区及周围地区的岩石圈磁场可能发生快速变化（刘亢等，2015），为研究河北及邻近地区（113° —120°E，36° —43°N）中强地震震兆异常提供了依据。

选取中国地震台网2014年1月—2020年12月河北及邻近地区7次M_S≥4.0地震，分析震中附近岩石圈磁场震兆异常特征，结果见表 1，可知：研究区M_S≥4.0地震震中主要分布在几个常见特殊位置：矢量方向转向、0值线附近高梯级带、0值线附近（0值线两侧约50 km范围内）、高梯级带（等值线分布相对密集）位置；6个震例具备岩石圈磁场4个要素（H矢量、F、D、Z要素）震兆位置特征，仅2014年9月16日河北涿鹿M_S 4.3地震震兆异常位置特征不明显，但概率高达85.71%，值得参考。

就4个常见特殊震兆异常位置进行发震概率统计，结果见表 2。由表 2可知，在研究区H矢量、F、D、Z要素岩石圈磁场震兆异常特征位置中：①H矢量：7个震例均出现H矢量方向转向；②F要素：3个特征位置表现比较平均；③D要素：0值线附近高梯级带特征显著；④Z要素：表现为0值线附近高梯级带及0值线附近未出现高梯度带特征。

4 古冶M_S 5.1地震岩石圈磁场地磁要素异常变化特征

2006年文安M_S 5.1地震发生后，河北及邻近地区5级以上地震平静长达15年，2020年7月12日6时38分在河北唐山市古冶区发生M_S 5.1地震，地震平静被打破。为进一步分析古冶M_S 5.1地震发生前后岩石圈磁场异常特征，选取发震前后约半年、震中40 km范围内4级以上地震，即2019年12月5日河北唐山丰南M_S 4.5地震进行共同研究。

在直角坐标系中，总强度F、磁偏角D、磁倾角I、水平分量H、东向分量Y、北向分量X和垂直分量Z称之为地磁场7要素。而水平矢量是东向与北向分量的合成，其变化与发震位置有较好的对应关系（倪喆等，2014）。D、I、F要素由野外流动地磁矢量观测所得，H、Y、X、Z要素可计算获得。其中水平矢量H计算公式如下

$ H=\sqrt{F^2-(F \sin I)^2} $

(1)

由表 1、表 2可知，研究区M_S≥4.0地震地磁异常主要发生在：①矢量方向转向位置；②0值线附近高梯级带位置；③0值线附近位置及高梯度带位置。因此，选取2019年6月—2020年9月地磁H矢量、F、D三个要素数据，系统分析3个要素在丰南M_S 4.5、古冶M_S 5.1地震发生前后异常特征。

4.1 H矢量要素异常分析

选取2019年6月—2020年9月地磁观测数据，计算并分析H矢量在2次地震前后异常分布特征。以1 nT为间隔，绘制监测区岩石圈H矢量要素变化等值线，异常区域以绿色框型和椭圆形标注，结果见图 3。

由图 3(a)可见，2019年6—9月，地磁H矢量要素在河北地区分布整体较散乱，矢量幅值明显弱化，并呈现分区特征，共出现3个异常特征变化地区（图中绿色区域），分别为晋冀蒙交界地区、晋冀交界地区及唐山地区。H矢量分布特征具体表现为：在河北北部张家口、承德地区，H矢量变化以近NS向为主、幅值相对较大；在河北中部保定、廊坊等平原地区，H矢量变化方向杂乱、幅值较小；在河北南部邢台、邯郸等地区，H矢量变化以近EW向为主、幅值较小；在唐山地区，H矢量变化方向出现转向，异常特征明显，后于2019年12月发生唐山丰南M_S 4.5地震。

由图 3(b)可见，2019年12月丰南M_S 4.5地震发生前后，地磁H矢量在河北地区矢量大小与方向整体分布比较散乱，空间上连续性和一致性较差，出现3个异常特征地区（图中绿色区域），分别为晋冀蒙交界地区、邢邯地区、唐山地区。其中，唐山地区H矢量未因丰南地震发生出现异常特征弱化现象，反而呈方向散乱、转折变化，且存在幅值明显弱化等多种异常特征，后于2020年7月发生唐山古冶M_S 5.1地震。

由图 3(c)可见，2020年7月古冶M_S 5.1地震发生前后，地磁H矢量整体趋势性变化较弱，分布形态散乱、幅值较小，在不同地区差异较大，呈局部弱化、方向分化与扭转现象，共出现3个异常特征变化地区，分别为晋冀交界地区、邢邯地区、唐山地区。其中，唐山地区地磁H矢量出现幅值弱化、方向转折现象。

4.2 F要素异常分析

选取2019年6月—2020年9月地磁观测数据，分析F要素在2次地震前后异常分布特征。以1 nT为间隔，绘制监测区岩石圈F要素变化等值线，异常区域以绿色框型和椭圆形标注，结果见图 4。

由图 4(a)可见，2019年6—9月，在河北地区地磁F要素变化幅值在-8— +1 nT，基本表现为负异常。地磁场变化总体较为平稳，仅在河北省西北部及南部地区出现较高梯度带，共出现3个异常特征变化地区，分别为晋冀蒙交界地区、晋冀交界地区、唐山地区。其中，唐山地区位置处于负异常高值区，后于2019年12月发生唐山丰南M_S 4.5地震。

由图 4(b)可见，2019年12月丰南M_S 4.5地震发生前后，地磁F值变化幅值总体在-5—+3 nT，河北省北部地区幅值略高于南部地区，共出现3个异常特征地区，分别为晋冀蒙交界地区、邢邯地区、唐山地区。在河北省区域内，地磁F值正、负异常分布形态较为连续，其中部条形正异常介于东西两侧负异常之间，且中部北边出现显著梯级带。其中，唐山地区异常位置均有0值线通过，后于2020年7月发生唐山古冶M_S 5.1地震。

由图 4(c)可见，2020年7月古冶M_S 5.1地震发生前后，河北省区域地磁F要素变化整体以负值为主，但幅值较小，且变化较为平稳，幅值在-3— +4 nT，共出现3个异常特征变化地区，分别为晋冀交界地区、邢邯地区、唐山地区。其中，唐山地区与其他地区不同，其地磁F要素变化幅值呈正值，并伴有0值线穿过。

4.3 D要素异常分析

选取2019年6月—2020年9月地磁观测数据，分析D要素在2次地震前后异常分布特征。以0.25′为间隔，绘制监测区岩石圈D要素变化等值线，异常区域以绿色框型和椭圆形标注，结果见图 5。

由图 5(a)可见，2019年6—9月，在河北省区域内，D要素呈正异常、负异常相间分布特征，在河北西南部及东北部地区分布正异常条带，中部地区出现负异常条带，变化幅值在-0.75′— +1′。在正、负异常区交会处的0值线附近，集中出现多处磁场变化高梯度带。研究区共出现3个异常特征变化区域，分别为晋冀蒙交界地区、晋冀交界地区、唐山地区。其中，唐山异常区地处地磁D要素变化高梯度带，并伴有0值线通过，后于2019年12月发生唐山丰南M_S 4.5地震。

由图 5(b)可见，2019年12月丰南M_S 4.5地震发生前后，在河北省区域内，地磁D要素等值线分布较为均匀，正负异常区分布较为零散，其中较明显的梯级带主要位于异常高值区和0值线附近，幅值变化在-0.5′— +0.75′。研究区共出现3个异常特征变化区域，分别为晋冀交界地区、邢邯地区、唐山地区。其中，唐山异常区有0值线通过，后于2020年7月发生唐山古冶M_S 5.1地震。

由图 5(c)可见，2020年7月古冶M_S 5.1地震发生前后，在河北省区域内，地磁D要素变化空间分布整体性较差，正值与负值散乱分布，幅值变化在-0.7′— +0.7′。河北省南部地区以负值为主，北部为正、负值相间分布，且在正、负异常区交会处0值线附近集中出现多处磁场变化高梯度带。研究区共出现3个异常特征变化区域，分别为晋冀交界地区、邢邯地区、唐山地区。其中，唐山异常区有0值线及高梯级带出现。

5 结论与讨论

依据河北及邻近地区中强地震岩石圈磁场的震兆异常空间位置分布特征，对2020年7月河北古冶M_S 5.1典型震例的岩石圈磁场H、F、D三要素进行异常分析，得出：

（1）河北及邻近地区大部分4级上地震的岩石圈磁场震兆异常位置表现明确，其中0值线附近高梯级带、0值线附近2个特征表现突出，特别是H矢量要素的震兆异常位置均出现矢量方向转向，这些位置均为中强以上地震高发部位。

（2）河北及邻近地区大部分4级上地震一般发生在岩石圈磁场各地磁要素综合异常叠加区域，且异常出现后6个月内有发震可能。

（3）对于此次古冶M_S 5.1地震，在4个特殊位置中有3个符合河北及邻近地区中强地震岩石圈磁场震兆异常空间位置特征，概率达75%。

（4）2019年12月丰南M_S 4.5地震发生后，唐山地区岩石圈磁场的3个地磁要素异常特征未弱化，反而出现增强。该地区异常特征持续，继而于2020年7月发生古冶M_S 5.1地震。

（5）当测网网格距离规划合理、数据处理正确，岩石圈磁场测网对测区内4级以上中强地震震发生前的磁场异常变化具有潜在监测能力。

（6）由于岩石圈磁场野外测量工作时间长，2期测量时间间隔半年，因此岩石圈磁场异常只作为背景性异常进行参考。

唐山及邻近地区M_S 4.0及以上地震发生前，震兆异常均出现岩石圈磁场异常位置特征。当异常位置表现为矢量方向转向、0值线附近、0值线附近高梯级带特征，需要注意该区M_S 4.0及以上地震发生的可能。此次研究仅针对河北唐山地区4级及以上地震进行系统分析，不代表河北省其他区域岩石圈地磁场异常有同样特征。为获取河北及邻区地震异常特征，需增加震例、加大研究范围继续研究。